Расчёт ветровой нагрузки на здания ЖК "Пётр и Екатерина"

Математическое Моделирование от профессионалов

Математическое моделирование ветровых нагрузок на комплекс жилых высотных зданий «Петр и Екатерина»

Как рассчитать ветровую нагрузку на здания? Этот вопрос впервые стал возникать на серьезном уровне с развитием строительства высотных зданий и других уникальных сооружений. За многие десятилетия исследований были выведены как упрощенные аналитические методики, так и разработаны условия для проведения модельных испытаний в аэродинамических трубах. В этом случае поле давления на здание (ветровая нагрузка на стены и кровлю) формируется путём интерполяции значений, полученных с конечного числа датчиков. Сегодня, с развитием компьютерной техники и вычислительных технологий появилась возможность по расчёту ветровых нагрузок с применением универсальных CFD-программ, которые позволили существенно сократить сроки подобных расчетов. При таком способе возможно получить поля давлений уже не дискретно, а в любой точке пространства.

Представленная работа была проведена методом компьютерного моделирования. Объектом для исследования послужило строящееся здание, расположенное на набережной реки Невы в г. Санкт-Петербурге. Расчёт ветровых нагрузок на стены и кровлю проводился для восьми направлений ветра. В процессе расчёта была учтена существующая и планируемая комплексная застройка окружающей территории. Получены поля давлений, действующих на здание, и скоростей вокруг него и, что очень важно, в пешеходной зоне.

Согласно СП 20.13330.2011 расчёт ветровой нагрузки на здания и сооружения повышенной степени ответственности (в частности высотные) необходимо проводить либо в специализированной ландшафтной аэродинамической трубе (позволяющей воспроизвести атмосферный пограничный слой), либо, как в данном случае, при помощи методов математического моделирования. При этом численное моделирование имеет ряд преимуществ перед физическим моделированием. Результаты, полученные в ходе численного моделирования, могут быть более исчерпывающие нежели результаты аналитического или физического исследования, благодаря чему позволяют иначе взглянуть на поставленные задачи и цели, а также детально исследовать протекающие процессы решаемых задач.

Данные расчеты проведены на основе численного решения трехмерных уравнений газовой динамики с учетом турбулентности внешнего ветрового потока. В расчеты закладывался логарифмический профиль скорости ветра в приземном слое атмосферы, определяемый в соответствии с ветровой нагрузкой, рассчитанной по нормативной документации для 2-го ветрового района (город Санкт-Петербург) и типа местности «А». Выбор типа местности как «А» несмотря на то, что здание расположено в черте города, связан с наличием вблизи строящихся зданий обширного водного пространства и многокилометрового лесопаркового массива.

В результате математического моделирования были получены поля давления и скорости, формирующиеся при обтекании высотного жилого здания. Полученные при расчете ветровой нагрузки на здание данные в дальнейшем использовались для расчета на прочность в специализированном программном комплексе.

Ветровая нагрузка на мачты.
Отличительной особенностью подобных высотных строений является размещение на их кровле свободно и на мачтах различного радио- и телекоммуникационного оборудования, а также шпили и молниеприёмные устройства. При этом, иногда недостаточно определить только расчётное давление на мачты. Как в этом случае рассчитать ветровую нагрузку?

Для подобных объектов, высота которых более чем в 10 раз превышает их толщину, современные строительные нормы требуют также учитывать резонанс и такие аэродинамические неустойчивые колебания, как галопирование, флаттер, дивергенцию и т.д. В некоторых случаях производители прямо указывают на какую ветровую нагрузку рассчитаны их мачты. В данном случае она должна сравниваться с расчётной нагрузкой на высоте установки. Для данного расчёта аналитическое приближение не выявило условий возникновения аэродинамических неустойчивых колебаний, поэтому для данной мачту такой расчёт не требовался и остался за гранью исследования. Была определена лишь расчётная ветровая нагрузка на мачту.

Ветровая нагрузка на мачты
 
Ветровая нагрузка на мачты
Ветровая нагрузка на стены и кровлю
 
Ветровая нагрузка на стены и кровлю
Расчет ветровой нагрузки на кровлю
 
Расчет ветровой нагрузки на кровлю
Расчет ветровой нагрузки на здание
 
Расчет ветровой нагрузки на здание
Ветровая нагрузка на мачты
 
Ветровая нагрузка на мачты
Как рассчитать ветровую нагрузку
 
Как рассчитать ветровую нагрузку
Расчет ветровой нагрузки на здания
 
Расчет ветровой нагрузки на здания