О воздействии ветра на высотные монолитные здания

К основным факторам, определяющим взаимодействие ветра со зданиями и сооружениями, можно отнести:

• выбор расчетной величины скорости (модуля скорости) набегающего воздушного потока;
• определение суммарных аэродинамических нагрузок, действующих на здание при различных направлениях ветра;
• определение распределенных (местных) нагрузок, действующих на поверхность здания при различных углах набегающего воздушного потока;
• оценка нестационарных нагрузок, действующих на здание, обдуваемое ветром (резонансные явления, галлопирование, дивергенция, флаттер, бафтинг);
• обтекание различных конструкций, расположенных на зданиях или сооружениях;
• обтекание вертолетных площадок, расположенных на крышах высотных зданий;
• экологические проблемы, возникающие при обтекании ветром здания (допустимые скорости ветра в районе пешеходных зон, расположенных вблизи здания; допустимые ускорения верхних этажей здания при его колебаниях под действием ветра; акустическое изучение, возникающее при обтекании ветром отдельных внешних фрагментов здания; расположение на поверхности здания вентиляционных отверстий забора и выброса воздуха).

Большинство из указанных факторов следует учитывать при проектировании сооружений любой этажности, однако для высотных зданий значение этих факторов может приобретать решающее значение как с точки зрения прочности самого здания, так и условий его эксплуатации.

1. Нормативное значение среднего ветрового давления на высоте (у) от поверхности земли предполагается определять по формуле;

w₂(y)=w₀k₁(y)k₂k₃,

где w₀ — нормативное значение среднего ветрового давлении yа высоте у =10 м для данного ветрового района при 10 минутном интервале осреднения и времени наблюдения 5 лет;

k₁(У) — коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте;

к₂ — коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления в зависимости от времени осреднения при замерах средней скорости;

к₃ — коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления в зависимости от числа лет наблюдений.

Если выбрать величину k₂ из условия осреднения A_t = 3 сек., что соответствует времени действия порывов ветра с наибольшей энергетикой, а коэффициент к₃ из условия наблюдений 50 лет, то для II ветрового района на высоте 100 м можно получить расчетное значение wn = 182 кгс/м² = 1,82 кПа, что соответствует скорости ветра 54 м/с. В американских стандартах скорость на высоте 100 м принимается в расчетах равной 63 м/с.

2. Определение суммарных аэродинамических характеристик здания (две составляющие силы в горизонтальной плоскости и три вставляющие момента) предлагается определять на макете здания при круговых продувках его в аэродинамической трубе в диапазоне углов набегающего воздушного потока 00

Такие продувки позволяют учесть все основные архитектурные особенности данного здания в расчетах суммарных аэродинамических сил и моментов.

3. Распределенные аэродинамические нагрузки, действующие па поверхность здания, также предлагается экспериментально замерять при круговых продувках макета здания в аэродинамической трубе, При этом на поверхности макета здания размещаются дренажные отверстия, с помощью которых в нескольких характерных сечениях по высоте определяются давления на поверхности здания при 00

Примеры определения суммарных и распределенных аэродинамических характеристик на макете высотного здания приведены в докладе.

4. Способы оценки нестационарных нагрузок, действующих на здание и его отдельные элементы при воздействии ветра, необходимо рассматривать применительно к резонансным явлениям, флаттеру и галлопированию.

5. Проблема безопасного взлета и посадки вертолетов на крышу здания должна рассматриваться с точки зрения обеспечения допустимых углов скосов воздушного потока при ветре кап в районе посадочной площадки, так и на возможных глиссадах подлета к ней. Особенно это важно применительно к транспортным и специальным вертолетам с соосными винтами, наиболее удобными при полетах в стесненных условиях,

6. Комплекс экологических проблем, возникающих особенно остро при эксплуатации высотных зданий, включает такие направления, как определение скоростей ветра в пешеходных зонах, расчетные оценки ускорений верхних этажей зданий под действием ветра, генерация акустического излучения при обтекании отдельных фрагментов зданий и взаимное расположений заборных и вытяжных вентиляционных отверстий на поверхности здания с учетом конкретной «розы ветров» в месте расположения здания.

С.М. Ганин, А.С. Гузеев, А.О. Лебедев, А.И. Короткин, д.т.н., профессор; А.В. Пустошный, чл.-корр. РАН, ЦНИИ им. академика А.Н. Крылова

Журнал "СтройПРОФИль" №8(32) / 2006   02.05.2007