Расчеты высотных сооружений при ветровом воздействии

Сергей Дубинский

Ветровое нагружение высотных сооружений

Вычислительная гидродинамика

Условия современного большого города, его интенсивная застройка, уникальные архитектурные решения, освоение подземного пространства — все это предполагает использование эффективных численных методов при проектировании и реконструкции промышленных и жилых зданий и сооружений. Среди различных численных методов решения задач механики сплошных сред наиболее мощным является метод конечных элементов (МКЭ), который позволяет решать задачи при любых граничных условиях независимо от степени их сложности и с учетом многообразия и неоднородности механических свойств материалов и условий нагружения.

На практике задачи такого плана характеризуются большой размерностью (сотни тысяч и даже миллионы узлов), трудоемкостью подготовки расчетных моделей, необходимостью совместного учета грунта и конструкции в нелинейной постановке, а также учета физической нелинейности поведения бетона и эффектов ползучести. Особую проблему при этом составляет сложный характер ветрового нагружения и его большая динамическая составляющая.

В последнее время в Москве, Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде и других крупных городах России четко обозначилась тенденция к увеличению высотности строящихся зданий, что требует совершенно иных, отличных от типового строительства, подходов к проектированию,

Программный комплекс МКЭ ANSYS отвечает следующим требованиям:

• высокий уровень тестирования комплекса на сложных задачах;

• наличие большой библиотеки конечных элементов;

• высокая вычислительная эффективность встроенных решателей для сверхбольших систем алгебраических уравнений (СЛАУ) и процедур численного нелинейного решения;

• поддержка многопроцессорного счета;

• прямой импорт геометрических моделей из наиболее популярных CAD-систем, импорт формата IGES;

• наличие разнообразных математических моделей физического поведения материалов, в том числе деформирования (линейно-упругого, нелинейного, пластического, реологического и т.д.);

• открытость комплекса для встраивания дополнительных моделей поведения материалов, различных процедур решений, интерфейсных модулей и даже других численных методов.

В настоящее время в ANSYS реализован не только МКЭ — в этот комплекс внедрены различные процедуры метода контрольных объемов (МКО), метода конечных разностей (МКР) и метода граничных элементов (МГЭ), что делает программный комплекс ANSYS универсальной вычислительной средой с различными вариантами аппроксимации искомой функции.

Открытая архитектура ANSYS позволяет включать в него модули с нелинейными (определяющими) физическими соотношениями для грунтов, учитывающие такие важные свойства, как:

• внутреннее трение и корректные законы прочности;

• локализацию сдвиговых деформаций в полосы скольжения;

• процессы упрочнения и разупрочнения;

• зависимость деформаций грунта от времени;

• описание процессов нагрузки, разгрузки и повторного нагружения;

• учет эффекта дилатансии (изменения объема материала, вызванного деформацией сдвига) и других перекрестных эффектов.

Перечисленные нелинейные свойства позволят описать зависимость деформаций грунта от траектории нагружения.

Кроме того, ANSYS включает целый ряд процедур и возможностей, необходимых для корректного моделирования геомеханических процессов, а именно:

• библиотеку разнообразных контактных КЭ, моделирующих локализацию сдвиговых деформаций (вплоть до моделирования дискретной среды с контактным трением);

• процедуры «рождения и смерти» элементов;

• изменение свойств элементов в процессе счета;

• так называемую мультифизичность, когда на одной конечно-элементной модели решаются задачи для различных физических сред.

Картина линий тока

Заливка скоростью

Ветровое нагружение высотных сооружений

Важность расчета ветровых нагрузок сегодня повышается вследствие увеличения числа возводимых в густонаселенных городах высотных сооружений.

Основным руководством для проектировщика на данный момент являются СНиП. Существующая отечественная методика разработана в начале 70-х годов в ЦНИИСК им.Кучеренко с использованием работ А.Давенпорта и А.Вайза и реализована в СНиП II-6-74. В 1978 году выпущено «Руководство по расчету зданий и сооружений на действие ветра», подготовленное М.Барштейном. В 1984 году издан справочник «Динамический расчет зданий и сооружений» под общей редакцией Б.Коренева. В этом же году на русский язык была переведена книга Э.Симиу и Р.Сканлана «Воздействие ветра на здания и сооружения».

При выпуске СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия» выражения, описывающие динамическую реакцию сооружений при действии ветра, были заметно упрощены. В 2000 году Н.Попов разработал «Рекомендации по уточненному динамическому расчету зданий и сооружений на действие пульсационной составляющей ветровой нагрузки». В новой редакции СНиП (2003 год) раздел «Ветровые нагрузки» оставлен без изменений.

Помимо приближенности динамических подходов, требуют уточнения и сами поля аэродинамических нагрузок, определяемые по СНиП. Аэродинамический коэффициент на наветренной поверхности отдельно стоящего высотного здания определяется как постоянная по высоте величина, не зависящая от гибкости здания. Спектр давлений, предложенный Давенпортом, хорошо описывает нагружение только наветренной стороны здания, но нагружение крыш и покрытий большой площади не определяется. Кроме того, в СНиП отсутствуют варианты расположения высотного здания в застройке и не учитывается интерференция зданий. Нагружение срывными потоками от соседних зданий не рассматривается, не учитывается и изменение спектра турбулентности по высоте, а также рельеф местности.

Очевидно, что требует уточнения положение и размер зон с повышенными местными давлениями ветра. В приземном слое на высоте свыше 200 м были обнаружены так называемые мезоструйные течения — слой воздуха толщиной 100- 300 м , который имеет повышенную скорость.

Следовало бы пересмотреть в СНиП и климатологические характеристики и районирование, поскольку эта информация не обновлялась с 1977 года. Например, по данным метеостанции МГУ, в 1984 году наблюдался ветер на высоте 10 м со скоростью 28 м/c, что соответствует уже не первой, а второй зоне ветрового нагружения для города Москвы. К тому же в последние несколько лет московскими метеорологами были зафиксированы внезапные шквальные ветры значительной разрушительной силы: их скорость, по некоторым оценкам, превышала 35 м/с.

Вдобавок высотные здания при точечной застройке резко изменяют воздушные потоки на прилегающей территории, что вызывает ряд негативных явлений. Появляются зоны повышенных скоростей ветра на уровне пешеходов, избыточных давлений на верхних этажах зданий, низкочастотных колебаний и пр. Высокие скорости ветра вокруг многоэтажного здания, особенно при низких температурах, в некоторых случаях являются опасными и неблагоприятно воздействуют на организм человека. На верхних этажах высотного здания возникают некомфортные условия из-за теплопотерь, вызванных инфильтрацией воздуха через ограждающие конструкции.

Учет комфортности при проектировании позволит повысить коммерческую привлекательность строящихся зданий с учетом социального статуса потенциальных арендаторов и жильцов. К тому же сегодня основным критерием комфортности принято считать ускорения (средние и пиковые), что в действующих СНиПах никак не отражено.

Вычислительная гидродинамика

Современные возможности ANSYS CFX позволяют решать задачи аэроупругости на реальных строительных конструкциях с учетом дополнительных воздействующих факторов: температурных полей, солнечной радиации и пр. Такие расчеты могут быть выполнены как в стационарной постановке, так и в нестационарной.

В существующей практике для исследования аэродинамики зданий обычно используются специальные трубы метеорологического типа с длинной рабочей частью, в которых структура потока соответствует так называемой пристеночной турбулентности.

Площадь сечения подобных труб, как правило, не превышает 7 м². Вместе с тем для моделирования, например, всего комплекса «Москва-Сити» требуется аэродинамическая труба большего размера, чтобы корректно учесть интерференцию зданий, даже при использовании масштабированных моделей (1:600 или 1:1000).

Поэтому на Западе специалисты все больше внимания уделяют технологиям вычислительного имитационного моделирования. Разумеется, численный расчет не может полностью заменить натурный эксперимент. Однако, опираясь на его результаты, можно заметно снизить стоимость и трудоемкость экспериментальных работ.

На смену популярному в прошлом CFD модулю ANSYS/ Flotran пришел программный продукт ANSYS CFX, который предоставляет пользователям ряд серьезных преимуществ, и прежде всего — метод конечных объемов, ориентированный на решения задач вычислительной гидродинамики, современные модели турбулентности, включая LES- и SST-модели, неявную связанную схему решения СЛАУ и др.

Для решения ряда задач, в частности флаттера или расчета с учетом прогрессирующего разрушения, эффективным средством является комплекс ANSYS/AUTODYN, который поддерживает в одной расчетной модели и жидкость (в эйлеровой постановке), и конструкцию (в лангражевой).

Переход к нестационарному нагружению следует производить только после отладки расчетной модели на стационарной задаче, причем время счета может различаться в десятки раз.

САПР и графика 10`2005