АЭРОДИНАМИКА СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ / АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ТРУБЫ / МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЕТРОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ / ПОГРАНИЧНЫЙ СЛОЙ / АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ / ВЕТРОВАЯ НАГРУЗКА / AERODYNAMICS OF STRUCTURAL STEEL / WIND TUNNELS / WIND EXPOSURE SIMULATION / BOUNDARY LAYER / AERODYNAMIC COEFFICIENTS / GUST LOAD
Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Поддаева Ольга Игоревна, Дуничкин Илья Владимирович
Дана краткая историческая справка о формировании архитектурно-строительной аэродинамики как отдельной отрасли строительной науки. Перечислены основные методы и подходы к решению задач архитектурно-строительной аэродинамики, а также выполнена классификация задач аэродинамики строительных конструкций по исследуемым объектам и кратко указаны основные особенности исследований по выбранным направлениям. Целью работы является систематизация существующих подходов к оценке ветрового воздействия на строительные конструкции с учетом современных международных требований, а также выбор оптимального метода решения данной проблемы применительно к различным строительным конструкциям. Описано, что в настоящее время исследование ветрового воздействия особенно актуально для высотных зданий и сооружений, строительных конструкций, восприимчивых к динамическим нагрузкам (большепролетные мостовые конструкции, мачты, тонкостенные трубы и др.), а также для жилых микрорайонов с плотной городской застройкой. Для вышеперечисленных объектов проведение аэродинамических исследований на этапе проектирования является необходимым и напрямую связанным с вопросами надежности и безопасности.
Архитектурный комфорт небоскрёбов и аэродинамика
Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Поддаева Ольга Игоревна, Дуничкин Илья Владимирович
Сравнительный анализ результатов расчета инфильтрационных потерь на примере жилого здания в г. Москве
Вопросы прогнозирования микроклимата городской среды для оценки ветроэнергетического потенциала застройки
Влияние пространственной организации реконструируемой жилой застройки на ветроэнергетический потенциал среды
ARCHITECTURAL-BUILDING AERODYNAMICS
This article gives a brief historical digression about the formation of architectural and building aerodynamics as a separate branch of the construction science. The main methods and approaches to the solution of problems of architectural and building aerodynamics are listed; the classification of problems of aerodynamics of structural steel according to the studied objects is given; main peculiarities of the research in selected areas are briefly indicated. The aim of the work is to systematize existing approaches to assessing wind impact on structural steel taking into account some modern international requirements, as well as to choose the optimal method for solving this problem in relation to various structural steel. It is established that, currently, the study about wind impact is especially important for high-rise buildings, structures, and structural steel nonresistant to dynamic loads (long span bridge conduits, gins polarized, thin-shell tubes, etc.), as well as for residential estates with restrained urban conditions. It is necessary to carry-out these aerodynamic studies at the designing stage for the above objects because it is directly related to the issues of reliability and safety.
Аэродинамика для всех – Часть 1 Начало видеокурса
Текст научной работы на тему «Архитектурно-строительная аэродинамика»
аэродинамика в строительстве
УДК 533+72 DOI: 10.22227/1997-0935.2017.6.602-609
О.И. Поддаева, И.В. Дуничкин
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26
АННОТАцИЯ. Дана краткая историческая справка о формировании архитектурно-строительной аэродинамики как отдельной отрасли строительной науки. Перечислены основные методы и подходы к решению задач архитектурно-строительной аэродинамики, а также выполнена классификация задач аэродинамики строительных конструкций по исследуемым объектам и кратко указаны основные особенности исследований по выбранным направлениям.
Целью работы является систематизация существующих подходов к оценке ветрового воздействия на строительные конструкции с учетом современных международных требований, а также выбор оптимального метода решения данной проблемы применительно к различным строительным конструкциям.
Описано, что в настоящее время исследование ветрового воздействия особенно актуально для высотных зданий и сооружений, строительных конструкций, восприимчивых к динамическим нагрузкам (большепролетные мостовые конструкции, мачты, тонкостенные трубы и др.), а также для жилых микрорайонов с плотной городской застройкой. Для вышеперечисленных объектов проведение аэродинамических исследований на этапе проектирования является необходимым и напрямую связанным с вопросами надежности и безопасности.
КЛЮчЕВЫЕ СЛОВА: аэродинамика строительных конструкций, аэродинамические трубы, моделирование ветровых воздействий, пограничный слой, аэродинамические коэффициенты, ветровая нагрузка
ДЛЯ цИТИРОВАНИЯ: Поддаева О.И., Дуничкин И.В. Архитектурно-строительная аэродинамика // Вестник МГСУ. 2017. Вып. 12. № 6 (105).
С. 602-609. DOI: 10.22227/1997-0935.2017.6.602-609
O.I. Poddaeva, I.V. Dunichkin
Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation
ABSTRACT. This article gives a brief historical digression about the formation of architectural and building aerodynamics as a separate branch of the construction science. the main methods and approaches to the solution of problems of architectural and building aerodynamics are listed; the classification of problems of aerodynamics of structural steel according to the studied objects is given; main peculiarities of the research in selected areas are briefly indicated.
The aim of the work is to systematize existing approaches to assessing wind impact on structural steel taking into account some modern international requirements, as well as to choose the optimal method for solving this problem in relation to various structural steel.
It is established that, currently, the study about wind impact is especially important for high-rise buildings, structures, and structural steel nonresistant to dynamic loads (long span bridge conduits, gins polarized, thin-shell tubes, etc.), as well as for residential estates with restrained urban conditions. It is necessary to carry-out these aerodynamic studies at the designing stage for the above objects because it is directly related to the issues of reliability and safety.
KEY WORDS: aerodynamics of structural steel, wind tunnels, wind exposure simulation, boundary layer, aerodynamic coefficients, gust load.
FOR CITATION: Poddaeva O.I., Dunichkin I.V. Arkhitekturno-stroitel’naya aerodinamika [Architectural-Building Aerodynamics]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2017, vol. 12, issue 6 (105), pp.
602-609. DOI: 10.22227/1997-0935.2017.6.602-609
Архитектурно-строительная аэродинамика — раздел аэродинамики в котором изучаются законы движения воздуха и силы, возникающие на поверхности строительных конструкций, относительно которых происходит его движение. В настоящее время вопросы архитектурно-строительной динамики, а именно расчета ветровой нагрузки на здания и сооружения, являются одними из наиболее актуальных для строителей и проектировщиков по
всему миру. это связано в первую очередь с переходом от строительства типовых объектов к уникальным и высотным зданиям и сооружениям со сложными искривленными пространственными конфигурациями, а также использованием современных конструкционных материалов, конструкции из которых являются особо восприимчивыми к динамическому, в т.ч. ветровому, воздействию (рис. 1, 2). Кроме того, за последние десятилетия из-
менился сам подход к проектированию: если ранее проектировщики ориентировались на повышенный запас прочности конструкции, то в настоящее время современные технологии позволяют с достаточной долей точности и достоверности моделировать ветровое воздействие и рассчитывать необходимое значение ветровой нагрузки.
Термин аэродинамика в первую очередь ассоциируется с проблемами аэрокосмической и военной промышленности. Не случайно первые экспериментальные установки, аэродинамические трубы для моделирования ветрового воздействия, предназначались именно для исследования самолетов и артиллерийских снарядов.
Исследования в области аэродинамики летательных аппаратов проводятся с конца XIX века. Аэродинамикой строительных конструкций ученые начали заниматься лишь с середины XX века, в 1934 и 1935 гг. Уоттерс Пагон опубликовал первые работы, в которых проанализировал и систематизировал имеющиеся знания по аэродинамике гражданских зданий и сооружений [1]. В 1950 году Теодор фон Карман провел лекцию о приложениях и аспектах аэродинамики в инженерном секторе [2]. В 1961 году Американское общество гражданских инженеров собрало шесть статей, предлагающих первое внедренное впоследствии в практику описание воздействий ветровых нагрузок на здания [3]. В том же году Алан Давен-порт опубликовал работу, в которой приводились
основы метеорологии, микрометеорологии, климатологии, аэродинамики, строительной механики и теории вероятности, где впервые была собрана однородная модель поведения здания под действием ветровых нагрузок [4].
В МГСУ еще в 60-х годах была основана отечественная научная школа архитектурно-строительной аэродинамики. Основные труды в ее основе были выполнены в это и последующее время профессором Эгоном Ивановичем Реттером [5-6].
Он работал на кафедре архитектуры гражданских и промышленных зданий и сформировал несколько направлений исследовательской работы как в области физических экспериментов, так и в сфере создания и развития эмпирических методов расчета аэродинамики зданий и сооружений. На основании обобщения результатов многочисленных испытаний, проведенных как в аэродинамической трубе, так и на натуре, Реттером был предложен алгоритм расчета ветрового режима в застройке.
Его методика была проверена на расчетах аэрационного режима разных микрорайонов Н.В. Тимофеевым при выполнении исследовательской работы в МГСУ (бывшем МИСИ). Эти расчеты позволили уточнить ряд коэффициентов, входящих в расчетные формулы, и установить границы ее применения. Таким образом в МГСУ была сформирована крупнейшая отечественная научная школа архитектурно-строительной аэродинамики [7].
Рис. 2. Комплекс Ванцзин Сохо, Пекин
Существуют три основных метода расчета ветровой нагрузки на строительные конструкции:
Аналитический метод предполагает использование расчетных методик, приведенных в профильных нормативных документах, а также справочных данных по значениям различных коэффициентов1. Данный метод используется для зданий и сооружений типовой формы, аэродинамические коэффици-
О енты для таких конструкций известны и проведения дополнительных исследований для их уточнения не требуется.
Для уникальных строительных конструкций, ^ форма которых значительно отличается от прими— тивов, рассматриваемых в нормативных докумен-Ю тах, норматив регламентирует проведение экспери-N ментальных исследований в специализированных аэродинамических трубах.
Создание потока, обтекающего модель зда-I™ ния или сооружения в аэродинамической трубе, ^ где исследуется обтекание газом неподвижно закрепленных моделей, — основной и наиболее 2 распространенный метод аэродинамического экс-£ периментального исследования. Одно из его достоинств — возможность испытания моделей сложной ¡^ формы, устанавливаемых под любым углом к на-Ф —
® 1 СП 20.13330.2011. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*.
правлению скорости потока. Кроме того, в аэродинамической трубе можно получить большую продолжительность установившегося режима обтекания модели, что дает возможность использовать разнообразные методы измерения и выполнять всесторонние исследования.
Моделирование турбулентной структуры реальных ветровых режимов, включая вертикальный градиент средней скорости ветра и энергетический спектр ее пульсационной составляющей, как правило, может быть выполнено только в специализированных аэродинамических трубах архитектурно-строительного типа с длинной рабочей частью (не менее 15 м). Здесь структура потока соответствует так называемой пристеночной турбулентности и формируется за счет тех же механизмов, что и в натурных условиях, т.е. в результате взаимодействия с подстилающей поверхностью (полом) трубы и за счет обтекания, расположенных на ней элементов шероховатости (рис. 3). Меняя их размеры и взаимное расположение, можно получать различные градиентные потоки, в т.ч. и соответствующие местностям типов А, В и С (по классификации вышеупомянутого стандарта). Кроме того, при проведении экспериментального моделирования ветрового воздействия для уникальных зданий со сложной пространственной формой кровельного покрытия дополнительно проводится моделирование процессов снегопереноса и снегоотложений.
Рис. 3. Формирование потока в рабочей зоне аэродинамической трубы
Численное моделирование аэродинамики — наиболее молодой и активно развивающийся в настоящее время метод (рис. 4). Это связано прежде всего с бурным ростом возможностей вычислительной техники, позволяющим реализовывать на практике математические модели, адекватно отражающие сложные физические процессы обтекания различных элементов строительных конструкций.
Данный метод позволяет существенно дополнить и расширить результаты экспериментального моделирования, а в некоторых ситуациях — даже частично его заменить. Тем не менее, проведение исследований исключительно методом численного моделирования на данном этапе его развития может лишь сопровождать эксперимент в аэродинамических трубах, поскольку принимаемая расчетная модель в каждом конкретном случае нуждается в верификации с экспериментом. Однако применение численного моделирования совместно с физическим может значительно уменьшить трудоемкость работы2.
Учитывая недостатки методик численного моделирования, а также высокую трудоемкость, продолжительные сроки и высокую стоимость проведения экспериментального моделирования, наиболее оптимальным в настоящее время является комбинированный метод оценки ветрового воздействия на уникальные строительные конструкции. Применение данного метода позволяет наиболее эффективно использовать преимущества указанных методов и получать наиболее полные и достоверные результаты.
Современная архитектурно-строительная аэродинамика решает широкий ряд задач, основными из которых являются:
• расчетно-экспериментальные исследования влияния ветровой и снеговой нагрузки на высотные и уникальные сооружения;
• расчетно-экспериментальные исследования влияния ветровой нагрузки на большепролетные мостовые сооружения;
• расчетно-экспериментальные исследования биоклиматической комфортности городской застройки и аэрации объектов промышленного и специального назначения.
Расчетные значения метеорологических воздействий на здания и сооружения принимаются в РФ в соответствии с нормативом3. Для зданий и сооружений учитываются следующие воздействия ветра: основной тип ветровой нагрузки; пиковые значения ветровой нагрузки, действующие на конструктивные элементы ограждения и элементы их крепления.
Компонентами ветровой нагрузки являются:
Рис. 4. Численное моделирование ветрового воздействия в программном комплексе ANSYS
2 ГОСТ Р 56728-2015. Здания и сооружения. Методика определения ветровых нагрузок на ограждающие конструкции.
внешней поверхности сооружения или элемента;
• силы трения направленные по касательной к внешней поверхности и отнесенные к площади ее горизонтальной или вертикальной проекции;
• нормальное давление м, приложенное к внутренним поверхностям сооружений с проницаемыми ограждениями с открывающимися или постоянно открытыми проемами;
СП 20.13330.2011. Нагрузки и воздействия.
• проекции wx и wy внешних сил в направлении осей х и у, обусловленных общим сопротивлением сооружения;
• крутящий момент т относительно оси г;
• опрокидывающие моменты т, т относительно осей х и у.
Соответственно можно выделить основные задачи модельных исследований зданий и сооружений в аэродинамических трубах:
• определение распределения аэродинамического коэффициента внешнего давления ср по поверхности исследуемого объекта;
• определение интегральных аэродинамических коэффициентов лобового сопротивления с, поперечной силы су и крутящего момента т.
Основой любых исследований ветрового воздействия является климатический анализ. На данном этапе исследований проводится оценка ветрового режима пограничного слоя атмосферы в районе застройки (изменение скорости ветра с высотой над поверхностью земли, масштаб и энергетический спектр турбулентности, экстремальные значения скорости ветра и его порывов) и получается та априорная информация, которую необходимо задавать при моделировании ветровых нагрузок на высотное здание в аэродинамической трубе или программном пакете.
Физический эксперимент на стадии подготовки предполагает проектирование и создание модели исследуемого объекта. При проведении классического аэродинамического эксперимента основным параметром моделирования является геометрическое подобие модели натурному объекту. При проектировании макета необходимо предусматривать
возможность воспроизведения отдельных архитектурных элементов в масштабе, выбранном в зависимости от размеров рабочей зоны используемой аэродинамической установки, а также размещение измерительного оборудования. Классическим в данном случае является эксперимент без определения деформационных параметров объекта, в котором макеты могут быть использованы с целью определения давления на поверхности здания, интегрального распределения ветровых нагрузок на здание, а также снеговых нагрузок. В случае же, если исследуются гибкие (аэроупругие) конструкции, помимо геометрического подобия моделируются и массово-инерционные и частотные характеристики реального объекта и при проведении экспериментальных исследований, помимо указанных выше аэродинамических коэффициентов, характеризующих ветровую нагрузку на объект, исследуется возможность возникновения эффектов аэродинамической неустойчивости, таких как вихревой резонанс, галопирование, флаттер и др. Проведение исследований ветрового воздействия в данном случае представляется особо актуальным, так как известны случаи потери устойчивости гибких сооружений и даже их разрушения в результате ветрового воздействия (рис. 5).
Отдельным рядом задач архитектурно-строительной аэродинамики являются исследования биоклиматической комфортности городской застройки и аэрации объектов промышленного и специального назначения. Вопросы, связанные с определением комфортности пешеходных зон, не имеют подробного описания ни в технической литературе, ни в нормативной документации как на территории РФ,
Рис. 6. Расчетно-экспериментальные исследования биоклиматической комфортности городской застройки
так и в зарубежных странах (единственным нормативным документом по ветровому комфорту является стандарт Нидерландов 8100). Тем не менее, работы по данному направлению активно ведутся и становятся все более актуальными, особенно для крупных городов с плотной жилой застройкой. В процессе исследований анализируется характер распространения и скорости ветровых потоков на территории исследуемого участка застройки, выявляются дискомфортные зоны с повышенными скоростями ветра, а также застойные зоны, где возможны повышенные концентрации вредных веществ в виде газов и химически-активной пыли. По результатам проведения исследований можно сделать выводы о качестве предлагаемого проектного решения и, в случае необходимости, о проведении мероприятий по его оптимизации путем проектирования соответствующего размещения зеленых насаждений или/и ветрозащитных конструкции [8, 9].
В настоящее время проблемой моделирования ветровых воздействий на территории РФ занимаются организации и лаборатории, оснащенные аэродинамическими трубами: Лаборатория по аэродинамическим и аэроакустическим испытаниям строительных конструкций (УНПЛ ААИСК) НИУ МГСУ, г. Москва; Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского (ЦАГИ), г. Жуковский Московской области; УНИКОН, г. Новосибирск; ЦНИИ им. А.Н. Крылова, г. Санкт-Петербург; МГУ им. ломоносова, г. Москва. УНПл ААИСК оснащена уникальной
аэродинамической трубой архитектурно-строительной типа с рабочей зоной более 15 м (18,9 м). Несмотря на недолгое время существования лаборатории, за 6 лет с момента создания в УНПЛ АА-ИСК накоплен достаточно большой опыт в области исследования аэродинамики строительных конструкций. Ведутся исследования по разработкам и совершенствованию методов проведения экспериментальных исследований в аэродинамической трубе архитектурно-строительного типа, включающей проектирование и строительство макетов уникальных зданий и сооружений [10], а также мостовых конструкций [11], и методику экспериментального моделирования ветровых воздействий [12, 13]. Выполняются исследования по вопросам разработки методов численного [14, 15] и расчетно-экспери-ментального моделирования ветровых и снеговых воздействий на здания и сооружения [16].
В целом развитие архитектурно-строительной аэродинамики является одним из приоритетных направлений современной строительной науки. Комплексное внедрение существующих методик исследования, а также их совершенствование, позволяет оптимизировать затраты при проектировании, строительстве и эксплуатации уникальных сооружений, а также способствует повышению надежности конструкций, их долговечности, улучшению их эксплуатационных качеств, уменьшению риска причинения вреда персоналу, имуществу физических или юридических лиц и окружающей природной среде.
Источник: cyberleninka.ru
Аэродинамика зданий
научная дисциплина, изучающая воздушные потоки, возникающие около зданий и внутри них под действием ветра, разности температур внутреннего и наружного воздуха, вентиляции (См. Вентиляция) и осуществляемых в помещениях производственных процессов (см. также Аэрация зданий).
Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . 1969—1978 .
Смотреть что такое «Аэродинамика зданий» в других словарях:
аэродинамика зданий — Научная дисциплина, которая изучает воздушные потоки, возникающие около зданий и внутри них под действием ветра и разности температур внутреннего и наружного воздуха, вентиляции и под влиянием производственных процессов [Терминологический словарь … Справочник технического переводчика
АЭРОДИНАМИКА ЗДАНИЙ — научная дисциплина, которая изучает воздушные потоки, возникающие около зданий и внутри них под действием ветра и разности температур внутреннего и наружного воздуха, вентиляции и под влиянием производственных процессов (Болгарский язык;… … Строительный словарь
Строительная физика — совокупность научных дисциплин (разделов прикладной физики (См. Физика)), рассматривающих физические явления и процессы, связанные со строительством и эксплуатацией зданий и сооружений, и разрабатывающих методы соответствующих инженерных… … Большая советская энциклопедия
Вентиляция — (от лат. ventilatio проветривание) регулируемый воздухообмен в помещении, а также устройства, которые его создают. В. предназначена для обеспечения необходимых чистоты, температуры, влажности и подвижности воздуха. Эти требования… … Большая советская энциклопедия
Польша — (Polska) Польская Народная Республика (Polska Rzeczpospolita Ludowa), ПНР. I. Общие сведения П. социалистическое государство в Центральной Европе, в бассейне рр. Висла и Одра, между Балтийским морем на С., Карпатами и… … Большая советская энциклопедия
Греция — I Греция Древняя, Эллада (греч. Hellás), общее название территории древнегреческих государств, занимавших Ю. Балканского полуострова, острова Эгейского моря, побережье Фракии, западную береговую полосу Малой Азии и распространивших своё… … Большая советская энциклопедия
Лауреаты Государственной премии СССР в области науки и техники (1980—1991) — Содержание 1 1980 2 1981 3 1982 4 1983 5 1984 6 1985 … Википедия
Греция (Королевство Греция) — Греция (Hellas), Королевство Греция (Basfleion tes Hellados). I. Общие сведения Г. государство в Юго Восточной Европе. Занимает важное географическое положение в восточной части Средиземноморья, находясь близ Азии и Африки. Включает южную часть… … Большая советская энциклопедия
Чаплыгин, Сергей Алексеевич — В Википедии есть статьи о других людях с такой фамилией, см. Чаплыгин. Сергей Алексеевич Чаплыгин … Википедия
МЕХАНИКА — раздел физики, в котором изучается движение тел под действием сил. Механика охватывает очень широкий круг вопросов в ней рассматриваются объекты от галактик и систем галактик до мельчайших, элементарных частиц вещества. В этих предельных случаях… … Энциклопедия Кольера
Источник: dic.academic.ru
АЭРОДИНАМИКА ЗДАНИЙ
АЭРОДИНАМИКА ЗДАНИЙ, научная дисциплина, изучающая возд. потоки, возникающие около зданий и внутри них под действием ветра, разности темп-р внутр. и наружного воздуха, вентиляции и осуществляемых в помещениях производств. процессов (см. также Аэрация зданий).
Лит.: Реттер Э. И. и Стриже-н о в С. И., Аэродинамика зданий, М., 1968.
Смотреть что такое АЭРОДИНАМИКА ЗДАНИЙ в других словарях:
АЭРОДИНАМИКА ЗДАНИЙ
научная дисциплина, изучающая воздушные потоки, возникающие около зданий и внутри них под действием ветра, разности температур внутреннего и на. смотреть
АЭРОДИНАМИКА ЗДАНИЙ
научная дисциплина, которая изучает воздушные потоки, возникающие около зданий и внутри них под действием ветра и разности температур внутреннего и наружного воздуха, вентиляции и под влиянием производственных процессов
(Болгарский язык; Български) — аеродинамика на сгради
(Чешский язык; Čeština) — aerodynamika budov
(Немецкий язык; Deutsch) — Aerodynamik von Gebäuden
(Венгерский язык; Magyar) — épületek aerodinamikája
(Монгольский язык) — барилгын аэродинамик
(Польский язык; Polska) — aerodynamika w budownictwie
(Румынский язык; Român) — aerodinamică a clădirilor
(Сербско-хорватский язык; Српски језик; Hrvatski jezik) — aerodinamika zgrada
(Испанский язык; Español) — aerodinámica de las edificaciones
(Английский язык; English) — aerodynamics of buildings
(Французский язык; Français) — aérodynamique des bâtiments
Источник: Терминологический словарь по строительству на 12 языках
. смотреть
Источник: bse.slovaronline.com
Аэродинамика в строительстве
На территории Национального исследовательского Московского государственного строительного университета (НИУ ФГБОУ ВПО «МГСУ») завершается строительство аэродинамического испытательного комплекса, специализирующегося на объектах строительства. Об этом новом научно-практическом направлении деятельности университета мы попросили рассказать первого проректора МГСУ Олега Егорычева.
— Олег Олегович, как возникла идея создания аэродинамической трубы для строительно-архитектурной отрасли?
— Идея создания установки или испытательного полигона для физического моделирования воздействия воздушных потоков на здания и сооружения появилась достаточно давно. Дело в том, что задачи серьезного моделирования не решаются одним методом. В частности, компьютерное моделирование по своей сути отличается от моделирования физического, поэтому, как правило, используется несколько методик, и желательно — принципиально разных.
В последние годы государство начало направлять целевые средства для формирования современной лабораторно-исследовательской базы, и у нашего Университета появилась практическая возможность реализации этого крайне необходимого проекта.
— В нашей стране есть аэродинамические трубы, предназначенные для решения вопросов строительства?
— В Советском Союзе исследованиям в сфере влияния ветровых потоков на достаточно большие модели (здания и комплексы зданий, большепролетные конструкции мостов, другие инженерные сооружения), конечно, уделялось немало внимания. Были исследования аналитические численные, хотя возможности вычислительной техники тех времен, скажем так, оставляли желать лучшего. По специализированной экспериментальной базе постоянной системной работы, как таковой, не существовало.
— Вы имеете в виду специальные аэродинамические трубы для строительства? Трубы для авиации существуют достаточно давно.
— Конечно, для авиации, автомобильной отрасли, для целей ВПК было построено немало испытательных лабораторий такого рода (в том числе и сверхзвуковых), и накоплен гигантский опыт. В части авиационной аэродинамики СССР и Россия всегда были очень сильны, но строительство и градостроительство — это совсем другая область.
— Самолеты, автомобили, поезда и т. д. имеют относительно небольшие размеры в сравнении с домами, большепролетными сооружениями, мостами, а тем более, с градостроительными комплексами (городскими районами, микрорайонами и т.д.). На них воздействуют другие воздушные потоки, и дело не только в скорости. Наши большеразмерные модели не летают, но на их поверхностях имеют место существенные изменения потоков воздуха по плотностям, по температуре и т.д. Например, здание высотой 200 м может испытывать нагрузки, весьма различающиеся не только по скорости и направлению ветра, но и по температуре потоков.
Но основное отличие заключается в том, что ветровые потоки вблизи земли состоят из множества вихрей, которые возникают в результате трения воздушных масс о землю, строения, мосты, деревья и т. д. Поэтому на здания воздействует не равномерный поток, а совокупность разнообразнейших вихрей. Приведу простой пример: на фасадах здания МГУ, что на Воробьевых горах, есть несколько мест, где снег всегда летит вверх, что обусловлено наличием устойчивых вихрей, которые формируют воздушный поток. Именно поэтому при постановке эксперимента необходимо воздействовать на модель специально сформированным турбулентным потоком, моделирующим ветровой поток над урбанизированной территорией.
Лейбман Михаил Евгеньевич, проректор по научно-производственной деятельности, заместитель председателя НТС МГСУ:
Аэродинамические трубы, используемые в авиационной промышленности, изначально предназначены для решения совершенно иных задач. Разработчиков авиационной техники интересуют, в первую очередь, аэродинамические процессы, происходящие при обтекании потоком набегающего воздуха твердого тела, например, самолета, летящего на определенной высоте, а мы собираемся моделировать процессы в приземном воздушном слое. Но нужно хорошо понимать, что воздушный поток у земной поверхности совсем не такой, как на высоте 1 километр и более! Поэтому авиационные специалисты стремятся «распрямить» поток в аэродинамической трубе и сделать его ламинарным, а у нас, напротив, — сложнейшая система различных аэродинамических сопротивлений, позволяющих моделировать приземный турбулентный поток, «разбитый» на множество вихрей. Более того: в рабочей зоне нашей трубы мы сможем моделировать особенности фонового ветрового режима конкретного района — задача крайне непростая и очень интересная!
— Нет, конечно! Существуют специальные методы, объединенные в теорию подобия, позволяющие с достаточной точностью моделировать ветровой поток, не прибегая к строительству точной копии реально существующей застройки.
Основная задача трубы как раз и заключается в том, чтобы сформировать «правильный» поток. Для понимания сложности этой задачи скажу, что объем, в котором располагается поворотный круг с испытываемой моделью, имеет размеры 3×4×2,5 м, а для того, чтобы «закрутить» поток так, как нужно, предназначена рабочая зона — участок трубы длиной 18,9 м, в котором размещаются специальные аэродинамические сопротивления. Методика измерений тоже чрезвычайно важна, но если поток сформирован неправильно — оценить реальное воздействие ветра на объект не получится, какой бы высокой ни была точность измерений.
Наша аэродинамическая труба построена по кольцевой схеме. Размеры рабочей зоны 18,9×4×2,5 м, максимальная скорость потока — до 30 м/с. Эта цифра выбрана не случайно. Известно, что скорость ураганного ветра может достигать 40 м/с, но на суше ветра свыше 30 м/с случаются крайне редко. Кроме того, для физического моделирования нет необходимости разгонять поток до ураганных скоростей.
Перед нами не стоит задача разрушить макет, а разрушит ли ураган реальный объект, модель которого мы испытываем, — можно понять на испытаниях в аэродинамической трубе при существенно меньших скоростях.
— Исследования воздушных потоков относятся скорее к аэродинамике, чем к строительству. Вы вторгаетесь в чуждую отрасль науки?
— Все, что я рассказывал о свойствах и поведении воздушных потоков, в частности, и газов вообще — тематика, конечно, не совсем строительная. Можно говорить, что это относится больше к механике сплошной среды, к классической аэродинамике или к вихревой аэродинамике, но суть заключается в том, что мы должны не просто правильно сформировать поток.
Мы должны еще правильно размещать модели и правильно измерять интересующие нас параметры. Вот именно здесь скрыта собственно строительная часть! Что нужно поместить в эту трубу, и какие параметры померить — вопросы очень непростые. Необходимо понимание того, как проектируются здания, на что следует обратить особое внимание, где расположены узлы, которые могут повлиять на устойчивость сооружения — для этого необходимы специалисты, досконально разбирающиеся во всех аспектах строительства и градостроительства.
— В первую очередь, устойчивость, динамические нагрузки: выдержит–не выдержит, упадет–не упадет, как будет колебаться, поведение ограждающих конструкций, теплофизика. Дело в том, что все здания представляют собой динамические конструкции, они «дышат». В частности, наше здание оборудовано очень серьезной системой мониторинга, которая функционирует уже три года, и мы знаем, что сейчас оно «гуляет» примерно на 50 мм, а в сильный ветер — до 200 мм. Эти величины находятся в расчетном диапазоне, и ничего страшного в этом нет. Амплитуда колебаний верхушки Останкинской телебашни достигает 7 м, а максимальное теоретическое отклонение вершины при максимальных расчетных скоростях ветра — 11,65 м.
— Экспериментальные установки такого рода и на Западе появились не так давно. Первые аэродинамические трубы для испытания архитектурно-строительных объектов, которые у них, кстати, называются не трубами, а тоннелями, были созданы всего лет 25–30 назад. Сейчас их достаточно много. Помимо занятий высокой наукой они решают и вполне утилитарные задачи, отвечая на очень конкретные вопросы градостроительного, строительного и экологического характера.
Поддаева Ольга Игоревна, руководитель Учебной научно-производственной лаборатории по аэродинамическим и аэроакустическим испытаниям строительных конструкций (УНПЛ ААИСК), начальник Центра управления научной и инновационной деятельностью (ЦУНИД), доц. каф. «Теоретическая механика и аэродинамика», к.т.н.:
Аналогичные испытательные комплексы есть, например, в Техническом университете Мюнхена — TUM (Германия), Политехническом университете Милана — PTdM (Италия), а также в филиале Научно-технического центра по строительству в Нанте — CSTB (Франция). Но в России это первая и пока единственная труба для испытания строительных конструкций, имеющая в рабочей зоне то самое расстояние 18,9 м, которое достаточно для моделирования приземного вихревого потока. Европейские специалисты помогали нам советами, но проектировали мы своими силами, а изготавливалось оборудование на заводе в Тольятти. Нас очень интересовал международный опыт, поскольку мы увеличиваем активность взаимодействия с международным академическим сообществом в части исследований, стажировок и т.д.
— Следует отметить, что мы не «зацикливаемся» только на физическом моделировании. В МГСУ достаточно хорошо развито направление численного моделирования с помощью существующих или адаптированных программных пакетов. Аэродинамическая труба предоставляет нам дополнительные возможности изучения проблемы с разных позиций, но далеко не все объекты нуждаются в обязательной продувке. Существуют решенные типовые задачи, где очень хорошо показывают себя математические методы, а есть объекты, требующие именно физических исследований.
К числу классических задач физического моделирования в строительно-архитектурной области можно отнести испытания моделей мостов и других большепролетных конструкций, высотных зданий и прочих уникальных сооружений. Дело в том, что даже самые совершенные численные методы нуждаются в использовании определенных поправочных коэффициентов, и зачастую после физического моделирования приходится пересматривать эти математические модели, поскольку результаты далеки от реальности.
Есть и другие не менее интересные градостроительные задачи, такие, например, как влияние подземных транспортных тоннелей на экологию городской среды. Поверьте, это совсем не пустой вопрос! В ряде европейских городов до принятия окончательного решения по ориентации входа и выхода тоннеля проводилось очень серьезное физическое и численное моделирование, позволяющее оценить распределение воздушных потоков и определить уровень негативного влияния «выхлопов» из тоннеля на близлежащие кварталы (в том числе и с учетом возможных террористических актов и экологических катастроф). Известны случаи, когда после проведения такого анализа выезд из тоннеля разворачивали почти на 90º и направляли в сторону русла реки, поскольку именно там плотность населения минимальна, а, следовательно, минимальны и прогнозируемые потери при разного рода аварийных ситуациях.
Изучение проблемы пространственного распространения вредных выбросов промышленных предприятий, крупных транспортных магистралей и т.п. — задача не только эколого-градостроительная, но и климатическая. Это очень интересная область, и во всем мире такие задачи стремятся моделировать с помощью подобных установок. При этом в большинстве случаев заказчиком исследований выступают не строительные организации, а территориальные субъекты или крупные корпорации, которые стремятся понять, как их деятельность повлияет на экологическую ситуацию в конкретном регионе.
Есть и куда более приземленные, но, тем не менее, очень важные вопросы. Приведу простой пример: на территории существующей застройки возводится дом, в результате чего резко меняется аэродинамическая ситуация и, как следствие, комфортность среды. Люди порой просто-напросто не могут открыть дверь в подъезд из-за изменившегося ветрового потока!
Или постоянно дующий ветер формирует на локальном участке снежный занос высотой 2-3 метра. Вроде и снегопады не слишком обильные, и ветер не сильный, но направление воздушного потока таково, что создаются заносы, с которыми снегоуборочная техника оказывается не в состоянии справиться! Это всё примеры из реальной жизни, и эти задачи можно успешно решать, в том числе и с помощью методов физического моделирования.
Еще одна очевидная область исследований — испытания строительных объектов на сопротивляемость, динамическую устойчивость, энергоэффективность ограждающих конструкций и т.д. В данном случае может идти речь о снижении стоимости объекта. Такие испытания позволяют не закладывать избыточную прочность здания, которая влечет за собой удорожание стоимости фундамента и несущих конструкций, но практического смысла не имеет. А по энергоэффективности: у нас появляется возможность детально учесть охлаждающее воздействие воздушных потоков на здание и скорректировать решение по утеплению ограждающих конструкций.
Дуничкин Илья Владимирович, с.н.с. УНПЛ ААИСК, доц. каф. «Проектирование зданий и градостроительство», к.т.н.:
Для России эта аэродинамическая труба фактически является технологическим прорывом в сфере строительства, архитектуры и градостроительства. Мы создаем уникальный комплекс, на котором можно будет проводить эксперименты, беспрецедентные по своей значимости. В частности, до сих пор ниша экологического аудита была неполной именно из-за того, что при попытке сформировать устойчивую архитектуру у проектировщиков не было достаточной информации для принятия правильных решений. И эту информацию можно будет получить как раз при помощи нашего строящегося комплекса. Новая аэродинамическая испытательная установка будет востребована в научно-прикладной части экспериментального проектирования уникальных объектов, а также объектов, связанных с «Зеленой архитектурой».
— Есть ли необходимость продувки высотных зданий в аэродинамической трубе?
— Высотные здания, как один из видов уникальных зданий, требуют пристального изучения, в особенности с точки зрения воздействия вихрей, потому что нередки случаи, когда вместо ветрового напора на поверхности возникает зона отрицательного давления. Как известно, в строительстве подавляющее большинство ограждающих конструкций (остекление, панели и т.п.) рассчитываются на сопротивление давлению, а на отрыв — нет. Происходит разрушение ограждающих конструкций на некоторых высотных объектах за гораздо более короткий срок, чем предусмотрено проектом. И не потому, что их плохо закрепили, а потому, что при проектировании не было полного понимания того, какому воздействию они будут подвергаться в процессе эксплуатации.
Но мало исследовать модель того или иного здания или сооружения. Необходимо сертифицировать отработанные методики, позволяющие с высокой степенью точности рекомендовать конкретные проектные решения.
— Ваша цель, как Национального исследовательского университета, заключается в выработке методик или в решении конкретных задач?
— Решение конкретных задач и выработка методик на основе этих решений. Зарубежный опыт и передовые решения не могут быть на 100% перенесены на нашу территорию, потому что они разрабатывались для других объектов, построенных из других материалов и предназначенных для эксплуатации в других климатических зонах. И это нормально! Все страны производят свои материалы и производят их по-своему. Несмотря на наличие более или менее унифицированной нормативной международной базы существуют и национальные стандарты, учитывающие исторические, производственные, сырьевые и прочие национальные особенности.
— Строительство испытательного стенда входит в завершающую стадию. Какие исследования вы планируете осуществить после введения в строй этой уникальной аэродинамической трубы?
— В планах на будущий год стоит проведение натурных испытаний. Мы собираемся оборудовать высотный корпус нашего комплекса МГСУ необходимым количеством датчиков, которые будут измерять не только динамику его колебаний, но и воздействие воздушного потока (скорость, температура и прочее). Одновременно мы будем моделировать данную ситуацию на компьютере и в аэродинамической трубе, что позволит рассматривать задачу с трех сторон: что в реальности происходит с конкретным зданием, что показывают математические программные пакеты и что показывает физическое моделирование. Физическое моделирование моделей зданий позволяет получить точные результаты, однако окончательную картину важно сопоставить с замерами на реальном объекте. Кроме того, мы намереваемся серьезно заняться исследованиями экологической обстановки внутри урбанизированных территорий, используя результаты этих исследований.
Мы не собираемся останавливаться на достигнутом. Еще одна тема, востребованность которой возрастает с каждым днем, — это возобновляемые источники энергии и энергетика урбанизированных территорий. И выбор тут невелик: солнце и ветер, но при грамотном подходе совместное использование ветрогенераторов и солнечных панелей способно дать очень неплохие результаты.
Мы пытаемся не только осмыслить эту проблему, но и проверить на практике эффективность современных технологий возобновляемых источников энергии и возможность их применения в условиях крупного мегаполиса. На крыше одного из корпусов МГСУ уже установлена одна ветроэнергетическая установка. Мы собираемся смонтировать еще три установки разных типов для того, чтобы сравнить их эксплуатационные характеристики и на практике оценить реальную эффективность каждого из них в условиях существующей застройки, характерной для крупных российских городов.
По ряду ситуаций может быть получена оценка территории в целом с элементами застройки, могут быть получены рекомендации по размещению ветроэнергетических установок, причем как на зданиях, так и на территории. Кроме того, сейчас уже ставится новая практическая задача по расположению фотоэлектрических элементов.
Технологии фотовольтаики активно внедряются в архитектуру, но пока не ясно, в каком режиме они будут эксплуатироваться, как на них повлияет ветровая нагрузка. Там в ряде случаев не учтен ветровой фактор, и некоторые панели просто отрывает ветром. Если фотоэлектрические панели будут разрушаться под воздействием ветровой нагрузки — это будет очень дорогое удовольствие. Поэтому, выходя на решение практических задач, нужно очень четко рассматривать цикл эксплуатации, а необходимые данные можно будет получить, проведя эксперимент в трубе, которую мы сейчас строим.
У нас есть Научно-образовательный центр компьютерного моделирования, ряд сотрудников которого занимается численным моделированием аэродинамических и ветровых потоков. Очень интересно сравнить результаты физического эксперимента с численным моделированием, понять, в чем заключаются расхождения, и внести соответствующие коррективы. А если эти данные объединить с проведением натурных экспериментов, то можно получить результаты, близкие к идеальным. Мы планируем разместить на нашем высотном здании специальные датчики и провести этот «тройственный» эксперимент после введения в строй большой аэродинамической трубы.
Мы оценивали мировой опыт в этой области и можем сказать, что он невелик. Такой «тройственный» эксперимент требует очень серьезной подготовки, но сравнение этих трех вариантов позволяет получить максимально приближенную к реальности методику исследования воздействия ветровых нагрузок на здания и распространения ветровых потоков в городской застройке.
Орехов Генрих Васильевич, заместитель руководителя УНПЛ ААИСК, зав. каф. «Использование водной энергии», к.т.н.:
Самое интересное в нашей лаборатории, может быть, даже не только проточная часть и общие размеры строящейся аэродинамической трубы (размеры рабочей зоны 18,9×4×2,5 м, длина оси замкнутого контура — 96 м, внешние габариты 41×21,25×6,91 м, скорость формируемого потока от 0,1 до 30 м/с), а уникальная аппаратура, которая позволяет видеть то, что человеческий глаз увидеть не в состоянии. Это так называемая «Лазерная система цифровой трассерной визуализации», а проще говоря — система визуализации потока, которая дает нам возможность посмотреть, что же происходит при обтекании тех или иных объектов. Это очень важно для решения различных строительных или технологических задач, с которыми нам постоянно приходится сталкиваться.
Область, в которой располагается модель, специальным образом освещается лазерной головкой. Отраженный свет лазера фиксируется двумя уникальными видеокамерами, и после соответствующего обсчета с использованием специальных программ мы получаем картину течения воздушного потока, которая выводится на монитор. Камеры выдают настолько много информации, что продолжительность ее компьютерной обработки исчисляется буквально сутками.
От редакции: МГСУ как Национальный исследовательский университет ведет большую научно-исследовательскую работу по созданию новых строительных технологий и материалов. В следующих номерах мы планируем знакомить читателей журнала с наиболее перспективными инновационными разработками Университета.
Источник: stroi.mos.ru