Москва, ул. Профсоюзная, вл.64-66
«Расчетное определение ветровых нагрузок на несущие и фасадные конструкции высотного многофункционального жилого комплекса (г.Москва, ул.Профсоюзная, вл.64-66) на основе трехмерного численного моделирования ветровой аэродинамики»
Заключение
В результате выполненных вариантных расчетных исследований напряженно-деформированного состояния и прочности несущих конструкций строящегося высотного здания (г. Москва, ЮЗАО, ул. Профсоюзная, вл.64-66) с учетом установленных фактических свойств бетона, отклонений колонн сечения 550× 600мм от вертикального положения и усилений колонн 10-го этажа можно сформулировать следующие выводы и рекомендации.
Разработанные и верифицированные расчетные конечноэлементные ANSYS-модели актуального варианта здания позволяют адекватно оценить основные параметры НДС при действии вертикальных и ветровых нагрузок в рамках принятых предположений о взаимодействии с основанием (неоднородное винклеровское основание, «эквивалентное» модели проф. Ю.К. Зарецкого, для варианта плитно-свайного фундамента) и при учете реальных характеристик бетона, положения и усиления колонн.
Анализ результатов расчетных исследований, выполненных по верифицированному в РААСН программному комплексу ANSYS, показал в целом ожидаемую картину распределения перемещений и усилий в фундаменте и каркасе здания. При близости интегральных параметров деформативности и распределения усилий в плитах «идеальной» и «фактической» моделей зафиксировано существенное увеличение изгибающих моментов во всех значимо «отклоненных» колоннах по сравнению с идеальным проектным вариантом.
Рассмотренный проектный вариант высотного здания удовлетворяет всем нормативным критериям деформативности.
Расчеты по сертифицированному ПК «ОМ СНиП Железобетон» показали, что для реальных характеристик бетона и отклонений колонн сечения 550× 600мм удовлетворены нормативные критерии прочности основной части несущих железобетонных конструкции здания.
Ряд конструкций имеют локальные зоны с недостаточной несущей способностью.
Дефицит проектного вертикального армирования для стен установлен на локальных участках, приуроченных зонам концентрации напряжений-усилий:
Для стен 2-го этажа:
Ст34 в осях Е-П/7 до 2 раз
Ст60 в осях Г-Ж/13 до 2,5 раз
Ст38 в осях Е-Н/8 до 2 раз
Для стен 3-го этажа:
Ст60 в осях Г-Ж/13 до 4 раз
Ст34 в осях Е-П/7 до 3 раз
Ст57 в осях Е-Н/12 до 3 раз
Для стен 4 этажа:
Ст60 в осях Г-Ж/13 до 2 раз
Ст34 в осях Е-П/7 до 2 раз
Для стен 5 этажа:
Ст34 в осях Е-П/7 до 2 раз
Для стен, имеющих» фактическое» отклонение по классу бетона (B20)
Ст67 в осях Д/6-8 на отм.30,800м
вертикальной – до 2 раз;
Ст4 в осях Д1/1-2 на отм.3,600м
вертикальной – до 1,5 раз.
С учетом установленного дефицита прочности в локальных зонах для указанных стен были выполнены дополнительные проверочные расчеты по прочности – установлено, что принятого проектного армирования стен в целом достаточно для обеспечения прочности.
Площадь расчетного армирования основной части колонн круглого сечения Ø 700мм не превышает проектного. Только для колонны 1-го и 2-го этажа в осях Б/8 с армированием 12 Ø 32 А500С расчетное армирование в 1,3 раза превышает проектное, а для колонн в осях В/8 находится «на пределе».
Однако с учетом усиления данных колонн, выполненных по проекту ОАО «КТБ ЖБ» и проведенному проверочному расчету, площадь расчетного армирования колонн круглого сечения Ø 700мм 1-го и 2-го этажа в осях Б/8 и В/8 с запасом не превышает проектных значений.
Площадь армирования «отклоненных» колонн сечением 550× 600мм в осях I/1 – 14 с отм.-10,600м до отм.30,300м с «комфортным» запасом не превышает проектных значений.
Полученные результаты математического моделирования здания – статические 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 дальнейшего строительства и эксплуатации.
Суммируя результаты выполненных исследований, можно сделать вывод о соответствии расчетных параметров напряженно-деформированного состояния и прочности строящегося высотного здания (г. Москва, ЮЗАО, ул. Профсоюзная, вл.64-66) нормативным критериям прочности и деформативности при установленных фактических свойствах бетона и отклонений колонн сечения 550× 600мм от вертикального положения.
Заключение
По результатам выполненной НИР «Расчетное определение ветровых нагрузок на несущие и фасадные конструкции высотного многофункционального жилого комплекса (г.Москва, ул.Профсоюзная, вл.64-66) на основе трехмерного численного моделирования ветровой аэродинамики» можно сформулировать следующие выводы и рекомендации:
1. Для ряда зданий, схожих с рассматриваемым МФК, выполнено сравнение результатов трехмерных расчетов по разработанной CFD-методике с данными испытаний в аэродинамических трубах и натурными замерами – фиксируется практически приемлемый уровень соответствия.
2. На основе анализа и обобщения исходных данных разработаны и верифицированы расчетные трехмерные численные модели ветровой аэродинамики МФК в существующей окружающей застройке.
3. С использованием современных численных методов гидрогазодинамики, реализованных в программном комплексе ANSYS CFX, на верифицированных трехмерных моделях проведены нестационарные расчеты средних и пульсационных ветровых нагрузок на несущие конструкции МФК и расчеты минимальных и максимальных ветровых давлений на фасадные конструкции МФК при 24-х направлениях ветра (через 15°).
4. Определены расчетные ветровые нагрузки на несущие конструкции МФК. Наибольшая расчетная средняя суммарная составляющая результирующей ветровой нагрузки на несущие конструкции МФК реализуется при западном (угол 2550) и восточном (угол 900) направлениях ветра и составляет 712 тс и 657 тс, соответственно. Экстремальные значения средней составляющей суммарного крутящего момента (MZ) реализуются при углах атаки ветра 150, 1350, 1950, 3000 и составляют 12689 тс•м, -11032 тс•м, 12385 тс•м, -9090 тс•м, соответственно. Расчетная пульсационная суммарная составляющая результирующей ветровой нагрузки на несущие конструкции МФК изменяется от 131 тс (угол 1650) до 343 тс (угол 600). Ее коэффициент динамичности изменяется от 0.27 (угол 750) до 0.99 (угол 3150). Большим величинам коэффициента динамичности соответствуют маленькие значения пульсационной составляющей ветровой нагрузки. Наибольшая расчетная пульсационная суммарная составляющая крутящего момента (MZ) реализуются при направлении ветра 2100 и составляет 6830 тс•м. Наибольшая расчетная ветровая нагрузка на несущие конструкции МФК (средняя + пульсационная) составляет 1039 тс при угле атаки ветра 2550. Наименьшая расчетная ветровая нагрузка на несущие конструкции МФК (средняя – пульсационная) составляет 3 тс при угле атаки ветра 3300.
5. Определены расчетные «огибающие» максимальных и минимальных ветровых давлений (с учетом всех направлений ветра) на фасадные конструкции МФК. Наименьшая отрицательная ветровая нагрузка на фасад МФК составила -4.026 кПа и была отмечена при угле атаки ветра 3150 на высоте 36-38-го этажа. Для большей части фасадных конструкций наименьшие отрицательные ветровые давления составляют -3.5 кПа. Наибольшая расчетная положительная ветровая нагрузка на фасад МФК составила 2.733 кПа и была отмечена при угле атаки ветра 600 на высоте 39-40-го этажа. Для большей части фасадных конструкций положительные ветровые давления составляют около 2.5 кПа.
6. При определении пиковых значений ветровых давлений принято, что конструктивные элементы ограждения и узлы их крепления к зданию являются достаточно жесткими и в них не возникает заметных дополнительных (аэроупругих, резонансных) динамических усилий и перемещений. В противном случае, значение этих нагрузок необходимо уточнить на основе результатов динамического расчета системы «элементы ограждения – их несущие конструкции – элементы их крепления».
7. Разработанные параметризованные модели и полученные результаты численного моделирования ветровой аэродинамики рекомендуется использовать при формировании и осуществлении системы мониторинга МФК.
8. Разработанные модели и полученные нагрузки могут быть в дальнейшем использованы для проверочных расчетов прочности несущих и фасадных конструкций МФК, для оценки максимальных ускорений на уровне верхних этажей, а также (после получения уточненных данных о близлежащей застройке и зеленых насаждениях) для оценки скоростей ветра в пешеходных зонах вокруг здания.
9. В расчетных исследованиях рассматривалась существующая на данный момент архитектурная ситуация. В случае строительства в окрестности объекта многоэтажных зданий результаты расчетов могут потребовать коррекции.
