Delist.ru

Численное моделирование ветровых воздействий на высотные здания и комплексы (29.06.2010)

Автор: Дубинский Сергей Иванович

Экспер. AIJ SST 19 700 Vпешех зон

(пиковые) 15 10-50% (натурные)

10-30% (эксп.)

МФК "Сити-Палас"

ММДЦ "Москва-Сити" Экспер. BMT SST

DES 3 200 Cp (средние), CX, CY

(средние и пиковые) 6 - SST

200 - DES 5-10% средние

10-30% пульсационные

МФК "Федерация"

ММДЦ "Москва-Сити" Экспер. RWDI SST

DES 2 400 Cp (средние и станд. пульсаций) 4 - SST

160- DES 5-10% средние

10-30% пульсационные

Удалось с достаточной для практики точностью воспроизвести поля средних давлений и стандарты их пульсаций на ограждающих поверхностях башен «Запад» и «Восток».

В главе 5 рассматривается применение разработанной методики к решению ряда практических задач для проектируемых и строящихся высотных комплексов.

Описаны вопросы моделирования ветровой аэродинамики строящегося в настоящее время ЖК «Аквамарин» (г.Владивосток, 210 м). После выполнения серии тестовых нестационарных расчетов при различных направлениях ветра была изменена планировавшаяся последовательность возведения корпусов, обеспечив тем самым экранирование наиболее высокого и гибкого корпуса с учетом анализа локальной годовой розы ветров (повторяемости северного направления, особенно в зимний период). Были проведены вариантные (24 направления ветра) расчеты для подробной модели (около 4 миллионов ячеек) с учетом рельефа (перепад высот до 150 м), близлежащих сооружений в радиусе до 1 км и этапности застройки (см. рис. 4). Выполнены оценки возможного возникновения ветрового резонанса и уровня пешеходной комфортности.

Рис.4. ЖК "Аквамарин". Расчетная CFD-модель. Аэродинамические коэффициенты и поля средних скоростей ветра.

Рассмотрены принципы и особенности моделирования для расчетов средних, минимальных и максимальных давлений на фасадные конструкции строящегося ЖК «Зодиак» (г. Москва) в трехмерной постановке с учетом рельефа местности и основных близкорасположенных зданий. Базовая модель с 3.5 миллионами ячеек (домен) была "скопирована" 24 раза с назначением граничных условий, соответствующих различным направлениям ветра. Полная модель (более 83 миллионов ячеек, 130 миллионов неизвестных) исследовалась в многопроцессорной постановке на вычислительном кластере МГСУ. По результатам вариантных расчетов были построены огибающие, а также оценены коэффициенты обеспеченности и верифицирована численная методика оценки пульсационной составляющей ветровой нагрузки.

Разработанная методика была использована при моделировании ветровых воздействий на проектируемый МФК "Газойл-Сити" (г. Москва). Особенностью задачи является сложный характер интерференционного взаимодействия двух основных корпусов МФК и близкорасположенного здания ОАО "Газпром". Расчеты для выбранных 24-х направлений ветра были выполнены как в стационарной, так и в нестационарной постановках с учетом окружающей застройки и этапности возведения. Демонстрируются значимые эффекты «подъемной силы» (для ряда "углов атаки" – действующим нормами не выявляются, рис.5) и экранирования, значительное усиление ветровых потоков в проеме между основными корпусами, не определяемые нормативными методами расчета.

Рис.5. МФК "Газойл-Сити". Средние давления (Па) для северо-западного ветра. Равнодействующая средних нагрузок Fr (тс) на корпус 1 в зависимости от направления ветра. ?– изолированный корпус 1, ?– частичная застройка, после возведения корпуса, сплошная линия – в полной застройке, ? – результаты по СНиП (для изолированного прямоугольного

Описана разработанная аэродинамическая модель самого высотного в Европе комплекса зданий ММДЦ “Москва-Сити” (рис. 6, около 30 млн. ячеек-объемов). На настоящий момент, в связи с произошедшими изменениями проекта, отсутствуют результаты испытаний для существующей и наиболее вероятной «окончательной» застройки. В этой связи, численное моделирование по разработанной методике, верифицированное по результатам ранее проведенных испытаний (глава 4), позволило бы достаточно оперативно оценить измененные параметры ветровых воздействий для всех зданий без необходимости повторения испытаний.

Предложена структура систем мониторинга с учетом одновременного замера ветровых воздействий и динамического поведения конструкции. В качестве примера рассмотрено использование аэродинамической модели комплекса зданий МГСУ на Ярославском шоссе.

Рассмотрен опыт внедрения разработанных методик в практику обучения студентов и аспирантов профильных специальностей в МГСУ по дисциплине “Вычислительная аэрогидромеханика”.

Рис.6. ММДЦ“Москва-Сити”. Средние ветровые давления(Па) и изоповерхности завихренностей (угловых скоростей вращения потока)

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Как показал анализ современных отечественных и зарубежных теоретических и экспериментальных исследований, существующие нормативные документы и методики не в полной мере отражают специфику ветровых воздействий на высотные здания и их комплексы, прежде всего, в условиях их компактного расположения и интерференции и, поэтому, нуждаются в уточнении и развитии.

Разработана методика расчета нормативных параметров ветровых воздействий (средней и пульсационной составляющих нагрузок на несущие конструкции, пиковых давлений на ограждающие конструкции, уровня пешеходной комфортности) на высотные здания и их комплексы на базе численного решения стационарных и нестационарных трехмерных уравнений гидрогазодинамики (Навье-Стокса в приближении Рейнольдса, модели турбулентности RANS, URANS и DES) с дискретизацией методом конечных объемов, позволяющая адекватно учитывать важные факторы – направления и профиль ветровых потоков, рельеф местности, окружающую застройку и поэтапность возведения комплексов.

Разработанная методика реализована в форме специализированного программного модуля WINDLOAD/CFX к выбранным, в качестве базовых, универсальным программным комплексам ANSYS и ANSYS CFX. Для решения большеразмерных задач (до 100 млн. вычислительных ячеек - конечных объемов, до 150 млн. неизвестных) используются эффективные параллельные вычисления кластерной организации.

Проведена верификация разработанной методики и ее программной реализации на основе сравнения с результатами испытаний моделей в аэродинамических трубах (тестовые модели, комплекс “Федерация” и МФК “Сити-Палас” в ММДЦ “Москва-Сити” и др.) и с данными натурных замеров для группы высотных зданий в реальной застройке (микрорайон Синдзюку, Токио, Япония).

Установлена приемлемая для практики точность результатов расчета средней составляющей ветровых нагрузок для зданий сложных форм (расхождение с имеющимися экспериментальными данными не более 15-20%) не только при нестационарных, но и при стационарных расчетах с использованием модели турбулентности SST и предложенной схемы дискретизации и при адаптивной схеме расчетов с последовательным сгущением сетки.

Для "уточненного" определения пульсационной составляющей ветровой нагрузки рекомендуется выполнять нестационарный расчет с использованием моделей турбулентности DES или URANS. Для сложных реальных застроек наблюдается рассогласование данных по отрицательным давлениям (20-40%) с данными испытаний в аэродинамических трубах. Для дополнительной верификации предлагается проводить выборочные натурные замеры реальных ветровых воздействий.

Для оценки пульсационной составляющей нагрузок допустимо использование предложенного и верифицированного "инженерного" подхода, основанного на оценке турбулентной энергии пульсаций (по результатам стационарного расчета), максимальных коэффициентов обеспеченности и нормативных параметров корреляции нагрузок. Этот подход применим и при определении ветровых нагрузок на фасадные конструкции. Возможно определение локальных зон нагружения, которые не могут быть полностью идентифицированы в практике испытаний в аэродинамических трубах.

Особенно эффективна разработанная численная методика, как показали результаты численного моделирования реальных объектов, при оценке пешеходной комфортности. При этом исключается масштабный эффект, снижающий при испытаниях точность замеров потоков вблизи поверхности.

Разработанная методика использована для трехмерных стационарных и нестационарных расчетов ветровых нагрузок на несущие и ограждающие конструкции и оценки пешеходной комфортности ряда проектируемых и строящихся высотных комплексов (ММДЦ "Москва-Сити", МФК “Газойл-Сити” и ЖК “Зодиак”, ЖК “Аквамарин”), а также комплекса зданий МГСУ. Выявлен и проанализирован ряд реальных аэродинамических эффектов (включая интерференцию), которые не определяются при применении действующих нормативных методик.

Применительно к объектам исследования конкретизирована и обеспечена выполненными разработками современная концепция определения ветровых воздействий: а) "предварительное" численное моделирование с определением наиболее опасных/характерных направлений ветра, оценка необходимости испытаний в аэродинамической трубе (б) и рекомендации по расположению и количеству датчиков; б) испытания в аэродинамической трубе (при возможности); в) уточненное многопараметрическое и многофакторное численное моделирование с сопоставлением характерных параметров с результатами испытаний.

Предложена структура системы мониторинга высотных зданий/комплексов с учетом одновременного замера характеристик ветра и перемещений/ускорений, базирующаяся на разработанной методике.

Разработанная методика успешно используется в практике обучения студентов и аспирантов профильных специальностей МГСУ по дисциплине “Вычислительная аэрогидромеханика”.

Основные положения и результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

а. В периодических изданиях, включенных в перечень рекомендованных ВАК:

загрузка...