Численное моделирование ветровых воздействий на высотные здания и комплексы

Глава 4 посвящена верификации разработанной методики и реализующего программного обеспечения на основе сравнения с результатами испытаний в аэродинамических трубах для моделей, включающих изолированные и группы высотных зданий, а также сравнения с результатами альтернативных расчетов и данными натурных замеров для реальной застройки (см. таблицу 1 – "матрицу верификации"). Расчеты проводились в стационарной (модель турбулентности SST) и в нестационарной (DES, SAS) постановках. Контролируемые параметры: скорости вблизи модели и в пешеходных зонах, St – числа Струхаля (10), аэродинамические коэффициенты Сх, Cy, Cp Сх=Fx/q , Сy=Fy/q, Сp=p/q (11) где FX, FY – составляющие ветровых нагрузок (по потоку и в поперечном направлении, соответственно), q=½ Vh2 – скоростной напор, Vh – скорость потока на характерной высоте. Из тестовых задач, подготовленных авторитетным Институтом Архитектуры Японии (AIJ), для примера рассмотрим модель высотного здания в малоэтажной плотной застройке (рис.1). X, м Рис.1. Высотное здание в малоэтажной застройке. Расчетные линии тока и поля коэффициентов Cp. На графиках – коэффициенты усиления скоростей ветра (относительно набегающего потока) вдоль линии в пешеходной зоне. Расчеты SST (сплошная линия) и "k-ε" (штрих-пунктир), эксперименты (точки). В базе данных AIJ приводятся результаты натурных замеров поля скоростей ветра в пешеходных зонах микрорайона Синдзюку (Токио) за 1977-78 гг., данные двух различных испытаний в аэродинамических трубах и результаты расчетов, выполненных несколькими коллективами японских ученых. Показано (рис. 2), что результаты расчетов диссертанта по разработанной методике находятся в диапазоне разброса "эталонных" данных . Исследована ветровая аэродинамика МФК “Сити-Палас” в составе ММДЦ “Москва-Сити” (рис.3). Средняя и пульсационная составляющие ветровых воздействий при наиболее характерных направлениях ветра сравниваются с результатами испытаний в аэродинамической трубе ВМТ (Великобритания). С учетом сложности задачи и неполноты информации о геометрии испытанной модели, получено практически приемлемое соответствие эксперименту для уровней средних давлений в характерных сечениях фасада (см. рис.3) и для максимальных пульсационных нагрузок на здание в целом. Отмечено, что при некоторых направлениях ветра из-за экранирования наряду с уменьшением средних значений нагрузок может резко возрасти пульсационная составляющая. При недостаточном количестве датчиков в эксперименте могут быть пропущены локальные пиковые давления. Приведены результаты численного моделирования аэродинамики высочайшего в Европе комплекса “Федерация” (ММДЦ “Москва-Сити”) совместно с несколькими близкорасположенными зданиями в сопоставлении с данными испытаний, проводившихся фирмой RWDI (Канада). Рис.2. Коэффициенты усиления скорости ветра в окрестности группы высотных зданий (Токио) при южном ветре. Модель (около 11 млн. ячеек). На графиках – данные эксперимента (WT), натурные замеры ("field meas") с учетом разброса, расчеты японских ученых различными ПК (CFD_A, B, C), расчеты диссертанта (CFD_1 – предварительный, CFD_2 – уточненный). X, м Рис.3. МФК “Сити-Палас” в составе ММДЦ “Москва-Сити” (слева внизу). Восточный ветер. Эпюры средних давлений (Па) по контуру 17-го этажа (DES – пунктир, RANS SST – сплошная, эксперимент ВМТ – квадраты). Таблица 1 "Матрица верификации" разработанной методики Описание задачи аэродинамики "Эталоны" Методика, модель турб. Модели, тыс. ячеек Контролируемые параметры Время счета, час Расхождение, % Призма квадратная, двумерная Экспер. Lyn DES 20 Средние Сх, Сy, Ср, St, Vx, Vy 10 5-20% Интерференция двух квадратных призм, (двумерная задача) Экспер. С.Г.Кузнецов DES 50 Средние и пульсации Сх, Сy 20 5-15% Призма прямоугольная 5:1, (двумерная задача) Экспер. Schewe DES, SAS 40 240 900 Средние Сх, Сy, Cp, St, Vx, Vy, 20 110 250 5-10% (для Сy 10-50% ) Цилиндр двумерный (Re=3900) Расчеты Liaw Экспер. Norberg DES 40 Средние Сх, Сy, Cp, St, Vx, Vy, 20 5-10% (для Ср 5-20%) Призма 2:1:1 Экспер. Tamura SST 220 Vпешех, TKE СP 0.5 3-5% (для V) 10-30% (для TKE) Куб Натур. замеры Silsoe Экспер. Castro DES 120 Cp 40...80 10-30% 10-20% Высотное здание в малоэтажной застройке Экспер. AIJ SST 200 450 Vпешех зон (средние и пиковые) 1 2 5-15%, в диапазоне разброса замеров Район Синдзюку, г. Токио Натур. замеры Экспер. AIJ SST 19 700 Vпешех зон (пиковые) 15 10-50% (натурные) 10-30% (эксп.) МФК "Сити-Палас" ММДЦ "Москва-Сити" Экспер. BMT SST DES 3 200 Cp (средние), CX, CY (средние и пиковые) 6 - SST 200 - DES 5-10% средние 10-30% пульсационные МФК "Федерация" ММДЦ "Москва-Сити" Экспер. RWDI SST DES 2 400 Cp (средние и станд. пульсаций) 4 - SST 160- DES 5-10% средние 10-30% пульсационные Удалось с достаточной для практики точностью воспроизвести поля средних давлений и стандарты их пульсаций на ограждающих поверхностях башен «Запад» и «Восток». В главе 5 рассматривается применение разработанной методики к решению ряда практических задач для проектируемых и строящихся высотных комплексов. Описаны вопросы моделирования ветровой аэродинамики строящегося в настоящее время ЖК «Аквамарин» (г.Владивосток, 210 м). После выполнения серии тестовых нестационарных расчетов при различных направлениях ветра была изменена планировавшаяся последовательность возведения корпусов, обеспечив тем самым экранирование наиболее высокого и гибкого корпуса с учетом анализа локальной годовой розы ветров (повторяемости северного направления, особенно в зимний период). Были проведены вариантные (24 направления ветра) расчеты для подробной модели (около 4 миллионов ячеек) с учетом рельефа (перепад высот до 150 м), близлежащих сооружений в радиусе до 1 км и этапности застройки (см. рис. 4). Выполнены оценки возможного возникновения ветрового резонанса и уровня пешеходной комфортности. Рис.4. ЖК "Аквамарин". Расчетная CFD-модель. Аэродинамические коэффициенты и поля средних скоростей ветра. Рассмотрены принципы и особенности моделирования для расчетов средних, минимальных и максимальных давлений на фасадные конструкции строящегося ЖК «Зодиак» (г. Москва) в трехмерной постановке с учетом рельефа местности и основных близкорасположенных зданий. Базовая модель с 3.5 миллионами ячеек (домен) была "скопирована" 24 раза с назначением граничных условий, соответствующих различным направлениям ветра. Полная модель (более 83 миллионов ячеек, 130 миллионов неизвестных) исследовалась в многопроцессорной постановке на вычислительном кластере МГСУ. По результатам вариантных расчетов были построены огибающие, а также оценены коэффициенты обеспеченности и верифицирована численная методика оценки пульсационной составляющей ветровой нагрузки. Разработанная методика была использована при моделировании ветровых воздействий на проектируемый МФК "Газойл-Сити" (г. Москва). Особенностью задачи является сложный характер интерференционного взаимодействия двух основных корпусов МФК и близкорасположенного здания ОАО "Газпром". Расчеты для выбранных 24-х направлений ветра были выполнены как в стационарной, так и в нестационарной постановках с учетом окружающей застройки и этапности возведения. Демонстрируются значимые эффекты «подъемной силы» (для ряда "углов атаки" – действующим нормами не выявляются, рис.5) и экранирования, значительное усиление ветровых потоков в проеме между основными корпусами, не определяемые нормативными методами расчета. Рис.5. МФК "Газойл-Сити". Средние давления (Па) для северо-западного ветра. Равнодействующая средних нагрузок Fr (тс) на корпус 1 в зависимости от направления ветра. ■– изолированный корпус 1, ▲– частичная застройка, после возведения корпуса, сплошная линия – в полной застройке, ♦ – результаты по СНиП (для изолированного прямоугольного профиля). Описана разработанная аэродинамическая модель самого высотного в Европе комплекса зданий ММДЦ “Москва-Сити” (рис. 6, около 30 млн. ячеек-объемов). На настоящий момент, в связи с произошедшими изменениями проекта, отсутствуют результаты испытаний для существующей и наиболее вероятной «окончательной» застройки. В этой связи, численное моделирование по разработанной методике, верифицированное по результатам ранее проведенных испытаний (глава 4), позволило бы достаточно оперативно оценить измененные параметры ветровых воздействий для всех зданий без необходимости повторения испытаний. Предложена структура систем мониторинга с учетом одновременного замера ветровых воздействий и динамического поведения конструкции. В качестве примера рассмотрено использование аэродинамической модели комплекса зданий МГСУ на Ярославском шоссе. Рассмотрен опыт внедрения разработанных методик в практику обучения студентов и аспирантов профильных специальностей в МГСУ по дисциплине “Вычислительная аэрогидромеханика”. Рис.6. ММДЦ“Москва-Сити”. Средние ветровые давления(Па) и изоповерхности завихренностей (угловых скоростей вращения потока) ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ Как показал анализ современных отечественных и зарубежных теоретических и экспериментальных исследований, существующие нормативные документы и методики не в полной мере отражают специфику ветровых воздействий на высотные здания и их комплексы, прежде всего, в условиях их компактного расположения и интерференции и, поэтому, нуждаются в уточнении и развитии. Разработана методика расчета нормативных параметров ветровых воздействий (средней и пульсационной составляющих нагрузок на несущие конструкции, пиковых давлений на ограждающие конструкции, уровня пешеходной комфортности) на высотные здания и их комплексы на базе численного решения стационарных и нестационарных трехмерных уравнений гидрогазодинамики (Навье-Стокса в приближении Рейнольдса, модели турбулентности RANS, URANS и DES) с дискретизацией методом конечных объемов, позволяющая адекватно учитывать важные факторы – направления и профиль ветровых потоков, рельеф местности, окружающую застройку и поэтапность возведения комплексов. Разработанная методика реализована в форме специализированного программного модуля WINDLOAD/CFX к выбранным, в качестве базовых, универсальным программным комплексам ANSYS и ANSYS CFX. Для решения большеразмерных задач (до 100 млн. вычислительных ячеек - конечных объемов, до 150 млн. неизвестных) используются эффективные параллельные вычисления кластерной организации. Проведена верификация разработанной методики и ее программной реализации на основе сравнения с результатами испытаний моделей в аэродинамических трубах (тестовые модели, комплекс “Федерация” и МФК “Сити-Палас” в ММДЦ “Москва-Сити” и др.) и с данными натурных замеров для группы высотных зданий в реальной застройке (микрорайон Синдзюку, Токио, Япония). Установлена приемлемая для практики точность результатов расчета средней составляющей ветровых нагрузок для зданий сложных форм (расхождение с имеющимися экспериментальными данными не более 15-20%) не только при нестационарных, но и при стационарных расчетах с использованием модели турбулентности SST и предложенной схемы дискретизации и при адаптивной схеме расчетов с последовательным сгущением сетки. Для "уточненного" определения пульсационной составляющей ветровой нагрузки рекомендуется выполнять нестационарный расчет с использованием моделей турбулентности DES или URANS. Для сложных реальных застроек наблюдается рассогласование данных по отрицательным давлениям (20-40%) с данными испытаний в аэродинамических трубах. Для дополнительной верификации предлагается проводить выборочные натурные замеры реальных ветровых воздействий. Для оценки пульсационной составляющей нагрузок допустимо использование предложенного и верифицированного "инженерного" подхода, основанного на оценке турбулентной энергии пульсаций (по результатам стационарного расчета), максимальных коэффициентов обеспеченности и нормативных параметров корреляции нагрузок. Этот подход применим и при определении ветровых нагрузок на фасадные конструкции. Возможно определение локальных зон нагружения, которые не могут быть полностью идентифицированы в практике испытаний в аэродинамических трубах. Особенно эффективна разработанная численная методика, как показали результаты численного моделирования реальных объектов, при оценке пешеходной комфортности. При этом исключается масштабный эффект, снижающий при испытаниях точность замеров потоков вблизи поверхности. Разработанная методика использована для трехмерных стационарных и нестационарных расчетов ветровых нагрузок на несущие и ограждающие конструкции и оценки пешеходной комфортности ряда проектируемых и строящихся высотных комплексов (ММДЦ "Москва-Сити", МФК “Газойл-Сити” и ЖК “Зодиак”, ЖК “Аквамарин”), а также комплекса зданий МГСУ. Выявлен и проанализирован ряд реальных аэродинамических эффектов (включая интерференцию), которые не определяются при применении действующих нормативных методик. Применительно к объектам исследования конкретизирована и обеспечена выполненными разработками современная концепция определения ветровых воздействий: а) "предварительное" численное моделирование с определением наиболее опасных/характерных направлений ветра, оценка необходимости испытаний в аэродинамической трубе (б) и рекомендации по расположению и количеству датчиков; б) испытания в аэродинамической трубе (при возможности); в) уточненное многопараметрическое и многофакторное численное моделирование с сопоставлением характерных параметров с результатами испытаний. Предложена структура системы мониторинга высотных зданий/комплексов с учетом одновременного замера характеристик ветра и перемещений/ускорений, базирующаяся на разработанной методике. Разработанная методика успешно используется в практике обучения студентов и аспирантов профильных специальностей МГСУ по дисциплине “Вычислительная аэрогидромеханика”. Основные положения и результаты диссертации отражены в следующих публикациях: а. В периодических изданиях, включенных в перечень рекомендованных ВАК: Дубинский С.И. Расчеты высотных сооружений при ветровом воздействии. // САПР и графика, 2005, №10, с. 32-34. Дубинский С.И. Численное моделирование ветровых воздействий на комплекс «Федерация» «Москва-Сити». // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. Volume 4, Issue 2, 2008, pp.58-59. Дубинский С.И., Серебренникова А.В. Численное моделирование аэродинамической комфортности пешеходных зон. // Вестник МГСУ, 2009, №1 (спецвыпуск), с.485-488. Белостоцкий А.М., Дубинский С.И. Некоторые аспекты верификации программных средств численного моделирования конструкций и сооружений. // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering Volume 4, Issue 2, 2008, p.30. Дубинский С.И. ANSYS 8.0: обзор новых возможностей. // САПР и графика, 2003, №11, с.42-44. Дубинский С.И. Программный комплекс ANSYS/LS-DYNA 8.0. // САПР и графика, 2004, №3, с.34-38. Дубинский С.И. ANSYS и ANSYS/CivilFEM в строительстве. // САПР и графика, 2004, № 12, с.75-77. б. Публикации в иных изданиях Белостоцкий А.М., Дубинский С.И. и др. Комплексное расчетное обоснование напряженно-деформированного состояния высотных многофункциональных комплексов. // Строительная механика и расчет сооружений, №10, 2006, с.111-115. Белостоцкий А.М., Дубинский С.И. и др. Методы динамического синтеза подконструкций в задачах моделирования сложных инженерных систем. // Строительная механика и расчет сооружений, №10, 2006, с.99-110. Дубинский С.И., Серебренникова А.В. Численное моделирование ветровой аэродинамики в пешеходных зонах «высотной» застройки. // «Теория и практика расчета зданий, сооружений и элементов конструкций. Аналитические и численные методы». Сб. трудов международной научно-практической конференции. М.: МГСУ, 2008, с.259-266. Белостоцкий А.М., Дубинский С.И. и др. Расчетное обоснование НДС высотных многофункциональных комплексов. // ANSYS Solutions/ Русская редакция. – Зима 2007 (4), с.13-17.

Похожие:

	Численное моделирование разрушения зданий методом сглаженных частиц Потапов А. П. Численное моделирование разрушения зданий методом сглаженных частиц // Современные проблемы фундаментальных и прикладных...		Математическое моделирование термически нагруженных конструкций котельных агрегатов Специальность: 05. 13. 18 – Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
	Рабочая программа учебной дисциплины современные технологии математического... Специальность научных работников: 05. 13. 18 «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ»		Рабочая программа учебной дисциплины современные технологии программирования... Специальность научных работников: 05. 13. 18 «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ»
	Д. Б. Сполдинг 1 и В. И. Артёмов Численное моделирование процессов с учетом гидродинамики, теплообмена и упругости; термические напряжения, возникающие в лопатках...		Рабочая программа учебной дисциплины «Проектирование и эксплуатация... «Проектирование и эксплуатация солнечных и ветровых электростанций» является развитие компетенций в области понимания режимных свойств...
	Численное моделирование эволюции произвольно поляризованных коротких... Методические указания разработаны кандидатом физико-математических наук, доцентом Нойкиным Ю. М		Численное моделирование ионосферных предвестников сильных землетрясений... Западное отделение Учреждения ран «Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н. В. Пушкова» ран
	Допустить к защите в гак Вычислительная геометрия, гис, модели данных, трассировка лучей, численное моделирование, акустика, распространение шума, транспортный...		Рабочая программа составлена в соответствии с фгт к структуре основной... Методы компьютерного моделирования. Статистическое моделирование Учебно-методический комплекс рабочая программа для аспирантов специальности...
	Программа вступительного экзамена в аспирантуру по специальности... В основу настоящей программы положены следующие дисциплины: функциональный анализ, теория дифференциальных уравнений, теория управления,...		Ивановский Государственный Энергетический Университет Кафедра тоээ... Методика, предложенная в этой работе, предусматривает кусочно-постоянную аппроксимацию проницаемости ферромагнитной среды, что может...
	Разработка и исследование моделей поведения динамических объектов... Специальность: 05. 13. 18 – Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ		Разработка алгоритмов поиска и обследования искусственных протяженных... Специальность: 05. 13. 18 – Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
	Построение и исследование дискретной математической модели безынерционных... Специальность: 05. 13. 18 – Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ		Программа для аспирантов специальности 05. 13. 18 «Математическое... ...