Распределение ветрового давления на здания сложной формы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕТРОВОГО ДАВЛЕНИЯ НА ЗДАНИЯ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ

Варламова Т.В., Ребрун Д.В.

Аннотация

здание ветровой давление высотный

В статье исследуется проблема определения ветрового давления на высотные здания. Рассмотрены графики распределения давления ветра по высоте зданий, построенные по результатам аэродинамических испытаний моделей. Проанализирован характер изменения давления в зависимости от формы здания в плане. Сделаны выводы о соответствии результатов экспериментальных данных действующим нормам проектирования.

Ключевые слова: Высотные здания, ветровое давление, аэродинамические испытания.

Annotation

DISTRIBUTION OF WIND PRESSURE TO BUILDINGS OF COMPLEX FORM

The article investigates the problem of determining wind pressure on high-rise buildings. The graphs of the distribution of wind pressure over the height of buildings, based on the results of aerodynamic testing of models, are considered. Analyzed the nature of the pressure change depending on the shape of the building in the plan. Conclusions about the compliance of the experimental data with the current design standards were made.

Keywords: High-rise buildings, wind pressure, aerodynamic tests.

Основная часть

В последние годы в крупных городах России интенсивно развивается высотное строительство. Современные высотные здания, формирующие архитектурный облик города, должны быть не только экономичными и рациональными, но и архитектурно выразительными. Для достижения оригинального внешнего вида здания при разработке проектов зачастую отказываются от простой правильной формы плана в пользу более сложных форм.

При проектировании высотных зданий, отвечающих требованиям надежности и пригодности к нормальной эксплуатации, особое значение приобретает определение ветровых нагрузок. Действующие нормы проектирования регламентируют ветровые нагрузки на здания правильной формы; для зданий же сложной формы в плане ветровые нагрузки рекомендуется определять путем экспериментальных исследований в специализированных аэродинамических трубах.

Рассмотрим особенности распределения ветрового давления на здания сложной формы в плане на примере двух гражданских зданий высотой около 100 м, со схожими размерами в плане, проектируемых в в г. Саратове.

Здание 1 - 35-этажное, имеет обтекаемую форму в плане. Размеры высотной части в плане 31х38 м; общая высота здания 108 м (рис. 1). Конструктивная система смешанная каркасно-стеновая с пилонами и стенами, объединёнными дисками перекрытий и покрытия в устойчивую пространственную систему.

Для аэродинамических испытаний была выполнена модель в 200 раз меньше натурного сооружения и подобная ему. Давление ветра измерялось в точках 1^/, 2^/, 3^/..15^/ на фасадах модели.

Рисунок 1 Здание 1: а - общий вид, б - план типового этажа, в - модель для аэродинамических испытаний

Здание 2 - 36-этажное, имеет сложную форму в плане. Габаритные размеры высотной части в плане 39,44 х 22,04 м. Высота здания в целом 110,66 м. Конструктивная система стеновая с широким шагом несущих внутренних стен; фундамент плитный, подкрепленный сваями.

Для проведения исследований в аэродинамической трубе АтПП-1 была изготовлена модель здания в масштабе 1:300.

Рисунок 2 Здание 2: а - фасад, б - план типового этажа, в - модель здания

Аэродинамическое исследование распределения скорости ветрового потока и ветрового давления по высоте модели здания выполнялось при помощи аэродинамической трубы АтПП-1 замкнутого типа с открытой рабочей частью. Максимальная скорость потока в рабочей зоне - 31 м/с, шаг регулировки скорости потока - 0,1 м/с. Для исследования распределения скорости ветрового потока использовался термоанемометр Testo 425. Давление в различных точках по высоте здания определялось с помощью дифференциального маниметра.

Скорость ветрового потока на высоте z определялась по формуле:

,

где - скорость ветра на высоте z, м/с ; - скорость ветра на высоте измерительного прибора, м/с; - параметр шероховатости поверхности, принят равным 0,2; б - показатель степени, принимаемый равным 0,4.

Сила ветрового давления на секцию здания определялась по формуле Ньютона:

,

где - площадь секции модели, в центре которой измеряется давление; - сила, действующая со стороны потока на эту секцию; -плотность воздуха, равная 1,225 кг/м³; -скорость ветра в точках 1^/, 2^/, 3^/..18^/; -безразмерный коэффициент лобового сопротивления, зависящий от формы участка модели или от формы самой модели.

Характер обтекания потоком цилиндрических тел с гладкой поверхностью зависит от числа Рейнольдса. При малых числах Рейнольдса течение в пограничном слое, в области отрыва потока, ламинарное. При больших значениях числа Рейнольдса, что характерно для реальных зданий в природных потоках воздуха, течение в пограничном слое становится частично или полностью турбулентным [1].

Для зданий с острыми кромками отрыв потока происходит на кромках, и характер потока в области отрыва не зависит от числа Рейнольдса. Таким образом, для зданий плохообтекаемой формы при R_e > 2?10⁴ величина ветрового давления мало зависит от трения. Считается, что обтекание здания происходит в автомодельной зоне сопротивления, где коэффициент лобового сопротивления не зависит от числа , а зависит только от геометрии объекта.

Графики распределения среднего давления по высоте зданий 1 и 2, полученные при аэродинамических испытаниях модели при первом положении, т.е. при направлении ветра на главный фасад, представлены на рис. 3.

Рисунок 3 Графики зависимости усредненного давления от высоты здания при первом положении: а - для здания 1, б - для здания 2

Графики распределения ветрового давления по высоте здания при втором положении, соответствующем направлению ветра под углом 90° к главному фасаду, приведены на рис. 4.

Рисунок 4 Графики зависимости усредненного давления (Па) от высоты здания (м) при втором положении: а - для здания 1, б - для здания 2

Сравнение графиков (рис. 3, 4) выявило следующие особенности распределения ветрового давления.

Значения ветрового давления на здание 1, определенные при аэродинамических испытаниях модели в масштабе 1:200, ближе к значениям, указанным в СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия» [2] для третьего ветрового района на высоте 100 м от поверхности земли.

Значение аэродинамического коэффициента для наветренной стороны здания 1 (в первом положении) составляет С = 0,789, что близко к значению С = 0,8 по СП 20.13330.2016.

Таким образом, значения ветровой нагрузки, полученные в результате аэродинамических испытаний, для здания более обтекаемой формы практически соответствуют нормативным значениям по СП 20.13330.2016.

Для здания 2, имеющего плохо обтекаемую форму, отклонение значений ветровой нагрузки от нормативных оказалось существенным.

Для зданий сложной формы в плане за выступами стен наблюдаются участки с отрицательным давлением ветра. Максимальная величина отрицательного давления достигает w=-1400 Па для здания 1 и w=-2400 Па для здания 2.

Максимальное значение аэродинамического коэффициента для участков с повышенным отрицательным давлением ветра для здания 1 составляет С = 1,84, что близко к значению С = 2 по СП 20.13330.2016. Для здания 2 максимальный аэродинамический коэффициент С = 3,16, что намного превышает нормативное значение.

Библиографический список

1. Симиу Э., Скалан Р., Воздействие ветра на здания и сооружения / Пер. с англ. Б.Е Маслова, А.В. Швецовой; под ред. Б.Е. Маслова. М.: Стройиздат, 1984. 360 с., ил.

2. СП 20.13330.2011. Свод правил. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85* (утв. приказом Минрегион России от 27.12.2010 № 787, введ. в действ. 20.05.2011). М., 2011 г.

Размещено на Allbest.ru