Влияние подветренных волн на расчет ветров давления на высотные здания и сооружения

В настоящее время строительные нормы при определении ветровых нагрузок предлагают недостаточно рекомендаций проектировщику о влиянии эффектов интерференции, вызванных подветреннымы волнами. Статопулос Т., в исследовании по оценке ветровых нагрузок на низкие здания в присутствии крупных соседних зданий, провели сравнение экспериментальных результатов со строительными нормами Канады, в результате чего была показана недооценка (до 46%) и переоценка (до 525%) ветровых нагрузок. Это объясняется тем, что спецификой строительных норм являются отдельно стоящие здания и в таком случае занижение нагрузок могут быть небезопасны, а Превышение неэкономичными. Отсюда следует, воздействие примыкающими конструкций на ветровые нагрузки следует оценивать для реалистично проектирования зданий. Проблемы, вытекающие из нежелательных эффектов интерференции, вызвали несколько случаев судебных разбирательств. Например, в свое время было Судебное разбирательство между компаниями владельцев всемирно торгового центра в Нью-Йорке и окружающих зданий из-за повышенных ветровых давлений вызванных зданиями близнецами. Признавая возможность появления эффекта подветренных волн, обусловленного примыкающими сооружениями, Австралийские строительные нормы включают Краткие рекомендации по интерференции, но только в качестве общих предупреждений. Поток вокруг любого здания в группе обычно отличается от потока вокруг такого же изолированно здания, что приводит к различным воздействиям. Эффект интерференции преобладает взастройка, в которых здания расположенные на расстоянии менее 10 b (где b - размер здания, перпендикулярны направлению ветра).

В существующих инженерных методиках влияние изменения средней и пиковой пульсационной составляющих скорости ветра с высотой над уровнем земли учитывается путем задания соответствующих коэффициентов ветровых нагрузок. Однако в них никак не учитываются интенсивные вторичные пульсации давления на поверхности тел, неизбежно возникающие из-за образования и срыва крупных вихрем при обтекания "плохообтекаемого" контура здания. С другой стороны, двумерные расчеты обтекания контура горизонтального сечения здания Способны вполне адекватно воспроизводить явление образования и срыва вихрей (причем со значительным запасом по интенсивности колебаний нагрузок на обтекаемой поверхности в сравнении с соответствующим трехмерным расчетом). Поэтому вполне разумным путем проведения расчетов ветровых нагрузок является сочетание традиционных инженерных подходов с возможностями современных методов компьютерного моделирования, в частности, на основе экономичных двумерных нестационарных моделей течения.


+++Структура подветренных волн+++
Структура волн, приведенная в работе Скорера, была рассчитана Скорером, в которой он получил более точное значение интеграла путем прямого численного интегрирования. Волны над препятствием и вблизи него очень сильно зависят от его формы. Действительная трудность применения Изложенной выше теории заключается в характере допущения. Было сделано допущение, что профиль течения на большом расстоянии перед препятствием может быть задан и его можно считать невозмущенным. Если препятствие внезапно помещается в поток, то его путь вверх по потоку всегда распространяется уступообразная волна (бор), которая изменяет высоту поверхностей Бернулли в набегающем потоке. Неверно будет предполагать, что данный поток и данное препятствие совместимы в том смысле, что прежде чем будет достигнуто Стационарное состояние, не возникнет Никаких возмущений такого типа.

Предполагалось также, что стационарное состояние существует, однако в пользу этого не было приведено никаких аргументов. Это особенно важно в случае отрыва потока от поверхности, так как вслед за отрыв устанавливается периодическое течение, подобное сбеганию вихрем с цилиндра.

Тем не менее, волны над горами и подветренные волны действительно существуют, а волны, распространяющиеся от препятствий вверх по потоку, никогда достоверно не регистрировались. Формулы, выведенные для подветренных волн, показывают, что амплитуда подветренной волны может быть равна или даже больше высоты препятствия. В случае захваченных волн в рамках двухслойное модели при профиле потока, позволяющей захватит волны, возмущение над препятствием может достигать большей высоты, чем в потоке, не содержащем таких волн.


+++Причины и характеристика ветровых волн+++
Иногда ветровые волны могут быть по высоте гораздо больше, чем само препятствие, и, подбирая параметры, входящие в формулы, можно предсказать, при каких условиях это будет. На практике самые большие подветренные волны образуются, когда воздушные массы стекают вниз с плато, не отрываясь от поверхности. Этот эффект обусловлен подводом к потоку дополнительной энергии. Наши решения построены так, что источник энергии в явном виде отсутствует. В случае течения между двумя жесткими границами это может быть оправдано падением давления в направлении течения, однако для потока бесконечной глубины без каких-либо возмущений на верхней границе такое объяснение неприемлемо. В атмосфере поток мог бы ускоряться за счет отклонения в сторону низкого давления, поперек изобар, но такое ускорение не может оказывать большого влияния на расстояниях, Которые очень малы по сравнения с расстояния, на которые переносятся воздушные массы в течение суток. С другой стороны, теория, развитая для случая отсутствия верхней границы, исходит из малости амплитуды, и энергетические соображения к ней неприменимы, так как энергия представляется квадратичными членами.

Другой причиной, вызывающей большие подветренные волны, помимо стекания воздушных масс с плато, является наличие нескольких параллельных групп препятствий, удаленных друг от друга на целое число длин подветренных волн. Амплитуда волны может удваиваться вторым препятствием, находящимся на расстоянии длины волны вниз по потоку от первого. Точно так же второе препятствие, если поместить его вниз по потоку на расстоянии, равном нечетному числу полуволн, может полностью погасит подветренные волны, созданные первым препятствием. В общем случае второе препятствие просто меняет фазу подветренных волн.

Необходимая информация о распределении ветровых нагрузок на высотные здания и сооружения может быть получена с помощью методов физического (в аэродинамическом трубах) или математического (компьютерного) моделирования. В обоих методах имеется ряд проблем адекватного моделирования натурных явлений. Однако стоимость проведения физических исследований в аэродинамическом трубах постоянно возрастает, поэтому все более широкое применение находят компьютерные методы.

Анализ результатов показывает, что наблюдаются области со значительным увеличением модуля скорости, что косвенным образом свидетельствует о возникновении интерференции образующихся при обтекания зданий и сооружений подветренных волн. Эффект интерференции проявляется из-за того, что разность хода образующихся волн за первым и вторым строением кратна целому числу длин волн. Данный эффект проявляется на значительно удалении от строений (порядка 7-10 b), что в Значительной мере может влиять на Обтекание далеко отстоящих строений. Следует также отметить, что в турбулентном режиме обтекания длинные подветренные волны не возникают, что связано с особенностями отрыва пограничного слоя.

+++Опыт проектирования, обследования и реконструкции высотных сооружений+++
В продолжении темы ветровых потоков рассмотрим основные направления развития проектирования высотных сооружений, проектирование телевизионных башен высотой свыше 100 м, опор релейной и мобильной связи, дымовых труб, рекламных щитов.

Приводятся типы конструкций сооружений башенных кранов мачтового типа, свободно стоящие сооружения, башни решетчатые, применение различных профилей при проектировании башен, башни из уголкового профиля, башни из труб, башни с Предварительно напряженным раскосами, башни типа "Монополь" из электросварных труб или многогранные из гнутого письма, мачты с Оттяжка, некоторые конструктивные особенности современных мачт связи, установка мачт на зданиях и сооружениях, особенности проектирования, характерные узлы, а также берутся во внимание механические детали.

Представлены современные конструкции дымовых труб, проектирование, изготовление и монтаж.

Дано описание рекламных щитов, конструктивного решения и особенностей расчета.

Рассматриваются особо актуальные нагрузки и воздействия, ветровые и гололедные нагрузки, учет ветра при гололеде, сейсмическое воздействие, фундаменты под высотные сооружения в сейсмическому районах.

Данная оценка достоинств и недостатков различных конструктивных решений, надежности, экономичности, а также технологичности типов конструкций.

Особое внимание уделяется влиянию конструктивных решений на трудоемкость монтажа высотных сооружений.

Приводятся основные натурные испытания и определение динамических характеристик дымовой трубы, установка динамических гасителей колебаний на дымовой трубе высотой 180 м и диаметром ствола 8 м, определение эффективности динамического гасителя колебаний.


+++Определение усилий в стержнях циклических симметричных сборных башнях+++

Циклические симметрические конструкции - это регулярные стержневые конструкции, которые при повороте вокруг центра (оси) симметрии на некоторый (характерный) угол совмещаются со своим исходным положением. К таким конструкциям относятся башни, градирни, купола, радиотелескопы и т.д.

Сборная башенная конструкция, состоящая только из наклонных элементов и распорок (без традиционных поясов и раскосов, Которые расположенные в вертикальных плоскостях), является представителем циклических симметрического сооружения. Используя свойства симметрии можно значительно упростить расчет сооружения.

Сборная башенная конструкция рассматривается как пространственная многогранная осесимметричная конструкция, состоящая из m числа ярусов и n числа граней

Для определения усилий в элементах конструкции используется пошаговое (по-ярусное) рассмотрение конструкции и воздействие предыдущего яруса на следующий.

Расчет выполняется на следующие виды нагрузок:

- Обжатия яруса (поперечные силы);

- Крутящий момент Относительно оси z;

- Вертикальная загрузка.

Поперечное силы и крутящий момент прикладывается на верхнем уровне каждого яруса.


+++Совершенствование изготовления металлических конструкций с применением нового сборочного стенда+++
Изменившиеся экономические условия требуют радикального изменения концепции применения сборного и монолитно-каркасного железобетона в сторону приближения ее к современным реалиям и сближения ее с общемировыми тенденциями развития строительной индустрии с ориентацией на строительство зданий и сооружений с применением легких стальных конструкций.

Таким образом, дальнейшее развитие строительной индустрии должно идти по пути снижения стоимости (металлоемкости) металлических конструкций за счет применения прогрессивных технологий как изготовления с использованием имеющегося листового и сортового проката, так и последующих монтажа и эксплуатации зданий и сооружений с металлическим каркасом.

Одним из средств уменьшения веса металлических конструкций является применения различных конструктивных схем сопряжения элементов конструкций: применение фланцевых соединений на высокопрочных болтах с предварительной фрезеровкой поверхности и применение колонн с консолями. Применение данных конструктивных схем требует специальной подготовки производства как при разработке детализированных чертежей, так и при разработке технологии сборки и сварки конструкций.

Рассмотрена возможность улучшения сборки и сварки колонн с консолями при проведении специальной технологической подготовки производства – разработка рабочих чертежей конструкций, разработка технологии и рабочих чертежей для изготовления технологического стенда для сборки и сварки колонн, технология и последовательность процесса изготовления колонн с консолями.

Анализ исследований применения предлагаемой технологии и специального стенда для сборки и сварки колонн позволяет сделать вывод о возможности повышения качества и точности изготовления конструкций, а также повышения производительности сборочного цеха производства, уменьшения стоимости изготовления металлоконструкций, резкого уменьшения сроков монтажа и его стоимости, так как в результате выполненных работ на заводе уменьшается срок их выполнения на монтажной площадке.