10064

41

б)

Рис.3. Горизонтальные и суммарные перемещения здания (мм) от сейсмических воздействий, схема деформаций во время землетрясения: а) – первая форма собственных колебаний, б) - вторая форма собственных колебаний.

43

Рис.4. Поля реактивных давлений (а) и вертикальных перемещений (б) под подошвой фундамента.

45

ЧАСТЬ II. АЭРОДИНАМИКА БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ ЗДАНИЙ

Лабораторная работа 5

Экспериментальное исследование распределения ветровой нагрузки на поверхности большепролетных зданий

Цель: выполнить анализ результатов аэродинамического эксперимента в соответствии с заданием преподавателя.

Пример. В последние годы в связи с проведением различных международных спортивных мероприятий в России было сдано в эксплуатацию большое количество уникальных спортивных сооружений, созданных, в частности, с применением большепролетных покрытий и конструкций криволинейных форм. Для большинства этих сооружений, в силу особенностей их архитектуры, существующие стандартные методики расчета аэродинамических нагрузок не подлежат использованию в ходе проектирования, поскольку с их применением трудно учесть интерференцию аэродинамических потоков вблизи поверхности сложной кривизны (включая явления завихренности, отрыва течения, резонансных аэроупругих возбуждений и иных факторов). В то же время, корректный учет внешних нагрузок на сооружение является одним из важнейших этапов проектирования, поскольку прогнозирует не только прочность и долговечность проектируемых конструкций, но и безопасность людей.

Проектирование большепролетных сооружений, имеющих уникальные с точки зрения аэродинамики архитектурные формы, является сложной инженерной задачей в части учета ветровых нагрузок и аэродинамического воздействия. Для объектов, отличных от рассматриваемых в нормативных документах, предусматривается получение параметров взаимодействия с ветровым потоком по результатам модельного аэродинамического эксперимента [1].

Теория архитектурно-строительной аэродинамики, методы определения ветровой нагрузки на сооружения и формы их взаимодействия с ветровым потоком представлены в работах как отечественных, так и зарубежных авторов [2-11]. Моделирование в аэродинамической трубе широко применяется на практике и позволяет получать надежные данные для проектирования. При этом, аэродинамический эксперимент с моделью здания имеет некоторые преимущества перед численным моделированием. В частности, для построения корректной численной модели здания и окружающего его пространства требуется использовать количество контрольных объемов порядка 107 - 108 единиц, что обуславливает необходимость использования мощного вычислительного оборудования. С другой стороны, численный эксперимент позволяет выполнять детальное

46

исследование структуры аэродинамического течения, поэтому наиболее полные данные для проектирования могут быть получены с использованием различных методических подходов, и актуальность исследований как средствами численного моделирования, так в ходе аэродинамических испытаний макетов зданий сохраняется.

В качестве объекта аэродинамического исследования принят макет проектируемого здания крытого велодрома на 4000 зрителей (рис. 1 цв. вклейки). Конструкция покрытия здания состоит из двух наклонных металлических пространственных решетчатых арок параболического очертания, между которыми монтируются фермы, формирующие седловидное покрытие. Габаритные размеры здания: 158х152 м.

Проектируемое здание является уникальным. Ни отечественные, ни зарубежные нормативные документы и справочники не содержат данных о распределении ветровых нагрузок на подобные криволинейные поверхности

[1,4,6,8,9].

Для выполнения моделирования в аэродинамической трубе был изготовлен макет здания в масштабе 1:300, внутренняя полая область макета для обеспечения жесткости и прочности заполнялась быстротвердеющим пенным материалом (рис. 2 цв. вклейки). Для измерения давления в характерных точках одной из четвертей седловидного покрытия ввиду его симметрии относительно главных осей была выполнена система дренажей из десяти воздухоотводящих трубок (рис. 1).

Рис. 1. Схема размещения дренирующих трубок на покрытии макета

Физическое моделирование выполнялось в аэродинамической трубе лаборатории кафедры «Отопление и вентиляция» ННГАСУ (рис. 2, рис.2 цв. вклейки). Исследуемая модель здания помещалась в рабочую зону

47

аэродинамической установки, где создавался равномерный поток воздуха со средней скоростью 14,4 м/с. Измерение скорости ветрового потока производилось чашечным анемометром МС-13 У1.1 ГОСТ 6376-74, статического давления на поверхности модели здания в характерных точках

– микроманометром ММН-240(5)-1,0ТУ 25-01-816-79 для нескольких направлений ветрового потока (рис. 3).

Показатели микроманометра были использованы для вычисления значений аэродинамических коэффициентов:

где рпов – давление, измеренное в изучаемой точке поверхности;

р0 – динамическое давление, оказываемое ветровым потоком на вертикальную поверхность.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки

48

Рис. 3. Направления ветровых потоков, принятые при моделировании

Ветровая нагрузка с учетом экспериментально установленного аэродинамического коэффициента определялась по формуле, приведенной в действующих нормативных документах [1]:

(1)

где w0 – нормативное значение ветрового давления;

k(ze) – коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте.

Полученные в ходе моделирования данные представлены в табличной форме (табл. 1, 2). На их основе были построены изополя распределения ветровой нагрузки по поверхности покрытия (рис. 3 цв. вклейки) и эпюры ветровой нагрузки для некоторых сечений покрытия (рис. 4, расположение сечений - рис. 3 цв. вклейки).

49

Таблица 1

Результаты моделирования по направлениям ветрового потока «1» и «2»

Таблица 2

Результаты моделирования по направлениям ветрового потока «3» и «4»