9663

50

Таблица 2.2

Результаты моделирования по направлениям ветрового потока «3» и «4»

По результатам аэродинамических испытаний видно, что давление,

действующее на покрытие, отрицательное. При общем разгружении несущих конструкций здания подобное воздействие может оказывать значительное влияние и усложнять процесс расчета и проектирования креплений элементов кровли, поскольку при отсутствии снеговой нагрузки во время сильных ветров может произойти их отрыв. Помимо этого, в подобных мембранных покрытиях при действии пульсационной ветровой нагрузки могут возникать

51

резонансные эффекты, действие которых в условиях эксплуатации реального

сооружения не предсказуемо.

а)

б)

Рис.2.5. Изополя распределения ветровой нагрузки по большепролетному покрытию велодрома, Па, построенные по результатам физического моделирования в аэродинамической трубе для двух взаимно перпендикулярных направлений ветрового потока: а) - направление «1»; б) – направление «2»

52

Рис. 2.6. Эпюры ветровой нагрузки по некоторым сечениям

53

ЛЕКЦИЯ 11

ОПЫТ ИСПЫТАНИЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ В

АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ТРУБАХ

Развитие застройки современных городов неизбежно связано с возрастающей сложностью проектируемых объектов и условий, в которых осуществляется их возведение. При проектировании уникальных зданий, к которым предъявляются особые требования безопасности, необходимо корректно учитывать все внешние нагрузки для обеспечения надежности и прочности таких зданий [1-4].

Высотные здания, как правило, характеризуются повышенной чувствительностью к воздействию ветра, поэтому при расчёте таких зданий на прочность возникает необходимость оценки аэродинамических воздействий с большей точностью [5-6].

Всоответствии с требованиями действующих нормативных документов

[1]в случае, когда принципиальная геометрическая схема здания не совпадает ни с одной из представленных в приложении В, аэродинамические коэффициенты устанавливаются на основе результатов математического или физического моделирования. Физическое моделирование подразумевает определение аэродинамических характеристик исследуемого объекта в аэродинамической трубе.

Аэродинамическая труба – это установка для получения искусственного равномерного прямолинейного потока воздуха, представляющая собой воздуховод с побудителем движения воздуха (осевой или центробежный вентилятор) и устройством для создания равномерного потока в рабочей области, где находится испытуемая модель.

Аэродинамический эксперимент был проведён в лаборатории кафедры «Отопление и вентиляция» ННГАСУ. В качестве объекта исследования был взята модель проектируемого здания, а именно 53-этажное многофункциональное уникальное здание в городе Казани (рис. 1). Высота здания вместе со шпилем от нулевой отметки составляет 263,5 м. Поперечные размеры здания в осях - 87,55 м х 42,30 м.

55

Модель располагалась внутри установки (рис. 3), где создавался равномерный поток воздуха. Измерение статического давления на поверхности модели производилось при помощи микроманометра.

Рис. 3. Схема экспериментальной установки:

1 – исследуемая модель; 2 – ветровой поток; 3 – аэродинамическая труба; 4 – подиум-подставка под макет здания; 5 – направляющие ребра; 6 – гибкая трубка; 7 –

микроманометр

По показаниям микроманометров были вычислены аэродинамические

где рпов – давление, измеренное в изучаемой точке поверхности; р0 – динамическое давление, оказываемое ветровым потоком на

вертикальную поверхность.

На основании вычисленных данных были построены изополя распределения аэродинамических коэффициентов для направления ветра, действующего перпендикулярно переднему фасаду здания (рис. 4).

Анализируя полученные результаты, можно сделать следующие выводы:

1.Распределение аэродинамического коэффициента по поверхности наветренной стороны здания неравномерно по высоте. Коэффициент положителен, при этом значения в нижней части, где форма здания в плане близка к прямоугольной, значительно превышают значения в верхней части.

2.Аэродинамический коэффициент на подветренной стороне здания имеет малые по модулю отрицательные значения, что обуславливается обтекаемой формой здания.

3.Значения аэродинамического коэффициента на поверхности главного фасада здания отрицательны и значительно увеличиваются по модулю в полукруглой части здания, где радиус окружности перпендикулярен направлению ветра, что необходимо учитывать в расчетах.

56

4. Аэродинамический коэффициент на поверхности заднего фасада здания имеет отрицательные значения и увеличивается по модулю ближе к наветренной стороне.

Рис. 4. а) Схема направления ветра; б) Изополя распределения аэродинамических коэффициентов.

Строительство в наши дни стремительно развивается и, в связи с этим фактом, существенно увеличивается и сложность возводимых объектов. Выдвигаемые требования к зданиям возрастают, а условия для застройки становятся всё труднее, поэтому в данном вопросе имеет место быть возведение уникальных зданий. Уникальными называются здания, имеющие экстремальные габариты и требующие особых методик расчета. Проектирование подобных зданий является большой и ответственной задачей.

К уникальным высотным зданиям относятся конструкции высотой не менее 100 метров. Для объектов, высота которых многократно превосходит поперечные в плане размеры, ветровая нагрузка является основной. Индивидуальный подход в проектировании подобных сооружений играет существенную роль, поскольку при применении стандартных методик, правильный учет архитектурных особенностей данного сооружения является практически невыполнимой задачей. [1-7]

Однако не стоит забывать, что существующая в наше время застройка устроена таким образом, что помимо самого проектируемого здания, существенное влияние на аэродинамические характеристики вполне способны оказывать и находящиеся рядом здания или сооружения. Данное исследование посвящено сравнению значений аэродинамических коэффициентов высотного здания при наличии и отсутствии перед ним большепролетного.

57

В соответствии с требованиями [1] в случае, когда принципиальная геометрическая схема здания не совпадает ни с одной из представленных в приложении В, аэродинамические коэффициенты устанавливаются на основе результатов математического или физического моделирования. Физическое моделирование подразумевает проведение эксперимента с уменьшенной моделью здания в аэродинамической установке.

Аэродинамическая установка представляет собой трубу большого диаметра с продуваемым через неё воздухом, специально разработанную для исследования эффектов, возникающих при обтекании твердых тел воздушным потоком. Иными словами, она моделирует воздействие окружающей среды на испытуемое тело посредством создания равномерного потока в рабочей области.

Эксперимент был проведён в лаборатории кафедры «Отопление и вентиляция» ННГАСУ. В качестве объектов исследования были взяты модели проектируемых зданий, 53-этажное высотное уникальное здание, высота которого вместе со шпилем от нулевой отметки составляет 263,5 м, а поперечные размеры здания в осях – 87,55 м х 42,30 м (рис. 1) и большепролетное здание, перекрываемое пространственными арками пролетом 227,65 м [7].

Для определения аэродинамических коэффициентов экспериментальными методами, были разработаны макеты, изготовленные 3D-принтере (рис. 2).

Рис. 1. Исследуемое высотное здание: видовая точка

58

Рис.2. Макеты исследуемых зданий, помещенные в аэродинамическую трубу

В рабочей зоне аэродинамической установки (рис. 3) создавался равномерный поток воздуха. Измерение статического давления на поверхности модели здания в характерных точках производилось микроманометром. Во время эксперимента каждая трубка системы дренажей соединялась с микроманометром с помощью гибкой резиновой трубки.

Рис. 3. Схема экспериментальной установки: 1 – исследуемая модель; 2 – ветровой поток; 3 – аэродинамическая труба; 4 – подиум-подставка под макет здания; 5 – направляющие ребра; 6 – гибкая трубка; 7 – микроманометр

По показаниям микроманометров были вычислены аэродинамические коэффициенты сe:

где рпов – давление, измеренное в изучаемой точке поверхности;

59

р0 – динамическое давление, оказываемое ветровым потоком на вертикальную поверхность.

На основании измеренных результатов были определены значения аэродинамических коэффициентов для главного фасада высотного здания при направлении ветра, действующего под углом 45 к главному фасаду высотного и перпендикулярно переднему фасаду большепролетного (рис. 4).

Рис. 4.а) Схема расположения зданий относительно друг к другу; б), в) Распределение аэродинамических коэффициентов по поверхности высотного здания без большепролетного и с большепролетным зданием соответственно; г) Относительная разница между аэродинамическими коэффициентами

Из полученных результатов, можно сделать вывод, что значения аэродинамических коэффициентов при наличии перед высотным зданием препятствия в виде большепролетного сооружения в нижней части здания сильно уменьшаются по модулю, что видно по рисунку 4 г). При этом в точках, расположенных выше большепролетного здания, значения коэффициентов наоборот увеличиваются по модулю. Это обуславливается тем, что потоки воздуха, обходя преграду, начинают подниматься, создавая области увеличенного ветрового давления.

По анализу данных значений можно заключить, что в условиях застройки, при определении ветровых нагрузок на уникальные объекты, необходимо производить математическое или физическое моделирование, с учетом зданий и сооружений, находящихся в непосредственной близости к проектируемому.