Учет ветровой аэродинамики при строительстве высотных зданий - Студенческий научный форум

XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Учет ветровой аэродинамики при строительстве высотных зданий

Зорин И.М. 1
1Академия архитектуры и искусств ФГАОУ ВО "Южный федеральный университет"
 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Актуальность

В последние десятилетия в связи с увеличением темпов урбанизации городского пространства, ускоренным развитием инженерно-строительных технологий тема высотного строительства становится все более актуальной. Возрастает роль высотных зданий как элементов формирования городского пространства.

Реализация проектов высотного строительства влечет за собой необходимость тщательного учета всей совокупности природных и техногенных рисков. Это, в первую очередь, связано с тем, что в ходе проведения строительных работ, одновременно, с  увеличением этажности зданий происходит смена функционального использования территории, а также начинают использоваться земельные участки с  неблагоприятными геологическими, климатическими и экологическими процессами. Данное обстоятельство обуславливает повышенные требования, как к технологиям создания высотных объектов, так и к учету физико-географических условий и источников природного воздействия, приводящих к возникновению чрезвычайных ситуаций. Источником возникновения природных рисков, приводящих к возникновению чрезвычайной ситуации, является опасное природное явление или процесс, причиной возникновения которого может быть: сейсмичность, склоновые процессы, карст, просадка в лессовых грунтах, эрозия, переработка берегов, цунами, наводнение, подтопление, штормовой нагон воды, сильный ветер, смерч, пыльная буря, суховей, сильные осадки, засуха, заморозки, туман, гроза, пожар.

В данном реферате рассмотрены основные положения методики оценки аэродинамического воздействия ветровых потоков на высотные объекты. Учет этих факторов требует использования современных методов исследований, основанных на геоинформационных технологиях. Данные технологии обеспечивают: — пространственное позиционирование и моделирование исследуемой территории; — пространственное моделирование исследуемых объектов; — математическое компьютерное моделирование происходящих процессов на исследуемой территории; — оценку риска аэродинамического воздействия ветровых потоков на объекты на исследуемой территории; — графическое воспроизведение в  аналоговой (бумажной) или цифровой форме результатов моделирования исследуемых процессов.

2. Ретроспективный анализ развития строительства высотных зданий

Возросшие темпы слияния и концентрации капитала привели к росту цен на земельные участки в крупных городах США. Центры городов стали местом получения максимально возможной прибыли.

В 1916 году комитет региональной планировки города Нью-Йорка принимает закон о высотном зонировании, определившем регламенты ведения высотного строительства в городах страны (Рис. 1). Многоэтажные здания появились в 1868-1870 гг. Эквитейбл - билдинг имел высоту 39 м.

Рис.1 - Эквитейбл - билдинг

Металлический каркас и лифт положили начало высотному строительству. В 1890 г Л. Салливан формулирует пять принципов функционального зонирования небоскрёбов, дальнейшее развитие высотного строительства изменило объёмно-планировочные решения первых этажей зданий, превратив их в плазы – многоуровневые пространства, ставшими городскими площадями и обогатившими городскую ткань [3].

Со временем определились факторы строительства высотных зданий:

- экономика;

- экология;

- социальная привлекательность.

Объёмно – пространственные решения высотных зданий складываются из градостроительных ситуаций объектов проектирования (локальных, групповых и массовых). Особое влияние оказывает нахождение объекта в исторической зоне сложившейся застройки. Также большое влияние на формообразование и планировочные решения объекта оказывает форма участка строительства (угловое, рядовое или островное). Важное значение при формировании объёмно-планировочного решения здания, имеют климатические зоны предполагаемого строительства: архитектура фасадов по странам света, применение гелиотропного остекления, устройство ветровых генераторов в соответствии с направлением господствующих ветров [3,4]. Летопись мировой архитектуры сложили уникальные здания и сооружения хранившиеся веками. Высотные здания, являясь символами технического роста, развитой экономики и амбиций стран, увеличивают поток туристов, поддерживают и развивают экономику и бизнес стран (Рис. 2).

Рис.2. Башня Тысячелетие. Токио

ХХI век начал складываться с отказа от историзма и тенденций развития вновь ориентированных на рационалистическую и новаторскую линию в архитектуре. Перекинут ярко читаемый мост от советского авангарда в завтрашний день. Примерами тому служит Динамический небоскрёб Н.А. Ладовского и Динамическая башня Д. Фишера и множество других аналогов, читаемые в современном формообразовании [5].

Тенденции развития высотной архитектуры стали складываться из композиционно-эстетических проявлений внешних оболочек, выходящих на первый план из прочих.

Причиной этому престижность и выразительность высотных сооружений ставшими символами городов и государств.

Конструктивно – технологическая осуществимость высотных зданий и сооружений, имеющих сложные геометрические формы и планы. Независимость оболочки здания от его каркаса, а также развития его внутренних пространств, независимо от экстерьера здания, сложная закрученная форма высотных зданий сокращает ветровые нагрузки конструкции на 24%. Особое значение для реализации высотных сооружений имеет совершенствование систем пожаробезопасности, лифтостроения, также энергосберегающих технологий. Совершенствование технологий по производству отделочных материалов, значительно расширило спектр выразительных возможностей архитектурного формообразования [5].

Говоря о феномене небоскрёба, мы в первую очередь говорим о феномене разрыва между внешним и внутренним, происходит не только семантически, но функционально. Отсутствие связи не только между формой и содержанием, но функциями вертикали. Р. Колхас назвал - «вертикальным расколом». Курьёз заключается в том, что большому не нужен город: он соревнуется с городом, представляет себя городом, в сути он есть город. Его архитектура выживает без контекста, контекст ей не нужен, пример этому - TurningTorso, Мальмё.

Рис. 3 - TurningTorso, Мальмё

3. Учет ветровых нагрузок при проектировании высотных зданий

3.1 Оценка ветровой ситуации.

Ветровой режим территории является одним из существенных природных факторов, которые необходимо учитывать при размещении, строительстве или реконструкции объектов, зданий и сооружений. Возрастающие потребности анализа ветровых потоков в приземном слое атмосферы определяются повышением этажности и плотности размещения строящихся зданий и сооружений. Ветровые потоки, возникающие при обтекании высотных зданий и сооружений, имеют сложную пространственную структуру. Это в частности показал анализ последствий урагана 1998 г. в г.Москве, во время которого повреждения зданий и сооружений, завалы деревьев имели очень неравномерный характер. Явно просматривались участки с сильным локальным увеличением скоростей ветрового потока по сравнению с фоновой скоростью ветра, что явилось следствием взаимодействия ветровых потоков с городской застройкой.

Увеличение высотности застройки и строительство зданий сложной конфигурации приводит к увеличению неравномерности ветровых потоков и появлению зон, где локальные скорости могут значительно (в 1.5-2 раза) превышать невозмущенную скорость ветра, что существенно для расчета ветровых нагрузок.

Традиционно вопросы аэродинамики зданий и сооружений рассматриваются в связи с оценкой ветровых нагрузок, действующих на здания и сооружения. Существующие строительные нормативы предписывают выполнение расчета аэродинамических нагрузок на типовые здания и элементы зданий с помощью методов, основанных на эмпирических данных. В случаях, не попадающих под известные типичные ситуации, «аэродинамические коэффициенты допускается принимать по справочным и экспериментальным данным или на основе продувок моделей конструкций в аэродинамических трубах» [1]. В настоящее время развернуто интенсивное строительство зданий повышенной высотности. В связи с этим представляется целесообразным для уменьшения стоимости работ и сроков их выполнения использовать методы математического моделирования на ЭВМ при расчете аэродинамических нагрузок.

В последнее время приходит понимание, что в условиях города анализ ветровой ситуации актуален как с точки зрения прочности конструкций, так и с точки зрения других аспектов, связанных с экологией и комфортностью жизнедеятельности. При разработке архитектурно-планировочных решений городских кварталов, а также при планировании возведения зданий внутри существующих городских кварталов [1] рекомендуется провести оценку комфортности пешеходных зон в соответствии с требованиями норм или технических условий. Из строительной практики можно выделить ряд неблагоприятных ситуаций, обусловленных локальной структурой движения ветровых потоков в городской застройке с образованием:

1) застойных зон, в которых при сильном фоновом ветре локальные скорости ветрового потока близки к нулю. В этих зонах из-за плохого проветривания скапливаются пыль, выхлопные газы автотранспорта и другие вредные примеси.

2)  зоны ускоренного движения ветрового потока у земли. В таких зонах входы в здание, детские площадки, скамейки для отдыха, автобусные остановки и другие места пребывания людей постоянно находятся под сильным ветровым воздействием, что вызывает дискомфорт.

3)  зоны ускоренного движения ветрового потока над крышами зданий. Наличие таких зон приводит к увеличению ветровых нагрузок на крыши, рекламные щиты, антенны и т. д.

4)  зоны ускоренного движения ветрового потока вдоль стен зданий. Помимо повышения ветровых нагрузок на стены и окна, наличие таких зон приводит к увеличению теплопотерь здания в холодное время года и к сквознякам внутри здания.

5)  вихревых потоков, что вызывает дискомфорт у пешеходов, приводит к подъему пыли и  вредных примесей на верхние этажи зданий.

6) неблагоприятных условий снегопереноса, приводящие к заносу снегом низких строений, дорог.

Традиционным методом оценки ветровой ситуации вблизи комплексов зданий и сооружений сложной формы и являются экспериментальные исследования в аэродинамических трубах на моделях строящихся объектов. Альтернативным подходом к решению данных проблем является численное моделирование движения воздушных потоков на ЭВМ, основанное на решении уравнений движения воздуха. Математическое моделирование имеет по сравнению с физическим экспериментом ряд преимуществ:

— меньшая стоимость работ и более сжатые сроки их выполнения;

— возможность получения более подробной информации о распределении давления по поверхности зданий и о поле скоростей вокруг зданий;

— возможность быстрого перебора различных вариантов формы проектируемых зданий для сравнительного анализа ветровой ситуации.

Моделирование условий аэрации территории в проектной практике позволяет заранее спрогнозировать возникновение указанных неблагоприятных ситуаций и предложить мероприятия по их устранению или по снижению их вредного воздействия. Например, по результатам такого моделирования можно предложить варианты размещения скверов для отдыха, детских площадок, торговых палаток, автомобильных стоянок. Дискомфортные зоны на уровне земли можно ослабить, используя зеленые насаждения.

Нормативную интенсивность ветровой нагрузки, учитываемой при строительстве и монтаже мостовых сооружений в соответствии с требованиями СП 35.13330.2011. Мосты и трубы [2], следует определять исходя из возможного в намеченный период значения средней составляющей ветровой нагрузки в данном районе.

3.2 Вихревой метод моделирования обтекания зданий и сооружений.

При существующих ветрах, господствующих над земной поверхностью, характерные масштабы в задачах об обтекании групп зданий таковы, что воздух можно рассматривать как несжимаемую жидкость при больших значениях числа Рейнольдса. Исходя из этого, решение задачи аэрации рассматривается в рамках вихревой модели идеальной несжимаемой жидкости с моделированием отрыва потока с углов зданий и развития вихревого следа. Характерными особенностями этого метода являются сравнительная простота реализации и возможность моделировать обтекание достаточно большого числа объектов сложной формы на общедоступных персональных ЭВМ.

Рис.4. Схематизация поверхностей зданий и вихревого следа

Метод дискретных вихрей был впервые предложен С. М. Белоцерковским в 50-х годах XX века для расчета аэродинамических характеристик крыльев летательных аппаратов. Затем метод был распространен на широкий класс задач аэродинамики летальных аппаратов, включая нестационарные задачи, при решении которых необходимо моделирование развития вихревого следа [6-8]. В конце 80-х гг. XX началось развитие и использование данного метода в задачах аэрации коллективом под руководством И. К. Лифанова.

В этом методе поверхности обтекаемых тел и вихревой след, образующийся за ними, заменяются вихревыми слоями (т. е. поверхностями, на которых имеется разрыв касательной составляющей скорости жидкости), которые затем аппроксимируются системами вихревых рамок. Предполагается, что вихревые следы возникают при отрыве потока с ребер зданий и, возможно, с заданных линий на гладких поверхностях зданий (рис.4).

Поверхности зданий разбиваются на неподвижные рамки, интенсивности которых неизвестны и меняются со временем, а вихревые следы, в соответствии с уравнениями переноса завихренности в идеальной жидкости моделируются рамками, сходящими в поток с  линий отрыва в дискретные моменты времени и далее движущимися вместе с жидкостью, имея не зависящие от времени циркуляции. Пример разбиения поверхности тела показан на рис.5.

Рис.5. Схема разбиения поверхности обтекаемого тела

В результате расчетов по изложенным методам могут быть получены поля скоростей воздушного потока вокруг обтекаемых зданий и сооружений и распределения аэродинамических нагрузок по поверхностям зданий.

Заключение

Взаимодействие нескольких зданий и влияние их местоположения на интерференцию воздушных потоков остается малоизученным.

Учет аэродинамической характеристики очень важен для обеспечения безопасности высотных зданий. Такие здания могут иметь различные формы, и аэродинамика каждого уникальна, что делает ее определение весьма сложным процессом. Для подсчета поля скоростей воздушного потока вокруг обтекаемых зданий и сооружений и распределения аэродинамических нагрузок по поверхностям зданий существуют различные методы расчета вихревых потоков. Эти методы основаны на исследовании математической модели здания и влияющих на него аэродинамический воздействий.

Библиографический список

1. СП 20.13330.2011 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*. — М.: ОАО «ЦПП». 2011. 80 с.

2. СП 35.13330.2011. Мосты и трубы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.03-84. — М.: ОАО «ЦПП». 2010. 340 с.

3. Магай А. А., Дубынин Н. В. Архитектурно-художественный облик высотных зданий // Архитектура и строительство России. 2009. № 4. С. 22–29.

4. Горгорова Ю.В. Гуманизация городской среды в условиях многоэтажной застройки (на примере делового района Кэнэри-Уорф в Лондоне) // Инженерный вестник Дона, 2017, № 4URL:ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_103_gorgorova.pdf_1322bc0573.pdf

5. Коротич М.А., Коротич А.В. Факторы развития архитектуры высотных зданий // Академический вестник Уралниипроект РААСН . 2009, №3. С. 48-51.

6. Белоцерковский С. М., Ништ М. И. Отрывное и безотрывное обтекание тонких крыльев идеальной жидкостью. — М.: Наука. 1978. 351 с.

7.  Белоцерковский  С. М., Котовский  В. Н., Ништ  М. И., Федоров  Р. М.  Математическое моделирование плоскопараллельного отрывного обтекания тел. — М: Наука. 1988. 231 с.

8.  Лифанов  И. К.  Метод сингулярных интегральных уравнений и  численный эксперимент в  математической физике, аэродинамике, теории упругости и дифракции волн. — М.: ТОО «Янус». 1995. 520 с.

9. Гутников В. А., Лифанов И. К., Сетуха А. В. О моделировании аэродинамики зданий и  сооружений методом замкнутых вихревых рамок. // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2006. № 4. С.78-93.

10. Рекомендации по оценке аэрации территории в жилой застройке Москвы. / Отв. ред. Лифанов И. К. — М.: Макс пресс. 2006. 2-е изд. перераб. и доп. 160 с.

11.  Стрелков  К. С., Комаров  М. С., Мулов  Ю. М., Невежина Т. П. Исследование ветровых аэродинамических нагрузок на  офисное здание на  набережной Т.  Шевченко в  г.Москве на  модели 1:100 в  аэродинамической трубе Т 103 ЦАГИ. II этап. Научно-технический отчет НТО СЦ «ЦАГИ-ТЕСТ», инв.№ 3 / 98. 1998.

Просмотров работы: 134