ОСОБЕННОСТИ ОЦЕНКИ ВЕТРОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ВЫСОТНЫЕ ЗДАНИЯ

Влияние ветровых нагрузок на высотные и сверхвысотные здания является превалирующим над иными нагрузками. Проведен анализ определения аэродинамических коэффициентов и расчетных усилий, возникающих при ветровом воздействии.

Учет и расчет ветрового воздействия на высотное и сверхвысотное здание имеет основополагающую роль. Конструкции такого рода зданий требуют неразрывности элементов, предающих нагрузку на основание, а также обеспечение согласования передачи нагрузок для каждого этажа. Исходя из нынешних требований владельцев либо арендаторов, важна свободная планировка пространств. Поэтому при распределении точек передачи нагрузок наряду со статической целесообразностью учитывается и рациональное использование площадей.

При воздействии горизонтальных нагрузок, таких как ветровые и сейсмические, в сооружении возникают деформации и различные комплексные движения. Деформации от действия горизонтальных сил представляют собой изгиб, сдвиги на разных уровнях сооружения, опрокидывание, наклон, преломление, кручение, колебания (рис.1)

Рисунок 1. Деформации высотных зданий от действия горизонтальных сил

Обеспечение статической надежности здания – основная задача инженера, однако при возведении сверхвысотного здания расчеты ветровых нагрузок и их воздействие имеют весомую значимость с точки зрения определения реакции на образование шумов от ветра, завихрений и пр.

Современные высотные здания, выполненные из стекла, бетона и металла имеют большую подверженность ветровому воздействию, в отличие от своих предшественников, возводимых в былые времена из кирпичной кладки. На период строительства первых высоток воздействие ветровых нагрузок не учитывалось, так как масса здания при соответствующем
соотношении высоты и размеров в плане позволяла обеспечивать боковую устойчивость. Но в дальнейшем, при возрастании высоты здания и повышении его гибкости, расчет конструкции на боковые нагрузки приобрел первостепенное значение.

Отсюда можно сделать вывод, что задача проектировщика заключается в обеспечении выполнения требований по надежности возводимого здания при воздействии ветровых нагрузок и его пригодности к нормальной эксплуатации в течение всего срока службы.

Законы движения воздуха и силы, возникающие на поверхности тел, относительно которых происходит его движение изучаются аэродинамикой.

Аэродинамика высотных зданий имеет свою специфику, так как для них влияние наружных климатических воздействий и величины градиентов перемещения потоков массы и энергии внутри здания являются по своей значимости экстремальными.

Известно, что температура внешнего воздуха понижается через каждые 150 м на 1 °С, барометрическое давление через каждые 8м на 1гПа, при этом скорость ветра увеличивается. Процесс изменения температуры и атмосферного давления описывается формулами [1]:

,                                                     (1)

,                      (2)

где:  - соответственно температура, °С, и давление, Па, на высоте h, м;

 - соответственно температура, °С, и давление, Па, у поверхность земли;

Изменение скорости набегающего потока по высоте оценивают с помощью логарифмического закона, степенного закона, спирали Экмана [6,7]. Они дают возможность оценить скорость ветра v на высоте h, если известна скорость ветра v₀ на высоте h₀. Например, степенной закон изменения скорости ветра по высоте имеет вид [1]:

,                                                  (3)

где: v_h – скорость ветра, м/с, на высоте h, м;

v₀ – скорость ветра, м/с, измеренная на высоте h₀, м (как правило, скорости ветра измеряются на высоте 10–15 м);

α – показатель степени, зависящий от типа местности и устанавливаемый экспериментально;

Однако, будет ложным считать лишь данные примеры верными для расчета скорости ветра. Так как воздействие ветра зависит от рельефа, наличия зданий и сооружений на этой территории, объемно-пространственной структуры самого здания, его скорость на одной высоте, рассчитанная в условиях плотной застройки или на открытой местности будет различна и соответственно расчет выполняется по иным формулам. Скорость ветра v на высоте h в зависимости от типа местности в модели степенного закона рассчитывается по формуле[6]:

,                               (4)

где: – скорость ветра, м/с, на высоте h, м, на местности, тип которой характеризуется показателем степени α и толщиной пограничного слоя δ;

v₀ – скорость ветра, м/с, измеренная на высоте h₀, м, на местности, тип которой характеризуется показателем степени  и толщиной пограничного слоя ;

α – показатель степени, зависящий от типа местности и устанавливаемый экспериментально;

δ – толщина пограничного слоя, м, для рассматриваемого типа местности;

Распределение значений аэродинамических коэффициентов на фасаде квадратного в плане здания рассмотренные Леденевым В.В [4] (рис.2) отображают влияние характеристик ветрового воздействия на высотные здания, используемые при расчете последних. Данные характеристики представляют собой скорость набегающего потока ветра, которая с увеличением высоты здания возрастает; различное направление и характер ветра. При расположении фасада под углом от 0 до 60° относительно направления ветра среднее давление на фасаде положительно, если же этот угол составляет 60-180°, то среднее давление – отрицательно.

Рисунок 2. Значения аэродинамических коэффициентов на фасаде квадратного в плане высотного здания при различных направлениях ветра

Однако, характер распределения приведенных выше коэффициентов может существенно отличаться при рассмотрении иной формы здания. Проектирование высотных зданий осуществляется на основе метеорологических, микрометеорологических и климатологических данных. Поэтому для достижения надежности возводимых зданий необходимо владеть информацией о ветровом режиме местности, о зависимости между ветровым режимом местности и нагрузками, возникающими на сооружении, а также работе сооружения под воздействием этих нагрузок.

Определение распространения ветрового давления на высотные здания и влияние возведенного здания на окружающую застройку в пограничном слое с помощью аэродинамических труб широко развито в США, Европе и Азии.

Так, в Германии, в городе Аахен Институт индустриальной аэродинамики
имеет аэроакустическую аэродинамическую трубу, позволяющую моделировать атмосферный поток ветра на моделях высотных зданий в масштабе от 1:150 до 1:500 и получать данные по аэродинамическим структурным нагрузкам на здания, аэродинамическим панельным нагрузкам на фасады зданий и грамотные ответы на градостроительные решения, включая шумы и аэроакустику [2].

Имеющиеся аэродинамические трубы в России (в МГУ, Бауманском университете) позволяют продувать модели в малом масштабе, что само по себе сокращает достоверность этого эксперимента. Аэродинамические трубы в ЦАГИ, напротив, позволяют продувать модели в большом масштабе: 1:50, 1:75. Но все эти трубы пока не позволяют создавать поток воздуха, соответствующий пограничному слою.

Результаты действия аэродинамических сил получают, используя имеющиеся решения теоретической аэродинамики и данные экспериментальных исследований. Поскольку аэродинамические силы зависят от времени, для определения реакции сооружения используются методы динамики сооружений. Проводится анализ аэроупругости конструкции, т.е. рассматривается взаимодействие между аэродинамическими и инерционными силами, демпфированием и силами упругости с целью проверки аэродинамической устойчивости объекта исследования [2].

Современные высотные здания являются гибкими и легкими, вследствие этого они характеризуются меньшим уровнем демпфирования и возможностью резонансного колебания конструкции, в результате совмещения собственной частоты колебаний с интервалом средних частот повторения порывов ветра.

Существует три основных направления уменьшения амплитуд колебаний
сооружений:

·     выбор рациональных форм, размеров и других параметров сооружения;

·     повышение способности сооружения рассеивать энергию колебаний;

·     изменение характера обтекания сооружения (или его части) ветровым потоком с целью уменьшения интенсивности переменных аэродинамических сил.

Резонансное усиление реакции сооружения под действием сил вызвано турбулентным характером атмосферы. Количественной характеристикой турбулентного движения воздуха является скорость. Целесообразно дифференцировать ветровую нагрузку на среднюю и пульсационную составляющие. При проектировании высотных зданий первостепенное значение имеет средняя скорость ветра, принимаемая в условиях Российской Федерации с периодом повторяемости раз в 50 лет. Следует подчеркнуть, что данная повторяемость превышает значение повторяемости, рассчитываемой в соответствии со сводом правил «Нагрузки и воздействия» [8] в 10 раз.

Тем не менее, учет степени турбулентности природного воздушного потока, набегающего на сооружение, локальной или «пристеночной» турбулентности и завихрений воздуха, вызываемые самим сооружением исключает ряд негативных воздействий. Поскольку вследствие набегающего ветра возникающие вихри вызывают круговые восходящие потоки и всасывающие струи вблизи здания, из-за чего появляются небольшие ощущаемые колебания.

Интенсивные ветровые воздействия определяют выбор общей формы здания. Широко применяется башенный тип, с повышенной устойчивостью в обоих направлениях. Данный тип здания имеет развитое поперечное сечение и обтекаемую объемную форму, что способствует понижению аэродинамического коэффициента при определении расчетных усилий от ветровых воздействий.

Наряду с этим, если в сооружениях, обтекаемых воздушным потоком, точка приложения результирующей ветровой нагрузки не совпадает с центром жесткости сооружения, то возникают аэродинамические моменты. В результате сооружение испытывает действие крутящего момента. При воздействии ветра появляются завихрения, в результате которых возникают неприятные звуки от перекоса конструкций шахт лифтов. От проникания таких потоков через щели в окнах, а также «завывания» вокруг здания, затрудняется нормальная его эксплуатация, а также проявляются неприятные физиологические ощущения у людей, живущих и работающих в здании.

Во избежание таких дискомфортных условий выявлены и количественно оценены границы комфортности (скорость ветра свыше 5 м/с - это начало дискомфорта, свыше 10 м/с - у человека возникают неприятные ощущения, а свыше 20 м/с – это опасное состояние) и стадии дискомфортного пребывания в помещении в зависимости от величины ускорения колебаний перекрытий под воздействием пульсационной составляющей ветровой нагрузки в % от ускорения силы тяжести [3]; ограничены величины прогиба верха здания (с учетом крена фундаментов) в зависимости от его высоты, а также [5] регламентирована практически неощутимая величина ускорения колебаний - 0,08 м/с2.

Выводы:

1.  Конструкции высотных зданий требуют неразрывности элементов, предающих нагрузку на основание.

2.  Высотные здания являются гибкими. Влияние ветра на них может быть критичным. Необходимо учитывать согласование передачи эксплуатационных нагрузок для каждого этажа в зависимости от климатических факторов района строительства.

3.  При проектировании высотных зданий первостепенное значение имеет средняя скорость ветра, принимаемая в условиях Российской Федерации с периодом повторяемости раз в 50 лет. Следует подчеркнуть, что данная повторяемость превышает значение повторяемости, рассчитываемой в соответствии со сводом правил «Нагрузки и воздействия» [8] в 10 раз. Такое различие требует продолжения исследований ветрового воздействия на высотные здания с разработкой методики принятия уточняющих аэродинамических коэффициентов.