10936

•Сера - сталь способна применяться при сварке и клепке

•Фосфор - делает сталь хрупкой и ломкой

Также при возведении стальных конструкций обращают внимание на температурные воздействия. При повышенной температуре пределы прочности и текучести, модуль упругой деформации сходятся в 0. При пониженной пределы прочности и текучести возрастают, причем предел текучести увеличивается сильнее в отличие от предела прочности. Но от температуры зависят и другие параметры: вязкость стали и сопротивление ударному разрушению. При пониженной температуре вязкость падает, причем у каждой стали различно, в зависимости от химического состава и способа выплавки; развивается хрупкость стали.

Температурные воздействия характеризуются температурными напряжениями и деформациями, которые способны быть не самоуравновешенными и не свободными, если деталь закреплена в точках препятствия деформации и наоборот. Если взять свободную незакрепленную деталь, то температурные напряжения возникают из-за неравномерного нагрева, в качестве примера служит температурное напряжение после проката.

Кроме того, существует понятие собственного напряжения I, II, III типа и в качестве примера служат сварочные напряжения. Все эти собственные напряжения имеют свои особенности:

•Они уравновешенные, т.е не зависят от внешних воздействий

•Способны сопутствовать основным напряжениям, характеризуя препятствия продвижению деформации

Собственные напряжения, также как и температурные, существуют 3 типов:

•I тип — уравновешиваются внутри детали во всем объёме в целом, в качестве примера является сварочное напряжение. Определяются по тем деформациям, которую они вызывают.

•II тип — уравновешиваются внутри одного или нескольких кристаллитов. Сказываются на работе стали , изменяя ее механические свойства, пример — собственные напряжения наклепа. Определяется рентгенографичеким анализом.

•III тип — уравновешиваются внутри объемов атомной решетки. Задерживают развитие пластических деформаций , влияя на усталостное сопротивление и старение. Также , как и II род, определяется рентгенографическим анализом

Ударная вязкость — величина работы, затраченной на разрушение образца, измеряется в кгм/см2. Саму величину работы определяют по формуле:

А= G(h1 – h2) = Gr (cosα + cosφ ),

60

где G – вес маятника; r – его длина; h, φ,α – высоты и углы соответственно, берутся по шкале у копра, образцами выступают малые балки сечением 10*10 мм и пролетом 40 мм, а полная длина образца60 мм.

Определение ударной вязкости характеризуется, как испытание материала при весьма тяжелых условиях( большой концентрации напряжений). Данная характеристика ярко реагирует на микроструктуру , однородность и мелкость зерна, чувствительность к переходу в хрупкое состояние. Ударная вязкость способна реагировать на дефекты структуры материала, которые могут быть разнообразны в разных местах детали.

Таким, образом, вопрос о выборе стали и проката из нее при строительстве стальных несущих конструкций остается актуальным, так как очень важно учитывать не просто простоту возведения вышеуказанные характеристики при строительстве стальных конструкций в разных климатических зонах.

Литература

1.СП 16.13330.2017 "Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*" (с Поправкой, с Изменением N 1, 2).

2.СП 294.1325800.2017 Конструкции стальные. Правила проектирования (с Изменением N 1).

Е.А. Хаустова, П.А. Хазов

ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

АНАЛИЗ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ВЫСОТНЫЕ ЗДАНИЯ. СРАВНЕНИЕ СПОСОБОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕТРОВОЙ НАГРУЗКИ

Интерес к аэродинамике возник еще в XVIII веке, основополагающим стало открытие швейцарского ученого Даниила Бернулли. Он предположил, что скорость жидкости (а воздух тогда рассматривали как жидкость) обратно пропорциональна ее давлению[5]. На этом принципе позднее основывались все дальнейшие разработки.

Аэродинамика, как отдельная область научных и прикладных исследований, получила свое развитие в первой половине ХХ века, тогда были сформулированы ее основные постулаты. Практическое применение полученных знаний в строительстве выразилось в учете аэродинамических сил при проектировании зданий и применении новых технологий, приведших к строительству высотных зданий. С ростом городов и повышением этажности их застройки учет аэродинамического влияния

61

приобрел большое значение. Причиной этого были трудности, с которыми столкнулись строители. На высоте, где скорость ветровых потоков достигает больших значений, фасады подвергались разрушающим воздействиям: срывались и трескались окна и навесные панели.

Проектирование высотных объектов, имеющих сложные геометрические формы, считается особой инженерной задачей. Одной из основных проблем высотных здания является их «чувствительность» к воздействию на них ветровых нагрузок.

В конце ХХ века эмпирически были получены методики расчета аэродинамических нагрузок на типовые объекты, имеющие наиболее распространённые, стандартные формы. Однако, для зданий не попадающих под эту категорию информация практически отсутствовала. В случаях, когда высота объекта многократно превосходит поперечные размеры в плане, либо его форма имеет достаточно сложную, криволинейную геометрию, в действующих нормах (п. 5.3 [1]) предусматривается получение параметров взаимодействия с ветровым потоком по результатам модельного аэродинамического эксперимента или посредством математического моделирования на ЭВМ.

1) Определение ветровой нагрузки приближенным способом по СП20.13330.2016

Расчет ветровых воздействий на высотные здания сводится к исследованию распределения давлений по поверхности, т.е. к решению трехмерных уравнений гидрогазодинамики в постановке Навье-Стокса:

(1)

Для данной системы уравнений, английский ученый Рейнольдс предложил упрощенную запись, где скорость рассматривалась как сумма средней и пульсационной скорости:

(2)

В действующем стандарте [3], нормативное значение ветровой

В соответствии с п. 11.1.3 свода правил [3] нормативное значение средней составляющей основной ветровой нагрузки в зависимости от эквивалентной высоты ze над поверхностью земли определяется по формуле

11.2:

62

коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления для высоты ze; с – аэродинамический коэффициент, определяемый по приложению В.

Нормативное значение пульсационной составляющей основной ветровой нагрузки wg на эквивалентной высоте ze необходимо определять следующим образом:

а). при первой частоте собственных колебаний больше предельного

( ) − коэффициент пульсации давления ветра для эквивалентной высоты; − коэффициент пространственной корреляции пульсаций давления ветра;

б). при случае, когда предельное значение собственной частоты находиться в пределах между значениями первой и второй собственными частотами:

где ξ – коэффициент динамичности, определяемый по рисунку 11.1[3] в зависимости от суммарного логарифмического декремента колебаний и безразмерного периода для первой собственной частоты;

в). для сооружений, у которых вторая собственная частота меньше предельной, необходимо производить динамический расчет с учетом s первых форм собственных колебаний.

Так как современные высотные здания отличаются многообразием и сложностью своей геометрической конфигурацией, то использование «типовых» аэродинамических коэффициентов, предложенных СП20.13330.2016 не отражает полную картину. Поэтому для решения данных задач используют альтернативные способы.

2) Определение ветровой нагрузки по результатам аэродинамического эксперимента

Аэродинамическая труба (АДТ) - установка, создающая движущийся равномерный поток воздуха с целью изучения его взаимодействия с находящимся в нем неподвижным объектом, а также для экспериментального изучения аэродинамических явлений.

63

Рис. 1 Схема экспериментальной установки:

1 – вентилятор; 2 – аэродинамическая труба; 3 – макет сооружения; 4 – изучаемая точка поверхности; 5 – подмакетник; 6 – микроманометр; 7 – поток воздуха

В результаты, полученные при испытании в АДТ, вводят поправки учитывающие тип рабочей зоны трубы, ее загромождение и форму.

Требования, предъявляемые к АДТ, зависят от вида испытаний, основные приведены в источнике [2]. Главное требование – это создание качественного потока. Показателем качества потока является его начальная турбулентность в рабочей зоне трубы.

Успех испытаний во многом зависит и от модели исследуемого объекта, поэтому к ней также применяется ряд условий:

-для получения достоверных результатов при проведении модельных испытаний следует использовать модели с высоким уровнем геометрического подобия;

-условие полного кинематического подобия (равенство чисел Рейнольдса для модели и натуры). Можно достичь путем значительного увеличения скорости обтекающего модель воздушного потока или использованием при испытаниях воздушной среды с уменьшенной вязкостью.

Данный вид исследований является дорогостоящим, однако он необходим, так как даже самые совершенные численные методы нуждаются

виспользовании определенных поправочных коэффициентов, которые могут быть получены лишь реальными испытаниями. Зачастую после физического моделирования приходится пересматривать математические модели, поскольку результаты далеки от реальности. Однако данные исследования снижают затраты при строительстве, так как позволяют не закладывать избыточную прочность здания, которая влечет за собой удорожание стоимости фундамента и несущих конструкций.

64

3) Определение ветровой нагрузки с помощью расчетных комплексов

Внастоящее время существует множество программных комплексов реализующих метод конечных элементов, позволяющих оценить напряженно-деформированное состояние объекта с учетом реальной геометрической конфигурации, физико-механических свойств материалов,

атакже спрогнозировать его поведение. Данные комплексы позволяет выполнить не только расчет, но и визуализировать результаты. Наиболее перспективными является продукты, как: Мономах, ANSYS, SCAD, Лира-

СОФТ, Autodesk Robot Structural Analysis Professional, МОНОМАХ, APM Civil Engineering, ПК STARK ES.

ANSYS – это самый распространенный в мире, многофункциональный комплекс конечно-элементных расчетов. Он позволяет решать линейные и нелинейные, стационарные и нестационарные задачи механики деформируемого твердого тела, электродинамики, теплопередачи и теплообмена, а также задачи механики жидкости и газа.

Внастоящее время ANSYS является универсальной вычислительной средой с различными вариантами аппроксимации искомой функции [4].

Рассмотрим на примере расчета здания относительно простой конфигурации. Непосредственно расчеты аэродинамики выполнялись с использованием программного модуля ANSYS CFX. Результаты моделирования приведены на рис. 2. Коэффициент лобового сопротивления

cz = 1,12.

Из расчета видно, что максимальные значения динамической составляющей давления ветрового воздействия распределяются по краям и боковым поверхностям здания. Это связано с возникновением развитых отрывных течений, из-за низкой обтекаемости здания.

Рис. 2 Моделирование в ПК ANSYS. Изополя распределения ветровой нагрузки

а– статическая составляющая давления; б – динамическое составляющая давления; с

–суммарное давление ветра

65

Разумеется, численный расчет не может полностью заменить натурный эксперимент. Однако, опираясь на его результаты, можно заметно снизить стоимость и трудоемкость экспериментальных работ.

На основании проведенного анализа существующих способов оценки ветровых воздействий можно сделать вывод, что существующие нормативные документы и методики не отражают в полной мере специфику действия ветровых нагрузок на высотные здания и комплексы. Применение типовых схем приложения ветровых нагрузок, предлагаемые в СП20.13330.2016, может быть использовано только для первичного назначения предварительных сечений конструкций, с обязательным дальнейшим уточнением в программных комплексах или посредством реального эксперимента.

Литература

1.ГОСТ Р 56728-2015. Здания и сооружения. Методика определения ветровых нагрузок на ограждающие конструкции. – Москва: Стандартинформ, 2016. – 12 с

2.ГОСТ Р ИСО 16622-2009. Метеорология. Акустические анемометры-термометры. Методы приемочных испытаний при измерениях средней скорости ветра. – Москва: Стандартинформ, 2010. – 19 с

3.СП 20.13330.2016. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85* – Москва : Минстрой России, 2016. – 80 с

4.Дубинский С. И. Численное моделирование ветровых воздействий на здания и сооружения. Москва, 2010. 197 с.

5.Маевская М. Е. Аэродинамика высотных зданий. Практическое пособие для обывателя / М. Е. Маевская. – Текст : непосредственный // Высотные здания: журнал высотных технологий. – 2015. – №1. – С. 22-29

А.А. Чеснокова

ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

ФРАКТАЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ В ОБЪЁМНО-ПЛАНИРОВОЧНОМ И КОНСТРУКТИВНОМ РЕШЕНИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Одно из определений фракталов гласит, что это геометрическая фигура, состоящая из частей, являющихся уменьшенной копией целого [1].

Фрактальные структуры могут иметь как математическую структуру формообразования, так и природную. Самые распространенные из

66

природных фракталов это: фракталы в структуре растений (папортниковые) (рис. 1), в структуре природных явлений (формирование волн) (рис. 2).

Математический фрактал (лат. fractus – дроблёный) – бесконечно самоподобная геометрическая фигура, то есть составленная из нескольких частей, каждая из которых подобна всей фигуре целиком [2]. Наиболее известными математическими фракталами являются: снежинка Коха, треугольник Серпинского, Канторова пыль и т.д. (рис. 3-5).

Изучая фрактальные структуры, мы пришли к выводу, что природные и математические фракталы формируют не только внешний облик объекта, но и работают в качестве конструктивной основы сооружения. Рассмотрим в качестве примера Эйфелеву башню. В этом сооружении итоговая основа формообразования напоминает фрактальную группу из треугольника Серпинского (рис. 6, 7).

Для доказательства данного положения составим графическую модель сооружения, используя принципы формообразования фрактала Серпинского.

Рис. 8 наглядно демонстрирует, что наше предположение имеет право на существование: с помощью фрактала Серпинского можно построить модель башни. Но подобная модель показывает, что фрактальные структуры в конструктивном решении применяются неявным способом, хотя очевидно, что сооружение состоит из элементов со свойствами самоподобия. Однако в реальном сооружении крупные элементы состоят не из частей более малых элементов, а используется принцип пропорциональности конструктивных частей.

Рис. 8. Условная модель Эйфелевой башни, образованная математическим фракталом.

Зачастую подобные неявные фракталы используются и в объемнопланировочных решениях объектов.

Так для создания основы планировки может применяться как математический фрактал, так и природный. На рис. 9 представлен пример планировки здания с элементом формообразующей структуры из спирали Ньютона или как ее еще называют спирали золотого сечения. Такая форма относится, как и к природным фракталам, так и к математическим. Спираль служит основой формирования здания как элемент рекреационного пространства при применении коридорной системы компоновки здания.

68

Рис 9. Пример объёмно-планировочного решения здания с применением теории фрактала.

Наиболее ярко проявление фракталов можно зафиксировать в типовом панельном домостроении (рис. 10) или в современном проекте высотного здания Парк Авеню 432 (рис. 11). Такого рода объекты могут характеризовать фрактальные формы Канторова пыль и ковер Серпинского.

Но и в том, и в другом случае фасады зданий и их планировочные решения формируются из самоподобных элементов прямоугольной или квадратной формы (рис 12).

Рис. 12. Принцип формирования фрактала в объемно-планировочном решении зданий.

69