Вітрова дія на висотні будівлі в умовах міської забудови - Автореферат

Прийняття державних будівельних норм на висотні будівлі дає можливість проектувати будови висотою лише до 100 м. За ступенем складності зведення висотні будівлі перевершують мости і тунелі, головним чином за рахунок багатократного переважання висоти над площею основи, що створює значні навантаження на несучі конструкції. Вітрові дії на висотні будівлі, що розташовуються в низькій забудові або в їх комплексі, в будівельних нормах не представлені і до цього часу достатньо не вивчені, також нормами не регламентуються правила випробування таких забудов на вітрові дії. Оперативне виконання таких розрахунків для будівель в умовах навколишньої забудови ставить в ряд першочергових вирішення науково-технічної проблеми визначення вітрових дій на висотні будівлі для вдосконалення засобів їх проектування. Мета дослідження - вирішення науково-технічної проблеми визначення вітрової дії на висотну будівлю в умовах впливу навколишніх будівель і забудови та її реалізація в розрахунках для висотних будівель повної складової вітрового тиску, а також оцінки чинників, що впливають на формування території забудови.Будівля або споруда, розташована в безпосередній близькості від іншої будівлі або споруди, знаходиться в інших умовах, ніж будівля, що стоїть окремо. При появі декількох когерентних джерел виникає вірогідність появи ефекту інтерференції хвиль, який приводить до значного зменшення або збільшення вітрового тиску на будівлі або споруди, що знаходяться за висотною забудовою. Природний вітер на певній ділянці складається з характеристик, повязаних з потоком, що насувається на ділянку (набігаючий потік) і характеристик, що отримуються в результаті дії будівель, конструкцій, значних топографічних особливостей (зміни потоку в прилеглому полі). Вихори з високою енергією в сліді першої будівлі впливають на другу будівлю і ведуть до високого ефекту інтерференції, тобто підвищенню пульсаційних навантажень на будівлю. Великі розміри першої будівлі створюють високий ефект інтерференції на другу будівлю через збільшення розміру сліду від першої будівлі, і звідси, до більших пульсаційних вітрових навантажень; середні навантаження, проте, скорочуватимуться через велике загородження.Вирішено важливу науково-технічну проблему визначення вітрової дії на висотну будівлю в умовах впливу навколишніх будівель і забудови та її реалізація в розрахунках для висотних будівель повної складової вітрового тиску, а також оцінки чинників, що впливають на формування території забудови. Вдосконалена методика генерації турбулентності потоку дозволила створити лабораторну установку масштабного експериментального дослідження вітрових дій в аеродинамічних трубах з короткою робочою частиною. Встановлені критерії подібності при моделюванні приземного пограничного шару атмосфери, що враховують особливості випробувань забудов з висотними будівлями. У результаті були отримані граничні умови і розміри розрахункової області, які є основою для розробки і перевірки чисельної моделі обтікання забудови з висотними будівлями. Визначено енергію хвильових ефектів (інтерференція, дисперсія, резонанс) в сліді будівлі, що дозволило оцінити підвищення пульсаційних навантажень від 10 Па до 40 Па на будівлі, які розташовані далі по потоку.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

1. Вирішено важливу науково-технічну проблему визначення вітрової дії на висотну будівлю в умовах впливу навколишніх будівель і забудови та її реалізація в розрахунках для висотних будівель повної складової вітрового тиску, а також оцінки чинників, що впливають на формування території забудови.

2. Доведена гіпотеза утворення підвітряних хвиль у вітровому потоці в міських умовах на основі отриманих результатів масштабних, натурних і теоретичних експериментів дослідження забудови з висотними будівлями. Оцінений вплив ефекту хвильової інтерференції при визначенні локальних і сумарних вітрових дій на будівлі з урахуванням особливостей навколишньої забудови. Значення коефіцієнта вітрового тиску збільшуються усереднено на 50%, а його середньоквадратичні відхилення подвоюються в порівнянні з відокремленою будівлею. Визначені величини впливу ефекту інтерференції потоку на зміни вітрового тиску і критичні відстані між висотним будівлями.

3. Вдосконалена методика генерації турбулентності потоку дозволила створити лабораторну установку масштабного експериментального дослідження вітрових дій в аеродинамічних трубах з короткою робочою частиною. Встановлені критерії подібності при моделюванні приземного пограничного шару атмосфери, що враховують особливості випробувань забудов з висотними будівлями. Розроблені конструктивні зміни сопла і стику сопла з робочою частиною аеродинамічних труб для будівельної аеродинаміки, на основі чого були виконані робочі креслення лабораторії ДОННАБА.

4. Отримані результати експериментів в гідродинамічній трубі щодо спектрів обтікання і полю швидкостей збуреного потоку навколо моделей дозволили визначити частоту хвилеутворення, амплітуди та довжини хвиль. Визначені особливості гідродинамічного моделювання вітрової взаємодії висотних будівель у вітровому потоці за числом Рейнольдса (103 ч 104) і швидкості потоку (0,05 ч 0,15 м/с). У результаті були отримані граничні умови і розміри розрахункової області, які є основою для розробки і перевірки чисельної моделі обтікання забудови з висотними будівлями.

5. Розроблена на базі розвязання систем рівнянь Навє-Стокса чисельна модель аеродинамічних досліджень обтікання групи висотних будівель дозволила виявити особливості виникнення відривних і хвильових течій. Отримана чотирициклічна обчислювальна система, яка включає початковий (або попередній) момент часу поля швидкості, визначає проміжне поле швидкості, розвязує рівняння Пуассона, яке визначає остаточне поле швидкості. На основі розробленої фізико-математичної моделі досліджено утворення клина Кельвіна і властивість зони інтерференційного хвилеутворення висотною забудовою у вітровому потоці, а також оцінені вітрові дії в цих умовах.

6. Визначено енергію хвильових ефектів (інтерференція, дисперсія, резонанс) в сліді будівлі, що дозволило оцінити підвищення пульсаційних навантажень від 10 Па до 40 Па на будівлі, які розташовані далі по потоку. Отриманий вплив міського шару на вихроутворення, що порушує організовані вихори і скорочує силу вихору, створюваного перерозподіленою енергією до широкого спектра частот від 1 до 10 Гц. На основі теорії Ейлера в частині опису властивостей джерела і стоку розроблена кінематична модель зривів вітрового потоку на кутах висотної будівлі, яка дозволяє розраховувати локальні швидкості і тиск на поверхнях будівлі.

7. Розроблені критерії проведення експериментів, які враховують зони відриву потоку, дозволили створити апаратно-програмний комплекс технічної діагностики вітрових навантажень і дій вітру на будівлі і споруди. Використовувані технології дозволили здійснити натурні випробування будівельного обєкта для зясування вітрових дій з високою точністю в реальному часі. Дані технології засновані на зборі даних від різних вимірювальних приладів (сенсорів). Одержані результати натурних вимірювань швидкості і навантаження вітру на висотній будівлі у разі впливу навколишньої забудови.

8. Розроблено інженерний метод визначення додаткових хвильових вітрових навантажень на висотні будівлі і навколишню забудову. Метод враховує стан повітряного середовища, геометричні розміри області, розміри джерел хвилеутворення, перенесення енергії підвітряними хвилями з урахуванням ефектів дисипації і загасання. Додаткове хвильове навантаження на будівлю збільшується у разі симетричного розташування "будівель-джерел", однакових геометричних розмірів будівель, збільшення кількості будівель, причому навантаження зростає за квадратичною залежністю.

9. Результати проведених досліджень упроваджені у практику проектування, реконструкції та реновації забудов житлових кварталів Києва, Донецька, Керчі та інших міст. Соціально-економічний ефект від впровадження розробок дисертаційної роботи полягає в збільшенні ефективності використання земельної ділянки в 2-3 рази за прийнятими проектними рішеннями.

1. Эффективность энергетического строительства и эксплуатации в Украине: монография / [Е.В. Горохов, Г.И. Гримуд, С.Г. Кузнецов и др.]. - Макеевка: РИО ДОННАСА, 2008. - 172 с.

Особистий внесок: методика масштабних випробувань вітрової дії.

2. Горохов Е. В. Ветровые нагрузки на низких зданиях в застройке с высотным зданием / Е. В. Горохов, С. Г. Кузнецов // Сучасне промислове та цивільне будівництво. - 2006. - Т. 2, №1. - С. 51-56.

Особистий внесок: аналіз результатів і висновки.

3. Кузнецов С. Г. Обоснование предельных параметров придомовых территорий в условиях реконструкции / С. Г. Кузнецов, И. И. Ананян // Сучасне промислове та цивільне будівництво. - 2006. - Т. 2 №3. - С. 121-127.

Особистий внесок: методики досліджень, аналіз результатів.

4. Ананян И. И. Земля - внутренний ресурс потенциального развития городов / И. И. Ананян, Л. Н. Богак, С. Г. Кузнецов // Економіка будівництва і міського господарства. - 2006. - Т. 2 №1. С. 27-32.

Особистий внесок: розробка програми та методики досліджень.

5. Горохов Е. В. Механизм интерференционного эффекта при определении ветровой нагрузки / Е. В. Горохов, С. Г. Кузнецов // Сучасне промислове та цивільне будівництво. - 2006. - Т. 2, №4. - С. 177-185.

Особистий внесок: результати експериментів, розробка методики оцінки інтерференційних ефектів.

6. Кузнецов, С.Г. Функціональна трансформація міської забудови / С.Г. Кузнецов, І. І. Ананян, Л. Н. Богак // Сучасне промислове та цивільне будівництво. - 2006. - Т. 3 №2. - С. 63-69.

Особистий внесок: аналіз результатів теоретичних досліджень, висновки.

7. Мониторинг сложных технических систем / Е. В. Горохов, В.Ф.Мущанов, В. Р. Касимов, Я. В. Назим, С. Г. Кузнецов, В. Н. Васылев // Металеві конструкції. - 2008. - Т. 14 №4. С. 299-313.

Особистий внесок: розробка методики та апаратно-програмного комплексу оцінки вітрової дії.

8. Кузнецов С. Г. Особенности застройки территорий жилыми и общественными зданиями с автономными котельными / С. Г. Кузнецов, Г. А. Назаров // Сучасне промислове та цивільне будівництво. - 2008. - Т. 4, №4. - С. 177-182.

Особистий внесок: методика експериментальних досліджень, висновки.

9. Тимофеев Н. В. Ветровой режим вокруг двух высотных зданий / Н.В. Тимофеев, С. Г. Кузнецов, М. В. Бусько // Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури (Макіївка). - 1999. - № 6(20). - С. 79-83.

Особистий внесок: результати експериментальних досліджень, аналіз результатів, висновки.

10. Давыдовская Т. В. Ветровая нагрузка на высотное здание в условиях застройки / Т. В. Давыдовская, С. Г. Кузнецов, Н. В. Тимофеев // Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури (Макіївка). - 2001. - № 3(28). - С. 69-72.

Особистий внесок: розробка програми та методики досліджень.

11. Кузнецов С. Г. Двухмерная кинематическая модель ветрового срыва на углу высотного здания / С. Г. Кузнецов // Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури (Макіївка). - 2001. - № 4(29). - С. 124-127.

12. Работа вентиляционных систем пятиэтажного здания под влиянием высотного здания / Р. Н. Павловский, П. М. Виноградский, С. Г. Кузнецов, П.В. Артамонов // Зб. наук. праць Луганського національного аграрного ун-ту. - 2005. - № 45(68). - С. 107-115.

Особистий внесок: розробка методики експериментів, аналіз результатів, висновки.

13. Реконструкция существующей застройки центральной части города / И. И. Ананян, Л. Н. Богак, С. Г. Кузнецов, Н. В. Тимофеев // Зб. наук. праць Луганського національного аграрного ун-ту. - 2005. - № 54(77). С. 62-71.

Особистий внесок: методика натурного експерименту, висновки.

14. Горохов Е. В. Оценка коллекторных систем выброса загрязненного воздуха в уплотняемых при реконструкции застройках / Е. В. Горохов, С.Г.Кузнецов // Науч.-техн. сб. "Современные проблемы строительства" Донецкий ПРОМСТРОЙНИИПРОЕКТ. - 2005. - № 3(8). - С. 281-287.

Особистий внесок: результати експериментальних досліджень, висновки.

15. Ананян И. И. Местные правила застройки и проект-концепция распределения территорий центральной части города / И. И. Ананян, Л. Н.Богак, С. Г. Кузнецов // Вісник Донбаської національної академії будівництва і архітектури (Макіївка). - 2006. - № 3(59). С. 22-27.

Особистий внесок: аналіз результатів дослідження забудови територій.

16. Кузнецов С. Г. Вітряний тиск під час розрахунку вентиляційних тепловтрат будівлі та його вплив на формування території забудови / С. Г. Кузнецов, А. П. Бутова // Вісник Донецького державного ун-ту економіки і торгівлі ім. М. Туган-Барановського. - 2006. - № 1(29). - С. 31-35.

Особистий внесок: розробка програми і методики масштабних експериментів, аналіз результатів та висновки.

17. Ананян И. И. Исследование проблем реконструкции и реновации застройки / И. И. Ананян, Л. Н. Богак, С. Г. Кузнецов // Науч.-техн. сб. "Современные проблемы строительства" Донецкий ПРОМСТРОЙНИИПРОЕКТ. - 2006. - № 4(9). С. 31-36.

Особистий внесок: розробка методики реконструкції забудови з урахуванням вітрової дії.

18. Горохов Е. В. Натурное исследование ветровых нагрузок на высотных сооружениях / Е. В. Горохов, В. Н. Васылев, С. Г. Кузнецов, Ю. И. Саливон // Сб. науч. трудов "Современные строительные конструкции из металла и древесины" Одесской государственной академии строительства и архитектуры. - 2007. - С. 33-38.

Особистий внесок: розробка методики та результати натурних експериментів.

19. Кузнецов С. Г. Взаимодействие двух высотных зданий в ветровом потоке / С. Г. Кузнецов // Науч.-техн. сб. "Современные проблемы строительства" Донецкий ПРОМСТРОЙНИИПРОЕКТ. - 2007. - № 5(10). - С. 54-59.

20. Горохов Е. В. Ветровая среда вокруг высотного здания / Е. В. Горохов, С. Г. Кузнецов, В. Н. Васылев // Сб. науч. трудов "Строительство, материаловедение, машиностроение" Приднепровской государственной академии строительства и архитектуры (Днепропетровск). - 2007. - Вып. 43. - С. 139-147.

Особистий внесок: методи аеродинамічних випробувань, результати експериментів, висновки.

21. Горохов Е. В. Математическое моделирование ветрового взаимодействия башенных сооружений квадратного сечения / Е. В. Горохов, С.Г.Кузнецов // Вісник Донбаської національної академії будівництва і архітектури (Макіївка). - 2007. - № 6(68). - С. 13-17.

Особистий внесок: фізико-математична модель обтікання забудови.

22. Кузнецов С. Г. Чисельне моделювання вітрових навантажень висотних будівель / С. Г. Кузнецов // Міжвуз. зб. "Наукові нотатки" Луцький державний технічний університет. - 2008. - С. 168-173.

23. Горохов Е. В. Воздействие ветра на высотные здания и их комплексы / Е. В. Горохов, С. Г. Кузнецов, В. Н. Васылев // Сб. науч. трудов Московского государственного строительного университета. - 2008. - С. 86-90.

Особистий внесок: розвиток чисельної моделі та результати розрахунків.

24. Горохов Е. В. Эффект подветренных волн при определении ветровых нагрузок / Е. В. Горохов, С. Г. Кузнецов, В. Н. Васылев // Сб. науч. трудов "Современные строительные конструкции из металла и древесины" Одесской государственной академии строительства и архитектуры. - 2008. - Ч. 1. - С. 36-41.

Особистий внесок: аналіз експериментальних даних та висновки.

25. Горохов Е. В. Расчет ветровых нагрузок на конструкции в условиях городской застройки / Е. В. Горохов, С. Г.Кузнецов, В. Н. Васылев // Зб. наук. праць Українського наук.-досл. та проектного ін-ту сталевих конструкцій ім. В.М. Шимановського (Київ). - 2008. - №1. - С. 16-23.

Особистий внесок: інженерний метод розрахунку вітрових навантажень в забудові.

26. Кузнецов С. Г. Роль строительной аэродинамики в проектировании зданий и сооружений / С. Г.Кузнецов // Вісник Донбаської національної академії будівництва і архітектури (Макіївка). - 2008. - № 6(74). - С. 120 - 125.

27. Кузнецов С. Г. Мониторинг ветровых воздействий на высотные здания высотой более 22 этажей / С. Г. Кузнецов // Науч.-техн. сб. "Современные проблемы строительства" Донецкий ПРОМСТРОЙНИИПРОЕКТ. - 2008. - № 6(11). - С. 85-90.

28. Monitoring of complex design systems of special structures / Y. Gorokhov, V. Vasylev, S. Kuznetsov, V. Garkusheva // Vilnius: Technika. - 2008. - P. 306-311.

Размещено на .ru