Регулирование ветрового режима является важнейшей архитектурно-климатической задачей, решаемой на градостроительном уровне. Возможность создания благоприятных условий аэрации, влияющей на биоклиматическую комфортность, условия рассеивания загрязняющих веществ и естественную вентиляцию зданий зависит от ветрового климата района строительства и планировочного решения застройки. В статье представлены результаты анализа воздействия трех условных типов застройки – «город-чаша», «город-холм» и «город-равнина» – на поле ветра в ветровых, умеренно-ветровых и штилевых условиях.
Сравнительный анализ статистических параметров полей скорости ветра, полученных путем математического моделирования, позволил выявить наиболее оптимальные градостроительные решения для различных ветровых климатов. Сделанные выводы дают возможность градостроителям и архитекторам в первом приближении оценить проектное решение с позиции необходимости и достаточности климатозащитных функций городской застройки.
В современной России стало распространенной тенденцией привлекать к проектной подготовке всех этапов строительства (от генплана города до ПС частного коттеджа) иностранные фирмы, ранее никогда не работавшие в природно-климатических условиях России, отличающейся большей (по сравнению с Европой и США) выраженностью сезонов, суровостью зим и летними волнами жары. В таких условиях слепое копирование образцов международного стиля, пусть даже самых удачных, может привести к серьёзным градостроительным ошибкам. Поэтому каждый раз, приступая к архитектурному и градостроительному проектированию, необходимо со всей внимательностью изучить природно-климатические условия района строительства, выявить основные неблагоприятные факторы, разработать перечень мероприятий по оптимизации микроклимата архитектурно-градостроительной среды, определить приоритет и порядок их применения. Какие-то задачи потребуется решать на градостроительном уровне, другие можно перенести на процесс архитектурного проектирования [1, 2].
Чтение ветра в стрельбе. Часть первая ,начало
К числу архитектурно-климатических задач, вытекающих из природно-климатических условий России и решаемых на градостроительном уровне, прежде всего, относится задача регулирования ветрового режима. Для ветровых районов это – защита городской территории от избыточных ветровых нагрузок и связанных с ними теплопотерь зданий и холодового стресса в холодное время года. В штилевых районах решение этой задачи должно быть направлено на максимальное сохранение аэрационного потенциала застройки и обеспечение естественной вентиляции внутренней и внешней среды зданий и биоклиматической комфортности территории застройки, особенно в теплое время года.
С целью выявления оптимальных планировочных градостроительных решений для районов с различным ветровым климатом (штилевой, умеренной, ветровой) было выполнено исследование ветрового режима типовых приемов застройки. Решение поставленной задачи произведено путем математического моделирования вынужденной (динамической) и индуцированной термической конвекции в трёх условных (упрощенных) архитектурно-градостроительных ландшафтах, имеющих характерные горизонтальные сечения («skyline») (Рис. 1(a-c)).
Архитектура и конструкции дома. Учитываем ветер. Урок 4
Рис. 1. Общий вид моделируемых типов застройки: «город-чаша»; «город-холм»; «город-равнина»
Первый тип: малоэтажная центральная часть застройки с увеличением высоты зданий к периферии – «город-чаша» (Рис. 1а). К городам этого типа относятся, как правило, современные, расположенные на спокойном рельефе города с небольшим по площади охраняемым историческим архитектурным ландшафтом в центральной части и развитой многоэтажной периферией. К этому же типу относятся многие древние города, от средних до крупных (по принятой классификации [1]), с преимущественно средне– и малоэтажной застройкой, расположенные в пониженных формах рельефа – Душанбе, Бишкек, Иерусалим и т.д.
Рис. 2. «Город-чаша» Душанбе (фото с сайта https://elordenmundial.wordpress.com)
Второй тип: высотная центральная часть застройки с низкими зданиями по периферии – «город-холм» (Рис. 1b). Города этого типа характерны для США, Канады и ряда других постиндустриальных стран. В центральной части этих городов, где стоимость земли наиболее высока, расположены высотные здания коммерческо-делового и административного назначения, далее к периферии идёт много– и среднеэтажная застройка смешанного назначения, а крайняя периферия и пригороды заняты малоэтажной индивидуальной жилой застройкой с большой долей озеленения. Это, как правило, современные большие и крупные города, не имеющие исторической части.
Рис. 3. «Город-холм» Окленд, Новая Зеландия (фото с сайта http://wallbox.ru)
Третий тип: все здания в застройке примерно одинаковой высоты – «город-равнина» (Рис. 1c). Этот тип застройки широко распространен среди современных и позднесредневековых городов, расположенных на относительно спокойном рельефе, имеющих большой по площади охраняемый архитектурный ландшафт в центральной части и регулируемую по высотности застройку периферии. К числу таких городов относятся многие столицы европейских стран. В России примером такого города может служить Санкт-Петербург.
Рис. 4. Париж – типичный «город-равнина» (фото с сайта http://wallbox.ru)
Математическое моделирование ветрового режима в городской застройке выполнялось с использованием программного комплекса ENVI-met v. 3.1, включающего вихреразрешающую негидростатическую аэродинамическую модель, описывающую физические процессы мезо– и микромасштабной циркуляции воздуха с учетом его молекулярного и радиационного теплообмена со зданиями и подстилающей поверхностью. Кроме того, в модель включен расчетный модуль, учитывающий влияние инсоляции на тепловой баланс территории и зданий, попадающих в моделируемую область, и дополнительные встроенные расчетные модули, учитывающие влияние растительности и теплофизических характеристик зданий и сооружений на вынужденную (динамическую) и индуцированную городской застройкой термическую конвекцию.
Указанные особенности отличают использованную модель от других т.н. CFD1 моделей, применяющихся в строительстве и архитектуре и описывающих только вынужденную конвекцию и турбулентность, возникающие при обтекании препятствий. Без учета этих механизмов моделируемые микроклиматические параметры городской среды часто существенно отличаются от результатов инструментальных наблюдений [4]. Программная реализация математического аппарата модели ENVI-met, основанного на конечно-разностной схеме решения уравнений Навье-Стокса, выполнена специалистами Географического института Рурского университета (г. Бошум, Германия) [5].
Способность застройки за счет своей структуры модифицировать поле ветра оценивалась путем моделирования деформации воздушного потока (динамической конвекции). Всего было выполнено 6 вариантов численного моделирования аэродинамической ситуации – для каждого из трех вариантов застройки рассчитывались поля скоростей ветра при двух его направлениях: параллельно линиям застройки и под углом 45к ним. Номера вариантов расчетов для ветра, параллельного застройке – 1.1, 2.1, 3.1 (первая цифра варианта расчета означает номер варианта застройки), для ветра, дующего под углом 45к линиям застройки – 1.2, 2.2 и 3.2.
Для обеспечения сопоставимости результатов моделирования все виды застройки были сформированы из одинакового количества зданий (57) с прямоугольным планом размером 12×12 м высотой от 10 до 50 м и имеющим одинаковый суммарный строительный объем (2130 м3). Во всех вариантах размеры моделируемой территории застройки составляют 360×360 м, количество узлов расчетной сетки – 14641. Результаты некоторых вариантов расчета представлены на Рис. 5 – 7.
На Рис. 5(a-c) и Рис. 6(a-c) представлена графическая интерпретация результатов расчетов в виде вертикального сечения поля скорости ветра по линии его потока, секущей центральную линию застройки вдоль потока и перпендикулярно к нему.
Выводы, которые можно сделать путем качественного анализа этих изображений, касаются пространственного распределения направлений и скорости ветра в различных типах застройки. Из Рис. 5(a-c) и Рис. 6(a-c) видно, что застройка, работая как единый массив, снижает среднюю скорость ветрового потока до 30-40% от фоновой уже на высоте ¾ от средней высоты зданий.
Это снижение находится примерно на одинаковом уровне по всему треку воздушного потока через массив застройки (Рис. 5(а-с)). Есть очевидные различия в скорости ветра в верхней части застройки и над ней, о которых здесь мы не будем говорить, поскольку они повторяют общие закономерности обтекания воздушным потоком отдельного препятствия, достаточно хорошо изученные (см., например, И.Э. Реттер «Архитектурно-строительная аэродинамика»; Серебровский Ф.Л. «Аэрация жилой застройки» и др.).
Рис. 5 (a-c). Вертикальный разрез поля скорости ветра (продольный) при динамической конвекции: «город-чаша»; «город-равнина»; «город-холм»;
Рис. 6 (a-c). Вертикальный разрез поля скорости ветра (поперечный) при динамической конвекции: «город-чаша»; «город-равнина»; «город-холм»;
Однако проявляются и некоторые закономерности, характерные для воздухопроницаемой среды. Во-первых, это – увеличение скорости ветра в приземном (до 2-4 м) слое, связанное с рассечением потока отдельными препятствиями (зданиями).
Это говорит о том, что даже внутри плотной городской застройки вокруг каждого здания создается собственный микроциркуляционный механизм, который приводит к усилению ветра в приземном слое вблизи габаритов здания. Он может вызывать дискомфортное ветровое воздействие на человека, находящегося в непосредственной близости от него, даже если это здание находится в центральной части города.
Особенно ярко эта закономерность проявляется в контрастной по высоте застройке – «город-чаша», «город-холм» (Рис. 5а,b). Это обстоятельство требует учета при принятии объемно-планировочного решения зданий высотой более 40 м для обеспечения ветровой комфортности и безопасности в соответствии с требованиями ст.
30 «Технического регламента о безопасности зданий и сооружений» (№ 384-ФЗ от 31.13.09). На территории Москвы с 2005 года действует аналогичное требование относительно высотных зданий-комплексов и прилегающей к ним территории [6]. Наиболее равномерный ветровой режим в приземном слое воздуха формируется при застройке города зданиями одинаковой этажности – «город-равнина» (Рис. 5с). Ветрозащитные свойства этой застройки были эмпирически установлены и начали применяться ещё в Древнем Египте и другими ранними городскими культурами [7, 8 и др.].
Во-вторых, в разрывах между зданиями, образующими проницаемый ветром фронт, могут наблюдаться участки, где скорость ветра не ниже, а иногда и значительно выше скорости набегающего воздушного потока (Рис. 6(a-c)). Это проявление известного в городской климатологии эффекта «ветрового каньона» [9, 10], когда ветер усиливается при движении воздуха вдоль городских магистралей, имеющих сплошной фронт первого эшелона застройки. Особенно заметное усиление ветра в таких «каньонах» происходит в приземном слое воздуха, независимо от этажности зданий, его образующих (контрастная, одинаковой этажности). На необходимость борьбы с этими «ветровыми каньонами» в Москве территориальными строительными нормами введен ряд градостроительных требований [6].
На Рис. 7(a-c) поверхности разного цвета обозначают положение в пространстве совокупности точек с одинаковыми скоростями ветра (в % от скорости фонового ветра). Из этих рисунков видно, что максимального развития динамическая конвекция достигает в пограничном слое атмосферного воздуха подветренной части застройки.
Здесь наблюдаются наибольшие по объему и скорости области возмущения воздушного потока, особенно это заметно для застройки типа «город-чаша» и «город-равнина» (Рис. 7а,c соответственно). Увеличение абсолютной и вертикальной скорости ветра с подветренной стороны улучшает условия его горизонтального и вертикального перемешивания, таким образом, создаются максимально благоприятные условия для рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере. Это ещё одна причина, по которой размещение промышленных и иных объектов, являющихся источниками химического загрязнения атмосферы, целесообразно располагать именно с подветренной стороны городов, как этого требует п. 14. 9 СП «Градостроительство» [3].
Количественный анализ воздействия застройки на воздушный поток выполнялся путем сравнения статистических характеристик полей ветра, полученных в результате математического моделирования динамической конвекции. Статистические параметры полей ветра для различных вариантов модельных расчетов приведены в Таблице 1. В ней представлены следующие основные характеристики поля ветра на высоте 2 м, влияющие на ветровой комфорт и экологическое состояние приземного слоя воздуха: минимальная, максимальная и средняя скорости ветра и Сv – коэффициент вариации значений скорости ветра в узлах расчетного прямоугольника. Сv характеризует контрастность поля ветра и величину ее горизонтальных градиентов. Чем выше значение Сv, тем более неравномерным и, следовательно, менее комфортным является ветровая ситуация на территории застройки. С другой стороны, контрастность поля ветра создает более благоприятные условия для естественной вентиляции зданий, поэтому в районах с низким ветровым фоном высокие значения этого коэффициента являются благоприятным фактором.
Рис. 7 (a-c). Пространственная структура отклонений скоростей ветра при динамической конвекции: a) «город-чаша»; b) «город-холм»; c) «город-равнина»
Таблица 1. Статистические параметры полей скорости ветра (динамическая конвекция) на высоте 2 м
Источник: elima.ru
Расчет ветровой нагрузки и парусность забора
Установим забор легко и быстро! – Так в один голос заявляют организации, которые занимаются монтажом и продажей заборов. Однако все они в основном дают гарантию от 1 до 3-х лет, несмотря на значительную стоимость заборных конструкций.
А что делать, если по окончании гарантийного срока забор завалится? Забор должен быть прочным, практичным и стоять минимум лет двадцать, а то и пятьдесят.
Прежде чем заказывать установку забора, необходимо знать, что именно влияет на прочность заборной конструкции.
Устойчивость забора к ветровым нагрузкам, к силам пучения грунта в основном определяет прочность забора.
В данной статье уделим особое внимание расчету ветровой нагрузки, выясним что такое парусность забора и на что влияют неверные расчеты ветровой нагрузки.
Ветровая нагрузка на забор
Ветровая нагрузка – это переменное влияние ветра. Ветер воздействует на все здания и сооружения, в том числе и на заборные конструкции. Влияние ветра зависит от скорости, порывов и направления ветра.
Парусность забора
Парусность забора, как принято считать — это площадь полотна, нагрузка которого приходится на один заборный столб. Другими словами ветровая нагрузка более широкое понятие, а парусность — это та же нагрузка, только конкретная, на единицу измерения.
Чем площадь полотна забора больше, тем, соответственно давление ветра на эту площадь будет сильнее.
Парусность сплошного забора из профнастила увеличивается за счет высоты листа. Так, ветровая нагрузка на забор трехметровой высоты будет в полтора раза больше, чем нагрузка на забор высотой два метра. Но если вместо профлиста использовать штакетник, тогда забор становится продуваемым, следовательно, парусность забора уменьшается в разы.
Прежде чем выбрать опорные столбы – рассчитайте парусность/ветровую нагрузку в своем регионе с учетом габаритных размеров заборного полотна!
Расчет ветровой нагрузки на забор
Ветер влияет на все постройки, причем по-разному. Давление ветра меняется в зависимости от скорости, направления, плотности воздуха, влажности и т.д. Чрезмерная сила порывистого ветра может вмиг завалить забор, а может постепенно расшатывать до критической точки.
Стоит понимать, что максимальная ветровая нагрузка давит на столбы в том месте, где появляется возможность его согнуть, а именно – там, где столб зафиксирован в земле. То есть, максимальный изгибающий момент находится в точке выхода опоры из земли.
Если опоры будут сделаны из неподходящего материала по толщине металла или по диаметру (сечению), тогда из-за высокой парусности они погнутся и деформируются. Выбрать подходящие опоры вам поможет статья: «Как выбрать правильные столбы для забора»
В целях установки устойчивого к ветровым нагрузкам забора, надо взять опоры потолще да побольше и закопать их как можно глубже.
Чтобы выяснить, какими должны быть эти параметры (толщина металла, диаметр, сечение, заглубление) надо рассчитать ветровую нагрузку.
При вычислениях учитываются следующие факторы:
- высота забора;
- расстояние между пролетами;
- ветровой район;
- тип местности;
- ветровое давление.
Помимо этих основных моментов, для расчета берется еще множество показателей, которые сливаются в единую сложную инженерную формулу.
Но так как забор — это не небоскреб, требующий основательных проектных решений, то вычисления можно упростить.
Расчет ветровых нагрузок – упрощенная формула
Для упрощенного расчета вычислим с какой силой происходит давление ветра на 1 квадратный метр площади забора. После этого мы поймем какой стоит выбирать профиль трубы, чтобы эту нагрузку выдержать.
F = 0,61*V 2 /9,8
F — сила в кгс;
0,61 — 1/2 плотности воздуха (в нормальных условиях);
V — скорость ветра в м/с.
Итак, поправочный коэффициент плотности воздуха умножаем на среднюю скорость ветра, возведенную в квадрат и все это делим на ускорение свободного падения.
Для того, чтобы вычислить нагрузку на квадратный метр нашего забора нам надо знать среднюю скорость ветра в нашем регионе.
Узнаем, какая нагрузка будет на забор при урагане, когда скорость ветра достигает 30 м/с:
0,61*30 2 /9,8 = 56 кгс
Таким образом, при ураганном ветре, нагрузка на 1 кв.м нашего забора согласно расчетам по формуле будет составлять 56 кг.
Что нам дает это вычисление?
Далее, зная площадь забора и расстояние между пролетами мы вычисляем какова будет нагрузка на одну опору.
Предположим, что наш забор высотой 2 м, а длина пролета 2,5 м.
Значит площадь одной секции будет:
S = 2 * 2,5 = 5 м2
5 кв/м*56 кгс = 280 кг
Таким образом, при урагане парусность одного заборного листа (действующая сила ветра) достигает 280 кг.
Далее необходимо найти изгибающий момент, действующий на опору, по формуле:
М = F*L*k,
где:
k – коэффициент запаса прочности =1,5;
L – точка приложения нагрузки. Считаем, что она приходится на середину профлиста, прибавляем к ней расстояние от земли до нижнего края листа около: 0,3 м. Итого: 1 м + 0,3 м = 1,3 м.
F — сила в кгс,
Изгибающий момент М в нашем случае получается:
М = 280*1,3*1,5 = 546 кгс·м
Зная изгибающий момент в сечении, можно определить нормальное напряжение в его конкретной точке и исследовать ее напряженно-деформированное состояние. Определение изгибающих моментов является неотъемлемой частью любого прочностного расчета деталей, работающих на изгиб.
Расчет сечения и диаметра опор для заборов из профнастила
Итак, мы получили данные о ветровой нагрузке при урагане и теперь должны выбрать опору, которая выдержала бы данную нагрузку.
Для этого надо определить максимальный изгибающий момент для опорной трубы (заборного столба). И здесь вновь нужно использовать формулу для выполнения расчетов:
М = σW/1000,
σ – предел текучести материала, кгс/мм2 (для стали — 20 кгс/мм2);
W – момент сопротивления сечения (мм3).
Момент сопротивления рассчитывается при помощи формул. Также в интернете в свободном доступе есть калькуляторы расчётов.
Предположим, у нас труба диаметром 80 мм, и толщина металла – 4 мм – в этом случае момент сопротивления изгибу будет 17 286 мм3, вычислим М по вышеприведенной формуле:
М= 20*17286/1000=346 кгс·м
Таким образом, мы выяснили, что максимальный изгибающий момент нашей трубы составляет 346 кг, а значит данная труба не выдержит нагрузку при ураганном ветре и столб деформируется.
Ниже приведены примеры с уже вычисленными максимальными изгибающими моментами при использовании наиболее часто встречающихся опор. Среди них, как видно из табличных значений, ураганный ветер выдержит круглый столб диаметром 108 мм, а также квадратные столбы 80*80 и 100*100 при толщине металла 4 мм. Столбы меньших диаметров и сечений погнутся.
Стоит понимать, что указанные нагрузки предполагают, что ветер дует прямо перпендикулярно поверхности. На практике, эта ситуация возникает достаточно редко. Чаще ветер дует под определенным углом, проходит по касательной, и при «скольжении» по плоскости забора нагрузка снижается.
Если параметры выбранных вами столбов отличаются от тех, что приведены в таблице, используя вышеприведенные формулы, не сложно будет вычислить самостоятельно максимальный изгибающий момент.
Примечание. Взятые для примера цифры скорости ветра слишком велики, ведь ураганные ветры на территории России бывают крайне редко. Когда будете выполнять собственные расчеты, учитывайте критерии района и типа местности, а также не забывайте рассчитывать площадь забора исходя из своих личных параметров заборных конструкций. Профессионалы для расчета используют среднюю силу ветра.
Также, при выборе опорных столбов не стоит забывать о глубине промерзания грунта и правилах установки. Подробности здесь.
Источник: geostart.ru