Новые аспекты аэродинамики ветрового нагружения высотных зданий в мегаполисе, новые подходы и методические принципы исследований как источник концепции формирования новых нормативов проектирования и строительства

строительные материалы и конструкции

Новые аспекты аэродинамики ветрового нагружения высотных зданий в мегаполисе, новые подходы и методические принципы исследований как источник концепции формирования новых нормативов проектирования и строительства А.Б. Айрапетов

В МГСН 4.19-2005, представляющих собой временные нормы и правила проектирования высотных зданий в г. Москве, зафиксировано положение о необходимости («за исключением одиночно стоящих зданий, схемы которых приведены в приложении 4 СНиП 2.01.07-85») определения аэродинамических характеристик (АХ) — «коэффициентов сил, моментов, внутреннего и внешнего давлений, чисел Струхаля для оценки вихревого возбуждения», которые «должны приниматься на основе испытаний моделей высотных зданий, включая здания существующей застройки, в специализированных аэродинамических трубах» (АДТ). Единственным признаком «специализированности» АДТ, определенным в п. 5.14, является градиентная структура набегающего потока типа турбулентного приземного ветрового слоя (ПВС). Содержание упомянутых практически в полном объеме положений МГСН является недостаточным как предметно, так и с точки зрения возможности практического использования как регламента при проектировании [1].

В связи с этим доработанный вариант МГСН в части ветровых нагрузок и воздействий должен отражать как минимум следующие главные позиции, выполнение которых реализует конструктивную программу получения достоверных натурных АХ путем моделирования в АДТ:

— требования к моделированию параметров внешнего потока в статистической ветровой обстановке точки строительства;

— требования к моделированию окружающей застройки;

— требования к типу АДТ в том числе к размерам рабочей части и наличию стенда моделирования ПВС;

— требования к перечню получаемых АХ;

— требования к моделям как по масштабам, так и по характеру испытаний;

— требования к типу испытаний в зависимости от типажа здания.

Рассмотрение методических принципов аэродинамического моделирования в АДТ обтекания вы-

сотных зданий и сооружений в современной городской среде мегаполиса на основе анализа особенностей аэродинамики зданий выше 75 м и составляет основную задачу данной работы.

1. Особенности аэродинамики высотных зданий в мегаполисе. Можно выделить три основные особенности аэродинамики современного высотного здания, не находящие отражения в традиционных подходах к ветровому воздействию.

1.1. Здание обтекается потоком, в котором различаются два слоя. До уровня средней высоты окружающей застройки здание находится в нестационарном крупномасштабном вихревом следе, индуцируемом окружающей застройкой, с уровнем неоднородности (турбулентности) потока, на порядок превышающим «статистический» фон турбулентности естественного ПВС. Выше среднего уровня застройки профиль скорости в условиях мегаполиса, согласно последним исследованиям [2], является практически равномерным и исчезающее малым уровнем турбулентности. Очевидно, традиционно статическое представление о «степенном» профиле скорости в такой ситуации не корректно.

1.2. Существует явно выраженная зависимость АХ здания от его ориентации по локальной «розе ветров», что позволяет оптимизировать характеристики нагружения, устойчивости, долговечности, взаимодействия внешней и внутренней аэродинамики здания, организацию потоков воздухообмена и теплообмена внутри здания и т.д. ([2]) .

1.3. Большая часть проектируемых современных строительных комплексов являются многокорпусными. Это накладывает дополнительные требования к аэродинамическому проектированию по исследованию АХ поверхностных корпусов (таковыми оказывается каждый корпус при определенном направлении ветра) в следах за наветренными. В частности для многокорпусных конфигураций может быть характерен бафтинг — особый вид аэродинамической неустойчивости, не отраженный в МГСН ([3]).

строительные материалы и конструкции

Особенности, отмеченные в п. 1.1 и 1.2, требуют привлечения современных компьютерных технологий получения статистической ветровой информации в точке строительства (например, НИЦ «Ат-мограф») для адекватной постановки модельных испытаний в АДТ.

2. Требования к модели застройки, окружающей обследуемое здание. Застройка является важным аэродинамическим фактором, формирующим набегающий на здание поток. Исследования течения в следах за плохообтекаемыми телами показывают, что протяженность следа, на которой исчезает практическое влияние следа на локальные и интегральные АХ подветренного объекта, составляет ориентировочно 5—6 характерных поперечных размеров наветренного тела (для типичного случая соизмеримых поперечных размеров наветренного и подветренного тел). Если это удаление с очевидностью превышает указанное, моделирование в АДТ допустимо проводить без модели застройки.

3. Требования к АДТ и моделям. Требования к используемой для моделирования АДТ должны исходить из двух факторов — типа испытаний и масштабных ограничений.

3.1. Испытания в АДТ в зависимости от характера конструкции здания и перечня необходимых для проектирования данных могут быть трех типов [4].

3.1.1. Аэрометрические испытания, состоящие в получении полей скоростей (средних и пульсационных) для оценки экологических аспектов проекта, поля средних и пульсацион-ных давлений (нагрузки на фасадные системы, воздухообмен, входные — выходные вентиляционные системы и т.д.).

3.1.2. Весовые испытания, состоящие в получении осредненных статических нагрузок (силы, моменты, области неустойчивости галопирования и дивергенции).

3.1.3. Кинематические и динамические испытания аэроупругих моделей с определением амплитудно-частотных характеристик по тонам колебаний, их декрементов, параметров возможной аэродинамической неустойчивости конструкции.

3.2. Требования к моделям, использующимся при испытаниях в АДТ помимо естественного ограничения по загромождению рабочей части АДТ (наряду с другими, определяемыми ТУ на АДТ) — «ограничения сверху» — должны содержать «ограничения снизу», происходящие из необходимости реализации при моделировании так называемого «ре-

жима автомодельности» обтекания (независимости от числа Рейнольдса или скорости потока

1*е = иЮ/V,

где и — скорость потока, Ю — характерный поперечный размер модели, V — кинематическая вязкость воздуха), являющегося методологической основой получения в модельном эксперименте натурных АХ.

Сущность ограничения масштаба модели «снизу» состоит в следующем. В многочисленных экспериментальных работах по аэродинамике плохо-обтекаемых тел установлено, что режим автомо-дельности реализуется при числах ке > 2105. Это означает, например, что для традиционных больших промышленных низкоскоростных АДТ (и < 50 м/с) характерный поперечный размер модели не может быть менее ~0,05 м. С уменьшением скорости потока этот размер должен увеличиваться (скажем, для и = 20 м/с он составит 0,12—0,13 м). При этом для моделей больших удлинений высота модели и, соответственно, потребный диаметр рабочей части АДТ может оказаться значительным.

3.3 Необходимость реализации структуры потока в АДТ типа ПВС определяется такими факторами как:

— степень влияния поперечного градиента средней скорости потока и уровня турбулентности на АХ;

— степенью «по погруженности» здания в окружающую застройку.

Последние отечественные и зарубежные исследования влияния вертикального градиента скорости и уровня турбулентности на АХ типовых плохооб-текаемых тел (призмы различного поперечного сечения и удлинения) показывают, что это влияние ПВС на величины коэффициентов интегральных нагрузок в сравнении с равномерным потоком измеряется единицами процентов отличия в сторону их уменьшения. Влияние указанных факторов на поля скоростей коэффициенты распределенных нагрузкок количественно несколько более существенно. Качественно иной характер влияния потока типа ПВС имеет место при испытаниях аэроупругих моделей на аэродинамическую неустойчивость на динамических стендах АДТ. Например, рассогласование частот схода вихрей со здания призматической формы по высоте в потоке с ПВС практически исключает возникновение режима ветрового резонанса, в то время как в равномерном потоке (весьма вероятная реализация профиля ветра на высоте более 70 м) такой режим возникает. В такой ситуации заключение по аэродинамической устойчивости здания по

3 2010 583

строительные материалы и конструкции

результатам эксперимента с ПВС может оказаться ошибочным.

В соответствии с этим такой безусловным представляется требование параллельных исследований в условиях наличия и отсутствия ПВС (равномерный поток). Классами задач, требующих применения моделирования ПВС, представляются исследования, направленные на получение данных для расчета долговечности сооружения, исследования перемещения примесей около одиночного здания, оценка ветровой комфортности пешеходных зон около таких зданий.

Приведенные выше требования к моделированию аэродинамики высотных зданий могут быть реализованы в полном объеме на базе отечественных больших промышленных АДТ, например, в ФГУП ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского. В настоящее время основными АДТ, в которых выполняются различные работы строительной аэродинамики, являются АДТ Т 1-2 ЦАГИ (высота модели до 3 м, все виды испытаний в том числе аэроупругие по первому тону, стенд ПВС) Т-104 ЦАГИ (высота модели до 6 м, стенд ПВС), Т-101 ЦАГИ (высота модели до 13 м, все виды работ в том числе аэроупругие динамически-подобные модели).

Вместе с тем методики испытаний в этих АДТ регламентируется соответствующими ТУ и МПИ этих АДТ и не представляют в настоящее время единой проблемно-ориентированной методики для нужд строительной индустрии, необходимость создания которой представляется очевидной [4].

Литература

1. Айрапетов А.Б., Соловьева Е.В. Экспериментальное моделирование нагрузок и устойчивости высоких архитектурных и строительных конструкций и систем в ветровом потоке. М., 1999. С. 236— 243.

2. Гринцевич Ю.А., Николаев В.Г., Понома-ренко Л.В. Статистическое моделирование параметров ветроэнергетических ресурсов на территории СНГ с учетом подстилающей поверхности: Тр. Калининградского Гос. ун-та / / Моделирование и природопользование. 1994.

3. Айрапетов А.Б., Остроумов Б.В. Исследование аэродинамических характеристик и аэродинамической устойчивости модели лифтовой шахты здания «Федерация» ММДЦ Москва-Сити в аэродинамической трубе Т-1 ЦАГИ. М., 2009. С. 20-26.

4. Айрапетов А.Б. Методические принципы моделирования аэродинамики высотных зданий в аэродинамических трубах // Современное высотное

строительство. М.: ГУП «ИТЦ Москомархитекту-ры», 2007.

Новые аспекты аэродинамики ветрового нагружения высотных зданий в мегаполисе, новые подходы и методические принципы исследований как источник концепции формирования новых нормативов проектирования и строительства Излагается концепция технологии получения достоверных натурных аэродинамических характеристик высотных сооружений в мегаполисе путем эксперимента в аэродинамических трубах на моделях в интересах проектирования и формирования положений обновляемой нормативной базы проектирования и строительства в части ветровых нагрузок и воздействий. Положения формулируются исходя из аэродинамически обоснованных и апробированных на практике проектирования уникальных сооружений методиках ЦАГИ как система требований к моделированию параметров внешнего потока, моделированию окружающей застройки, типу аэродинамической трубы, в том числе к размерам рабочей части и наличию стенда моделирования приземного ветрового слоя, перечню получаемых аэродинамических характеристик, моделям по масштабам и характеру испытаний и др.

New aspects of aerodynamics of the wind loading of tall buildings in a megacity, new approaches and methodical principles of researches as a source of the concept of formation of new specifications of designing and buildings by A. Ayrapetov A conception on estimation of urban high building aerodynamic characteristics in wind-tunnel modeling technology for wind engineering projects and renewing normative statutes is stated. The conception points are formulated as a system of demands for the wind structure conditions, modeling of building surrounding, wind-tunnel type and modeling wind boundary layer installation, list of aerodynamic data, model characteristics according to test type ets., each based on TsAGI aerodynamic testing methodology, realized in practice for a wide row of unique buildings.

Ключевые слова: высотное здание, аэродинамическая труба, аэродинамические характеристики.

Key words: tall building, aerodynamic tunnel, aerodynamic characteristics.