ВЕТРОВАЯ НАГРУЗКА НА ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

​АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматриваются общие вопросы определения нагрузок на здания, с уклоном на ветровое воздействие. Исследованы характер и методы расчета ветровой нагрузки, включая подходы, такие как расчет по нормам, испытания в аэродинамической трубе и математическое моделирование. Выявлена актуальность использования современных методов компьютерного моделирования для расчета ветрового давления и необходимость верификации результатов. Формулируется задача дальнейшего совершенствования методики расчета с использованием компьютерной симуляции.

В статье более подробно рассмотрены ключевые аспекты определения воздействия ветра на здания и другие сооружения. Основное внимание уделено анализу ветрового воздействия, включая его характер и методы расчета. Рассмотрены подходы, начиная от расчетов по нормам, с учетом соблюдения стандартов безопасности. Вопрос о возможности расчетного моделирования ветровых нагрузок и подтверждения результатов становится важным. Ставится задача дальнейшего усовершенствования методов расчета ветрового воздействия с применением компьютерного моделирования.

ABSTRACT

This paper deals with the general issues of determining loads on buildings, with a bias towards wind effects. The nature and methods of wind load calculation are investigated, including approaches such as code calculations, wind tunnel tests and mathematical modelling. The relevance of using modern computer modelling techniques to calculate wind pressure and the need to verify the results is identified. The task of further improvement of the calculation methodology using computer simulation is formulated.

The article discusses in more detail the key aspects of determining the impact of wind on buildings and other structures. The main attention is paid to the analysis of wind impact, including its nature and methods of calculation. Approaches ranging from code calculations, taking into account compliance with safety standards, are considered. The question of the possibility of computational modelling of wind loads and validation of the results becomes important. The aim is to further improve the methods for calculating wind effects using computer modelling.

Ключевые слова: здания, ветровое воздействие, определение нагрузки, расчет ветровой нагрузки, расчеты по нормам, испытания в аэродинамической трубе, математическое моделирование, методы компьютерного моделирования, ветровое давление, вычислительное моделирование, стандарты безопасности, валидация, методы.

Keywords: buildings, wind effects, load determination, wind load calculation, code calculations, wind tunnel tests, mathematical modeling, computer modeling methods, wind pressure, computational modeling, safety standards, validation, methods.

ВВЕДЕНИЕ

В области проектирования зданий и сооружений ветровая нагрузка является существенным фактором, который требует детального анализа и расчетов. В России основные принципы расчета нагрузок и действий на конструкции определены в СП 20.13330.2011 "Нагрузки и действия", основанном на стандартах СНиП 2.01.07-85 и адаптированном к российским стандартам. Однако, несмотря на наличие этих руководящих документов, существует недостаток описания методов, свойств и качества результатов расчетов.

Часто возникает неопределенность в использовании принципов расчета из-за отсутствия подробных методов и свойств, а также стандартов качества. Это вызывает необходимость в более глубоком понимании причин расхождений в результатах расчетов, особенно учитывая различия в требованиях между странами.

Цель настоящей работы заключается в выявлении причин расхождений в методологиях расчета ветровой нагрузки и их осмыслении. В контексте существующих монографий о ветровых нагрузках и разработок новых методов наша задача состоит в сравнении различных подходов и в понимании особых аспектов взаимосвязи между конструкцией и воздействием ветра. Тщательное изучение физических процессов в данном контексте позволяет более точно регулировать и прогнозировать воздействие ветра на строения, открывая перспективы для использования модифицированных методов проектирования.

НАГРУЗКИ ОТ НОРМАТИВНЫХ ДОКУМЕНТОВ И СТАНДАРТОВ

Нагрузка определяет взаимодействие между конструкцией и окружающей средой. Это взаимодействие может быть не только силовым, но и кинематическим, если перемещение или вращение узлов аналитической модели постоянно. Такое воздействие определяется как ограничения, и известно, что все модели их имеют. Стоит отметить, что оценка ограничений и нагрузок (концентрированных, распределенных, колеблющихся и т.д.) является идеализированным процессом. В основном, нагрузки и действия представляют собой наименее изученную область, что обусловлено большой изменчивостью в пространстве и времени, но спроектированные значения относительны.

Предыдущий опыт исследований показывает, что относительные действия на здания можно разделить на внутренние и внешние с одной стороны, и на силовые и кинематические - с другой. Эта классификация представлена в Таблице 1.

Таблица 1

Классификация действий над конструкциями.

В соответствии с методом расчета строительных конструкций по методу критической нагрузки, который лежит в основе российских регулирований, так и в иностранных стандартах ISO и системах Eurocode, введено понятие нормативной (характеристической) и расчетной нагрузки. Отклонения от нормативных значений, связанные со статическим характером и изменчивостью нагрузок, учитываются путем установления коэффициента безопасности нагрузки gf. Это дает расчетную нагрузку в случае умножения на нормативную (характеристическую) нагрузку. Таким образом, анализ нагрузок и действий основан на теории надежности, а также методах статики и динамики строительных конструкций.

Для дальнейшего понимания вопросов следует обратить внимание на то, что иностранная интерпретация “метода предельных состояний” рассматривается как “метод частичных коэффициентов”. Это название происходит от расчетов строительных конструкций по принципу замены основного коэффициента безопасности на ряд отдельных (частных) коэффициентов, каждый из которых отвечает за определенную характеристику системы: свойства материала, условия эксплуатации конструкции, тип нагрузки и т.д.

В соответствии с “методом предельных состояний”, предельное состояние рассматривается только в расчетах, которые основаны на проектных условиях, и подробный анализ всех состояний системы не проводится. В то же время вводится понятие “безопасности” расчетных значений, что означает, что есть вероятность, что фактическая нагрузка будет меньше, чем спроектированная, и прочность будет иметь более высокое значение. Преобразование единого коэффициента безопасности в дифференцированный - основное отличие этого метода от ранее использовавшегося метода расчета на допустимые напряжения. Таким образом, иностранное название этого принципа более доверительное.

Все нагрузки можно классифицировать на постоянные и временные в зависимости от их продолжительности. Временные нагрузки дополнительно подразделяются на долгосрочные, краткосрочные и специальные. Длительность долгосрочных нагрузок Td совпадает со временем работы Tef, в то время как длительность краткосрочных нагрузок Td значительно меньше Tef.

Ветровая нагрузка является временной и имеет вероятностный характер. Это означает, что, как и многие другие нагрузки, воздействие ветра случайно. Его определение с использованием расчетных значений, полученных путем статистического анализа измеренных данных, возможно только с определенной вероятностью.

Особенности статистических характеристик временных нагрузок включают большую изменчивость, временную зависимость и различные законы распределения, применимые к ним. Кроме того, статистическая обработка обычно применяется не ко всем их значениям, а только к максимальным для типичных сроков. Исследование временных нагрузок является актуальной проблемой из-за их широкого разнообразия и отсутствия единой методологии для статистической обработки экспериментальных данных.

ХАРАКТЕР ДЕЙСТВИЯ ВЕТРА

Ветер, естественное атмосферное явление, представляет собой перемещение воздушных масс, вызванное различиями атмосферного давления. Это движение, подчиняющееся закону Бернулли, зависит от таких факторов, как скорости на разных сечениях потока, давления и плотности воздуха.

Закон Бернулли может быть выражен следующим образом:

Для представления формулы иначе:

Вводится аэродинамический коэффициент  как пропорциональность между избыточным давлением и скоростным напором:

Этот коэффициент, определяющий динамическое давление, получается экспериментально при испытаниях в аэродинамической трубе. Он отражает отношение избыточного статического давления на внешней поверхности здания к динамическому давлению ветра. Значение и знак аэродинамических коэффициентов зависят от различных факторов, включая форму здания, направление и скорость ветра, а также окружающие структуры.

Аэродинамические испытания в аэродинамической трубе включают изучение потока воздуха и давления в характерных точках на здании. Аэродинамическая труба создает равномерный поток для исследуемой модели, что позволяет измерять статическое и динамическое давление.

В аэродинамической трубе модель здания подвергается избыточному статическому давлению или разрежению под воздействием потока воздуха. Это давление измеряется микроманометром, а динамическое давление измеряется при помощи трубы Пито. Затем аэродинамический коэффициент определяется как отношение избыточного статического давления к динамическому.

Гидравлические лотки, как плоские, так и объемные, предоставляют качественное представление о потоке вокруг зданий. В плоском лотке вода имитирует поток воздуха, а модель здания располагается на вертикальной стене, имитирующей поверхность земли. Алюминиевый порошок или мелкие бумажные конфетти используются в качестве индикаторов для отслеживания потока вокруг структуры.

Объемные гидравлические лотки расширяют исследования на здания с конечными размерами в каждом направлении потока. Этот тип лотка представляет собой большой расширенный канал прямоугольного сечения. Фронт лотка, влияющий на пограничный слой стены, служит для изучения потока вокруг здания. Модель здания, установленная на плоской основе (имитируя поверхность земли), помещается в поток воды непосредственно за выравнивающими брусками.

Объемные гидравлические лотки удобны для моделирования процессов диффузии, определяющих рассеивание выбрасываемых загрязнений из здания. Краска (например, раствор каркаса) служит индикатором. Индикатор подается в точки выброса вредных веществ на модель через капиллярные трубки. Для количественной оценки используют вещества с плотностью, близкой к плотности воды в качестве индикатора. С учетом траекторий отдельных капель индикатора, записанных на пленку, можно судить о размерах зоны аэродинамического следа, об обмене воздуха в регионе и других характеристиках.

Таким образом, результаты измерений в аэродинамической трубе позволяют провести анализ воздействия ветра на каркас здания или конструкцию.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЕТРА НА ЗДАНИЯ

Для исследования воздействия ветровых потоков и их воздействия применяется численное решение уравнений динамики жидкости. Эти уравнения, известные как уравнения Навье-Стокса, описывают неустойчивые трехмерные нелинейные процессы. Они связывают компоненты скорости с изменениями давления, вязкостью воздуха и его плотностью.

Дополнительно к уравнениям Навье-Стокса, существуют уравнение непрерывности (сохранение массы) и уравнение состояния:

Здесь  - компоненты вектора скорости,  - давление,  - время, \(\\- динамическая вязкость воздуха, и  - плотность.

Из-за вычислительных ограничений прямое решение этих уравнений доступно только для небольших скоростей потока и определенных исследовательских задач. Поэтому в современной практике часто используется полуэмпирический подход.

В этом подходе скорость ветра представляется как сумма усредненных и флуктуирующих компонентов. Для решения уравнений Навье-Стокса применяется "усреднение" по Рейнольдсу. В стационарном решении задача сводится к итеративному решению системы линейных алгебраических уравнений.

Точность стационарных расчетов не всегда удовлетворительна в ситуациях с ярко выраженным образованием вихрей. Поэтому часто используется практический подход, связанный с числом Рейнольдса (Re), определяющим переход от ламинарного к турбулентному потоку.

Важным аспектом решения уравнений Навье-Стокса является схема дискретизации. Современные вычислительные мощности позволяют снизить требования к вычислительной сетке и компьютерам. Рекомендуется ограничивать размеры вычислительной области вокруг здания, что уменьшает вычислительные затраты.

Характеристики свободного потока определяются профилями скорости ветра, соответствующими ветровым регионам и типам местности. В качестве "внешних" граничных условий используются условия Неймана - равенство нулю производных. Характеристики турбулентности потока определяются через "визировочные" расчеты.

Для учета шероховатости стен рекомендуется использовать "естественное" моделирование, учитывающее рельеф, балконы, оконные проемы и т. д.

Для оценки пиковых нагрузок используется метод усреднения коэффициентов безопасности энергии турбулентных флуктуаций. Опыт расчетов реальных конструкций показывает, что средние давления воспроизводятся с высокой точностью, но кинетическая энергия пульсаций часто недооценивается, что требует увеличения коэффициента безопасности.

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ

При проектировании конструкций необходимо учитывать пиковые ветровые нагрузки на ограждения и места их крепления, как указано в актуализированных российских строительных нормах и правилах СП 20.13330.2011. Значения аэродинамических коэффициентов положительного давления или отсоса, являющиеся определяющими при расчете нормативных пиковых ветровых нагрузок, должны быть получены в результате модельных испытаний в аэродинамической трубе.

Признано, что самовозбуждающиеся колебания и аэродинамическая неустойчивость могут проявляться в некоторых гибких конструкциях вследствие отрыва вихрей Кармана от отвесных поверхностей тела. Согласно СП 20.13330.2011, для высоких и гибких зданий (h/d>10) необходима тщательная проверка на наличие резонансных вихревых возбуждений, и целесообразно дополнительно исследовать это влияние с помощью модельных аэродинамических испытаний.

ВЫВОДЫ

Важно отметить, что расчет ветровой нагрузки как величины давления на здание или сооружение является неотъемлемой частью объемного структурного анализа динамических воздействий. СП 20.13330.2011 рекомендует для оценки воздействия ветра использовать приближенные расчетные схемы конструкций, упрощенные представления и обобщенные виды окружающих зданий и местности.

Современные строительные нормы косвенно затрагивают вопрос аэродинамической неустойчивости при ветровом воздействии на здания. Теоретические аспекты различных явлений, связанных с этим, рассмотрены в [4]. Понимание поведения сложных конструкций, таких как высотные здания, требует модельных испытаний в аэродинамических трубах, особенно для нестандартных форм. Изучение альтернативных методов динамического анализа зданий и сооружений при воздействии ветра необходимо в связи с ресурсоемкостью и сложностью проведения физических экспериментов.

В последние годы активно развиваются методы компьютерного моделирования ветровых воздействий, что привело к созданию сложных программных комплексов. Эти средства точно воспроизводят реальные условия и исходные данные (форма здания, рельеф местности, соседние строения, погодные условия и т.д.), позволяя получить значения ветровой нагрузки, соответствующие результатам аэродинамических испытаний. Следовательно, изучение и обновление таких программ является актуальной и значимой задачей в области аэродинамики зданий и сооружений.

Список литературы:

1. Gumbel, E.J. (1958). Statistics of Extremes. Columbia University Press.
2. Barshteyn M.F. Dinamicheskiy raschet vysokikh sooruzheniy na deystviye vetra [Dynamic calculation of high structures to the action of the wind] // Spravochnik po dinamike sooruzheniy [Dictonary on the dynamics ostructures]. M.: Stroyizdat, 1972. Pp. 286-321. (rus)
3. SP 20.13330.2011. Nagruzki i vozdeystvia. Aktualizirovannaya redaktsiya SNiP 2.01.07-85. (rus)
4. Simiu E., Skanlan R. Vozdeystviye vetra na zdaniya i sooruzheniya [Wind effects on structures]. M.: Stroyizdat, 1984. 360 p. (rus)
5. Retter E.I., Strizhenov S.I. Aerodinamika zdaniy [Aerodynamics of buildings]. M.: Stroyizdat, 1968. 240 p. (rus)
6. Retter E.I. Arkhitekturno-stroitelnaya aerodinamika [Architectural and construction aerodynamics]. M.: Stroyizdat. 1984. 296 p. (rus)
7. Savitskiy G. A. Vetrovaya nagruzka na sooruzheniya [Wind load on structures]. M.: Stroyizdat, 1972. 112 p. (rus)