Розрахунки висотних споруд при вітровому впливі
Сергій Дубинський
Вітрове навантаження висотних споруд
обчислювальна гідродинаміка
Умови сучасного великого міста, його інтенсивна забудова, унікальні архітектурні рішення, освоєння підземного простору - все це передбачає використання ефективних чисельних методів при проектуванні та реконструкції промислових і житлових будівель і споруд. Серед різних чисельних методів розв'язання задач механіки суцільних середовищ найбільш потужним є метод скінченних елементів (МСЕ), який дозволяє вирішувати завдання за будь-яких граничних умовах незалежно від ступеня їх складності і з урахуванням різноманіття і неоднорідності механічних властивостей матеріалів і умов навантаження.
На практиці завдання такого плану характеризуються великою розмірністю (сотні тисяч і навіть мільйони вузлів), трудомісткістю підготовки розрахункових моделей, необхідністю спільного обліку грунту і конструкції в нелінійній постановці, а також обліку фізичної нелінійності поведінки бетону і ефектів повзучості. Особливу проблему при цьому становить складний характер вітрового навантаження і його велике динамічне складова.
Останнім часом в Москві, Санкт-Петербурзі, Нижньому Новгороді та інших великих містах Росії чітко окреслилася тенденція до збільшення висотності будівель, що будуються, що вимагає зовсім інших, відмінних від типового будівництва, підходів до проектування,
Програмний комплекс МКЕ ANSYS відповідає таким вимогам:
• високий рівень тестування комплексу на складних завданнях;
• наявність великої бібліотеки кінцевих елементів;
• висока обчислювальна ефективність вбудованих решателей для надвеликих систем алгебраїчних рівнянь (СЛАР) і процедур чисельного нелінійного рішення;
• підтримка многопроцессорного рахунку;
• прямий імпорт геометричних моделей з найбільш популярних CAD-систем, імпорт формату IGES;
• наявність різноманітних математичних моделей фізичного поведінки матеріалів, в тому числі деформування (лінійно-пружного, нелінійного, пластичного, реологического і т.д.);
• відкритість комплексу для вбудовування додаткових моделей поведінки матеріалів, різних процедур рішень, інтерфейсних модулів і навіть інших чисельних методів.
В даний час в ANSYS реалізований не тільки МСЕ - в цей комплекс впроваджені різні процедури методу контрольних об'ємів (МКО), методу скінченних різниць (МКР) і методу граничних елементів (МГЕ), що робить програмний комплекс ANSYS універсальної обчислювальної середовищем з різними варіантами апроксимації шуканої функції.
Відкрита архітектура ANSYS дозволяє включати в нього модулі з нелінійними (визначальними) фізичними співвідношеннями для грунтів, що враховують такі важливі властивості, як:
• внутрішнє тертя і коректні закони міцності;
• локалізацію зсувних деформацій в смуги ковзання;
• процеси зміцнення і знеміцнення;
• залежність деформацій грунту від часу;
• опис процесів навантаження, розвантаження і повторного навантаження;
• облік ефекту ділатансіі (зміни обсягу матеріалу, викликаного деформацією зсуву) та інших перехресних ефектів.
Перераховані нелінійні властивості дозволять описати залежність деформацій грунту від траєкторії навантаження.
Крім того, ANSYS включає цілий ряд процедур і можливостей, необхідних для коректного моделювання геомеханічних процесів, а саме:
• бібліотеку різноманітних контактних КЕ, що моделюють локалізацію зсувних деформацій (аж до моделювання дискретної середовища з контактним тертям);
• процедури «народження і смерті» елементів;
• зміна властивостей елементів в процесі рахунку;
• так звану мультіфізічность, коли на одній кінцево-елементної моделі вирішуються завдання для різних фізичних середовищ.
Картина ліній струму
заливка швидкістю
Вітрове навантаження висотних споруд
Важливість розрахунку вітрових навантажень сьогодні підвищується внаслідок збільшення числа зводяться в густонаселених містах висотних споруд.
Основним керівництвом для проектувальника на даний момент є СНиП. Існуюча вітчизняна методика розроблена на початку 70-х років в ЦНІЇСЬК ім.Кучеренко з використанням робіт А.Давенпорта і А.Вайза і реалізована в СНиП II-6-74. У 1978 році випущено «Інструкції з розрахунку будівель і споруд на дію вітру», підготовлене М.Барштейном. У 1984 році видано довідник «Динамічний розрахунок будівель і споруд» під загальною редакцією Б.Коренева. В цьому ж році на російську мову була переведена книга Е.Сіміу і Р.Сканлана «Вплив вітру на будівлі і споруди».
При випуску СНиП 2.01.07-85 «Навантаження і впливи» вирази, що описують динамічну реакцію споруд при дії вітру, були помітно спрощені. У 2000 році Н.Попов розробив «Рекомендації по уточненим динамічному розрахунку будівель і споруд на дію пульсаційної складової вітрового навантаження». У новій редакції СНиП (2003 рік) розділ «Вітрові навантаження» залишено без змін.
Крім наближеності динамічних підходів, вимагають уточнення і самі поля аеродинамічних навантажень, що визначаються за СНіП. Аеродинамічний коефіцієнт на навітряного поверхні окремо стоїть висотного будинку визначається як постійна по висоті величина, яка не залежить від гнучкості будівлі. Спектр тисків, запропонований Давенпортом, добре описує навантаження тільки навітряного боку будівлі, але навантаження дахів і покриття великої площі не визначається. Крім того, в СНиП відсутні варіанти розташування висотного будинку в забудові і не враховується інтерференція будівель. Навантаження зривними потоками від сусідніх будівель не розглядається, не враховується і зміна спектра турбулентності по висоті, а також рельєф місцевості.
Очевидно, що вимагає уточнення положення і розмір зон з підвищеними місцевими тисками вітру. У приземному шарі на висоті понад 200 м були виявлені так звані мезоструйние течії - шар повітря товщиною 100 300 м, який має підвищену швидкість.
Варто було б переглянути в СНиП та кліматологічні характеристики і районування, оскільки ця інформація не оновлювалася з 1977 року. Наприклад, за даними метеостанції МГУ, в 1984 році спостерігалося вітер на висоті 10 м зі швидкістю 28 м / c, що відповідає вже не першої, а другої зони вітрового навантаження для міста Москви. До того ж в останні кілька років московськими метеорологами були зафіксовані раптові шквальні вітри значної руйнівної сили: їх швидкість, за деякими оцінками, перевищувала 35 м / с.
До того ж висотні будівлі при точкової забудови різко змінюють повітряні потоки на прилеглій території, що викликає ряд негативних явищ. З'являються зони підвищених швидкостей вітру на рівні пішоходів, надлишкових тисків на верхніх поверхах будівель, низькочастотних коливань та ін. Високі швидкості вітру навколо багатоповерхового будинку, особливо при низьких температурах, в деяких випадках є небезпечними і несприятливо впливають на організм людини. На верхніх поверхах висотної будівлі виникають некомфортні умови через тепловтрат, викликаних інфільтрацією повітря через огороджувальні конструкції.
Облік комфортності при проектуванні дозволить підвищити комерційну привабливість споруджуваних будинків з урахуванням соціального статусу потенційних орендарів і мешканців. До того ж сьогодні основним критерієм комфортності прийнято вважати прискорення (середні і пікові), що в діючих Сніпах ніяк не відображено.
обчислювальна гідродинаміка
Сучасні можливості ANSYS CFX дозволяють вирішувати завдання аеропружності на реальних будівельних конструкціях з урахуванням додаткових факторів, що впливають: температурних полів, сонячної радіації та ін. Такі розрахунки можуть бути виконані як в стаціонарній постановці, так і в нестаціонарної.
В існуючій практиці для дослідження аеродинаміки будівель зазвичай використовуються спеціальні труби метеорологічного типу з довгою робочою частиною, в яких структура потоку відповідає так званої пристеночной турбулентності.
Площа перетину подібних труб, як правило, не перевищує 7 м2. Разом з тим для моделювання, наприклад, всього комплексу «Москва-Сіті» потрібно аеродинамічна труба більшого розміру, щоб коректно врахувати інтерференцію будівель, навіть при використанні масштабованих моделей (1: 600 або 1: 1000).
Тому на Заході фахівці все більше уваги приділяють технологіям обчислювального імітаційного моделювання. Зрозуміло, чисельний розрахунок не може повністю замінити натурний експеримент. Однак, спираючись на його результати, можна помітно знизити вартість і трудомісткість експериментальних робіт.
На зміну популярному в минулому CFD модулю ANSYS / Flotran прийшов програмний продукт ANSYS CFX, який надає користувачам ряд серйозних переваг, і перш за все - метод кінцевих обсягів, орієнтований на вирішення завдань обчислювальної гідродинаміки, сучасні моделі турбулентності, включаючи LES- і SST-моделі, неявну пов'язану схему рішення СЛАР та ін.
Для вирішення ряду завдань, зокрема флатера або розрахунку з урахуванням прогресуючого руйнування, ефективним засобом є комплекс ANSYS / AUTODYN, який підтримує в одній розрахункової моделі і рідина (в ейлеровой постановці), і конструкцію (в лангражевой).
Перехід до нестаціонарному нагружению слід проводити тільки після налагодження розрахункової моделі на стаціонарній задачі, причому час рахунку може відрізнятися в десятки разів.
САПР і графіка 10`2005