Формування території забудови з урахуванням аеродинамічних характеристик висотного будинку

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНБАСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Формування території забудови з урахуванням аеродинамічних характеристик висотного будинку

Кузнецов Сергій Георгійович

Макіївка - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донбаській державній академії будівництва і архітектури (ДДАБА) Міністерства освіти України.

Науковий керівник:Кандидат технічних наук, доцент Тимофєєв Микола Васильович, Донбаська державна академія будівництва і архітектури, кафедра архітектури, секція архітектури промислових та цивільних будівель.

Офіційні опоненти: Доктор технічних наук, професор Казакевич Михайло Ісаакович, Дніпропетровсь-кий державний технічний університет залізнич-ного транспорту, завідувач кафедри мостів (м. Дніпропетровськ);

Кандидат технічних наук, ведучий науковий співробітник Микитаренко Михайло Олексійович, ВАТ "Український науково-дослідний інститут "Проектстальконструкція", відділ розробки і впровадження нормативних документів та програм (м. Київ).

Провідна установа: Полтавський державний технічний університет імені Юрія Кондратюка, Міністерство освіти України, кафедра архітектури будівель і місто-будування (м. Полтава).

Захист дисертації відбудеться "29" квітня 1999 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 у Донбаській державній академії будівництва і архітектури за адресою: 339023, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, I навчальний корпус, Зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаській державній академії будівництва і архітектури.

Автореферат розісланий "29" березня 1999 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої Ради

доктор техн. наук, доцентС.М. Шаповалов

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Висотні будинки використовуються в містобудівництві як акценти, що активно формують вигляд жилої забудови, а також служать засобом ущільнення існуючої. Останнє зумовлене тим, що в місті відбувається постійне зростання вартості землі. Висотні будинки з цього приводу є позитивним фактором. З іншого боку, вони різко змінюють повітряний потік, що викликає ряд негативних явищ.

Це пов'язане з появою зон підвищених швидкостей у приземній зоні (біля 2 м над землею, рівень пішоходів), надлишкового тиску на верхніх поверхах будинків, низькочастотних коливань і т.і. Високі швидкості вітру, що виникають навколо висотної забудови, особливо при низьких температурах, несприятливо впливають на людину, а в деяких випадках є небезпечними. На верхніх поверхах висотного будинку виникають некомфортні умови через тепловтрати, що викликані інфільтрацією повітря через огороджуючі конструкції. Від розташування висотного будинку в забудові залежить ступінь цих негативних явищ. Неврахування означених факторів практично зводить нанівець означені вище достоїнства висотних будинків.

Отже негативний досвід будівництва висотних будинків вимагає кардинального перегляду їхнього проектування. Будівельні норми України (зокрема, ДБН 360-92*) ставлять вимоги до житлових забудов щодо створення сприятливого мікроклімату, але не регламентують засобів досягнення його для висотних будинків. Дотепер була відсутня методика оцінки комфортності перебування людини у висотному будинку і на територіях, які до нього прилягають.

Необхідність розв'язання цієї актуальної проблеми і визначила напрямок наукових досліджень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Обраний напрямок наукових досліджень пов'язаний з виконанням наступних державних наукових тем: Г2-1-92 "Розробка проекту державної нормативної документації України щодо оцінки вітрового режиму території житлової забудови" на замовлення Міносвіти України, реєстраційний №0194V015591; Г2-1-95 "Розробка методу оцінки вітропотенціалу території та вибору місця для раціонального розміщення вітроенергетичних приладів за допомогою персональної ЕОМ" на замовлення Міносвіти України, реєстраційний №0195V023689.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка методики формування території житлової забудови з урахуванням аеродинамічних характеристик висотного будинку - вітрового режиму в приземній зоні і аеродинамічних коефіцієнтів на поверхнях висотного будинку. аеродинамічний забудова висотний вітер

Поставлена у дисертації мета досягається розв'язанням наступних головних задач:

Розробка аеродинамічної класифікації розташування висотного будинку стосовно низької забудови на основі вивчення існуючих забудов.

Виявлення закономірностей впливу висотних будинків на поле швидкостей вітру всередині забудови шляхом випробувань в аеродинамічній трубі забудов згідно з прийнятою аеродинамічною класифікацією.

Розробка методик попередньої і більш точної оцінки забудови з висотним будинком за вітровим режимом.

Розробка методу визначення аеродинамічних коефіцієнтів на поверхнях стін висотного будинку.

Наукова новизна одержаних результатів полягає:

у розробці класифікації аеродинамічного місцерозташування висотного будинку стосовно інших низьких будинків;

у виявленні закономірностей течії повітряного потоку у забудівлі при розташуванні висотного будинку на межі і всередині забудови;

у розробці методу визначення аеродинамічних коефіцієнтів на поверхнях стін, що диференціюються згідно з висотою висотного будинку.

Практичне значення. Результати дослідження призначені для проектування житлових забудов з висотними будинками.

Методика оцінки вітрового режиму дозволить вносити корективи у проект благоустрою території, а методика визначення аеродинамічних коефіцієнтів дозволяє підбирати необхідний для висотного будинку тип віконного заповнення.

Запропоноване програмне забезпечення дозволяє архітектору, використовуючи пакет прикладних програм, швидко та якісно вести варіантне проектування.

Особистий внесок здобувача. Наведені у дисертаційній роботі результати досліджень отримані здобувачем самостійно. Особистий внесок автора полягає у наступному:

систематизація вивчених забудов з висотними будинками;

безпосередня участь у проведенні лабораторних випробувань в аеродинамічній трубі;

статистична обробка інформації та науковий аналіз отриманих результатів при проведенні випробувань;

розробка всіх методик, наведених у дисертації.

В публікаціях з співавторами здобувачем виконані: аналіз результатів експериментів і розроблена розрахункова комп'ютерна програма для розрахунку аеродинамічних коефіцієнтів на поверхнях будинків [1, 3]; метод врахування рельєфу та висотних споруд при розміщенні ВЕП у розробленій розрахунковій програмі [5].

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися і обговорювалися на першій міжнародній науково-технічній конференції "Ресурсосбережение и экология промышленного региона", ДДАБА (м.Макіївка, вересень 1995 р.); на другій зустрічі міжнародної асоціації "International Association for Wind Engineering" (Українська група), "УкрНИИпромстальконструкция" (м. Київ, березень 1997 р.); на 2-й міжнародній науково-практичній конференції "Управління енерговикористанням", Державний університет "Львівська політехніка", (м.Львів, червень 1997р.); на міжнародній конференції "Проблеми економії енергії", Державний університет "Львівська політехніка", (м. Львів, червень 1998 р.); на 2-й міжнародній Східно-європейській конференції з вітротехнологій, інститут теоретичної і прикладної механіки академії наук Чеської республіки (м. Прага, вересень 1998 р.); на щорічних студентських та викладацьких конференціях ДДАБА (1994 - 1998 рр.).

Робота доповідалася на кафедрах "Архітектура промислових і цивільних будівель" та "Теплогазопостачання і вентиляція" Львівського державного університету "Львівська політехніка"; "Архітектура" ДДАБА і рекомендована до захисту на спеціалізованій Раді 05.23.01 "Будівельні конструкції, будинки та споруди".

Публікації. Основні результати досліджень опубліковані у 8 друкованих роботах. Розроблена методика на час захисту впроваджена у розділах "Охрана окружающей среды" проектів мікрорайонів "Победа", "18-й" (виконаних в Донецькому центрі "Среда" спілки архітекторів України у 1997-1998 рр.) та містобудівного ансамблю "Крутогорный" (м. Дніпропетровськ у 1999 р.); у навчальний процес: Тимофєєв М.В. Будівельна кліматологія та теплофізика / Конспект лекцій. - Макіївка, ДДАБА, 1998. 73 с.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, загальних висновків по роботі, списку використаної літератури з 134 найменувань, в тому числі 42 зарубіжних, та 4-х додатків. Робота містить 199 сторінок, включаючи 134 основного тексту, 12 сторінок списку літератури, 53 сторінки додатків, 66 малюнків та 39 таблиць.

2. Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і задачі дослідження, наведено основні результати, отримані автором, показано їх наукову новизну та практичне значення.

У першому розділі дисертації наведений аналіз стану досліджень з даної проблеми і розроблена класифікація розташування висотного будинку в низькій забудові.

Встановлено, що найбільш вивченою сферою будівельной аеродинаміки є взаємодія повітряного потоку з окремо розташованими будинками. Для опису цього процесу розроблено теоретичні методи.

Дослідження аеродинамічних характеристик забудов зараз ведуться в основному експериментальним шляхом. В експериментах М.М.Томсона висотні будинки не розглядалися. Е.І. Реттер, Ф.Л. Серебровський, К.І. Семашко запропонували оцінювати деякі типи забудов за середніми відносними швидкостями вітру в них, але без урахування висотності будинків. В.А. Хохлов і В.М. Пивкін отримали дані щодо швидкісних полів повітряних потоків у забудовах з висотним будинком, але результати не узагальнили і аналітично не обробили. А.Д. Давенпортом і А.Ф. Вайзом розроблено метод визначення параметрів деформації повітряного потоку навколо висотного будинку тільки для випадку розташування його за одним низьким будинком стосовно вітрового потоку.

А.Г. Давенпортом, Н. Ізюмовим та Д. Гандемером на моделях і в натурі були вивчені швидкості вітру у приземній зоні забудови: будинок в Утрехті, Нідерланди (висота 80 м); будинок Коммерс Корт в Торонто, Канада (висота 240 м); башта ДМА у Парижі, Франція (висота 120 м) та ін. В інституті промислової аеродинаміки м. Аахена (Німеччина) під керівництвом професора Х.Д. Герхардта були проведені дослідження великої кількості забудов з висотними будинками. Однак до цього часу не зроблено висновків з отриманих результатів і не сформульовано принципів визначення основних параметрів забудови, яки впливають на вітровий режим.

У сучасних умовах завдяки новим технологіям в області обчислювальної техніки, на основі числових методів, з'явилася можливість розв'язання деяких задач теоретичної аеродинаміки. В.Ф. Губар, І.Г. Гевлич, М.О. Нікулін та М.В.Тимофєєв модулювали на ЕОМ повітряні течії у приземній поверхні забудови з однаковою висотою будинків. Числовим моделюванням об'ємної задачі окремо розташованого висотного будинку займалися Д.С.Р.Хант, Д.М. Суммерс та Т. Хансон. Але вивчення забудов з висотним будинком є дотепер не вирішеним технічним завданням.

Найбільш повна інформація є з аеродинамічних коефіцієнтів на поверхнях висотного будинку. Однак в СНиП 2.01.07-85 "Нагрузки и воздействия" аеродинамічний коефіцієнт на навітряній поверхні окремо розташованого висотного будинку визначається як постійна за висотою величина, що залежить від гнучкості будинку. Таке твердження не збігається з результатами (Д.С.Р. Хант, Е.С. Поултон, Д.С. Мумфорд, Ф.Л. Серебровський та Н.Н. Зайцева) проведених експериментів. СНиП не обговорює варіант розташування висотного будинку у забудові.

Так, Ф.Л. Серебровський та Н.Н. Зайцева виявили наступне:

- аеродинамічні коефіцієнти за висотою навітряної стіни змінюються за величиною і за знаком;

- низькі будинки не впливають на висотний, якщо між ними є відстань у більш ніж десять висот низького будинку;

- розташовані попереду за вітровим потоком третій, четвертий і т.і. низькі будинки на висотний не впливають;

- з двох низьких будинків на висотний впливає тільки один за умови, якщо відстань між ними перевищує сім їхніх висот;

- низькі будинки, розташовані в напрямку вітрового потоку за висотним, не змінюють аеродинамічні коефіцієнти.

Однак отриманий експериментальний матеріал не був аналітично оброблений, що ускладнює використання результатів під час проектування і вимагає деякого уточнення.

З метою виявлення об'єкту та сфери дослідження був проведений аналіз об'ємно-планувальних рішень існуючих та планованих забудов, що включають висотні будинки. На основі цього розроблена класифікація місцерозташування висотних будинків (див. рис. 1) в низькій забудові з точки зору їхньої аеродинамічної взаємодії.

Розташування висотного будинку, на основі наведеної класифікації пропонується розподілити на три основні види:

висотний будинок, що розташований поза забудовою (I, III, VI та VII типи);

висотний будинок, що розташований всередині забудови (II, IV та VIII типи);

забудова складається з системи висотних будинків (V тип).

Не виключається можливість варіантів забудов в деякій похідній від наведеної класифікації формі.

Об'єктом дослідження є односекційний багатоповерховий будинок, близький до квадрату в плані з відношенням сторін не більш 1:2, а сферою дослідження виступає житлова забудова.

Проведений огляд накопиченого наукового досвіду виявив, що до цього часу немає методу, який дозволяє враховувати вітровий режим при будь-якому розташуванні висотного будинку в забудові. Дослідження, що проводилися раніше в цій сфері, носили, як правило, частковий експериментальний характер.

У другому розділі дисертації експериментально виявлене формування повітряного потоку навколо висотного будинку і визначені аеродинамічні коефіцієнти на поверхнях висотного будинку. Вивчено вітровий режим у приземній зоні мікрорайону "Победа".

При проведенні експериментів всі геометричні розміри моделей приймалися відносно висоти (Н_Н) низького будинку і обчислювалися за формулами: =H_B/H_H - відносна висота висотного будинку; =L_B/H_H -відносна довжина висотного будинку; =B_B/H_H - відносна ширина висотного будинку; =L_H/H_H - відносна довжина низького будинку; =?₁/H_H - відносна відстань між висотним і низьким будинками; =?₂/H_H - відносна відстань між низькими будинками; =b/H_H - відносна величина розриву між низькими будинками.

Перша серія випробувань була проведена в три етапи.

На першому етапі були випробувані моделі окремо розташованих висотного і низького будинків. У моделі висотного будинку варіювалася = 2, 3, 5, 10.

На другому етапі комбінувалося поєднання висотного будинку і низького, при цьому за напрямком вітрового потоку низький будинок розташовувався за висотним. Тут варіювалися: висота висотного будинку 2<<5, довжина низького будинку 4<<10 та відносна відстань 1<<12.

На третьому етапі були випробувані типові забудови для розробленої класифікації (I, II, III, VII та VIII), де варіювалося: напрямок набігаючого повітряного потоку 90⁰ і 45⁰; висота висотного будинку 2<<5; відстань між висотним і низькими 2<<10; розриви між низькими будинками 1<<4; довжина низьких будинків 4<<10. Дотримувалися наступні пропорції: L_B<H_B; ==1,5. У VII типі змінювалася також і відстань між висотними будинками , а відстань приймала значення 0, 1, 2, 3.

Використання теорії планування експериментів та математичної статистики дозволило при повному охопленні всіх означених варіацій геометричних параметрів скоротити число варіантів для кожного типу до 12. Загалом було випробувано 57 варіантів моделей забудов.

У другій серії випробувань досліджувалися швидкості вітру у приземній зоні житлової забудови "Победа", розташованої у м. Донецьку. Модель мікрорайону, що включає два висотних та вісім низьких будинків, була виконана у масштабі 1:500. Випробування проводилися для панівних у м.Донецьку східного і південно-східного напрямків вітрів.

Модельні випробування проводилися в аеродинамічній трубі Державного університету "Львівська політехніка". Труба замкнутого типу з відкритою робочою частиною довжиною 1,2 м та з діаметром робочого перетину 1,0 м. Прикордонний шар повітря атмосфери та турбулентність моделювалися розміщенням попереду робочої зони поганообтічних тіл (розміром 5х5х10мм) і різновічкової сітки. Експериментально були визначені розміри вічок сітки, при яких швидкість у вертикальній площині повітряного потоку змінювалися за степенною залежністю V=V₀(Z/Z₀)ⁿ. Показник степені складав 0,34, що за даними ГГО ім. А.І. Воєйкова відповідає модифікаціям швидкостей на міській території. Число Рейнольдса складало: при вимірюванні швидкостей Re6,210⁴; при вимірюванні тиску Re2,410⁵. Величина турбулентності (за методикою С.М. Горліна) складала 2,0%. Поле динамічного тиску??ср= 1,02.

Моделювання здійснювалося з дотриманням умов механічної подібності (Е.І. Реттер, С.М. Горлін, І.Л. Повх, А.Г. Давенпорт та М.І. Казакевич). Масштаб моделювання приймався з умов автомодельності та збереження "миделева перетину" робочого перетину аеродинамічної труби. Приймався рівний рельєф місцевості. Моделі виконувалися з дерева і дренувалися для вимірювання тиску на поверхні.

Швидкісне поле у приземному шарі повітря вимірювалося термоанемометром ТА-9 ВНІІОТ, тиск на моделях фіксувався за допомогою мікроманометрів типу ММН-4. Заміри у кожній точці виконувалися тричі і осереднювалися. На початку й наприкінці кожної серії замірів виконувалося вимірювання швидкості вільного незбуреного потоку повітря. Точність вимірів забезпечувалася шляхом тарировки вимірювальних приладів з урахуванням їхньої точності. Загальна погрішність вимірювання (ГОСТ 8.011-72) тиску дорівнювала 2%, а швидкості - 6%.

Аналіз результатів випробувань свідчить про те, що на характер вітрового режиму в забудові значною мірою впливають зриви повітряних потоків, які формуються на кутах висотного будинку. Вони захоплюються низькою забудовою і завдяки цьому збільшують швидкість вітру на її території. Це зумовлює необхідність врахування впливу висотного будинку при розрахунку аераційного режиму.

Як показали експериментальні дослідження, аеродинамічні коефіцієнти (с_1і) на різній висоті навітряної поверхні висотного будинку відрізняються один від одного. На завітряній та боковій поверхнях коефіцієнти (відповідно, с₂ і с₃) є практично постійними (відхилення не перевищувало 10%) і не залежать від розглянутих взаєморозташувань будинків. Їх значення можно приймати: с₂-0,4 и с₃ -0,5.

У третьому розділі дисертації виявлено основні параметри деформації повітряного потоку та їх емпіричні залежності, розроблено метод визначення аеродинамічних коефіцієнтів на поверхнях стін висотного будинку.

Для забудов I - VI типу деформація повітряного потоку (див. рис. 2) характеризується такими параметрами:

1. Зони підвищених швидкостей (зриви), що утворюються на кутах висотного будинку, характеризуються параметрами:

напрямок поширення зриву (кут???

; (1)

відносна площа, що охоплюється зривом (ширина , довжина )

, де (2)

, де ; ;(3)

максимальна відносна швидкість у зриві

, де .(4)

2. Зона знижених швидкостей (вітрова тінь) між висотним і першим низьким будинком, характеризується параметрами:

відстань () від завітряної стіни висотного будинку до ядра, де швидкість () повітряного потоку досягає свого максимуму;

максимальна відносна швидкість () у ядрі тіні

.(5)

Відстань приблизно складає половину відстані між висотним і низьким будинками. Відносна швидкість між низькими будинками змінюється у межах 0,1 0,3 залежно від відстані . Також встановлено, що перераховані параметри деформації вітрового потоку залежать від куту???

В забудовах VII та VIII типу деформація повітряного потоку простежується у характерних точках (див. рис. 3). Відносні швидкості в них залежать від геометричного симплексу Z, що визначається за формулою 6, та периметральної щільності забудови ?_П (формула 7), запропонованої Е.І. Реттером і М.В. Тимофєєвим.

(6)

,(7)

де П - периметр низьких будинків, які безпосередньо оточують висотний.

Наприклад, для VII типу швидкість всередині низької забудови визначається за формулою 8. Формули в повному обсязі наведені у тексті дисертації. Всі вони отримані на підставі методу найменших квадратів.

(8)

Для кожної емпіричної залежності з використанням електронних таблиць для персональної ЕОМ були прораховані дисперсія, середньоквадратичне відхилення та погрішність стосовно експериментальних даних. При цьому число Стьюдента було близько 1,12, погрішність у межах від 0,2% до 18,8%, загальна середня погрішність склала 5,5%.

Для визначення аеродинамічних коефіцієнтів на навітряному боці висотного будинку пропонуються залежності двох видів.

1. Для всіх випадків (виняток для при одному низькому будинку та ):

,(9)

де - відносна висота рівня на навітряній стіні (=h_i/H_B), на якому визначається аеродинамічний коефіцієнт;

s₁ и s₂ - емпіричні коефіцієнти деформації вітрового потоку для комбінацій: з одним низьким будинком - визначаються за таблицею 1, наведеною нижче; з двома та більше будинками - визначаються за формулами 10.

(10)

Таблиця 1 - Коефіцієнти деформації вітрового потоку

	Відносна відстань між висотним і низьким будинками,
	1	2	3	4	5	6	8	10	> 11
s1	2,088	2,787	3,128	3,923	6,884	2,780	3,535	4,225	1,350
s2	0,093	0,094	0,110	0,092	0,086	0,133	0,106	0,146	0,176

2. Для одного низького будинку ( при) за формулою 11

, (11)

де; .

У четвертому розділі розроблено методику оцінки вітрового режиму території забудови з висотним будинком та проведено її апробацію.

Для попереднього аналізу формування вітрового потоку поблизу висотних будинків запропонована класифікаційна таблиця, частина якої наведена на рис. 4. У ній зафіксовані зони знижених (де відносна швидкість дорівнює 0,50 та менше) і підвищених (де відносна швидкість дорівнє 1,00 та більше) швидкостей вітру. Вказано площі зон та значення відносних швидкостей в них. Таблиця охоплює всі вісім типів забудов при двох характерних напрямках вітру (?=90⁰ і 45⁰), =3, 4<<8 і відстані між будинками 2<<6. Розміри зривів набувають значення і .

Більш точні розрахунки слід робити на основі номограм (приклад деяких з них див. рис. 5). Номограми розроблено на основі залежностей, наведених у третьому розділі. Номограми придатні у межах наступних геометричних параметрів: - від 2 до 7; tg? - від 0,5 до 10; Z і ?_П - від 0,2 до 1; 4<<12; 1<<12; 1<<10; 1<<5; L_B<H_B; 1,5.

Запропонована у вигляді номограм методика оцінки вітрового режиму території забудови з висотним будинком була апробована на різноманітних проектах.

В реальному проектуванні мікрорайону "Победа" м. Донецька (Донецький центр "Среда" спілки архітекторів України) оцінювався вітровий режим щодо панівних східного та південно-східного напрямків вітру. Забудова відповідає IIIа типу класифікації. Порівняння результатів розрахунку з експериментальними даними дало значення середньої погрішністі для східного напрямку вітру - 8,6%, для південно-східного - 11,7%.

За розробленими номограмами проведені розрахунки відносної швидкості повітря у приземному шарі навколо висотних будинків для забудов, що експериментально досліджувалися раніше В.В. Ковнатом, В.А. Хохловим та В.М. Пивкіним. У цих випадках погрішність результатів розрахунку порівняно з експериментальними даними не перевищувала 14,5%.

У п'ятому розділі розроблено алгоритм оцінки комфорту життєдіяльності людини на прилеглих до висотного будинку територіях і запропоновано формулу розрахунку необхідного опору повітряпроникнення віконних отвірів у верхній частині висотного будинку.

Пропонується такий алгоритм оцінки комфорту життєдіяльності людини на території забудови:

Аналіз метеорологічних даних місцевості, що розглядаєтся за температурою, швидкістю, напрямком та повторюваністю вітру. Перерахунок швидкості вільного повітряного потоку з висоти флюгеру (10м) на рівень перебування людини (2м) за степенним законом.

Розрахунок температури ?_SF відкритих частин тіла (методика ГГО ім. А.І. Воєйкова,??_SF?залежить від температури та швидкості руху повітря) для вільного потоку на рівні 2м. Визначення повторюваності за напрямками вітру некомфортних умов, що настають при ?_SF<10⁰С.

Установлення характерних зон забудови і визначення в них за методикою четвертого розділу відносних швидкостей руху повітря. Визначення повторюваності за напрямками вітру некомфортних умов для зон з урахуванням деформації повітряного потоку у забудові.

Розробка вітрозахисних рекомендацій в зонах забудови, де встановлено повторюваність некомфортних умов 30% і більше (А.Д. Пенворден). Вітрозахисними заходами можуть бути модифікація об'ємно-планувальних рішень забудови, влаштування накриття, озеленення, влаштування елементів або системи елементів малих архітектурних форм, встановлення щитів, пергол та інше.

У характерних зонах (див. рис. 6) мікрорайону "Победа" була визначена повторюваність появи некомфорних умов (див. рис. 8) в період з листопада 1997р. до березня 1998 р. На стадії проектування в зонах 2 і 3 частково змінене розташування зон відпочинку, а біля дитячих майданчиків (зона 2) встановлені вітрозахисні екрани.

Аналогічно за розробленою методикою було проведено оцінку комфортності зон містобудівного ансамблю "Крутогорный" комплексу "Сходы" (м. Дніпропетровськ). Існуюча низька забудова була ущільнена двома висотними будинками висотою 106м. Методика дозволила прогнозувати виникнення некомфортних умов біля висотних будинків і запропонувати вітрозахисні заходи.

Одним з прикладів застосування засобу визначення аеродинамічних коефіцієнтів на поверхнях висотного будинку є розрахунок необхідного опору повітряпроникненню віконних отворів. Різниця тиску повітря (?p, Па) на зовнішній та внутрішній поверхнях огороджучих конструкцій поряд з іншими факторами залежить і від аеродинамічних коефіцієнтів та швидкості вітру. До цьогу часу??p визначалося за формулою 12, де аеродинамічні коефіцієнти складали +0,8 (на навітряній поверхні) та -0,4 (на завітряній поверхні), а швидкість приймалася на висоті флюгера (10м). З проведених досліджень встановлено, що формула 12 не враховує особливостей верхньої частини висотного будинку. В результаті пропонується визначати значення перепаду тиску за формулою 13.

(12)

, (13)

де??_н, ?_в?- питома вага, відповідно, зовнішнього та внутрішнього повітря, Н/м³;

V_i - швидкість повітряного потоку, що визначається на висоті h_i за степенним законом, для міської межі показник степені n=1/3.

Таким чином пропонується реалізувати твердження Р.Є. Брилінга, який вважає, що для будинків висотою понад 15 м потрібно враховувати збільшення швидкості вітру за висотою.

Наприклад, для верхньої частини висотного будинку мікрорайону "Победа" необхідний опір повітряпроникненню () віконних заповнень порівняно зі СНиП II-3-79** "Строительная теплотехника" виявився дещо більшим (відповідно, 0,50 і 0,37 м²г/кг). У результаті за СНиП необхідно застосовувати подвійне засклення у дерев'яних спарованих рамах з двома ущільнюючими прокладками з пенополіуретану. Згідно з запропонованими уточненнями - потрійне засклення у дерев'яних роздрібно-спарованих віконних рамах з трьома ущільнюючими прокладками з пенополіуретану.

Уточнення, що пропонуються, дозволять знизити тепловтрати у висотному будинку і завдяки цьому поліпшити комфортність проживання людей на верхніх поверхах.

Загальні висновки

В результаті проведених досліджень розроблено методику, що дозволить формувати територію забудови з висотним будинком згідно з її аеродинамічними характеристиками. При цьому забезпечуються комфортні умови життєдіяльності людини як у приземній зоні забудови, так і всередині висотного будинку.

Запропоновано аеродинамічну класифікацію розташування висотного будинку відносно низької забудови при їхніх геометричних параметрах: ; ; ; ; .

Виявлено параметри деформації повітряного потоку навколо висотного будинку, це: відносна площа зриву і ; кут поширення зриву ; максимальна відносна швидкість у зриві ; максимальна відносна швидкість у ядрі вітрової тіні . Запропоновано емпіричні залежності, що дають можливість визначення цих параметрів у приземній (рівень пішоходу) зоні.

Розроблено методику оцінки вітрового режиму навколо висотного будинку. Сфера її застосування обмежена наступними геометричними параметрами: , , , , . Ця методика дозволяє архітектору швидко і якісно вести варіантне проектування забудов. Перевірка розробленої методики проводилася на результатах експериментальних досліджень забудов, що отримані автором та іншими вченими. Загальна помилка розрахунків за методикою не перевищувала 14,5%.

5. Розроблено метод визначення аеродинамічних коефіцієнтів на навітряній поверхні висотного будинку з урахуванням відносної висоти розрахункової точки та типу навколишньої забудови. Значення аеродинамічних коефіцієнтів знаходяться у межах від -0,3 до 1,0.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Тимофеев Н.В., Кузнецов С.Г. К определению аэродинамических коэффициентов на поверхностях стен зданий с помощью ПЭВМ // Труды междунар. конф. "Ресурсосбережение и экология промышленного региона".- Том 3.- Макеевка.- 1995.- С. 110-111.

Кузнецов С.Г. К определению аэродинамических коэффициентов на поверхностях стен башенного здания // Вестник Донбасской государственной академии строительства и архитектуры.- Макеевка.- 1995.- Вып. 95-1(1).- С. 92-95.

Тимофєєв М.В., Кузнецов С.Г. До знаходження аеродинамічних коефіцієнтів на поверхнях стін будинків за допомогою ПЕОМ // Будівництво України.- К., 1996.- № 5.- С. 40-41.

Кузнецов С.Г. Ветровой режим в приземной области высотного здания // Вестник Донбасской государственной академии строительства и архитектуры.- Макеевка.- 1998.- Вып. 98-2(10).- С. 100 - 103.

Тимофеев Н.В., Кузнецов С.Г., Беловодский С.В. Размещение ВЭУ малой мощности на территории // Вісник ДУ "Львівська політехника" спец. випуск "Проблеми економії енергії".- Львів.- 1998.- С. 159-162.

Kuznetsov S. Deformation of the Air Flow in a Development Under the Influence of a High-Rise Building // East European Conf. On Wind Engin. "2^nd EECWE'98".- Vol. 2.- Prague, Czech Republic.- 1998.- p.p. 495-502.

Кузнецов С.Г. Ветровой режим вокруг высотного здания, расположенного в застройке // Вестник Донбасской государственной академии строительства и архитектуры.- Макеевка.- 1998.- Вып. 98-4(12).- С. 130 - 139.

Кузнецов С.Г. Оценка комфортности внешней воздушной среды вокруг высотного здания // Вестник Донбасской государственной академии строительства и архитектуры.- Макеевка.- 1998.- Вып. 98-6(14).- С. 5 - 10.

Анотація

Кузнецов С.Г. Формування території забудови з урахуванням аеродинамічних характеристик висотного будинку. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі і споруди. - Донбаська державна академія будівництва і архітектури, Макіївка, 1999.

Дисертацію присвячено одному з питань забезпечення комфортності повітряного середовища всередині та зовні висотного будинку. Розроблено класифікацію аеродинамічного розташування висотного будинку в забудові. Встановлено значення аеродинамічних коефіцієнтів на поверхнях висотного будинку і параметри деформації повітряного потоку. Розроблено метод визначення аеродинамічних коефіцієнтів, методику формування території забудови з урахуванням параметрів деформації повітряного потоку у приземній зоні та алгоритм визначення комфортності повітряного середовища. Запропоновано корегування до формули розрахунку опору повітряпроникнення віконних отворів висотної забудови. Основні результати роботи знайшли застосування у проектуванні нових забудов м. Донецька та м.Дніпропетровська.

Ключові слова: висотний будинок, забудова, приземна зона, швидкість вітру, аеродинамічна труба, аеродинамічний коефіцієнт, повітряний потік, комфортність.

Аннотация

Кузнецов С.Г. Формирование территории застройки с учетом аэродинамических характеристик высотного здания. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения. - Донбасская государственная академия строительства и архитектуры, Макеевка, 1999.

Диссертация посвящена одному из вопросов обеспечения комфортности воздушной среды внутри и снаружи высотного здания. Разработана классификация аэродинамического местоположения высотного здания в застройке. Установлены значения аэродинамических коэффициентов на поверхностях высотного здания и параметры деформации воздушного потока. Разработаны метод определения аэродинамических коэффициентов, методика формирования территории застройки с учетом параметров деформации воздушного потока в приземной области и алгоритм определения комфортности воздушной среды. Предложены корректировки в формулу расчета сопротивления воздухопроницанию оконных проемов высотного здания. Основные результаты работы нашли применение в проектировании новых застроек г. Донецка и г. Днепропетровска.

Ключевые слова: высотное здание, застройка, приземная область, скорость ветра, аэродинамическая труба, аэродинамический коэффициент, воздушный поток, комфортность.

Summary

Kuznetsov S.G. Formation of development territory in view of the aerodynamic characteristics of a high-rise building. - Manuscript.

The dissertation for a scientific degree of the candidate of engineering science on Speciality 05.23.01 - Engineering Structures, Buildings and Constructions. - Donbass State Academy of Civil Engineering and Architecture, Makiyivka, 1999.

The dissertation is devoted to questions of formation of territory and maintenance of comfort of air environment inside and outside a high-rise building.

It has been established, that in wind engineering the most investigated is the interaction of an air flow with a detached high-rise building. For the description of this process various analytical methods have been developed. There have been held a lot of experimental and full-scale researches of air movement in the above-ground area of development (2 m above ground, i.e. the level of pedestrians) with high-rise buildings. However, till now no conclusion have been drawn on the received results, and no revealing of the basic parameters of development with a high-rise building influencing wind conditions has been done.

In the Building Codes the wind pressure coefficients on windward surface of a high-rise building are given constant and not dependent on the surrounding development. Such statement is contradicted by numerous results of the researches which were carried out earlier.

On the basis of existing developments and those being designed, the wind site of a high-rise building classification is developed. It covers the following basic types: 1) a high-rise building is located outside the development; 2) a high-rise building is located inside the development; 3) development consists of a group of high-rise buildings. The analysis that has been carried out allows to define the object of the research. It is one-section multi-storey building (in the plan it is close to a square by form) with the ratio of the sides no more than 1:2. The area of research is residential development.

The most typical variants of developments of the offered classification were tested in a wind tunnel of State University "Lvivska Polytechnica" (Lviv, Ukraine). The modeling was carried out in accordance with the mechanical scaling law (E.I. Retter, S.M. Gorlin, I.L. Povch, A.G. Davenport and M.I. Kazakevich). Reynolds number was: Re 6.210⁴ during the velocities measurement; Re 2.410⁵ during the pressure measurement. The boundary layer was simulated according to the exponential law. The intensity of turbulence was 2.0%. The coefficient of the dynamic pressure field ?ср = 1.02. The equal relief of district was accepted. The models were made of wood. Several holes were made in the models of a high-rise building and micro-monometres were attached to them in order to get pressure measurement. The geometrical dimensions of the models and parameters of the air flow were specified with respect to the height of a low building (=Н_В/Н_Н is the relative heigh of a high-rise building). The error of measurement did not exceed 6%.

For the preliminary analysis of wind flows formation around a high-rise building the classification table is offered. It fixes zones of low (where the relative velocity is 0.50 and less) and elevated (where the relative velocity is 1.00 and more) wind velocities. The areas of zones and relative velocities are specified there. The table includes all types of developments of the given classification with regard to the two characteristic wind directions (?=90⁰ and 45⁰), the height of a high-rise building =3, the length of low buildings 4<<8 and the distance between buildings 2<<6.

Around a high-rise building the areas of the elevated velocities (stallings) are made. They are characterized by the following parameters: the direction of stalling propogation (angle ?); the area covered by stalling (relative width , relative length ); maximum relative velocity in stallings . The empirical dependences of determination of deformation parametres of an air flow are developed. The parametres depend on: ; angle ?; geometrical simplex Z; perimeter density of development ?_п. The weighted mean error of approximation has made 5.5%.

The nomograms are developed on the basis of the empirical dependences received as a result of experimental researches. The area of their application is limited by the following geometrical parameters: , , , , . The developed technique was tested in view of the results of experimental researches of the developments received by the author and other scientists. The total error did not exceed 14.5%.

On the basis of the experiment in a wind tunnel it has been established, that the wind pressure coefficients on windward surface of a high-rise building have meanings from -0.3 up to 1.0. On leeward surface and side surface the coefficients are practically constant (deviation did not exceed 10%) and do not depend on the location and positions of buildings, considered by the author. Their values can be accepted c₂ -0.4 (leeward) and c₃-0.5 (side). The method of determination of wind pressure coefficients on windward surface of a high-rise building has been developed.

There has been developed an algorithm for determining of the level of comfort of living conditions in the territory around the high-rise building. It consists of the following stages: 1) calculations of free wind velocity from the height of a vane on to the level of 2 m; 2) determination of affecting temperature (parts of the face which are exposed to wind are affected) with a free approach flow on the level of 2 m; 3) determination of air environment comfort in zones of development in view of deformation of an air flow; 4) conclusions and recommendations for environmental improvement of living conditions.

The updatings to the formula of Building Code II-3-79** "Heat engineering" of account of resistance to air filtration of window openings of a high-rise building are offered. The main results of the work are being used in designing the new developments "Pobeda", "18-th" (Donetsk, Ukraine) and town-planning ensemble "Krutogorny" (Dnepropetrovsk, Ukraine).

Key words: high-rise building, development, boundary area, wind velocity, wind tunnel, wind pressure coefficient, air flow, comfort.

Размещено на Allbest.ru

...