Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
В современном мире огромную роль играет строительство новых зданий и сооружений. С увеличением населения крупных городов растут потребности в необходимых площадях, что вызывает необходимость применения сложных уникальных большепролетных и высотных конструкций, способных вмещать значительно большее количество людей. К тому же такие объекты нетиповой постройки подчеркивают престиж города, показывают высокий уровень образования и достижение больших результатов в сфере проектирования. К уникальным относят здания, имеющие экстремально большие габариты по высоте, пролету или консольной части и требующие особых методик расчета.
Очень часто такие объекты имеют сложную геометрическую форму, что влечет за собой уникальное взаимодействие с природными нагрузками, к которым относится ветровые. При расчете подобных конструкций используются индивидуальные подходы, учитывающие особое распределение аэродинамических коэффициентов по поверхностям, так как стандартные методики не могут правильно учитывать архитектурные особенности уникальных объектов [1–8]. Для того чтобы обеспечить прочность и надежность конструкций, безопасность нахождения людей в помещениях, способность воспринимать различные воздействия необходимо корректно подходить к вопросу сбора нагрузок на уникальные здания и сооружения. В наше время это особенно важно, так как проектировщикам нужно находить баланс между рациональным использованием материалов и обеспечением безопасной эксплуатации [9–15].
Для проведения эксперимента в аэродинамической трубе были разработаны макеты нескольких проектируемых зданий уникальной формы, выполненные на 3D-принтере. В данной статье рассматриваются исследования высотного и двух большепролетных зданий (рис. 1–3). В характерных точках выполнялась система дренажных отверстий для подключения гибких трубок и последующего измерения давления на поверхности.
Эксперименты проводились в аэродинамической установке лаборатории кафедры «Отопления и вентиляция» ННГАСУ (рис. 4). Модель каждого исследуемого здания располагалась внутри установки, где создавался равномерный поток воздуха скоростью 12...14 м/с. После преобразований показаний микроманометра вычислялись значения аэродинамических коэффициентов:
, (1)
где — давление, измеренное в изучаемой точке поверхности; — динамическое давление, оказываемое ветровым потоком на вертикальную поверхность.
Значения аэродинамических коэффициентов, полученные при проведении эксперимента с макетом высотного здания (см. рис. 1), а также значения аэродинамических коэффициентов, представленные в приложении В [1], как для эквивалентного по внешним габаритам прямоугольного здания и арочного покрытия, представлены на рис. 5.
В результате анализа полученных экспериментально аэродинамических коэффициентов можно сделать следующие выводы.
По полученным на основании эксперимента с моделью большепролетного здания 1 (см. рис. 2) аэродинамическим коэффициентам были построены изополя распределения ветровой нагрузки, а также проведено исследование распределения давлений по поверхности покрытия с использованием уравнений Навье — Стокса, описывающих обтекание твердого тела потоком сжимаемой жидкости на пространственой твердотельной конечно-элементной модели в модуле вычислительной гидрогазомеханики ANSYS CFX.
Изополя распределения ветровой нагрузки по большепролетному покрытию ангара по результатам физического и численного моделирования (рис. 6) совпадают с удовлетворительной точностью. Численная картина распределения давлений совпадает с погрешностью, не превышающей 10 %, за исключением максимальных и минимальных значений. Небольшие расхождения объясняются погрешностями при проведении эксперимента, а также спецификой расчетов по методам конечных элементов.
На основании полученных экспериментально значений аэродинамических коэффициентов для макета большепролетного здания 2 (см. рис. 3) были построены изополя распределения аэродинамических коэффициентов по поверхности покрытия для двух направлений ветра (рис. 7).
В результате анализа полученных в ходе эксперимента аэродинамических коэффициентов покрытия можно сделать следующие выводы.
Исходя из анализа результатов можно сделать вывод, что при проектировании уникальных зданий и сооружений сложной геометрической формы и повышенной ответственности необходимо проводить экспериментальное исследование, в ходе которого определять аэродинамические коэффициенты, не представленные в нормативных документах, а также производить проверку распределения ветровых потоков по поверхности конструкций в программно-вычислительных комплексах. В качестве расчетного сочетания следует принимать наименее выгодное распределение нагрузок. Использование нормативных методик при определении ветровых нагрузок на такие здания для некоторых зданий ведет к избыточности принимаемых в дальнейшем конструктивных решений, а для других наоборот будет являться недостаточным, так как нормативные методики не учитывают сложность формы и взаимное влияние частей здания друг на друга.
К тому же при неблагоприятном сочетании нагрузок (наличие максимальной для данного ветрового района ветровой нагрузки и полное отсутствие снеговой в летний период) напряжения, возникающие в несущих конструкциях большепролетных покрытий, в частности, поясах и раскосах ферм, могут заметно перераспределяться, что необходимо учитывать в дальнейших их расчетах по предельным состояниям так как в некоторых конструкциях возможен даже отрыв покрытия.
