CC BY
5
УДК 624.042.4
doi: 10.48612/dnitii/2024_53_122-134
РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕР СНИЖЕНИЯ ВЕТРОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ВЫСОТНЫЕ ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ
С. Г. Саиян * 1 ** 1 *** С. А. Маркова**
* 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
В статье представлены результаты исследований методов снижения ветровых воздействий на высотные здания и сооружения. В исследовании рассмотрены три ключевых подхода: выбор оптимальных конструктивных решений, аэродинамическая оптимизация формы зданий и применение динамических гасителей колебаний (ДГК). Анализ различных конструктивных схем зданий показал, что каркасно-ствольная схема обеспечивает минимальные перемещения при ветровой нагрузке. Рассмотрены геометрические модификации форм зданий, включая скругление углов и вырезы, что позволило существенно уменьшить пульсационные составляющие аэродинамических сил. Детально изучено влияние параметров ДГК, таких как жесткость и демпфирование, на снижение амплитуд колебаний. Результаты демонстрируют эффективность предложенных мер, направленных на обеспечение механической безопасности и повышение устойчивости высотных зданий к ветровым нагрузкам.
Ключевые слова
Ветровые воздействия, высотные здания, конструктивные системы, аэродинамическая форма, динамический гаситель колебаний.
Дата поступления в редакцию
20.12.2024
Дата принятия к печати
22.12.2024
Введение
Современное развитие строительства направлено на увеличение высотности зданий и сооружений [1, 2]. Возрастают и требования к расчетному обоснованию механической безопасности подобных уникальных объектов. Одним из наиболее важных учитываемых факторов воздействия является ветровое, которое вносит существенный вклад в напряженно деформированное состояние несущих конструкций при увеличении высотности [3]. Целью данной работы являются исследова-
ния мер снижения ветровых воздействии на высотные здания и сооружения посредством оптимизации их аэродинамической формы, изучения конструктивных решений и установки специальных устройств, применяемых для снижения уровня вибраций защищаемой конструкции — динамических гасителей колебаний.
1. Расчетные исследования конструктивных систем высотных зданий на ветровые воздействия
Конструктивная система высотного здания представляет собой совокупность взаимосвязанных несущих элементов, обеспечивающих его прочность, устойчивость и необходимые эксплуатационные характеристики. Эта система включает в себя вертикальные (колонны, пилоны, стены) и горизонтальные несущие элементы (плиты перекрытий, покрытия, балки), а также фундамент. Конструктивные решения зданий влияют на его возможность сопротивляться действующим воздействиям. Существуют различные конструктивные схемы высотных зданий, показанные на рис. 1 [2].
Рис. 1. Конструктивные схемы высотных зданий [2]
Исследуем несколько различных конструктивных систем, с целью выявления оптимальной схемы с наименьшими перемещениями железобетонной конструкции. Рассмотрим три схемы: б) — ствольную с параллельными несущими стенами, к) — каркасно-ствольную и г) — с консольными перекрытиями в уровне каждого этажа. Подобный анализ для стального и металлического каркасов проводился в статьях [4, 5]. Для расчета примем второй ветровой район и тип местности B. Геометрические характеристики здания изображены на рис. 2. Высота этажа 3.125 м. Подбор геометрических параметров сечений несущих элементов для различных конструктивных систем производился на основе соответствия первых трех собственных частот и форм колебаний.
03
г
м О
-I
м
Э СО
х
и
0 а
н
щ
и к
1
(и *
I
и
а
< и ей 2 О к
* 5 а I
< т
2 и
О
< и . ^
х 5
К и
= £
< н
и щ
Рис. 2. Геометрические характеристики здания
Расчет ветровой нагрузки будем производить по СП 20. Нормативное значение основной ветровой нагрузки щ состоит из суммы средней Щт и пульсационной Щр составляющих:
Щ = Щт + Щр . (1)
Расчетное значение средней составляющей основной ветровой нагрузки вычисляется по формуле:
Щт У/ = Щ к(ге)оу/. (2)
Далее в ПК ЛИРА-САПР разработаны три расчетные конечно-элементные модели, к которым были приложены соответствующие значения средней составляющей ветровой нагрузки (рис. 3). Пульсацион-ная составляющая была задана в соответствии с СП 20 в программном комплексе Лира-САПР.
Рис. 3. Расчётные модели и схемы приложения средней составляющей ветровой нагрузки
Анализ результатов при действии основной ветровой нагрузки (формула 1) показал, что минимальное значение перемещений вдоль оси приложения нагрузки дает схема 1 — 37.8 см, значение по 2-ой схеме в 1.13 раз больше, а по 3-ей схеме в 3.1 раз больше, чем по 1-ой схеме (рис. 4).
и
Z м
О
-I
м
D CD
Рис. 4. Перемещения конструкций от полной ветровой нагрузки
Проведённый расчет по трём созданным КЭ-моделям высотных зданий с различными конструктивными схемами показал, что каркасно-ствольная схема даёт наименьшие перемещения по оси приложения нагрузки.
х
2. Аэродинамические оптимизационные исследования £
квадратной формы сечения высотного здания ^
Помимо конструктивных систем, важную роль играют формы зданий, которые обладают низкой щ
и
аэродинамической обтекаемостью. Проведены исследования прямоугольного сечения (наиболее рас- д;
пространенной формы), модификации которого позволили минимизировать динамическую реакцию 1
щ
здания за счёт снижения ветрового воздействия. ^
Целью модификаций является изменение структуры потока вокруг высотного здания и уменьше- х
ние пульсаций, вызванных срывами вихрей с краев высотного здания. Основными вариантами таких о,
модификаций сечения являются различные изменения геометрии углов: угловой вырез, скошенные ш 2
углы, углы с прорезями и скругление углов [6], что приводит к улучшению формы с точки зрения аэ-
о к
* S
родинамики [7]. Jj fg
SCO
_______________ -----_________¡^.^________________.........................О
■ ^
симости аэродинамических коэффициентов сил от величины выреза или степени скругления. ^ ®
Рассмотрены по три варианта сечения в каждом подходе, с разным радиусом скругления r для пер- ° и
вого из них, и с разной глубиной выреза b (сторона вырезанного квадрата) для второго, что отражено ^ ш
на рис. 5. S ^
и щ
Рис. 5. Варианты вырезов и скруглений углов сечения
Сторона исходного квадрата а = 0.16 м, подобный размер и параметры конечно-объемных сеток выбирался исходя из результатов валидационных и верификационных исследований, проводимых в работе [8]. Для первого метода будем брать сечения со следующими значениями радиуса скругления Г: 10%, 20% и 30% от стороны базового сечения квадрата а. Для второго же метода рассмотрим варианты с квадратными вырезами в углах со значениями стороны b: 10%, 15% и 20% от стороны базового сечения квадрата а.
Для корректного сравнения результатов важно выполнять расчёты с одинаковой постановкой начальных и граничных условий, а также с едиными размерами сетки. Граничные условия на входе (Inlet):
^ = 0, Ып = 20 м/с, Ыт = 0; на выходе (opening): = 0, Ар = 0, с интенсивностью турбулентности
I = 10%; на поверхности здания: — = 0, Ып = 0, Ur = 0. Параметры моделирования: временной шаг—
dn
0.001 с; Максимальное количество итераций за один временной шаг—20; физическое время счета
(время, принятое в математической модели исследуемого процесса) — 30 с. Параметры конечно-объемных сеток: на здании количество разбиения — 100; на 4-х прилегающих к зданию телах—200 и 100; на остальных телах расчётной области — 80, 60 и 40, по направлению оси OZ толщина в один конечный объём; метод генерации MultiZone с гексаэдрической сеткой. Итоговая конечно-объемная сетка представлена на рис. 6. Расчетные исследования выполнены в программном комплексе ANSYS Fluent.
Рис. 6. Конечно-объемная сетка
Для учёта изменения характеристик потока ветра во времени был проведен нестационарный расчёт. Рассмотрим результаты численного моделирования, а именно графики зависимости пульсацион-ных составляющих сил Гх и Гу от радиуса скругления Г или от стороны выреза Ь (рис. 7).
03
г
м О
-I
м
Э СО
Рис. 7. Графики зависимости пульсационных составляющих сил Гх и Гу от Ь (г)
На рисунке 7 видно, что все варианты оптимизации значительно уменьшают аэродинамическую силу Гх . Пульсации также значительно снизились в обоих случаях, однако метод скругления углов оказывается более эффективным как для средних значений, так и для пульсационных составляющих аэродинамических коэффициентов.
На рис. 8 одновременно представлены изополя давления и изолинии ТКЕ (кинетической энергии турбулентности) для варианта со скругленным сечением.
X
и
0 а
н
щ
и к
1
(и *
I
и
а
и
к
I
га и о
и ^
и и
I 5
К «
= £
< н
и щ
< со
о *
а <
«
и
Рис. 8. Изополя давления и изоконтуры кинетической энергии турбулентности
3. Применение динамических гасителей колебаний для снижения ветровых воздействий на высотные здания
Для снижения колебаний высотных зданий при ветровых воздействиях широко используются динамические гасители колебаний (ДГК) [9]. Одним из примеров их применения является башня Taipei 101, где установлен шар диаметром 5,5 метра и массой 728 тонн. Динамический гаситель колебаний — это устройство, состоящее из массы, связанной с защищаемой конструкцией через упругий и демпфирующий элементы [10].
Далее исследуем влияние использования ДГК и различных настроек его параметров для расчетной модели высотного сооружения. Рассмотрим упрощенный случай колебаний, а именно одномассовую систему: вертикальный консольный стержень с массой M (сосредоточенной на конце), закрепленный по всем степеням свободы в основании (рис. 9). Расчеты выполнены в программном комплексе ANSYS Mechanical APDL.
OJKTi __
W KD №
Рис. 9. Расчетная модель и установленный ДГК в верхнем узле КЭ-модели
Ветровое воздействие — это сигнал во временной области с различным спектральным составом. В качестве ветрового воздействия для расчетного исследования был задан гармонический сигнал на резонансной для конструкции частоте (первая частота собственных колебаний).
В рассматриваемой задаче требуется подавить нежелательные колебания в районе первой собственной частоты конструкции, составляющая 3.9790 Гц.
Динамический гаситель колебаний будем моделировать как связку конечных элементов СОМБШ14, моделирующего сосредоточенные жесткость и демпфирование, и точечной массы (элемент МЛ8821). При этом параметры этих элементов связаны соотношением (3):
,
(3)
где: Шкрит—частота колебаний системы, в окрестности которой необходимо подавить колебания, к—жесткость пружины гасителя колебаний, т — масса ДГК.
Масса гасителя колебаний т принята как 10% от массы конструкции и равна 100 кг. Для элемента СОЫБШ14 задаётся только постоянное демпфирование (Су)1, «нелинейный» коэффициент (Су)2 не используется. Очевидно, что ДГК требуется установить на свободном конце стержня и его рабочая ось должна быть ориентирована перпендикулярно оси сооружения.
На рис. 10 приведены результаты расчёта без динамического гасителя колебаний, на которых видно, что конструкция находится в резонансном режиме. Таким образом, для первых 10 секунд реального времени, амплитуда перемещений достигает примерно 18 мм, а ускорение примерно 11 м/с 2.
Рис. 10. График перемещения (мм) и ускорения (м/с 2) верхней точки стержня по оси приложения силы без использования ДГК
Из формулы (6) выразим жесткость пружины к, используя известные массу т и критическую частоту системы Шкрит:
и
к = Шкрит2 -т = 3.9792 • 100 = 1583.244-
(4)
Исследовано влияние изменения параметра демпфирования (Су)1 элемента динамического гасителя колебаний на эффективную работу устройства. Ниже приведены графики перемещений и уско-
Нс
рений при значениях параметра (С,,)|: 0, 70, и 350-при значении жесткости пружины к = 1583.244
и
- (рис. 11 -13).
03
г
м О
-I
м
Э СО
х
и
0 а
н
щ
и
К
1
(и *
I
и
а
< и ей 2 О к
* 5 а I
< т
2 и
О
< и . ^
° я
х 5
К « = £
< Е
и щ
Рис. 11. График перемещения (мм) и ускорения (м/с 2) верхней точки стержня по оси приложения силы
.
М 11 М )
Рис. 12. График перемещения (мм) и ускорения (м/с 2) верхней точки стержня по оси приложения силы
.
V мм)
Рис. 13. График перемещения (мм) и ускорения (м/с 2) верхней точки стержня по оси приложения силы у м м )
С ростом коэффициента демпфирования (Су)1 выход в квазистационарный режим происходит раньше, что способствует более быстрому снижению амплитуд перемещений и ускорений конструкции.
Рассмотрим влияние изменения жесткости упругого элемента ДГК на эффективную работу устройства. Приведем графики перемещения и ускорения при жесткостях в 5, 10 раз больше и 10 раз
н н н
меньше жесткости, полученной в (4): к\ = 7916.221 —, А^ = 15 832.441 —, = 158.324 ■ • при значении
м м м
параметра демпфирования (Су)1 = 0 (рис. 14 -16).
Рис. 14. График перемещения (мм) и ускорения (м/с 2) верхней точки стержня по оси приложения силы
кх = 7916.221 —, (СЛ=0^-м м
03
г
м О
-I
м
Э СО
Рис. 15. График перемещения (мм) и ускорения (м/с 2) верхней точки стержня по оси приложения силы к, =15 832.441—,
м М /
X
и
0 а
н
щ
и к
1
(и *
I
и
а
< и ей 2 О к
* 5 а I
< т
2 и
О
< и . ^
° я £ 5
К «
< Е
и щ
Т1МБ ТОЕ
Рис. 16. График перемещения (мм) и ускорения (м/с 2) верхней точки стержня по оси приложения силы
Варьируя жесткость пружины, не меняя при этом массу ДГК, мы получаем, что период колебаний обратно пропорционален квадратному корню из жесткости пружины. Именно такие результаты наблюдаем на рисунках 14 -16: с увеличением жесткости пружины период колебаний уменьшается.
4. Заключение
В результате проведенного исследования выявлены ключевые методы и технологии, способствующие снижению ветровых воздействий на высотные здания и сооружения. К ним относятся эффективные конструктивные системы, оптимальные формы зданий и использование динамических гасителей колебаний для обеспечения механической безопасности.
Анализ различных конструктивных систем показал, что каркасно-ствольная схема обладает наибольшей устойчивостью к ветровым нагрузкам, демонстрируя минимальные значения перемещений вдоль оси приложения нагрузки. Это подчеркивает необходимость тщательного подбора конструктивной схемы на стадии проектирования.
Результаты оптимизации аэродинамической формы, включая скругление углов и вырезы, продемонстрировали значительное уменьшение пульсационных составляющих аэродинамических сил. Наиболее эффективным методом оказалась модификация углов посредством их скругления, что снижает турбулентность и вихревые образования вокруг здания.
Анализ влияния применения ДГК на поведение высотного здания под воздействием ветровых нагрузок показал, что правильно настроенные динамические гасители колебаний существенно снижают амплитуды колебаний и предотвращают резонансные состояния. Оптимальные параметры жесткости и демпфирования были определены с использованием численного моделирования, что подчеркивает важность точной настройки этих устройств.
Работа (Саияна Сергея Гургеновича) выполнена за счет гранта РНФ № 24-49-02002.
Библиографический список
1. ЩукинаМ. Н. Современное высотное строительство // М.: ГУП «ИТЦ Москомархитектуры», 2007. 440 с.
2. Веселова Е. А., Комшин С. В. Конструктивные системы жилых высотных зданий // Н. Новгород: ННГАСУ, 2022. — 141 с.
3. Симиу Э., Скалан Р. Воздействие ветра на здания и сооружения // М.: Стройиздат, 1984. 358 с.
4. Коновалова К. А. Сравнение конструктивных схем высотных зданий со стальным каркасом // Актуальные исследования. 2023. № 26.
5. Хрипунов А. А. Анализ характеристик жесткости вариантов конструктивных схем металлического каркаса высотного здания // Шаг в науку. 2017. № 1.
6. Jooeun L. The Role of the Aerodynamic Modifications of the Shapes of Tall Buildings: Master of Science in Civil and Environmental Engineering: 24.06.2011, Yonghyeon, 2011. 140 p.
7. Kwok K. C. S. Aerodynamics of Tall Buildings, A State of the Art in Wind Engineering: International Association for Wind Engineering // Ninth International Conference on Wind Engineering, New Delhi. 1995 — p. 180 - 205
8. Саиян С. Г., Ефимова А. М. Расчетные аэродинамические исследования комплекса Московского международного делового центра «Москва-Сити» при последовательном возведении зданий // Вестник МГСУ. — 2024. — Т. 19. — № 6. — С. 906 - 941. https://doi.org/10.22227/1997-0935.2024.6.906-941
9. Остроумов Б. В. Исследование, разработка и внедрение высотных сооружений с гасителями колебаний: дис. докт. техн. наук: 19.06.2003, Москва, 2003. 425 с.
10. Леонтьев Н. В. Применение системы ANSYS к решению задач модального и гармонического анализа // Н. Новгород: Изд-во ННГУ, 2006. — 101 с.
и
Z н
Û -I м
D CD
COMPUTATIONAL STUDIES OF MEASURES TO REDUCE WIND ACTIONS ON HIGH-RISE BUILDINGS AND STRUCTURES
S. G. Saiyan* / ** / *** S. A. Markova **
* 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
The article presents the results of computational studies of methods to reduce wind impacts on high-rise buildings and structures. The research covers three key approaches: selection of optimal structural solutions, aerodynamic optimisation of building shape and application of dynamic vibration dampers (DVD). Various structural schemes of buildings have been analysed and it has been shown that the frame-and-barrel scheme provides mini-mum displacements under the influence of wind load. The geometrical modifications of building shapes, including rounding of corners and cut-outs, which
The Keywords
Wind actions, high-rise buildings, structural systems, aerodynamic shape, dynamic vibration damper.
Date of receipt in edition
20.12.2024
Date of acceptance for printing
22.12.2024
X
u
0 a
H
<U
u
к s
1
<U
£ s
I
и
a
<u z
к s
I
га u о
< <u
■ ç
ü S
X s К « s i
< i
U щ
< CO
о *
a <
S
allowed to significantly reduce the pulsation components of aerodynamic forces, are considered. The influence of dynamic vibration dampers parameters, such as stiffness and damping, on the reduction of vibration amplitudes is studied in detail. The results demonstrate the effectiveness of the proposed measures aimed at ensuring mechanical safety and increasing the stability of high-rise buildings against wind loads.
Ссылка для цитирования:
С. Г. Саиян, С. А. Маркова. Расчетные исследования мер снижения ветровых воздействий на высотные здания и сооружения. — Системные технологии. — 2024. — № 4 (53). — С. 122 - 134.
