CC BY
4
УДК 624.042
doi: 10.48612/dnitii/2024_53_72-85
КОНЦЕПЦИЯ ЦИФРОВОГО ДВОЙНИКА КОНСТРУКЦИЙ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДИКИ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ АЭРОДИНАМИКИ И ДИНАМИЧЕСКОГО ОТКЛИКА
С. Г. Саиян * / ** / ***
* Научно-образовательный центр компьютерного моделирования им. А. Б. Золотова (НИУ МГСУ), г. Москва
** Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), г. Москва
*** Институт проблем механики им. А. Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН), г. Москва
Аннотация
Одним из направлений цифровизации строительной отрасли является цифровой двойник зданий и сооружений. Цифровой двойник —это математическая модель (чаще всего компьютерная), представляющая собой виртуальный аналог реального объекта, отражающий наиболее ключевые характеристики и динамически воспроизводящий его состояние при различных сочетаниях внешних или внутренних условий. Наиболее важным свойством для цифровой модели объекта строительства является корректное отображение физического объекта, а также внешних воздействий. Наибольшую сложность вызывает описание ветрового воздействия, которое является, пожалуй, важнейшим фактором для механической безопасности высотных зданий и сооружений. Большинство цифровых двойников не учитывают в своих моделях реальное ветровое воздействие, которое зависит от множества факторов, к которым относят: окружающую застройку, рельеф местности, экранирование территории посредством зеленых насаждений и различных конструкций. Предлагается усовершенствовать системы цифровых
двойников, посредством структуры, состоящей из трех блоков: карты ветрового микрорайонирования, предварительного численного моделирования аэродинамики и динамического отклика, а также существующей системы мониторинга, что позволит полноценно воссоздать цифровую математическую модель объекта. Назначением цифрового двойника является: диагностика состояния конструкций и её структурных изменений, а также прогнозирование остаточного ресурса. Карта ветрового микрорайонирования необходима для отслеживания скорости ветра на метеостанции и определения его расчетных значений в зоне объекта (посредством CFD-моделирования) с возможностью определения максимального динамического отклика соо-
Ключевые слова
Цифровой двойник, высотные здания, механическая безопасность, численное моделирование, аэродинамика, ветровые воздействия, ветровое микрорайонирование, CFD-моделирование, динамический отклик, городская застройка, коэффициент усиления ветра.
Дата поступления в редакцию
22.12.2024
Дата принятия к печати
24.12.2024
ружения (посредством конечно-элементного анализа), избавляя от необходимости мониторинга скоростей-ветра непосредственно на объекте. Определение коэффициентов усиления ветра и углов сдвига розы ветров позволяет скорректировать показания метеостанций в условиях городской застройки, и определить реальную аэродинамическую ситуацию.
Введение
Наряду с сейсмическими воздействиями, ветровые воздействия являются определяющими в вопросах, касающихся механической безопасности зданий и сооружений. С увеличением высотности зданий и сооружений, ветровое воздействие вносит все более существенный вклад в напряженно-деформированное состояние несущих конструкций.
Динамический вклад в напряженно-деформированное состояние становится настолько значительным, что по своей интенсивности может превосходить даже сейсмические воздействия. На рисунке 1 показаны соотношения относительной спектральной плотности мощности и частот (периодов) колебаний к приблизительным интервалам частот собственных колебаний некоторых видов строительных конструкций. Из рисунка видно, что хоть и сейсмическое воздействие является более «мощным», чем ветровое воздействие, однако, реализуется на более высоких частотах колебаний, что покрывает интервал наиболее энергоемкого спектра при частотах, близких к собственным частотам колебаний для нормальных по высоте зданий.
03
г
м О
-I
м
Э СО
га н I
о
<и а
Рис. 1. Сопоставление спектральных плотностей мощности скорости ветра и ускорения грунта с частотами собственных колебаний основных типов сооружений [1, 2]. Ординаты представлены в безразмерной форме; спектр ветра вычислен для у.У10 = 20 м/с и Б щ0 = 2400 м/с2 (где у — коэффициент, учитывающий шероховатость поверхности грунта, и принимаемый обычно в пределах от 0.005 до 0.015); спектр землетрясения соответствует значениям у.а = 0 и Б ^10 = 0.38 м2/с4.
Ветровое воздействие, являясь стохастическим и неустойчивым фактором нагружения, требует тщательного анализа в условиях городской застройки. Существующие нормативные документы и эксперименты в аэродинамических трубах не способны охватить полный спектр реальных ветровых воздействий в условиях городской застройки и базируются, в вопросах назначения ветровых параметров, на данные ветровых карт районирования, представленные в нормативном документе СП20.13330.2016.
0
1
.0 ц
га н
С
га ¡е
<и
I
га и
0
а ^
1
га ^
са с О и а о
< т
2 5
< а
го о
. о
" §
Карта ветрового районирования СП 20.13330.2016 года демонстрирует снижение ветровых районов для ряда регионов по сравнению с редакцией СНиП 2.01.07-85 1985 года. Примерами подобных городов являются Екатеринбург, Барнаул, Пермь, Чебоксары и других крупных городов России. Снижение может быть связано с эффектами экранирования метеостанций, расположенных на застроенных территориях, что приводит к занижению регистрируемых скоростей ветра. На рисунке 2 представлена карта, демонстрирующая изменения ветровых районов по сравнению с предыдущими нормативами.
Рис. 2. Карта ветрового районирования территории Российской Федерации. Сравнение карт СП 20.13330.2016 и СНиП 2.01.07-85: зеленое — значение ветрового района уменьшилось; красное—значение ветрового района увеличилось; фиолетовое—нет информации в СНиП 2.01.07-85 (горные и малоизученные территории); розовое и желтое — без изменения.
Показанные изменения подчеркивают необходимость разработки более детализированных методов, таких как ветровое микрорайонирование, чтобы уточнить данные о ветровых нагрузках и адаптировать их для условий реальной городской застройки.
Для дальнейшего исследования напряженно-деформированного состояния и структурных изменений систем высотных зданий и сооружений, которое будет меняться с течением времени при действии ветровых и иных нагрузок различной интенсивности, необходимо прогнозирование опасных ситуаций, для которых предлагается технология цифрового двойника на базе численного моделирования.
Цифровизация строительной отрасли развивается по многим направлениям. Одним из этих направлений является создание так называемых «цифровых двойников объектов строительства». В концепции строительной отрасли и безопасности зданий и сооружений мы выделяем наиболее значимую проблему, связанную с мониторингом состояния несущих и ограждающих конструкций, прогнозирования ресурса и отслеживания структурных изменений и диагностики состояния конструкций, на основе которого возможно создание цифровой модели объекта.
Цифровой двойник — технология, позволяющая на основе результатов численного моделирования дублировать и воспроизводить реальное состояние зданий и сооружений при различных внешних или
внутренних условиях. По своей сути является математической моделью (чаще всего компьютерной), которая представляет собой виртуальный аналог реального объекта, отражающий наиболее ключевые характеристики. На примере зданий и сооружений виртуальная модель (цифровой двойник) представляет собой некоторый массив обновляемых данных, содержащий как информацию о состоянии элементов здания или сооружения, так и изменение физического состояния здания или сооружения в режиме реального времени. Все это позволит дополнить существующую систему мониторинга и свести их показания к некоторым критериальным оценкам состояния конструкций.
На рисунке 3 представлены некоторые характерные системные модели, представляющие собой цифровые двойники [3 - 7].
03
г
м О
-I
м
Э СО
Рис. 3. Системные модели цифровых двойников [3 - 7]
Большинство цифровых двойников не учитывают в своих моделях реальное ветровое воздействие, которое зависит от множества факторов, к которым относят: окружающую застройку, рельеф местности, экранирование территории посредством зеленых насаждений и различных сооружений и конструкций. Предлагается усовершенствовать системы путем учета реального ветрового воздействия, полученного на основе численного моделирования аэродинамики и динамики сооружений, а также применения уточненных метеоданных. Подобное возможно реализовать только посредством численного моделирования ветровых воздействий на рассматриваемые здания и сооружения. Предлагается методика ветрового микрорайонирования (аналогичная широко уже применяемому микросейсмо-районированию), позволяющей более детально оценивать аэродинамическую ситуацию в условиях городской застройки. Базироваться система ветрового микрорайонирования будет на результатах численного моделирования аэродинамики для городской территории с расчетом «полей коэффициентов усиления ветра» относительно данных метеостанции. Определенцие динамического отклика зданий и сооружений в рамках цифрового двойника проводится на основе прочностного конечно-элементного анализа с использованием суперэлементного подхода.
га н I
о
<и а
0
1
.0 ц
га н
С
га ¡е
<и
I
га и
0
а ^
1
га ^
са с О и а о
< т
2 5
< а
го о
. о
" §
1. Методика численного моделирования аэродинамики и динамического отклика
1.1. Моделирование ветровых нагрузок и воздействий
Расчеты ветровых потоков и воздействий в составе цифрового двойника сводятся в общем случае к численному решению системы трехмерных нестационарных нелинейных уравнений гидрогазодинамики, основанное на уравнениях Навье-Стокса, описывающих движение жидкости или газа. В практических задачах определения ветровых воздействий на здания и сооружения вводят дополнительные обоснованные незначительностью влияния гипотезы. Потоки принимаются несжимаемыми (р = const), изотермическими (T = const), а внешние массовые силы не учитываются. Тогда нестационарные уравнения гидрогазодинамики примут следующий вид [8]:
du du du du dp
р--hp и--hpv--hp w— =--
dt дх dy dz ôx
dv dv dv dv dp p--hp и--hpv--hpw—----ьц
dt дх dy dz dy
d'il d2u d2u
dx dy2 dz2
d2v d2v d2v
dx2 dy2 dz2
(1)
Кроме того, должны удовлетворяться уравнения неразрывности потока (сохранения массы) и состояния:
dp | д(ри) | d(pv) | d(pw)=Q,
dt дх dy dz
p = const,
(2)
(3)
где: u, V, W—искомые компоненты вектора скорости (по осям x, y, z), p — давления, t — физическое время, у — динамический коэффициент вязкости для воздуха, р — плотность.
Прямое решение уравнений (1) - (3) с учетом вихрей всех масштабов (DNS, Direct Numerical Simulation) при современных вычислительных мощностях практически реализуемо только для очень малых скоростей потока и только для исследовательских задач. Для создания ветровой карты микрорайонирования необходимы большие масштабы расчетной области (гораздо большего размера, чем существующие подходы численного моделирования ветровых воздействий на здания и сооружения), в которые должны войти рельефы и местная метеостанция. Поэтому необходимо использовать подходы, связанные с моделированием турбулентности. Используют следующие подходы к моделированию турбулентности [8 - 14]:
• Large Eddy Simulation (LES) : этот подход является вторым по трудоемкости из существующих после DNS. Идея подхода состоит в «фильтрации» характеристик турбулентного течения от коротковолновой турбулентности, которая описывается подсеточными моделями для вихрей размерами порядка фильтра, а для вихревой турбулентности превышающим размер фильтра, решаются точно;
• Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes — (RANS / URANS): подход основан на разложении скорости на осредненную во времени и пульсационную составляющие (щ (t) = Щ + u/(t)).
В результате соответствующих преобразований уравнений Навье-Стокса появляются дополнительные неизвестные (сдвиговые «рейнольдсовы» напряжения);
• Detached Eddy Simulation — (DES): этот подход является комбинацией LES и RANS. Он заключается в том, что отсоединенные энергонесущие вихри в отрывных зонах моделируются LES, а области присоединенных пограничных слоёв моделируются RANS.
Для решения практических наукоемких инженерных задач в современной расчетной практике преобладает применение подхода RANS / URANS, которая обладает достаточной точностью и простотой для использования.
1.2. Моделирование динамического отклика высотных зданий и сооружений
Численное моделирование динамического отклика высотных зданий и сооружений при ветровом воздействии в рамках цифрового двойника основано на методе конечных элементов (МКЭ) в матричной форме перемещений. Для решения основной системы уравнений движения формируются глобальные матрицы жесткости [K ], демпфирования [С ], матрицы масс [M ], а также вектора внешней узловой нагрузки, зависимые от времени |F(t)}. В качестве искомых функций берется вектор узловых перемещений |u(t)}. Матричное уравнение движения выглядит следующим образом [8]:
и
Z н
Û
.
(4)
tû
Так как прямое интегрирование уравнений движения вычислительно очень затратно для боль-шеразмерных систем, возможно использование технологий суперэлементного моделирования. Суперэлементное моделирование представляет собой «свертку» большеразмерной системы в статическую и динамическую эквивалентную систему (суперэлемент), отражающий наиболее важные интегральные параметры системы. Например, частоты и формы хорошо совпадают только для низших, наиболее энергоемких частот колебаний. В последние годы разработаны различные модификации методов динамического или модального синтеза.
Для расчета динамических характеристик возможно использование метода динамического синтеза подконструкций. Суть метода динамического синтеза подконструкций состоит в переходе от полного набора физических степеней свободы к редуцированному набору обобщённых координат, т. е. для представления перемещений подконструкции используется процедура Релея-Ритца, в которой перемещение представляется в виде суперпозиции базисных векторов (форм колебаний) [15, 16].
В данной записи степени свободы внешних узлов подконструкции (СЭ) обозначаются индексом «m», для остальных, внутренних узлов, входящих в состав суперэлемента — «5». Вектор физических перемещений можно покомпонентно представить в обобщенных координатах:
(5)
где — усеченный набор обобщенных модальных координат, [ Т ] — матрица преобразования. Для метода фиксированной границы матрица преобразования определяется как:
[Т]:
M [°]
(6)
га н I
о z
(U
а
0
1 j
ç
га н s с
га ¡е
<и s
I
га и
0 а s
1
га ç
CÛ с О и а. о
< т
25
< а
m о
. о
" §
2â
где [в5т ] = -[Кц ]-1 [К5т ] — избыточные статические граничные формы, [Ф5 ] — нормальные собственные формы колебаний подконструкции с фиксированными границами. Подставляя преобразование (5) в матричное уравнение движения (4), получим уравнение движения в редуцированном пространстве.
2. Структура цифрового двойника высотных зданий
и сооружений при ветровом воздействии
Общая структурная схема цифрового двойника зданий и сооружений при ветровом воздействии приведена на рисунке 4. Три крупных «блока» и составляют цифровой двойник высотных зданий и сооружений при ветровом воздействии:
1. Ветровое микрорайонирование включает статистические данные ближайшей метеостанции (направление ветра, средняя скорость и в порывах), карты усилений скоростей ветра, верифицированные по наблюдавшимся разрушениям, а также информации об окружающей застройке и рельефе.
2. Предварительное численное моделирование ветровой аэродинамики и динамического отклика.
3. Существующая система мониторинга, дополнением к которой и является разрабатываемая концепция-методика.
Показания метеостанций (направление ветра, скорость осредненная и в порывах
Структурная схема Цифрового двойника зданий и сооружений при ветровом воздействии
Восстановление скоростей по разрушениям (переворачивание автомобилей, падение деревьев, снесенные остановки и т.д)
Ветровое микрорайонирование
Аэроди нам и ческие расчеты конструкций Прочностные расчеты конструкций
Предварительное численное моделирование здания и сооружения
Существующая система мониторинга
Реальная окружаклцая застройка и учет рельефа
Цифровой двойник
1 1
Диагностика состоянии конструкций Отслеживание структурных изменений конструкции Прогнозирование остаточного ресурса
Рис. 4. Структурная блок-схема цифрового двойника зданий и сооружений при ветровом воздействии
Назначением цифрового двойника служит:
1. Диагностика состояния конструкций. Данная методика предусматривает калибровку цифрового двойника на показания систем мониторинга. Диагностика состояния заключается в контроле рассогласования данных замеров с результатами модели цифрового двойника (свидетельствующего о возникновении значимых дефектов). Уточненное моделирование позволит локализовать места возникновения проблем в несущей или опорной системе здания или сооружения.
2. Отслеживание структурных изменений конструкции. Данная методика предусматривает определение тенденций изменения свойств конструкции и её внесение в расчетные модели.
3. Прогнозирование остаточного ресурса. Данная методика предоставляет возможность ретроспективного анализа ветрового нагружения. Имея в распоряжении карту ветрового микрорайонирования территории, а также истории показаний метеостанций, можно частично восстановить историю ветрового воздействия, приходящего непосредственно в месте рассматриваемого объекта. В совокупности с моделями усталостного роста, например, представленными в работах авторов [17, 18], можно оценить накопленные разрушения, а также спрогнозировать остаточный ресурс. Предполагая сохранение розы ветров в будущем, возможно спрогнозировать и дальнейшее накопление повреждений вплоть до примерного срока исчерпания несущей способности.
Необходимость проводимого ветрового микрорайонирования для создания цифровых двойников обуславливается вероятностью проявления экстремальных ветровых нагрузок, приводящих к катастрофическим последствиям. Определив расчетные скорости ветра, приведшие к разрушениям конструкций, мы можем верифицировать карту усилений скоростей ветра, позволяющую корректировать показания метеостанции.
Используя такую технологию уже не обязательно иметь датчик замеров скоростей на самом здании, так как верифицированная модель, которая связывает показания метеостанции с расчетными скоростями ветра вблизи рассматриваемого здания, позволит с достаточной точностью определять ветровое нагружение, что важно, например, для обеспечения комфортности верхних этажей (предсказывая временные промежутки, когда здание будет сильно раскачиваться при экстремальных ветрах).
Также подобная технология может войти в состав цифрового города, предсказывая конкретные зоны экстремальных ветровых воздействий на основе показаний метеостанции и позволяя предпринять заранее меры для обеспечения безопасности жизней людей и имущества.
На рисунке 5 показаны для примера некоторые модели ветрового микрорайонирования для города Барнаул.
Рис. 5. Модель для оценки аэродинамики и фрагмент ветрового микрорайонирования города Барнаул
В перспективе будут созданы карты ветрового микрорайонирования и иных городов (в частности Екатеринбурга). Для верификации таких моделей используются данные о реально отмеченных разрушениях (повал деревьев и навесов, опрокидывание автомобилей, разрушение кровель и фасадов).
03
г
м О
-I
м
Э СО
га н I
о
<и а
0
1
.0 ц
га н
С
га ¡е
<и
I
га и
0
а ^
1
га ^
са с О и а о
< т
2 5
< а
го о
. о
" §
Для примера рассмотрим мощный ураган, который произошел 23.06.2018 в городе Барнаул. Сильнейшие порывы ветра вырывали из земли деревья, крушили рекламные щиты, переворачивали машины. На метеостанции «Научный городок» зарегистрирован «ветер 5 м/с с порывами до 12 м/с», что вполне можно объяснить экранированием рельефом станции (расположенной более чем в 20 км от центра города).
Приведем оценочные расчеты прочности разрушенного ограждения на набережной (рисунок 6) во время рассматриваемого урагана в городе Барнаул. Решалась обратная аэро-прочностная задача, т. е. определение расчетной ветровой скорости по расчету предельной нагрузки на конструкцию, приведшей к разрушениям. Параметры расчетной модели: сечение квадратная труба размерами 50 х 3 мм, прочностные и механические параметры брались, как для стали 08Х18Н10, геометрические размеры как для типовых ограждающих конструкций набережных.
Были определены предельные ветровые нагрузки, приведшие к разрушению конструкции. Значение расчетной скорости ветра находилась обратной подстановкой в формулу для напора воздуха,
определяемого, как У = ' 'Ри коэффициенте использования к > 1 предполагается разрушение конструкции. По проведенным расчетным исследованиям было установлено, что реальная ветровая скорость в приземной зоне составляла 35 - 40 м/с (соответствует 40 - 50 м/с на высоте метеозамеров 10 м).
Рис. 6. Разрушение ограждения набережной в городе Барнаул при урагане 23.06.2018 (слева), а также результаты расчетных исследований по определению предельных нагрузок при разрушениях ограждения (справа)
Для верификации таких моделей используются данные о реально отмеченных разрушениях (повал деревьев и навесов, опрокидывание автомобилей, разрушение кровель и фасадов).
В качестве второго примера отмеченных разрушений рассмотрим обратную задачу определения скорости ветра по опрокидыванию автомобиля ГАЗ-3302 «ГАЗель» в городе Новороссийск во время урагана 20 марта 2022 (рисунок 7).
(7)
где: I—ширина автомобиля, Н — высота от точки опрокидывания до центра тяжести, р — плотность воздуха, % — ускорение свободного падения, т — масса автомобиля, 5 — площадь проекции автомобиля вдоль фронта ветра, Сх — аэродинамический коэффициент.
При подстановке данных параметров в уравнение (7) для случая с опрокидыванием ГАЗ-3302 «ГАЗель» в городе Новороссийск, скорость ветра составляла порядка 42.6 м/с, что значительно превышает скорости по показаниям метеостанций для города Новороссийск (максимальная скорость порывов ветра по данным 01зше1ео составляла до 28 м/с). Одной из особых отличительных особенностей подобных обратных задач аэродинамики является то, что ошибка в ветровом давлении в 2 раза приведет к ошибке в скорости ветра в л/2 раза.
Цифровой двойник на базе ветрового микрорайонирования, предварительного аэродинамического и прочностного анализа, совместно с существующей системой мониторинга зданий и сооружений позволит полноценно воссоздать цифровую математическую модель объекта на ветровое воздействие (рисунок 8). При отслеживании скоростей ветра на метеостанции, можно определить расчетные скорости ветра в зоне объекта и вычислить значение максимального динамического отклика. Согласование показаний метеостанций с аэродинамической ситуацией в застройке возможно с применением гипотезы о линейном масштабировании скоростей, позволяя определять коэффициенты усиления ветра и углов сдвига розы ветров, которые характеризуют взаимосвязь между показаниями метеостанций с реальными скоростями и направлениями ветра (рисунок 8).
Коэффициент усиления ветра К для 24 направлений ветра определяется:
К"
Л Rumba
И
(zastr ) Rtítiib z
и
(meteo) ' Ritmb ,z
(8)
где *СГ-—скорость ветра в месте расположения метеостанции, — скорость ветра в зоне за-
стройки, полученный на основе аэродинамического моделирования, ЯишЬ—направление ветра (72 направления с шагом 5°), 2—абсолютная высота относительно поверхности земли. Для определения угла сдвига розы ветров:
KFRW = arceos
(mateo) (zastr) (mateo)
^ x,Rumb,z ^x,Rumb,z ^y,Rumb,z
и
(zastr^j y,Rumb,z
í 2 2 / 2 2
U (mateo) Y / (mateo) Y J! (zastr) Y ( (zastr) Y
ly x,Rumb,z J y y,Rumb,z J \HMx,Rumb,z ) ^\Uy,Rumb,z )
(9)
Imaleo)
где:
(meteo) > Ux,Rumb,z >
(zastr) (zaslr) ' ir ' y,Rumb,z' "x, Rumba
- проекции скоростей ветра на ортогональные оси X и у при
фиксированном
и
Z м
О
-I
м
D CQ
со О
а <
X <
fO
га н I
о z
<и а
0
1 j
ц
га н s с
га ¡е
<и
S I
га и
0 а s
1
га ^
с
<и
0
1
т о а
и о
о
Рис. 8. Пример системы мониторинга высотного здания на ветровые воздействия (слева) и коэффициенты усиления ветра относительно показаний метеостанции (справа)
Подобная система может встраиваться в существующие системы мониторинга и на её базе создать совместную платформу цифрового двойника высотного здания или сооружения на ветровое воздействие, предназначенного для диагностики конструкций и отслеживании её структурных изменений с возможностью прогнозировать остаточный ресурс для выявления уязвимых мест с последующими точечными ремонтами Поступающие метеопрогнозы с ближайшей метеостанции могут автоматически пересчитываться через карту ветрового микрорайонирования в скорости вблизи высотного здания и определять ветровой напор, на основе которого выдается прогноз перемещений и ускорений с использованием суперэлементных расчетных технологий. Для верификации методики и калибровки «цифровых двойников» может быть выполнен «ретроанализ» динамики высотных зданий.
3. Заключение
На основе проведенного исследования можно сделать следующие выводы:
1. Описаны существующие подходы и проблемы цифровых двойников зданий и сооружений.
2. Предложена усовершенствование систем цифровых двойников путем учета реального ветрового воздействия, полученного на основе численного моделирования аэродинамики и динамического отклика зданий и сооружений.
3. Предложена общая структурная схема цифрового двойника зданий и сооружений при ветровом воздействии, представленная тремя крупными блоками, которые составляют цифровой двойник высотных зданий и сооружений при ветровом воздействии:
a. Ветровое микрорайонирование, состоящее из входящих блоков показаний ближайшей метеостанции (направление ветра, средняя скорость и в порывах) и карты скоростей ветра, учитывающая окружающую застройку и рельеф, построенная методами СББ моделирования.
b. Предварительного численного моделирования, состоящего из аэродинамических и прочностных расчетов цифрового объекта.
с Существующей системы мониторинга объекта.
4. Разработана методика ветрового микрорайонирования территории, основанная на создании расчетной аэродинамической модели, включающей в себя территорию целого города с застройками, рельефами, а также местных метеостанций и их метеоданных по замерам скоростей и направлений ветра, позволяющая, используя гипотезу о линейном масштабировании скоростей ветра, ввести по-
нятие коэффициентов усиления ветра и углов сдвига розы ветров, которые характеризуют взаимосвязь между показаниями метеостанций (которые могут находиться далеко за пределами города и не отражать объективную аэродинамическую ситуацию в городе) со скоростями и направлениями ветра в условиях городской застройки.
5. Была обоснована важность ветрового микрорайонирования на примере урагана в городе Барнаул, при котором были определены расчетные скорости ветра порядка 35 - 40 м/с методом обратной аэро-прочностной задачи, при показаниях метеостанции для рассматриваемого периода «ветер 5 м/с с порывами до 12 м/с», а также на примере урагана в Новороссийске, где показания 018ше1ео отличаются от реальных скоростей в более, чем 1.5 раза.
Работа (Саияна Сергея Гургеновича) выполнена за счет гранта РНФ № 24-49-02002.
Библиографический список
1. Ferry-Borges, J., Castanheta, M. Structural Safety. Lisbon: LNEC, 1971.
2. Аугусти, Г., Баратта, А., Кашиати, Ф. Вероятностные методы в строительном проектировании / Пер. с англ. Ю. Д. Сухова. М.: Стройиздат, 1988. 584 с. Перевод издания: Probabilistic Methods in Structural Engineering. London, New York: Chapman and Hall, 1984. ISBN 5-274-00212-9.
3. Дубинский, С., Саиян, С. Цифровые двойники конструкций высотных зданий с использованием метеоданных и результатов численного моделирования аэродинамики и динамики // Стройкомплекс Среднего Урала. 2021. № 12. С. 52 - 53.
4. Group of Companies «SODIS Lab» [Электронный ресурс]. URL: https://www.sodislab.com/ru/ digitaltwin (дата обращения: 22.12.2024).
5. Siavash, K., Motlagh, H., Jaribion, N., Werner, A., Holmström, L. Digital Twin: Vision, Benefits, Boundaries, and Creation for Buildings // IEEE Access. 2019. Vol. 7. P. 147406-147419. DOI: 10.1109/ ACCESS.2019.2946515.
6. Gökmenoglu, F. Digital Twin [Электронный ресурс]. URL: https://medium.com/deico/digital-twin-2c5b5462e3cf (дата обращения: 22.12.2024).
7. Tao, F., Fangyuan, S., Ang, L., Qinglin, Q. Digital twin-driven product design framework // International Journal of Production Research. 2018. Vol. 57. P. 1-19. DOI: 10.1080/00207543.2018.1443229.
8. Theory Reference. Release 2024R1. Canonsburg: ANSYS Inc., 2024.
9. Белостоцкий, А. М., Акимов, П. А., Афанасьева, И. Н. Вычислительная аэродинамика в задачах строительства. М.: АСВ, 2017. 720 с.
10. Методическое пособие «Математическое (численное) моделирование ветровых нагрузок и воздействий» (к СП 20.13330.2016). М.: ФАУ ФЦС Минстроя России, 2020. Разработано ЗАО НИЦ СтаДиО.
11. Годунов, С. К. (ред.) Численное решение многомерных задач газовой динамики. М.: Наука, 1976. 400 с.
12. Holmes, J. D. Wind Loading of Structures. Eastbourne: Great Britain, 2005. 356 p.
13. Роуч, П. Вычислительная гидродинамика. М.: Мир, 1980. 618 с.
и
Z н
Û -I н
D
CÛ
га н I
0
1
<U
a
0
1 j
ç
га н s с
га ¡е
<u s
I
га и о а s х
га ç
ш с О и а. о
< т
25
< a
m о
. о
" §
2â
14. Zheng, X., Montazeri, H., Blocken, B. CFD simulations of wind flow and mean surface pressure for buildings with balconies: Comparison of RANS and LES // Building and Environment. 2020. Vol. 173.
15. Rezaeiha, A., Montazeri, H., Blocken, B. On the accuracy of turbulence models for CFD simulations of vertical axis wind turbines // Energy. 2019. Vol. 180. P. 838 - 857.
16. Craig, Bampton. Coupling of Substructures for Dynamic Analysis // AIAA Journal. 1968. Vol. 6. № 7. P. 1313 - 1319.
17. Бурман, З. И., Артюхин, Г. А., Зархин, Б. Я. Программное обеспечение матричных алгоритмов и метода конечных элементов в инженерных расчетах. М.: Машиностроение, 1988. 256 с.
18. Saiyan, S., Paushkin, A. Formulation of a Method for Assessment of Fatigue Life, Formation and Propagation of Cracks // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 661. 012018. DOI: 10.1088/1757-899X/661/1/012018.
19. Saiyan, S., Paushkin, A. Fatigue cracks in castellated I-beams under cyclic loads // Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1425. 012163. DOI: 10.1088/1742-6596/1425/1/012163.
THE CONCEPT OF A DIGITAL TWIN FOR HIGH-RISE BUILDING STRUCTURES USING NUMERICAL MODELING OF AERODYNAMICS AND DYNAMICS
S. G. Saiyan * / ** / ***
* Scientific and Educational Center for Computer Modeling of A. B. Zolotov (NRU MGSU), Moscow ** Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), Moscow *** Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics of the Russian Academy of Sciences, Moscow
Abstract
One of the key directions in the digitalization of the construction industry is the development of digital twins for buildings and structures. A digital twin is a mathematical model (most often computer-based) that represents a virtual counterpart of a real object, reflecting its most critical characteristics and dynamically reproducing its state under various combinations of external or internal conditions. The most important property of a digital model for a construction object is the accurate representation of the physical object and external influences. The greatest challenge lies in describing wind impacts, which are arguably the most critical factor for the mechanical safety of high-rise buildings and structures. Most digital twin systems do not account for actual wind impacts in their models, which depend on numerous factors such as surrounding urban development, terrain features, shielding effects from vegetation, and various structures. This paper proposes improving digital twin systems through a structure consisting of three components: a wind micro-zoning map, preliminary numerical modeling of aerodynamics and dynamics, and an existing monitoring system. This approach enables
The Keywords
Digital twin, high-rise buildings, mechanical safety, numerical modeling, aerodynamics, wind impacts, wind micro-zoning, CFD modeling, dynamic response, urban environment, wind amplification coefficient.
Date of receipt in edition
22.12.2024
Date of acceptance for printing
24.12.2024
the creation of a comprehensive digital mathematical model of the object. The primary purposes of the digital twin are to diagnose the condition of structures and their structural changes, as well as to predict their remaining service life. A wind micro-zoning map is essential for tracking wind speeds at a meteorological station and determining their calculated values in the object's vicinity (using CFD modeling), with the ability to identify the structure's maximum dynamic response (using finite element analysis), thereby eliminating the need for direct wind speed monitoring at the object. Determining wind amplification coefficients and wind rose deviation angles allows for the adjustment of meteorological station readings in urban environments and the identification of the actual aerodynamic conditions.
Ссылка для цитирования:
С. Г. Саиян. Концепция цифрового двойника конструкций высотных зданий и сооружений с использованием методики численного моделирования аэродинамики и динамического отклика. — Системные технологии. — 2024. — № 4 (53). — С. 72 - 85.
О
ей
1-
и
J3
с;
ш
1-
S
О
а
1-
и 5
О
Z
М
О
-1
М
Э
СО
СО
О
а <
X <
fO
га н I
о z
(U
а
0
1 j
ц
га н s с
га ¡е
<и
S I
га и
0 а s
1
га ^
с
<и
0
1
т о а
и о
