10073

62

а

б

Рис.2. Изополя распределения ветровой нагрузки по большепролетному покрытию велодрома(направление 2, рис.1,б): а – результаты физического моделирования, Па, б – результаты численного моделирования, Па

63

а

б

Рис.3. Визуализация обтекания здания ветровым потоком (направление 1, рис.1,б): а – результаты физического моделирования; б – результаты математического моделирования.

64

а

б

Рис.4. Визуализация обтекания здания ветровым потоком (направление 2,рис.1,б): а – результаты физического моделирования; б – результаты математического моделирования.

Лабораторная работа 7 (занятие 1)

Численный анализ применимости нормативных методик при назначении ветровой нагрузки на большепролетные поверхности

65

Цель: определить примерное распределение ветровой нагрузки согласно методикам СП 20.13330 и сравнить результаты с имеющимися численными данными по заданию преподавателя.

Пример. Во второй половине ХХ века были получены дающие хорошую сходимость для реальных зданий и сооружений методики расчета целого ряда объектов, имеющих стандартные, наиболее часто встречаемые формы и габариты. При этом практически отсутствовала информация об объектах, высота которых многократно превосходит поперечные размеры в плане, либо форма которых имеет достаточно сложную, криволинейную геометрию. Как показал анализ многочисленных научных исследований [4-8], существующие расчетные методики [9,10,11] не отражают в достаточной мере специфику ветровых воздействий на уникальные здания и сооружения и требуют уточнения, поскольку с их применением трудно учесть интерференцию аэродинамических потоков вблизи поверхностей сложной кривизны, явления завихренности и отрывов течения, резонансных возбуждений и иных факторов.

В настоящее время в своде правил [10] дается указание для всех случаев, отличных от нормативных, осуществлять определение аэродинамических коэффициентов по результатам физического (экспериментального) или математического (численного) моделирования.

Физический эксперимент осуществляется в аэродинамической трубе с применением масштабных моделей, удовлетворяющих специальным требованиям подобия реальному объекту. Измерения при этом, как правило, проводятся с использованием высокоточных тензорезистивных датчиков.[5,12]

Математическое моделирование выполняется в программных комплексах, реализующих CFD-технологии математического моделирования:

FLUENT, FLOW3D, ANSYS-CFX, STAR-CD, VP2/3. Работа данных программ основана на численных методах решения систем уравнений, выражающих законы механики сплошной среды [12,13].

Оба метода моделирования требуют дополнительных затрат при осуществлении проектных работ, в связи с чем перед инженерами на стадии эскизного проектирования уникальных зданий и сооружений встает вопрос о возможности применения существующих нормативных методик для предварительной оценки возможных ветровых воздействий.

В качестве объекта исследования рассматривается проектируемое здание ангара для технического обслуживания двух самолетов Airbus A-380 в г. Москва, перекрываемое пространственными арками пролетом 227,65 м (рис. 1). В соответствии с требованиями свода правил [10] ветровая нагрузка на его покрытие должна определяться по результатам моделирования.

66

а)

б)

Рис.1. Проектируемое здание: а – главный разрез, б – визуализация

Для предварительного назначения сечений элементов проектируемого объекта оценка ветровых воздействий была произведена по нормативной методике свода правил [10]. Для расчета принималась наиболее приемлемая с точки зрения геометрического подобия схема – «прямоугольные в плане здания с двускатными покрытиями» (рис. 2), приведенная в приложении В свода правил [10].

Для рассматриваемого покрытия с учетом геометрических параметров были приняты следующие величины аэродинамических коэффициентов по таблицам В.3а и В.3б свода правил [10]:

-при α = 0о: F = -1.8; G = -1.3; H = -0.7; I = -0.5; J = -0.5;

-при α = 90о: F = -1.8; G = -1.3; H = -0.7; I = -0.5.

67

Рис. 2. Распределение аэродинамических коэффициентов по двускатному покрытию в соответствии со схемой приложения В свода правил [10]

В соответствии с п. 11.1.3 свода правил [10] нормативное значение средней составляющей основной ветровой нагрузки в зависимости от эквивалентной высоты ze над поверхностью земли определяется по формуле

11.2:

где w0 – нормативное значение ветрового давления; k(ze) – коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления для высоты ze; с – аэродинамический коэффициент, определяемый по приложению В.

Эквивалентная высота ze в соответствии с п. 11.1.5 [10] и параметрами здания (h = 37.5 м, d(α = 0) = 108.0 м, d(α =90) = 186.0 м) принимается равной высоте h = 37.5 м. В соответствии с таблицей 11.2 [10] для типа местности А – открытые зоны с постройками высотой менее 10 м – принимается коэффициент k(ze) = 1.469.

68

Для г. Москва величина нормативного значения ветрового давления согласно таблице 11.1 [10] составляет w0= 0.23 кПа.

В соответствии с п. 11.1.8 свода правил [10] пульсационная составляющая ветровой нагрузки определяется по формуле 11.5:

где ( ) - коэффициент пульсации ветра, определяемый по таблице 11.1 для

высоты zе путем интерполяции: ( =37.5) = 0.629); v – коэффициент пространственной корреляции пульсации давления ветра, определяемый по таблице 11.7 свода правил [10].

Значения коэффициентов пространственной корреляции для различных направлений ветровых потоков не одинаковы и зависят от параметров расчетных поверхностей (таблица 1).

Значение основной ветровой нагрузки w на здание определяется по формуле 11.1 [10]:

69

Лабораторная работа 7 (занятие 2)

Численный анализ применимости нормативных методик при назначении ветровой нагрузки на большепролетные поверхности

В рамках исследования осуществлялось численное моделирование ветровых потоков в рабочей среде программного обеспечения ANSYS Workbench и модуле вычислительной гидрогазодинамики ANSYS CFX(лицензия ANSYS Customer Number: 1051709). В работах [14,15] показано, что аналитический метод расчета дает высокую сходимость с результатами аэродинамических экспериментов, наиболее широко применяемых в инженерной практике.

Численный метод исследования распределения давлений по поверхности покрытия основан на решении уравнения Навье-Стокса, описывающего обтекание твердого тела потоком сжимаемой жидкости [16]:

где - оператор набла, ∆ - векторный оператор Лапласа, t - время,v - коэффициент кинематической вязкости, ρ - плотность, p - давление,

= (1 … )- векторное поле скорости, - векторное поле массовых сил.

Компоненты тензора турбулентных напряжений вычисляются через параметры осредненного потока в соответствии с гипотезой Буссинеска, а турбулентная вязкость определяется по k-εмодели, включающей дифференциальные уравнения для кинетической энергии турбулентности k и скорости диссипации ε [4]:

Гдеμ – коэффициент динамической вязкости, μt – турбулентная вязкость, Gk – член порождения кинетической энергии турбулентности, S–тензор скоростей