Московская область, г. Химки, Куркинское шоссе, гостинично-деловой комплекс
«Расчетные исследования напряженно-деформированного состояния, динамики и прочности несущих железобетонных конструкций и устойчивости к прогрессирующему обрушению здания гостинично-делового комплекса (Московская обл., г. Химки, …) с учетом статических и ветровых нагрузок и гипотетических локальных разрушений».
Заключение
По результатам выполненной НИР «Расчетное определение ветровых нагрузок на несущие и фасадные конструкции и пешеходной комфортности многоэтажных зданий жилого комплекса на основе трехмерного численного моделирования ветровой аэродинамики в зоне комплекса» по объекту: «Многоэтажный жилой комплекс с нежилыми помещениями и паркингом по адресу: Московская область, г. Пушкино, ст. Ярославское шоссе, вблизи дома № 141» можно сформулировать следующие выводы и рекомендации:
Для ряда зданий, схожих с рассматриваемым ЖК, выполнено сравнение результатов трехмерных расчетов по разработанной CFD-методике с данными испытаний в аэродинамических трубах и натурными замерами – фиксируется практически приемлемый уровень соответствия.
На основе анализа и обобщения исходных данных разработаны и верифицированы расчетные трехмерные численные модели ветровой аэродинамики ЖК в существующей окружающей застройке.
Определены расчетные средние и пульсационные составляющие ветровых нагрузок (с учетом всех направлений ветра) на несущие конструкции корпусов ЖК.
Корпус 1
Максимальные расчетные суммарные средние значения ветровых нагрузок в направлении оси X (Запад – Восток) на несущие конструкции корпуса 1 ЖК реализуются при угле атаки ветра 255° и 60° и составляют 716.9 кН и -665.4 кН соответственно.
Максимальные расчетные суммарные средние значения ветровых нагрузок в направлении оси Y (Юг – Север) на несущие конструкции корпуса 1 ЖК реализуются при угле атаки ветра 180° и 0° и составляют 438.0 кН и -872.8 кН соответственно.
Максимальные расчетные суммарные средние значения векторной суммы ветровых нагрузок на несущие конструкции корпуса 1 ЖК реализуются при угле атаки ветра 330° и составляют 970.2 кН.
Максимальные расчетные суммарные значения пульсационной составляющей ветровых нагрузок в направлении оси X (Запад – Восток) на несущие конструкции корпуса 1 ЖК реализуются при угле атаки ветра 300° и 105° и составляют 86.7 кН и -94.1 кН соответственно.
Максимальные расчетные суммарные значения пульсационной составляющей ветровых нагрузок в направлении оси Y (Юг – Север) на несущие конструкции корпуса 1 ЖК реализуются при угле атаки ветра 180° и 15° и составляют 97.2 кН и -132.8 кН соответственно.
Максимальные расчетные суммарные значения пульсационной составляющей векторной суммы ветровых нагрузок на несущие конструкции корпуса 1 ЖК реализуются при угле атаки ветра 15° и составляют 142.6 кН.
Корпус 2
Максимальные расчетные суммарные средние значения ветровых нагрузок в направлении оси X (Запад – Восток) на несущие конструкции корпуса 2 ЖК реализуются при угле атаки ветра 330° и 90° и составляют 416.0 кН и -542.4 кН соответственно.
Максимальные расчетные суммарные средние значения ветровых нагрузок в направлении оси Y (Юг – Север) на несущие конструкции корпуса 2 ЖК реализуются при угле атаки ветра 165° и 0° и составляют 698.5 кН и -1149.2 кН соответственно.
Максимальные расчетные суммарные средние значения векторной суммы ветровых нагрузок на несущие конструкции корпуса 2 ЖК реализуются при угле атаки ветра 0° и составляют 1172.4 кН.
Максимальные расчетные суммарные значения пульсационной составляющей ветровых нагрузок в направлении оси X (Запад – Восток) на несущие конструкции корпуса 2 ЖК реализуются при угле атаки ветра 225° и 90° и составляют 58.5 кН и -85.2 кН соответственно.
Максимальные расчетные суммарные значения пульсационной составляющей ветровых нагрузок в направлении оси Y (Юг – Север) на несущие конструкции корпуса 2 ЖК реализуются при угле атаки ветра 195° и 300° и составляют 84.2 кН и -89.9 кН соответственно.
Максимальные расчетные суммарные значения пульсационной составляющей векторной суммы ветровых нагрузок на несущие конструкции корпуса 2 ЖК реализуются при угле атаки ветра 300° и составляют 102.9 кН.
Корпус 3
Максимальные расчетные суммарные средние значения ветровых нагрузок в направлении оси X (Запад – Восток) на несущие конструкции корпуса 3 ЖК реализуются при угле атаки ветра 300° и 135° и составляют 567.6 кН и -439.6 кН соответственно.
Максимальные расчетные суммарные средние значения ветровых нагрузок в направлении оси Y (Юг – Север) на несущие конструкции корпуса 3 ЖК реализуются при угле атаки ветра 180° и 0° и составляют 567.9 кН и -700.6 кН соответственно.
Максимальные расчетные суммарные средние значения векторной суммы ветровых нагрузок на несущие конструкции корпуса 3 ЖК реализуются при угле атаки ветра 0° и составляют 788.8 кН.
Максимальные расчетные суммарные значения пульсационной составляющей ветровых нагрузок в направлении оси X (Запад – Восток) на несущие конструкции корпуса 3 ЖК реализуются при угле атаки ветра 285° и 90° и составляют 125.8 кН и -81.8 кН соответственно.
Максимальные расчетные суммарные значения пульсационной составляющей ветровых нагрузок в направлении оси Y (Юг – Север) на несущие конструкции корпуса 3 ЖК реализуются при угле атаки ветра 150° и 0° и составляют 68.8 кН и -129.0 кН соответственно.
Максимальные расчетные суммарные значения пульсационной составляющей векторной суммы ветровых нагрузок на несущие конструкции корпуса 3 ЖК реализуются при угле атаки ветра 0° и составляют 142.9 кН.
С использованием современных численных методов гидрогазодинамики, реализованных в программном комплексе ANSYS CFX, на верифицированных трехмерных моделях проведены расчеты средних, минимальных и максимальных ветровых давлений на фасадные конструкции ЖК при 24-х направлениях ветра (через 15°).
Определены расчетные «огибающие» максимальных и минимальных ветровых давлений (с учетом всех направлений ветра) на фасадные конструкции зданий ЖК.
Экстремальная расчетная отрицательная ветровая нагрузка на фасад составила:
-1.29 кПа (-129 кгс/ м²) для первого корпуса ЖК (значение -1.76 кПа реализуется на крыше); Давления реализуются на поверхности фасадов 22 и верхнего технического этажей в угловых зонах. Для большей части главных фасадных конструкций отрицательные ветровые давления составляют от -0.3 до -1.0 кПа, в угловых зонах достигая -1.25 кПа.
-1.32 кПа (-132 кгс/ м²) для второго корпуса ЖК (значение -1.76 кПа реализуется на крыше); Давления реализуются на поверхности фасадов 22 и верхнего технического этажей в угловых зонах. Для большей части главных фасадных конструкций отрицательные ветровые давления составляют от -0.35 до -1.0 кПа, в угловых зонах достигая -1.1 кПа.
-2.23 кПа (-223 кгс/ м²) для третьего корпуса ЖК и была отмечена в углублении оконных проемов этажа с котельной. Отрицательная ветровая нагрузка на поверхность фасадных конструкций достигает -1.7 кПа (-170 кгс/ м²). Для большей части главных фасадных конструкций отрицательные ветровые давления составляют от -0.5 до -1.2 кПа, в угловых зонах достигая -1.5 кПа.
Отметим, что основные пики отрицательных давлений на этажах корпусов реализуются в угловых зонах.
Наибольшая расчетная положительная ветровая нагрузка на фасад составила:
+0.825 кПа (82.5 кгс/ м²) для первого корпуса ЖК (значение 0.88 кПа реализуется на бортике смотровой площадки на 21-м этаже); Давление реализуется на поверхности фасадов 18-20, 22 и верхнего технического этажей. Для большей части главных фасадных конструкций положительные ветровые давления составляют от 0.4 до 0.7 кПа.
+0.914 кПа (91.4 кгс/ м²) для второго корпуса ЖК; Давление реализуется на поверхности фасадов 17-22 и верхнего технического этажей. Для большей части главных фасадных конструкций положительные ветровые давления составляют от 0.35 до 0.7 кПа.
+0.97 кПа (97 кгс/ м²) для третьего корпуса ЖК и была отмечена на бортиках балконов (с 10 этажа и выше) и на поверхности фасадов на 20-22 жилых этажах, а также верхнем техническом этаже и котельной. Для большей части главных фасадных конструкций положительные ветровые давления составляют от 0.5 до 0.7 кПа.
Определены расчетные поля коэффициентов усиления скоростей ветра и вычислены уровни пешеходной комфортности на высоте 1.5 м (от верхнего уровня стилобата) для пешеходных зон жилого комплекса по трем нормативно регламентированным критериям.
Наибольшее значение усиления ветра наблюдается при «северном» ветре и составляет 1.8 раза (см. рис. 7.2). В целом можно отметить, что усиление базового ветра происходит в «коридоре» между первым и третьим корпусами и между вторым и третьим корпусами ЖК, а также в зонах, граничащих с углами корпусов ЖК.
Выявлены согласующиеся с физическими представлениями локальные зоны, в которых не выполняются нормативные критерии пешеходной ветровой комфортности, в частности, в «коридоре» между вторым и третьим корпусами (по 1-му критерию) и на углу второго корпуса (по 2-му критерию). Это объясняется тем, что при северо-западном направлении ветра нет затенения от застройки (р. Серебрянка). Превышение в локальной зоне (см. рис. 7.18) первого уровня комфортности составляет 8.6%. Превышение в локальной зоне (см. рис. 7.19) второго уровня комфортности составляет 18% и находиться за пределами стилобата. На основной территории пешеходных зон (на высоте 1.5 м) наблюдается выполнение критериев комфортности по МДС [6].
Снижения скорости приземного ветра в выявленных зонах могут быть достигнуты путем установки неподалеку от входов сплошных или ячеистых ветрозащитных экранов и (или) зеленых насаждений
Разработанные параметризованные модели и полученные результаты численного моделирования ветровой аэродинамики рекомендуется использовать при формировании и осуществлении системы мониторинга ЖК.
В расчетных исследованиях рассматривалась существующая на данный момент архитектурная ситуация. В случае строительства в окрестности объекта многоэтажных зданий и сноса прилегающей малоэтажной застройки результаты расчетов могут потребовать коррекции.
Заключение
В результате выполненных расчетных исследований напряженно-деформированного состояния, прочности и устойчивости несущих железобетонных конструкций многоэтажного здания гостинично-делового комплекса (Московская обл., г. Химки, Куркинское шоссе, в районе Бутаковского залива) с учетом статических и ветровых нагрузок и гипотетических локальных разрушений можно сформулировать следующие выводы и рекомендации.
- Разработанные и верифицированные расчетные статические и динамические пространственные оболочечно-стержневые конечноэлементные модели проектного варианта здания на неоднородном винклеровском основании для статических нагрузок и на жестком основании для динамических, позволяют адекватно оценить основные параметры НДС при действии вертикальных и ветровых нагрузок и гипотетических локальных разрушений.
- Анализ результатов расчетных исследований, выполненных по сертифицированному лицензионному ПК SCAD, показал ожидаемую картину распределения перемещений и усилий (сил и моментов) в фундаменте и каркасе здания при вертикальных статических и ветровых нагрузках, значимых собственных частот и форм колебаний здания.
- Критериальные значения кинематических параметров несущих конструкций здания (крены и прогибы фундаментной плиты, плит перекрытий-покрытий, горизонтальные перемещения верха здания, ускорения верхних этажей, устойчивости системы) находятся в диапазоне нормативно-регламентированных величин.
- Прочность железобетонных конструкций обеспечена по нормативным критериям при уровне армирования плит, стен, колонн и балок не ниже расчетного, приведенного в настоящем отчете.
- Несущая способность металлических элементов каркаса здания (металлических сердечников колонн, элементов усиления) обеспечена по нормативным критериям прочности. Минимальное полученное значение запаса для стальных элементов равно 4%.
- Проведение расчета на прогрессирующее обрушение в линейно-упругой постановке по 3-м сценариям, показал существенное увеличение требуемого армирования колонны в осях 8/Г в уровне -2 этажа для 1-го сценария (выбивание колонны 8/Г) и при 2-м сценарии, возникновение усилий в стальных сердечниках колонн 8/Г и 8/Д, превышающих нормативное значение сопротивление стали (что приведет к пластическим деформациям), но не превышающих предел прочности. Для остальных колонн существенного изменения в требуемом армировании и исчерпании несущей способности стальных сердечников – не выявлено.
- Расчетные исследования на прогрессирующее обрушение по программному комплексу ANSYS (физически- и геометрически нелинейные задачи), позволяют сформулировать вывод обустойчивости конструкций здания против прогрессирующего обрушения.
- Полученные результаты математического моделирования для здания – статические и ветровые перемещения, собственные частоты и формы колебаний – могут (и, на наш взгляд, должны) быть использованы при разработке программы и методики проведения мониторинга состояния основания и несущих конструкций здания в процессе его строительства и эксплуатации.
