Расчет ветровых нагрузок на здание и сооружение. Основы проведения аэродинамических испытаний

Определение ветровых нагрузок является обязательным элементом проектирования высотных зданий и мостов. В связи со сложной аэродинамикой высотных зданий, индивидуальной для каждого проекта Территориальными строительными нормами Москвы и Санкт-Петербурга рекомендуется на начальных этапах разработки проектной документации проводить физическое моделирование обтекания в аэродинамической трубе.

Выписка из

МГСН 4.19-05. Москва.

Многофункциональные высотные здания и комплексы.

«Настоящие нормы распространяются на проектирование, экспертизу и учитываются при разработке технических условий на отдельно стоящие или находящиеся в составе многофункциональных комплексов зданий высотой более 75 м и до 400 м.»

«Аэродинамические коэффициенты сил, моментов, внутреннего и внешнего давлений, число Струхаля для оценки резонансного вихревого возбуждения должны приниматься на основе испытаний моделей высотных зданий, включая испытания существующей застройки, в специализированных аэродинамических трубах.»

«При проектировании высотных зданий необходимо осуществлять оценку ветрового режима и аэродинамических показателей. При этом следует обеспечить на земле снижение ветровых потоков, возникающих у первых этажей не только самого высотного здания, но и прилегающей застройки, а также создать рациональные условия его аэрации.»

Выписка из

ТСН 31-332-2006. Санкт-Петербург.

Жилые и общественные высотные здания.

«Область применения. Настоящие нормы распространяются на проектирование жилых и общественных зданий высотой до 150 м (жилые здания высотой более 75 м, общественные здания – более 50 м), а также комплексов таких зданий, возводимых на территории Санкт-Петербурга».

«В связи со сложной аэродинамикой высотных зданий, индивидуальной для каждого здания, на начальных этапах разработки проектной документации необходимо проводить физическое моделирование в аэродинамической трубе, имеющей соответствующие аттестационные документы».

Ветровые нагрузки воздействуют на большое число строительных конструкций, для которых и производиться расчет: зданий, сооружений, мачт, труб, антенн, фасадных систем и светопрозрачных конструкций. Сопротивление нагрузке для строительных конструкций должно соответствовать нормам и требованиям, предъявляемым к ним.

Экспериментальные исследования также являются основным способом изучения аэроупругих колебаний большепролетных мостов под действием ветра. Испытания макетов мостов в аэродинамических трубах при различных скоростях потока позволяют выявить качественную картину аэроупругих колебаний моста и с достаточной точностью определить значение критической скорости ветра, при которой могут возникнуть опасные колебания натурного моста вплоть до его разрушения.

Существует достаточно значительное количество способов усиления сопротивляемости данной нагрузке, они помогут вам избежать повреждения и разрушения рекламных конструкций и зданий под воздействием природной стихии. Высококвалифицированные специалисты на базе аэродинамической трубы ФГУП «Крыловский государственный научный центр» проведут испытания и расчет нагрузки на строительную конструкцию в соответствии с имеющимися методиками. Аэродинамическая труба ФГУП «Крыловский государственный научный центр» оснащена всем необходимым измерительным оборудованием и позволяет выполнить необходимые расчеты по определению ветровых нагрузок высотных зданий и мостов.

Рис. 52 Большая аэродинамическая труба

Основные ее характеристики

Сечение рабочего участка – эллипс 2,5 х 4 м;• длина рабочего участка – 5 м; • неравномерность скорости по сечению рабочего участка не более 0,7%; • угол скоса набегающего потока – не более 1%;• степень турбулентности набегающего потока не более 0,5%; • скорость набегающего потока – до 80 м/с.

Рис. 53 Ландшафтная аэродинамическая труба

Пока существует в России (НИИ Санкт-Петербург) в одном экземпляре. Ландшафтная аэродинамическая предназначена, для обдувания целого жилого квартала или нескольких высотных зданий, для предотвращения нежелательных явлений, связанных с аэродинамическими явлениями, возникающими вокруг высотных зданий.

Характеристика ландшафтной аэродинамической трубы:

• замкнутая аэродинамическая труба с закрытой рабочей частью;

• сечение рабочего участка – прямоугольник 11 х 2 м;

• длина рабочего участка – 18 м;

• скорость набегающего потока – до 14 м/с.

• шаг регулировки скорости потока – 0,1 м/с;

• возможность моделировать приземный пограничный слой.

Во время модельного эксперимента решаются наиболее важные аэродинамические задачи:

Измерение аэродинамических сил и момента. Определение давления на поверхности зданий и мостов. Оценка скорости ветра в пешеходных зонах.

Определение числа Струхаля и возможности возникновения резонансных явлений. Измерение полей скорости над вертолетной площадкой, для обеспечения безопасного приземления вертолета. Предложение конструктивных решений по результатам измерений.

Рис. 54 Пример обтекания крыши макета высотного здания

(видны вихри Кармана)

Многолетний опыт проведения исследований летательных аппаратов различных типов и размеров, накопленный в ЦАГИ, оказался востребован и в других отраслях народного хозяйства, в том числе и при проектировании и строительстве высотных объектов ‑ зданий, мостов, дымовых труб и гигантских монументов. Суммарная ветровая нагрузка, воспринимаемая многоэтажным небоскребом, огромна. Хорошо известно, например, что при штормовых ветрах вершина одного из первых в мире небоскребов — «Эмпайр стейт билдинг» в Нью-Йорке может совершать колебания, отклоняясь от вертикали на несколько метров. Строители, конечно, учли это обстоятельство, заложив в конструкцию достаточный запас прочности. В тридцатых годах прошедшего столетия модели высотных зданий в аэродинамических трубах не испытывали. Зачем же делают это теперь?

Прежде всего, определение оптимальных параметров здания на ранних стадиях проектирования позволяет обеспечить высокий уровень безопасности. Под воздействием ветра отдельные элементы строительной конструкции и всё здание могут колебаться. Амплитуды таких колебаний зависят от действующих сил и от внутреннего демпфирования — способности к поглощению энергии колебаний. Современные высотные здания строятся с максимальным использованием стальных конструкций и монолитного железобетона — материалов, демпфирующие способности которых невелики. Поэтому необходимо тщательно исследовать динамическое поведение здания на моделях в аэродинамических трубах уже на ранних этапах проектирования.

По воле архитекторов конструкции и формы зданий сегодня стали настолько разнообразными и изощрёнными, что теоретические расчёты не дают достоверного ответа на вопрос: как поведёт себя возведённое строение под воздействием ветра? Для того чтобы понять, что же именно может произойти, создаётся модель, геометрически подобная оригиналу, которая испытывается в аэродинамической трубе на разных режимах при разных направлениях потока. Чем крупнее модель, тем точнее моделируются условия нагружения. В отличие от летательных аппаратов, имеющих, как правило, обтекаемую форму, здание представляет собой плохо обтекаемое тело. Поэтому на моделях в аэродинамических трубах исследуют не только суммарные и распределённые аэродинамические нагрузки, действующие на здание, но и пульсационные нагрузки от действия вихрей. Эти нагрузки могут разрушить элементы облицовки, архитектурные украшения, особенно если они складываются с такими же пульсациями, приходящими от соседнего здания, и резко усиливаются.

Стоящие перед исследователями задачи этими вопросами не ограничиваются. Дело в том, что, если отношение высоты здания к средней ширине более семи, при испытаниях приходится учитывать и гибкость здания. В таких случаях модель должна быть подобна оригиналу не только геометрически, но и динамически. Это означает, что модель выполняется подобной натурному сооружению по распределённым массово-инерционным и жесткостным характеристикам.

Впервые специалисты ЦАГИ занялись решением подобных проблем в семидесятых годах прошлого столетия. Меч у возведённого на Мамаевом кургане монумента «Родина-Мать» под воздействием ветра начал раскачиваться. В конструкции, поддерживающей меч, образовались опасные трещины. Необходимо было немедленно устранить колебания. С целью выявления причин колебаний и определения способов их эффективного демпфирования модель памятника испытали в аэродинамической трубе на различных режимах. В результате исследований было предложено, а затем и осуществлено на монументе два взаимно дополняющих способа: выполнены продольные щели в гранях меча и установлен динамический гаситель колебаний (ДГК). Он представляет собой маятник в сочетании со специальными демпферами, очень похожими на автомобильные амортизаторы. При колебаниях меча маятник качается — демпфер поглощает энергию.

Чтобы установить новый меч, пришлось немало потрудиться. Готовый и официально открытый памятник вновь одели в строительные леса и выполнили необходимые работы. В результате колебания снизились до допустимого уровня.

Аэродинамические исследования моделей строящихся зданий помогают решать вопросы не только безопасности, но и комфорта. Все, кто бывал в Москве на Новом Арбате, наверняка заметили, что вдоль этой улицы почти всё время дуют ветра довольно ощутимой силы. Высотные дома, выстроенные с обеих сторон, словно по линейке, образовали своеобразную аэродинамическую трубу, по которой постоянно перемещаются воздушные массы. Иногда для возникновения подобного эффекта совсем не обязательно выстраивать целую улицу — изменить конфигурацию воздушных потоков на улице может всего лишь один новый дом. ЦНИИЭПжилища — проектировщику здания на проспекте Маршала Жукова в Москве, пришлось решать проблему не только аэродинамики высотного здания, но и комфортного прохождения по улице пешеходов. Для обеспечения комфорта было предложено установить декоративные загородки-экраны.

Аэродинамические испытания крайне важны и при строительстве современных мостов. Если обычный железнодорожный мост- это в основном решётчатая конструкция, мало подверженная воздействию ветровых нагрузок, то современный типовой автомобильный мост — объект, обладающий большой парусностью. На него может действовать подъёмная сила, могут возникать крутящие моменты, способные спровоцировать его ветровые колебания и даже разрушение. Кроме того, в последнее время возросло разнообразие архитектурных форм, произошло их усложнение, мостостроители всё больше увеличивают длину мостовых пролётов.

При сооружении балочных мостов пролётные секции собирают на берегу и в собранном виде их надвигают от опоры к опоре. В этот момент передняя секция представляет собой длинную консоль, абсолютно беззащитную по отношению к ветровому воздействию. При ветре она может раскачиваться, достигая опасных амплитуд колебаний уже при реальных скоростях ветра 4–20 м/с. Проблема обеспечения безопасности моста в процессе его строительства требовала проведения специальных исследований.

В ЦАГИ, располагающем самыми большими в Европе аэродинамическими трубами, удалось решить и эту задачу. Исследования моделей мостов на разных стадиях надвижки позволили разработать эффективные аэродинамические средства гашения колебаний на стадии монтажа. На секциях монтировались специальные обтекатели и (или) дефлекторы, в стенках аванбека (специальной балки в передней части пролётного строения, предназначенной для более ранней передачи нагрузки на следующую опору) проделывали отверстия, снижающие влияние ветровой нагрузки.

Такие мостовые сооружения особенно чувствительны к динамическому воздействию ветра, вызывающему колебания элементов конструкции, которые достигают опасного для прочности моста уровня. Расчёты и испытания моделей отсеков пилона и пролётного строения Сургутского моста позволили установить, что на стадии монтажа колебания ветрового резонанса и галопирования у пролётного строения возникают в диапазоне даже умеренных скоростей ветра (6–15 м/с) и носят регулярный характер. Их размах может достигать 0,6–1,2 м. Колебания такой интенсивности конечно же недопустимы. Для обеспечения аэроупругой устойчивости пилона и пролётного строения в ЦАГИ были разработаны относительно простые в изготовлении устройства. На торцевых поверхностях пролётного строения и барьерном ограждении установили обтекатели специальной формы, позволившие многократно уменьшить амплитуду колебаний. В результате устойчивость пролёта повысилась настолько, что даже на стадии монтажа ему стали не опасны ветра скоростью до 40 м/с.

Впоследствии точно так же исследовались модели вантовых мостов в Серебряном Бору в Москве, в Дубне через Волгу, у Самары через р. Самара. За время исследований в ЦАГИ наработан немалый опыт, выработан целый комплекс рекомендаций по обеспечению устойчивости сооружений, подверженных ветровым нагрузкам. Многие из этих рекомендаций в последние годы используются при проектировании мостов и высотных зданий.

Вопросы аэродинамики зданий всегда считались достаточно важными, а в ряде случаев – определяющими для проектирования вентиляции зданий и расчета воздушных потоков внутри здания, оценки влияния здания на аэродинамический режим прилегающей территории, выбора ограждающих конструкций с необходимой воздухопроницаемостью. Кроме того, внутри зданий могут возникать сильные воздушные потоки, что требует специальных решений: шлюзования входных дверей, лестничных секций, герметизации мусоропроводов и т. д. Есть еще ряд вопросов, который связан с аэродинамикой зданий, в том числе рассеивание вредностей, расположение пешеходных дорожек, образование снегозаносов и т. п.

Аэродинамика высотных зданий имеет свою специфику, т. к. для них влияние наружных климатических воздействий и величины градиентов перемещения потоков массы и энергии внутри здания являются по своей значимости экстремальными.

Известно, что в холодный и теплый период года температура наружного воздуха понижается примерно на 1 °С через каждые 150 м высоты, атмосферное давление понижается примерно на 1 гПа через каждые 8 м высоты, а скорость ветра увеличивается

В международных и российских нормативных документах по строительству отмечается, что один из главных факторов – аэродинамическая нагрузка, для правильной оценки которой необходимо проводить модельные эксперименты в специализированных аэродинамических трубах.