Расчетное определение ветровых нагрузок на несущие и ограждающие конструкции проектируемой Центральной спортивной арены им. Э.А. Стрельцова  (»Торпедо») на основе трехмерного численного моделирования ветровой аэродинамики

Выводы и рекомендации

По результатам выполненной НИР «Расчетные исследования ветровых нагрузок и оценки аэродинамической устойчивости конструкций покрытия проектируемой Центральной спортивной арены для Объекта: „Многофункциональный жилой комплекс с объектами социальной инфраструктуры и благоустройством территории, Спортивный комплекс им. Э.А. Стрельцова (новое строительство, реконструкция), расположенные на земельных участках по адресу: г. Москва, ул. Восточная, вл. 4А Симоновская наб., вл.1. Первая очередь. Этап 4 — Центральная спортивная арена Спортивного комплекса им. Э.А. Стрельцова, ФОК № 1 с футбольным манежем, ФОК № 2 (бокс), Гостиница, тренировочные поля“, можно сформулировать следующие выводы и рекомендации:

1.            Проведен анализ ветровых режимов района строительства, сложившейся застройки и конструктивно-архитектурных особенностей футбольного стадиона «Торпедо», особенности расчетов ветрового нагружения зданий и комплексов в отечественных и зарубежных нормативных документах.

2.            На основе анализа и обобщения исходных данных разработаны и верифицированы расчетные численные модели ветровой аэродинамики:

a)  Полной трехмерной модели стадиона с покрытием «в чистом поле» (без учета застройки) – для определения расчетной средней ветровой нагрузки на покрытие;

b) Верификационной двумерной модели покрытия – для верификационных исследований и настройки параметров модели c) для оценки аэродинамической устойчивости покрытия;

c) Центральной секции стадиона (полоса 6 м) с учетом покрытия и трибун для оценки аэродинамической устойчивости покрытия.

3.            С использованием современных численных методов гидрогазодинамики, реализованных в программном комплексе ANSYS CFD (CFX), и разработанной численной методики определения средних ветровых нагрузок на основе стационарных расчетов проведены многовариантные расчетные исследования аэродинамики Полной модели футбольного стадиона с покрытием при 24-и направлениях ветра с шагом 15°.

4.            В результате проведенных многовариантных расчетных исследований (при 24-и направлениях ветра) аэродинамики Полной модели футбольного стадиона с покрытием определены расчетные средние составляющие ветровых нагрузок (с учетом всех направлений ветра) на несущие конструкции покрытия.

Максимальное расчетное значение средней составляющей равнодействующей аэродинамической силы (FR) на несущие конструкции покрытия над Западной трибуной реализуется при угле атаки ветра 180° и составляет 896 кН. Также наиболее опасными углами атаки ветра являются близкие углы 165° и 195°, для которых значение средней составляющей равнодействующей аэродинамической силы (FR) составляет 853 кН и 794 кН соответственно. Следует отметить, что для покрытия данная сила является подъемной, так как основной вклад вносит вертикальная составляющая силы FZ. Максимальная прижимная сила реализуется при углах атаки ветра 105º и 255º и составляет -207 кН.

С точки зрения реализации максимальной равнодействующей аэродинамической силы (FR) наиболее характерными и опасными углами атаки ветра для покрытия над Западной трибуной являются 165°, 180° и 195°.

Максимальное расчетное значение крутящего составляющей аэродинамической силы (MX) на несущие конструкции покрытия над Западной трибуной реализуется при угле атаки ветра 195° и составляет 6514 кН•м.

Рекомендуется при проведении прочностных расчетов рассмотреть варианты ветрового нагружения, полученные для рассматриваемого покрытия при углах атаки ветра 180°, а также при направлениях ветра с 0° и 90°, перпендикулярных сторонам стадиона.

Максимальное расчетное значение средней составляющей равнодействующей аэродинамической силы (FR) на несущие конструкции покрытия над Восточной трибуной реализуется при угле атаки ветра 0° и составляет 580 кН. Также опасными углами атаки ветра являются как соседние углы атаки ветра 15° и 345°, так и углы 135° и 255°. Следует отметить, что для покрытия данная сила является подъемной, так как основной вклад вносит вертикальная составляющая силы FZ. Максимальная прижимная сила реализуется при углах атаки ветра 90º и 270º и составляет -191 кН.

С точки зрения реализации максимальной равнодействующей аэродинамической силы (FR) наиболее характерными и опасным углом атаки ветра для покрытия над Восточной трибуной являются 0°.

Максимальное расчетное значение крутящего составляющей аэродинамической силы (MX) на несущие конструкции покрытия над Западной трибуной реализуется при угле атаки ветра 0° и составляет 5572 кН•м.

Рекомендуется при проведении прочностных расчетов рассмотреть варианты ветрового нагружения, полученные для рассматриваемого покрытия при углах атаки ветра 0° (для покрытия над Восточной трибуной) и 180° (для покрытия над Западной трибуной).

5.            В результате проведенных многовариантных расчетных исследований аэродинамики стадиона «Торпедо» определены суммарные средние давления на поверхности покрытия стадиона для 24-х направлениях ветра (через 15º) в трехмерной постановке.

По результатам сопоставления качественной и количественной картины ветровых нагрузок на покрытие стадиона, принятых по рекомендациям ЦНИИСК им. Кучеренко [39], и численного моделирования (см. рис. 5.20, 5.22 и 5.19, 5.21 соответственно) можно отметить, что:

-    максимальные значения ветрового давления, рекомендованные ЦНИИСК им. Кучеренко [39], приняты «в запас» для представленных углов 90º и 135º ;

-    характер распределения давлений по результатам численного моделирования дает более полную (детальную) картину;

-    по результатам численного моделирования получены распределения давления по покрытию для всех 24-х углов атаки ветра, в том числе, для характерных 0º и 180º.

6.            Проведены расчетные исследования по оценки аэродинамической устойчивости покрытия стадиона по критериям Еврокода:

-  с точки зрения галопирования;

-  вихревого возбуждения;

-  дивергенции/флаттера.

7.            В рамках работы по оценке аэродинамической устойчивости покрытия стадиона были разработаны и верифицированы расчетные трехмерные численные модели ветровой аэродинамики в 4-х вариантах с учетом различных геометрических параметров конструкции, в том числе 2-х вариантов обтекателей (для проведения дополнительных расчетных исследований), а именно:

a)     Модель С1А: модель секции стадиона с трибунами и покрытием без учета обтекателей и технических мостиков;

b)     Модель С1B: модель секции стадиона с трибунами и покрытием без учета обтекателей, с учетом технических мостиков;

c)     Модель С1C: модель секции стадиона с трибунами и покрытием с обтекателем 1 с обеих сторон, с учетом технических мостиков;

d)    Модель С1D: модель секции стадиона с трибунами и покрытием с обтекателем 2 с обеих сторон, с учетом технических мостиков.

8.            На основе выполненных многовариантных аэродинамических расчетов для Модели C1A (без учета технических мостиков) и Модели C1B (c учетом технических мостиков) в стационарной и нестационарной постановках при углах атаки ветра (угол α°), потенциально опасных с точки зрения возникновения аэродинамической неустойчивости покрытия и имеющих большую вероятность реализации при обтекании рассматриваемого сооружения, проведена оценка возможности возникновения таких явлений аэродинамической неустойчивости покрытия стадиона (проектного варианта), как галопирование, вихревое возбуждение и дивергенция. Получены следующие результаты:

Ø   При оценке возможности возникновения галопирования для проектного варианта покрытия стадиона выявлено, что необходимое условие возникновения галопирования (критерий Ден-Гартога) выполняется только для угла атаки ветра 0º (проектное положение конструкций покрытия соответствует углу -1º) для Mодели С1B, но критические скорости ветра значительно превышают максимально возможную скорости ветра, т.е конструкция устойчива с точки зрения возникновения галопирования.

Ø   При оценке возможности возникновения вихревого возбуждения для проектного варианта покрытия стадиона выявлено, что соотношение максимального размера конструкций покрытия к минимальному в плоскости, нормальной направлению действия ветра, превышает 10, что говорит о чувствительности конструкции к ветровому воздействию с точки зрения вихревого возбуждения. Для рассматриваемого диапазона углов атаки ветра (0° – -2°) максимальная скорость ветра на отметке +25.0 м превышает критическую скорость ветра вблизи угла 0º (по второй значимой частоте срыва вихрей), т.е. конструкция не устойчива с точки зрения вихревого возбуждения. Для угла -1º (проектное положение покрытия) наблюдается незначительный запас по критической скорости (по первой значимой частоте срыва вихрей) и для угла -2 º (по второй значимой частоте срыва вихрей), но формально условие возникновения вихревого возбуждения было не выполнено, т.е. конструкция покрытия устойчива с точки зрения вихревого возбуждения для углов атаки ветра -1º и 
-2º.

Ø   При оценке возможности возникновения дивергенции для проектного варианта покрытия стадиона выявлено, что по предварительным оценкам (выполнение трех необходимых условий) конструкция покрытия является восприимчивой к дивергенции или флаттеру. При детальном рассмотрении, основываясь на результаты аэродинамических расчетов и оценке критической скорости возникновения дивергенции, для рассматриваемых углов атаки ветра (0° – -3°) возможность возникновения дивергенции отсутствует в случае учета как начальной, так и пониженной жесткости ж/б балок.

9.            В связи с тем, что оценка аэродинамической устойчивости покрытия стадиона с точки зрения вихревого возбуждения показала чувствительность конструкции к этому явлению и возможность его возникновения (по оценкам критической скорости), были предложены мероприятия по улучшению обтекаемости конструкций покрытия за счет обтекателей различной формы, расположенных по длинным сторонам-торцам покрытия.

 Т.к. сопоставление результатов, полученных для Модели С1A и Модели С1B показало, что учет технических мостиков незначительно меняет значения критериев аэродинамической устойчивости, а в реальной конструкции покрытия технические мостики для светового оборудования существуют, при дальнейшем рассмотрении вариантов формы покрытия (учет обтекателей различной конфигурации) в расчетных моделях они были учтены.

На основе выполненных дополнительных многовариантных аэродинамических расчетов для Модели C1С (обтекатель № 1) и Модели C1D (обтекатель № 2) в стационарной и нестационарной постановках при углах атаки ветра (угол α°), потенциально опасных с точки зрения возникновения аэродинамической неустойчивости покрытия и имеющих большую вероятность реализации при обтекании рассматриваемого сооружения, проведена оценка возможности возникновения таких явлений аэродинамической неустойчивости покрытия стадиона, как галопирование, вихревое возбуждение и дивергенция. Получены следующие результаты:

Ø   При оценке возможности возникновения галопирования для дополнительных вариантов покрытия стадиона с учетом обтекателей выявлено, что для Mодели С1С (Обтекатель № 1) необходимое условие возникновения галопирования (критерий Ден-Гартога) выполняется только для угла атаки ветра 0º (проектное положение конструкций покрытия соответствует углу -1º), но критические скорости ветра значительно превышают максимально возможную скорости ветра, т.е конструкция устойчива с точки зрения возникновения галопирования.

Для Mодели С1D (Обтекатель № 2) необходимое условие возникновения галопирования (критерий Ден-Гартога) не выполняется для всех рассмотренных углов атаки ветра, т.е конструкция устойчива с точки зрения возникновения галопирования.

Ø   При оценке возможности возникновения вихревого возбуждения для дополнительных вариантов покрытия стадиона с учетом обтекателей выявлено, что соотношение максимального размера конструкций покрытия к минимальному в плоскости, нормальной направлению действия ветра, превышает 10, что говорит о чувствительности конструкции к ветровому воздействию с точки зрения вихревого возбуждения.

Для Модели С1С (Обтекатель № 1) для рассматриваемого диапазона углов атаки ветра (0° – -2°) максимальная скорость ветра на отметке +25.0 м превышает критическую скорость ветра вблизи углов -1º и -2º (по первой значимой частоте срыва вихрей) и углов 0º и -1º (по второй значимой частоте срыва вихрей), т.е. конструкция не устойчива с точки зрения вихревого возбуждения.

Для Модели C1D (Обтекатель № 2) для рассматриваемого диапазона углов атаки ветра (0° – -2°) (по первой значимой частоте срыва вихрей) и для углов 0º и -2º (по второй значимой частоте срыва вихрей) наблюдается значительный запас по критической скорости по критерию вихревого возбуждения, т.е. конструкция покрытия устойчива с точки зрения вихревого возбуждения. Только для угла -1º (по второй значимой частоте срыва вихрей) для Модели C1D наблюдается занижение максимальной скорости относительно критической на 8% по критерию вихревого возбуждения, т.е. конструкция может быть не устойчива с точки зрения вихревого возбуждения для угла -1 º для Модели С1D.

Ø   При оценке возможности возникновения дивергенции для дополнительных вариантов покрытия стадиона с учетом обтекателей выявлено, по предварительным оценкам (выполнение трех необходимых условий) конструкция покрытия является восприимчивой к дивергенции или флаттеру.

Для Модели C1С (Обтекатель 1) и Модели C1D (Обтекатель № 2) при детальном рассмотрении, основываясь на результаты дополнительных аэродинамических расчетов и оценке критической скорости возникновения дивергенции, для рассматриваемых углов атаки ветра (0° – -2°) возможность возникновения дивергенции отсутствует в случае учета как начальной, так и пониженной жесткости ж/б балок. Для дополнительного угла атаки ветра -3° по оценке критической скорости дивергенция может возникнуть для Модели C1С (обтекатель 1) при учете пониженной жесткости ж/б балок.

10.        На основании полученных результатов оптимизационных исследований аэродинамической устойчивости по критериям галопирования, вихревого возбуждения и дивергенции рекомендовано для устранения явлений аэродинамической неустойчивости (вихревого резонанса) покрытия стадиона установить обтекатели № 2 (рис. 8.3) по длинным торцам покрытия.

11.        Разработанные параметризованные трехмерные модели полного стадиона рекомендуется использовать при проведении расчетных исследований пешеходной комфортности на территории строительства многофункционального жилого комплекса с объектами социальной инфраструктуры и благоустройством территории, Спортивного комплекса им. Э.А. Стрельцова (новое строительство, реконструкция), расположенные на земельных участках по адресу: г. Москва, ул. Восточная, вл. 4А Симоновская наб., вл.1.

Разработанные параметризованные модели здания, а также полученные результаты численного моделирования ветровой аэродинамики рекомендуется использовать для проведения аэродинамических расчетов с учетом рельефа местности и окружающей застройки, а также для корректировочных расчетов в случае изменения ситуационного плана.