CC BY
50
УДК 69.934.92
Е. М. Бабич, Й.-П. Ревинкель, С. В. Филипчук
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕТРОВОЙ НАГРУЗКИ НА ПОКРЫТИЕ СТАДИОНА В Г. МАГДЕБУРГЕ
UDC 69.934.92
Y. M. Babich, J.-P. Rewinkel, S. V. Filipchyk
AN EXPERIMENTAL DETERMINATION OF THE WIND LOAD ACTING ON THE ROOF STRUCTURE OF THE MAGDEBURG STADIUM
Аннотация
Приведены результаты экспериментальных исследований модели стадиона в г. Магдебурге в аэродинамической трубе. Определена действительная ветровая нагрузка на покрытие и фасадные стены стадиона. Выявлен характер распределения ветровой нагрузки по поверхности покрытия трибун.
Ключевые слова:
аэродинамическая труба, турбулентность, ветровая нагрузка.
Abstract
The paper presents the results of the experimental investigations of the model of the Magdeburg stadium performed in the wind tunnel. The actual wind load on the roof structure and facade walls of the stadium has been found. The character of the distribution of wind load on the surface of the covering of stands has been determined.
Key words:
wind tunnel, turbulence, wind load.
В г. Магдебурге (ФРГ) в связи с увеличением количества проведения спортивных соревнований и привлечением населения к физической культуре старый стадион перестал удовлетворять потребностям и в 2005 г. был снесен. На его месте возведен новый стадион, рассчитанный на 27 тысяч зрителей (22350 сидячих и 4800 стоячих мест, 60 мест для людей с физическими недостатками, бизнес-места и места для прессы).
Новый стадион прямоугольный, в плане имеет размеры 174*138 м и максимальную высоту примерно 22 м. В горизонтальной проекции - это четырехугольник со срезанными углами. По сути, стадион состоит из двух эксплуатационных секторов. Большая часть -
так называемый «холодный» сектор для зрителей, который расположен вокруг центральной части. Четырехэтажный «теплый» сектор построен в форме массивного здания с размерами в плане 42*26 м и высотой 15,7 м. Для строительства стадиона использованы в основном металлические (профильный прокат, трубы различного диаметра) и железобетонные конструкции.
При проектировании нового стадиона возник ряд сложных вопросов и, в первую очередь, выбор конструктивной пространственной системы, которая бы обеспечивала функциональное назначение стадиона и необходимую надежность в процессе эксплуатации. Важным вопросом было определение реальных нагрузок на конструкцию по-
© Бабич Е. М., Ревинкель Й.-П., Филипчук С. В., 2014
крытия трибун.
Для получения реальных ветровых нагрузок с учетом объемно-планировочных особенностей сооружения проведены опыты обдува модели стадиона в аэродинамической трубе. Модель стадиона была выполнена в масштабе М = 1:250 в основном из латуни и органического стекла.
Шесть вентиляторов нагнетали воздух в предкамеру, которая присоединялась непосредственно к каналу, длина которого составляла 6800 мм
(рис. 1). С предкамеры через форсунки воздух поступал в канал (трубу), приобретая ускорение. Длина трубы разделялась на отдельные поля (камеры Б). Рабочая часть имела ширину 1,78 м, высоту 0,9 м и длину 2 м. На основе воздушного канала были устроены неравенства, которые регулировали в соответствии с профилем граничного слоя ветра. Для исследований была выбрана ситуация обдува согласно пригородным схемам застройки с показателем ар = 0,2.
Рис. 1. Схема аэродинамической трубы
Модель стадиона размещалась на измерительной площадке - поворотном столе, который располагался в измерительной камере аэродинамической трубы (см. рис. 1). Поскольку стол вращался, то угол обдува меняли от 0 до 360° (стол вращался в направлении обдува). Поток обдува под углом 0° отвечал направлению ветра с севера, а под углом 90° - с востока. В исследованиях был смоделирован атмосферный поток в масштабе Mw = 1:300. Масштабы модели и турбулентности с достаточной точностью совпадали. Общий вид аэродинамической трубы с расположенной в ней моделью стадиона приведен на рис. 2.
Основным требованием к аэродинамической трубе является создание в
ней воздушных потоков, которые бы достоверно моделировали ее в естественной среде. Очередное требование -моделирование профиля скорости по высоте. Как видно из рис. 3, характер распределения скорости воздуха по высоте трубы идентичен характеру распределения в природных условиях, которое рекомендует Еврокод ЕС1. На высоте 5 см скорость составляла в среднем 9 м/с, при увеличении высоты до 10 см скорость возросла до 11 м/с (на 22 %). При большей высоте интенсивность роста скорости уменьшается. Так, при высоте Ь = 15 см средняя скорость составила 12,2 м/с (увеличение на 10,9 %).
Рис. 2. Общий вид испытания модели здания стадиона в воздушном канале (аэродинамической
трубе)
На рис. 3 показано изменение средней скорости воздушного потока по высоте аэродинамической трубы, которую можно описать зависимостью
и = 4,728И°,361.
Важно то, чтобы профиль интенсивности продольных колебаний скорости в аэродинамической трубе совпадал с таким же профилем в окружающей среде. Такое совпадение в данном случае подтверждается экспериментальными исследованиями (рис. 4). Уровень турбулентности Ти на высоте 0,8 см составлял около 47 % , а затем уменьшался и на высоте 5 см составлял 30 %. На большей высоте значение Ти находилось в пределах 20...26 %. Это подтверждает справедливость принятия в исследованиях показателя застройки, равного ар = 0,2.
Аэродинамическая модель здания представляла собой вертикальную поверхность с прорезями по периметру высотой 500 мм, состоящую из наклон-
ных плоскостей покрытия трибун и внешних поверхностей трибун для зрителей (рис. 5). Такие проемы имеют положительный эффект при ветровых нагрузках: уменьшают ветровую нагрузку в связи с выравниванием давления между покрытием (крышей) и нижней его частью. Негативный эффект при ветровых штормах со стороны конька покрытия не наблюдается, т. к. противоположно расположенная конструкция покрытия дальше ускоряет этот ветер и поэтому не происходит никаких существенных ветровых воздействий.
Распределение давления по поверхности покрытия измерялось двумя типами модулей - квадратными и в форме треугольников. Модули монтировались в разных позициях на покрытии. Для определения ветрового давления на фасад в верхней части галереи было установлено еще два дополнительных модуля на разных его участках (рис. 6).
20
А М/С
и 10
____—1 >
и=< 4,728Ь0'361
♦
»
5 10 15 20 25 30 35 см 45
Ь->
Рис. 3. Распределение скорости воздушного потока по высоте аэродинамической трубы
; 1
■ *
■ , м »4 т ¿^щ я * К
- 1 * - ■ Фф _
* »
* 4 » а ЧШ ц : ■
Рис. 4. Распределение показателя турбулентности Ти по высоте аэродинамической трубы
Рис. 5. Схема аэродинамической модели здания стадиона (в разрезе)
Рис. 6. Схема расположения измерительных модулей: МБ01, МБ02, МБ03, МБ04 - прямоугольные модули на покрытии трибун; МЕ01 - угловой модуль на покрытии; МБ01, МБ02, МБ03, МБ04 - прямоугольные модули на фасаде
В каждом модуле выбирались точки измерения ветрового давления, в которых размещали металлические трубки из нержавеющей стали (внутренний диаметр составлял 1 мм), торцы которых находились на одном уровне с по-
верхностью. На трубки изнутри надевались пластмассовые шланги с внутренним диаметром 1 мм, которые помещались в модель через отверстие во вращающемся столе и соединялись через пьезоэлектрический датчик со встроен-
ным усилителем. Распределение воздушного давления было измерено всего в 217 точках.
Сигналы с датчиков записывали одновременно и с помощью карты «сэмпл-холд» они превращались в цифровые сигналы и хранились в компьютере. По принятой технологии сдвига фаз между сигналами давления не происходило. Выбранная система измерения позволила при реальном размере сооружения рассчитывать на ожидаемые колебания воздушной нагрузки, основанные на исследованиях в воздушном канале. Распределение давления измерялось для восьми направлений ветра (0, 45, 90, 135, 180, 225, 270, 315°). Сбор данных из скважин осуществляли с помощью компьютерной техники. Время реагирования для отдельных точек измерения избиралось таким образом, чтобы возникла стабильная средняя величина, которая достигалась примерно после 2 с измерительного времени.
Измерительная цепочка - нагнетательные скважины, измерительный шланг, переключатель мест измерения, преобразователь давления - является системой, способной к колебаниям. Поскольку давление воздуха переменное, характер частот должен соответствовать измерительной цепочке, чтобы со временем меняющееся давление могло передаваться согласно амплитуде. Поведение частоты измерительной цепочки оптимизируется, по данным Холмеса, Льюиса и Кноха, через выбор длины цепочки. В нашем случае оказалось, что при частоте колебаний давления п ~ 100 Гц соотношение амплитуд составляет Лте88/Л1а18асЫ1сЬ < 1 + 0,18 (Лте88 -измеренная амплитуда; Л^^ыкь - настоящая амплитуда). Из предыдущих исследований известно, что для выбранного масштаба модели и при скорости ветра в воздушном канале вне пограничного слоя И» = 24 м/с возникают
значительные колебания давления лишь при частоте n < 100 Гц. Система измерений дает таким образом возможность при реальном размере сооружения рассчитывать на ожидаемые колебания ветровой нагрузки, основанные на исследованиях в воздушном канале.
Эксперименты проводились в аэродинамической трубе, где создавалось большое количество крайних задуваний. При каждом отдельном ветровом шторме (потоке задувания) измерялось давление ветра на поверхности покрытия и выполнялся его статистический анализ. Для обработки измерений воздушной нагрузки на покрытие трибун и на стены был использован квазистатический метод в соответствии с DIN 1055-4. Наряду с обычным среднеарифметическим по времени значением фиксировались также крайние давления (максимальное и минимальное). Использовались различные точки на поверхности покрытия, которые позволили получить средний коэффициент давления, а также максимальные и минимальные крайние коэффициенты.
Как видно из рис. 7, для покрытия северной трибуны на расстоянии от конька x/L = 0,02 (L - ширина покрытия) с внешней стороны покрытия максимальное (положительное) значение коэффициента давления составило 0,04. При увеличении отношения x/L этот коэффициент несколько увеличивался до 0,21, а затем постепенно уменьшился до 0,03 (при x/L = 0,92). Минимальные (отрицательные) значения коэффициента да в л ения практически по всей ширине от гребня по абсолютной величине увеличивались от -0,24 (при x/L = 0,02) до -1,2 (при x/L = 0,92). Средние значения коэффициента давления до x/L = 0,4 практически не менялись, после этого увеличились от -0,09 до -0,42.
а)
0,8 0,4 0
-0,4 -0,8 -1,2
б)
0,8 0,4 О
Ср
-0/8 -1,2
——— --------- ♦
ш
" А — 2 - *
ч ч ч ч ч --А-1
0,2
0,4 0.6 х/Ь-
0.8
1,0
-- ч ч >ч ч ч»
♦ Ч , —----* -----*
У* ✓ / 2
У ж-
О
0,2
0,4
х/Ь
0,6 —
0,8
1,0
Рис. 7. Изменение аэродинамического коэффициента ветрового давления в зависимости от координат его измерения: а - над покрытием; б - под покрытием; 1 - максимальные значения; 2 - минимальные значения; 3 - средние значения
На внутренней поверхности покрытия (со стороны трибун) наблюдается плавное изменение максимальных и минимальных значений коэффициента ветрового давления. При значении х/Ь = 0,04 максимальное значение составило 0,8, а минимальное -0,93. В середине ширины покрытия (х/Ь = 0,48) эти значения уменьшились соответственно до 0,18 и -0,34. После х/Ь = 0,48 значения коэффициентов практически стабилизировались и при х/Ь = 0,92 они были равными 0,03 и -0,33. Средние значения коэффициентов ветрового давления со стороны трибун менялись незначительно и находились в пределах
от -0,05 до -0,11. Такое распределение давления по поверхности покрытия имеет место и для центральной и восточной трибун. Характеристика по с р е днему времени распределения давления в значительной степени отражает распределение максимальных и минимальных крайних давлений. Нужно отметить, что экстремальные значения в некоторых точках несимметрично распределяются. Особенно это касается передних и задних краев покрытия трибун в так называемых «оторванных точках» потока, где намечается тенденция к снижению давления, чем превышение предела. В то же время при кратковре-
менном воздействии существуют зоны, в которых наблюдается незначительное давление. Подобные эффекты необходимо учитывать в расчетах ветровых нагрузок.
Анализ значений измерения давления показывает, что наибольшие нагрузки (приток ветра) имеют место при направлении ветра перпендикулярно к карнизу. При направлении ветра перпендикулярно продольной оси возни-
кают ветровые нагрузки на наветренную и подветренную длину покрытия. Ветровые нагрузки на покрытие определялись как сумма давления над покрытием и под покрытием.
При действии ветра перпендикулярно продольной оси здания стадиона в западном направлении самое ветровое давление наблюдается в карнизной зоне А (рис. 8, табл. 1).
Табл. 1. Ветровые нагрузки на покрытие трибун при воздействии ветра в западном направлении
Зона покрытия Л Б С Б Е Б
Ветровая нагрузка wв,res, кН/м2 -0,70 -0,60 -0,25 -0,10 -0,40 -0,20
Рис. 8. Максимальные результирующие ветровые нагрузки на покрытие трибун
На карнизном участке А шириной 3,6 м определено самое ветровое давление = -0,70 кН/м2, на участках Б и С шириной по 12 м - соответственно 0,60 и 0,25 кН/м2. У гребня (участок Е шириной 4 м) давление существенно уменьшилось и составило wв,res = -0,10 кН/м2. На покрытии противоположной продольной трибуны возникает также существенное ветровое давление. На участке возле гребня Е шириной 5 м оно составило
wв,res = -0,40 кН/м , а на большинстве поверхности wв,res = -0,2 кН/м2. Во всех случаях давление является отсасывающим, т. е. действует в направлении от трибун.
Анализ измерений давления показывает, что наибольшие нагрузки возникают при обдуве, направленном перпендикулярно канту или к гребню. На рис. 9 представлены характерные зоны распределения ветровой нагрузки, когда
ветер направлен перпендикулярно к оси длины ^1) и перпендикулярно к коротким сторонам здания (соответственно W2 и W3). Ожидаемые суммарные ветровые нагрузки wв,res в характерных зонах отражены в табл. 2 (без учета коэффициента надежности по нагрузке).
Приведенные в табл. 2 нагрузки -это нагрузки с учетом верхнего и ниж-
него воздушного давления. За исключением узкой полосы внешнего канта, данные воздушные нагрузки относительно невысокие. Причиной этого является тот факт, что на нижней поверхности покрытия трибун нижнее давление устанавливается согласно коэффициенту разрежения -0,15.
Рис. 9. Направления ветровых потоков и зоны их влияния на несущие конструкции покрытия трибун стадиона: W1, W2, W3 - направления воздушного потока (ветра); Л, в, С, Б, Е, Б - зоны поверхности покрытия трибун
Табл. 2. Максимальная суммарная ветровая нагрузка на покрытие трибун стадиона
Зона покрытия Ветровая нагрузка wв,res, кПа, при направлении ветра
W1 W2 W3
Л -0,70 -0,70 -0,70
в -0,60 -0,60 -0,55
С -0,25 -0,35 -0,30
Б -0,10 -0,20 -0,20
Е -0,40 -0,25 -0,45
Б -0,20 - -0,35
Наветренные стороны покрытия показывают, что уменьшение давления происходит в направлении к игровому полю. Воздушные нагрузки подветрен-
ной стороны, наоборот, почти постоянны. Причина этого заключается в том, что ненамного большее разрежение в верхней части в области канта обдува
компенсируется большим разрежением в нижней. Давление в нижней и верхней частях увеличивается до внешней стороны, а коэффициент остается почти постоянным. В области угла (клина) поток ветра идет перпендикулярно водосточному желобу, что вызывает более воздушные нагрузки. На краю покрытия имеет место повышенная воздушная нагрузка ^в,ге8 = -0,7 кПа), на другой поверхности она уменьшается.
При направлении воздушного потока параллельно коньку и в водосточном желобе поверхности покрытия подсос оказался почти постоянным и равным = -0,3 кПа.
Использованная конструкция аэродинамической трубы по своим характеристикам (распределение давления по высоте, показатели турбулентности) со-
ответствует характеристике ветровых потоков в реальной окружающей среде для выбранного сооружения.
Исследования строения стадиона в аэродинамической трубе позволили определить действительную ветровую нагрузку на покрытие и фасадные стены стадиона. Выявлен характер распределения ветровой нагрузки по поверхности покрытия трибун.
Действительно, ветровая нагрузка на фасадные стены оказалась на 10 % меньше нагрузки, предусмотренной DIN 1055-4: 2005-03.
Установлены значения аэродинамических коэффициентов для ветровых нагрузок на поверхность покрытия, которые могут быть рекомендованы к учету при корректировке нормативных документов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ревинкель, Й.-П. Конструктивные решения покрытия трибун стадиона в городе Магдебурге (ФРГ) / Й.-П. Ревинкель // Ресурсосберегающие материалы, конструкции, здания и сооружения : сб. науч. тр. - М. : НУВХП, 2010. - Вып. 20. - С. 408-413.
2. Ревинкель, Й.-П. Экспериментальное определение ветровых нагрузок на конструкции покрытия трибун стадиона / Й.-П. Ревинкель // Ресурсосберегающие материалы, конструкции, здания и сооружения : сб. науч. тр. - М. : НУВХП, 2011. - Вып. 21. - С. 525-531.
3. Ревинкель, Й.-П. Методика испытания модели рамно-ферменной конструкции покрытия трибун стадионов / Й.-П. Ревинкель, С. В. Филипчук // Ресурсосберегающие материалы, конструкции, здания и сооружения : сб. науч. тр. - М. : НУВХП, 2011. - Вып. 22. - С. 716-721.
4. Кузнецов, С. Г. Определение ветровых нагрузок на конструкции покрытий над трибунами стадионов / С. Г. Кузнецов, О. С. Мишура // Мютобудування та територiальне планування. - 2011. - № 40. -Ч. I. - С. 562-569.
5. ДБН В.1.2-2:2006. Навантаження i впливи. Норми проектування. - Кив : Мшбуд Украши, 2006. - 75 с.
6. E-DIN 1055. Einwirkungen auf Tragwerge. Teil 4 : Windlasten, Norm-Entwurd. - 2002.
Статья сдана в редакцию 13 января 2014 года
Евгений Михайлович Бабич, д-р техн. наук, проф., Национальный университет водного хозяйства и природопользования.
Йорг Петер Ревинкель, Национальный университет водного хозяйства и природопользования. Сергей Викторович Филипчук, канд. техн. наук, Национальный университет водного хозяйства и природопользования.
Yevgeny Mikhailovich Babich, DSc (Engineering), Prof. National University of Water Management and Nature Resources Use.
Yorg Йорг Peter Rewinkel, National University of Water Management and Nature Resources Use.
Sergey Viktorovich Filipchyk, PhD (Engineering), National University of Water Management and Nature
Resources Use.
