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.