Численное моделирование ветрового воздействияна уникальные здания

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Строительство. Архитектура


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 624. 04.
ОЛЕНЬКОВ В. Д. ПУЗЫРЕВ П. И.
Численное моделирование ветрового воздействия на уникальные здания
Оленьков Валентин Данилович
кандидат технических наук, профессор кафедры Строительная механика ЮУрГУ (НИУ)
e-mail:
centernasledie@mail. ru
Пузырев
Павел
Иванович
магистрант кафедры Строительная механика ЮУрГУ (НИУ)
e-mail: pavel1857@mail. ru
В статье рассматривается численное моделирование ветрового воздействия на здание церкви Покрова Пресвятой Богородицы в селе Булзи Челябинской области. Представлен алгоритм расчета, получены данные о полях давлений, скоростей и кинетической энергии турбулентности ветрового потока, а также линии обтекания.
Ключевые слова: численное моделирование, нагрузка, здания, строительство, инновация, диагностика технического состояния, лазерное сканирование, автоматизация обработки данных, конечно-элементное моделирование.
OLENKOV V. D. PUZYREV P. I.
NUMERICAL SIMULATION OF WIND LOAD ON A UNIQUE BUILDING
The article deals with the numerical simulation of wind impact on the building of the Church in the village of Bulzi. The algorithm of computation is presented. The pressure, velocity and kinetic energy of turbulence fields and streamlines are obtained, innovation, diagnostic troubleshooting, laser scanning, data processing automation, finite element modulation.
Keywords: numerical simulation, load, building, innovation, diagnostics of a technical condition, laser scanning, automated data processing, finite element modeling.
Доказательство безопасности проектируемых и уже эксплуатируемых зданий сложных архитектурных форм, для которых является значимым фактор ветрового воздействия, сдерживается действующими нормативно-регламентированными методиками, которые не содержат рекомендаций по назначению аэродинамических коэффициентов для сложных по форме зданий и не учитывают влияние сочетания форм здания, рельефа, изменения спектра набегающего потока.
Информация, полученная путем численного моделирования воздействий на здания и сооружения, помогает повысить качество и производительность работы инженера, а также позволяет анализировать сложные конструкции, ручной расчет которых не представляется возможным. Одновременно с идеей использования средств компьютерного анализа возникает задача обоснованного выбора инструментов численного моделирования и их параметров.
Поскольку свод правил допускает определение аэродинамических коэффициентов на основании опытов, нами был проведен ряд численных экспериментов, результатом которых
явилась приведенная в статье методика расчета зданий на ветровые воздействия, которая использовалась при исследовании характера действия и величин ветровых нагрузок на следующие объекты культурного наследия:
— церковь Покрова Пресвятой Богородицы в с. Булзи Челябинской области постройки 1912 г. -
— церковь Рождества Христова в г. Юрюзань Челябинской области постройки 1896 г.
Рассмотрим применение методики на примере расчета ветрового воздействия на здание церкви Покрова Пресвятой Богородицы в с. Булзи.
Это кирпичный однокупольный храм с прямоугольной апсидой, перекрытый конхой. Условно здание можно разделить на четыре части по продольной оси: трехчастный алтарь, храм, увенчанный восьмигранным барабаном, прямоугольного объема трапезная с приделами и высокая двухъярусная колокольня.
Центральный объем здания — это высокий однокупольный храм, перекрытый сферическим сводом с крупным барабаном, увенчанным главой. Однако барабан в данном случае
© Оленьков В. Д., Пузырев П. И., 2014
87
Строительные науки
Иллюстрация 1. Церковь Покрова Пресвятой Богородицы. Село Булзи, Челябинской области. 1841 г.
Иллюстрация 2. Конечно-элементная модель пограничного слоя на здании церкви
Иллюстрация 3. Области входа ветрового потока Иллюстрация 4. Поле скоростей ветрового потока
Иллюстрация 5. Линии тока ветра
не является световым и поставлен на сферический свод, не прорезая его. Причиной подобного конструктивного решения, как было установлено в результате обследования, стало то, что возведение барабана осуществлялось спустя 45 лет после возведения храмовой части.
Ядром четырехчастной композиции является объем собственно храма, расширяющийся за счет примыкания к нему с запада обширной трапезной и приделами. К этой основе присоединены с западной стороны притвор, на котором возвышается двухъярусная колокольня, а с востока прямоугольная апсида.
При анализе здания для выполнения расчета на ветровую нагрузку было установлено следующее:
1 В здании присутствует сочетание сложных форм, поэтому собрать нагрузки по своду правил «Нагрузки и воздействия» не представляется возможным.
2 Нельзя однозначно охарактеризовать ни одно из направлений ветра как самое опасное. Учитывая это, было принято решение о целесообразности использования методов численного моделирования для анализа ветровых нагрузок на здание и поставлены следующие задачи:
¦ Выработать алгоритм компьютерного расчета статической части ветровой нагрузки.
¦ Проверить достоверность полученных результатов.
Сформулирован следующий алгоритм расчета здания на ветровые воздействия:
Иллюстрация 6. Поле давлений от ветрового воздействия
1. Подготовка расчетной модели. Сюда входят:
а) создание геометрической модели, описывающей расчетную область. Здесь выработаны рекомендуемые размеры расчетной области — минимум 6−8 высот здания во всех направлениях-
б) генерация конечно-элементной модели воздушного объема на основе созданной геометрии. Для получения сходящегося решения, а также для корректного моделирования пристеночных течений без применения суперкомпьютера сетка была локально измельчена вблизи стен здания. В остальном объеме предпочтение отдавалось гек-саэдрическим элементам.
Этот пункт был выполнен в пакете программного комплекса ANSYS ICEM CFD, поскольку он позволяет получить требуемое качество сеточной модели простыми инструментами в приемлемые сроки-
в) задание граничных и начальных условий расчета, выбор физической модели расчета (например, модели турбулентности и т. д.) — препроцессинг. Здесь необходимо обратить внимание, что в качестве входного параметра использовалась скорость входного потока, которая определялась с помощью формулы Бернулли и поправочных коэффициентов из давления на вертикальную стену по своду правил «Нагрузки и воздействия». Мягкие границы (opening) с нулевым относительным давлением применяются в качестве выходных условий. На стенки здания было наложено условие несдвигового течения потока.
Согласно методике, приведенной в [6], здание испыты-вается на 12 и более направлений ветра в предварительном
88
АКАДЕМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК УРАЛНИИПРОЕКТ РААСН 4 | 2014
расчете, а далее наиболее опасные направления рассчитываются с большей точностью (путем лучшей проработки сеточной модели) в стационарной постановке либо проводится нестационарный расчет. В целях оптимизации модели было принято 8 направлений ветрового потока, шесть их которых будут симметричны, поскольку здание имеет плоскость симметрии. Все это позволит уменьшить требуемые вычислительные мощности, не уменьшая точности расчетов.
2. Запуск задачи на расчет.
3. Просмотр и оценка результатов расчета — постпро-цессинг. Удобство предложенной методики заключается в том, что в этом пункте можно получить полную информацию о интересующих параметрах, таких как ветровое давление на стены здания, скорости ветрового потока в любых точках, аэродинамические коэффициенты здания.
4. Коррекция расчетной модели (изменение геометрии, конечно-элементной, физической модели) при необходимости. Для улучшения сходимости расчета рекомендуется упростить геометрию, использовать более качественную конечно-элементную модель, варьировать параметры вычислителя. После этого расчет проводится заново и оцениваются изменения.
Как указано в пункте 1 В представленного алгоритма, именно нестационарные расчеты имеют высокую точность и обоснованы в случае строительных объектов, так как сложный характер обтекания зданий ветровым потоком характеризуется неудовлетворительной с аэродинамической точки зрения формой конструкции, что приводит к отрыву пограничного слоя воздушного потока, образованию интенсивных нестационарных струйно-вихревых течений и периодических вихревых следов.
Аэродинамические нагрузки на поверхности зданий оказываются зависящими не только от величины и направления ветра, но и от времени. Наличие в ветровом потоке сдвига и пульсаций скорости еще более усложняет ситуацию, приводя к дополнительным нестационарным воздействиям, особенно на таком сложном по форме здании, как церковь, а поскольку нестационарный расчет — это анализ процесса во времени, именно он даст наиболее правдоподобные результаты. При подробной математической модели это потребует огромных вычислительных мощностей и в разумные сроки сможет решиться лишь на суперкомпьютере.
Для оценки адекватности полученного результата проверялось совпадение расчетного давления с давлением на вертикальную стену по своду правил «Нагрузки и воздействия».
Для целевого здания алгоритм принимает следующий вид: создание упрощенной объемной модели, оптимизированной для аэродинамических расчетов. Она создана на основе обработанного облака точек, полученного методами лазерного 3Б сканирования. Проводить сканирование не ставилось целью настоящей работы, поэтому для создания модели использованы материалы дипломного проекта [4]. Далее выполнялся импорт данных в систему А№У8. После этого проводилось создание конечно-элементной сеточной модели. Следующим шагом задавались граничные условия и модели турбулентности. Затем производился расчет и анализировались его результаты.
Для проведения численного моделирования выбраны программные пакеты:
¦ Система автоматизированного проектирования ЗоММ^огкБ — создание и редактирование геометрической модели.
¦ Пакет численного моделирования задач газовой динамики АШУ8 Workbench-CFX использовался для создания сеточной модели, препроцессинга, решения и обработки результатов.
Подобные исследования проводились под руководством профессора В. Д. Оленькова на кафедре строительной механики Южно-Уральского государственного университета,
0 чем свидетельствуют публикации сотрудников и студентов университета [3, 4]. В настоящей статье помимо тем, рассмотренных ранее, приведен алгоритм расчета зданий на ветровые воздействия, затронуты вопросы верификации результатов расчета, производимого на основании представленного алгоритма, а также получения входных данных ветрового потока в соответствии с нормативными документами [8], [9] и [10].
Заключение
1 Разработана методика расчета нормативных параметров ветровых воздействий и определения аэродинамических коэффициентов здания, позволяющая учитывать важные факторы — направления ветровых потоков, сочетание форм частей здания.
2 Для определения пульсационной составляющей ветровой нагрузки рекомендуется выполнять нестационарный расчет. Для дополнительной проверки результатов предлагается проводить натурные замеры реальных ветровых воздействий.
3 Произведено сравнение результатов для самого предсказуемого случая — вертикальной стены, и их разница составила менее 3%.
Данная методика имеет большие перспективы развития. Например, при некоторой адаптации этот алгоритм можно применить для оценки пешеходной комфортности прилегающих территорий, а также микрорайонов.
Список использованной литературы
1 Исмагилов Д. Р. Эффективность методов исследования аэродинамических коэффициентов и их производных: выпускная квалификационная работа. Челябинск, 2009.
2 Кривошеева М. В. Обтекание пластины, вращающиейся с постоянной угловой скоростью: научно-исследовательская работа. Челябинск, 2011.
3 Оленьков В. Д., Раменская Л. А., Пронина А. А. Применение технологии информационного моделирования для диагностики технического состояния зданий // Вестник Пермского государственного технического университета. Сер. Строительство и архитектура. Пермь, 2013.
4 Оленьков В. Д., Мостинец А. С., Гречишкин М. В. Реставрация церкви Покрова Пресвятой Богородицы в селе Булзи Челябинской области // Вопросы планировки и застройки городов: материалы XX Междунар. науч. -практ. конф. Пенза, 2013.
5 Пилявский В. И., Славина Т. А., Тиц А. А. История русской архитектуры: учебник для вузов. 2-е изд. СПб., 1994.
6 Дубинский С. И. Численное моделирование ветровых воздействий на высотные здания и комплексы: канд. дис.
7 Пузырев П. И. Моделирование ветровой нагрузки на уникальные здания на примере церкви Покрова Пресвятой Богородицы: научно-исследовательская выпускная квалификационная работа. Челябинск, 2014.
8 СНиП 11−06−04−82. Нагрузки и воздействия. М., 1989.
9 СП 20−13 330−2011. Нагрузки и воздействия. М., 2010.
10 СНиП 11−01−07−85*. Нагрузки и воздействия. М., 2001.
АКАДЕМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК УРАЛНИИПРОЕКТ РААСН 4|2014
89

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой