«Расчетное определение ветровых нагрузок на несущие и фасадные конструкции и пешеходной комфортности многофункционального жилого комплекса   (г. Москва, СЗАО, …) на основе трехмерного численного моделирования ветровой аэродинамики»

Выводы и рекомендации

По результатам выполненной НИР «Расчетное определение ветровых нагрузок на несущие и фасадные конструкции и пешеходной комфортности многофункционального жилого комплекса (по адресу: г. Москва, СЗАО,..) на основе численного моделирования ветровой аэродинамики», можно сформулировать следующие выводы и рекомендации:

1. Для ряда зданий, схожих с рассматриваемым многофункциональным жилым комплексом, 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 как МЖК «в чистом поле» (без учета застройки), так и МЖК в окружающей застройке (с учетом существующей застройки).
3. С использованием современных численных методов гидрогазодинамики, реализованных в программном комплексе ANSYS CFD (CFX), и разработанной методики определения пиковых значений и динамической составляющей давления на основе стационарных расчетов проведены многовариантные расчетные исследования аэродинамики МЖК «в чистом поле» и МЖК в окружающей застройке при 24-х направлениях ветра с шагом 15°.
4. В результате проведенных многовариантных расчетных исследований (при 24-х направлениях ветра) аэродинамики МЖК «в чистом поле» и МЖК в окружающей застройке выявлено, что для углов атаки ветра в диапазонах:

-       для строения 1 – 0°-15°, 45º, 180°-255°, 315°;

-       для строения 2 – 15°-30°, 75º-120º, 165°, 195°-255°,315°;

-       для строения 3 – 15°-60°, 90°-105°, 255°-270°;

наблюдается занижение 10-20% (может достигать и до 80% для строения 1 угол 300º) значения средней составляющей равнодействующей аэродинамической силы (FR) на несущие конструкции в результате влияния существующей окружающей застройки (моделировалась область диаметром 1.0 км).

Для углов атаки ветра в диапазонах:

-       для строения 1 – 0°-45°, 150°-255°, 315°;

-       для строения 2 – 15°-30°, 75-120º, 165°, 195°-225°,315°;

-       для строения 3 – 15°-60°, 90°-105°, 255°-270°;

наблюдается увеличение до 20% значения средней составляющей равнодействующей аэродинамической силы (FR) на несущие конструкции в результате влияния существующей окружающей застройки (моделировалась область диаметром 1.0 км). Отдельно можно отметить, что увеличение FR может быть и трехкратным для изначально малого базового значения (углы 45º-60º для строения 3), вызванное затенением от строения 2.

5. Определены расчетные средние и пульсационные составляющие ветровых нагрузок (с учетом всех направлений ветра) на несущие конструкции зданий жилого комплекса.

Для МЖК «в чистом поле» максимальное расчетное значение средней составляющей равнодействующей аэродинамической силы (FR) на несущие конструкции реализуется:

1) для Строения 1 – при угле атаки ветра …° (восточное направление) и составляет … кН Также опасным углом атаки ветра является …° (северо-восточное-восточное направление), для которого значение средней составляющей равнодействующей аэродинамической силы (FR) составляет … кН.

2) для Строения 2 – при угле атаки ветра …° (северо-северо-западное направление) и составляет … кН. Также опасным углом атаки ветра является …° (северо-северо-западное направление), для которого значение средней составляющей равнодействующей аэродинамической силы (FR) составляет … кН.

3) для Строения 3 – при угле атаки ветра …° (северо-западное направление) и составляет … кН. Также опасным углом атаки ветра является …° (северо-западное-западное направление), для которого значение средней составляющей равнодействующей аэродинамической силы (FR) составляет … кН.

Для МЖК в окружающей застройке максимальное расчетное значение средней составляющей равнодействующей аэродинамической силы (FR) на несущие конструкции реализуется:

1) для Строения 1 – при угле атаки ветра …° (восточное направление) и составляет … кН Также опасным углом атаки ветра является …° (юго-восточное-восточное направление), для которого значение средней составляющей равнодействующей аэродинамической силы (FR) составляет … кН.

2) для Строения 2 – при угле атаки ветра …° (северо-западное направление) и составляет … кН. Также опасным углом атаки ветра является …° (северо-северо-западное направление), для которого значение средней составляющей равнодействующей аэродинамической силы (FR) составляет … кН.

3) для Строения 3 – при угле атаки ветра …° (юго-юго-восточное направление) и составляет … кН Также опасным углом атаки ветра является …° (юго-юго- восточное направление), для которого значение средней составляющей равнодействующей аэродинамической силы (FR) составляет … кН.

С точки зрения реализации максимальной равнодействующей аэродинамической силы (FR) наиболее характерными и опасными углами атаки ветра являются: для МЖК «в чистом поле» – 90°, 315º, 330°; для МЖК в окружающей застройке – 90º, 150º, 315°.

6. В результате проведенных многовариантных расчетных исследований (при 24-х направлениях ветра) аэродинамики МЖК «в чистом поле» и МЖК в окружающей застройке выявлено влияния окружающей застройки (моделировалась область диаметром 1.0 км.) на формирование ветрового потока около рассматриваемых сооружений, а следовательно и ветровых нагрузок на него, в т.ч. на фасадные конструкции. Наблюдается как завышение (до …% — для строения 1, до …% — для строения 2, до …% — для строения 3), так и занижение (до …%- для строения 1, до …% — для строения 2, до …% — для строения 3) пиковой расчетной минимальной (разрежение) ветровой нагрузки на фасадные конструкции для определенных углов атаки ветра; завышение (до …% — для строения 1, до ..% — для строения 2, до …% — для строения 3), так и занижение (в 2.6 раза — для строения 1, до ..% — для строения 2, в … раза — для строения 3) пиковой расчетной максимальной (прижим) ветровой нагрузки на фасадные конструкции для определенных углов атаки ветра. Стоить отметить, что наибольшему изменению пиковые значение подверглись для углов, не реализующих максимумы по абсолютному значению. Для первого и третьего строения эти углы вызваны затенением от самого высокого здания в комплексе – от второго строения.

Учет окружающей застройки снижает пиковые расчетные максимальные (прижим) ветровые нагрузки до …%, но завышает пиковые расчетные минимальные (разряжение) ветровые нагрузки до ..%.

МЖК «в чистом поле»

Для Строения 1 МЖК «в чистом поле»:

a)        Пиковая расчетная минимальная (разрежение) ветровая нагрузка на фасады Строения 1 МЖК составляет: … кПа и реализуется при ССЗ направлении ветра (угол 345°) в уровне 23-го этажа. Для большей части фасадных конструкций отрицательные ветровые давления составляют …кПа до … кПа.

b)       Пиковая расчетная максимальная (прижим) ветровая нагрузка на фасады Строения 1 составляет: … кПа и реализуется при ЮЮВ направлении ветра (угол 150°) в уровне 25 этажа. Для большей части фасадных конструкций положительные ветровые давления составляют от … кПа до … кПа.

Для Строения 2 МЖК «в чистом поле»:

a)        Пиковая расчетная минимальная (разрежение) ветровая нагрузка на фасады Строения 2 МЖК составляет: …кПа (… кгс/м²) и реализуется при ЮВВ направлении ветра (угол 105°) в уровне 34-го этажа. Для большей части фасадных конструкций отрицательные ветровые давления составляют … кПа до … кПа.

b)       Пиковая расчетная максимальная (прижим) ветровая нагрузка на фасады Строения 2 составляет: … кПа (… кгс/м²) и реализуется при ЮВВ направлении ветра (угол 105°) в уровне 33 этажа. Для большей части фасадных конструкций положительные ветровые давления составляют от … кПа до … кПа.

Для Строения 3 МЖК «в чистом поле»:

a)        Пиковая расчетная минимальная (разрежение) ветровая нагрузка на фасады Строения 3 МЖК составляет: … кПа (…кгс/м²) и реализуется при ССВ направлении ветра (угол 15°) в уровне крыши. На фасадах Строения 3 минимальная (разрежение) ветровая нагрузка МЖК составляет: … кПа (… кгс/м²) и реализуется при ЮЮВ направлении ветра (угол 150°) в уровне 18 этажа. Для большей части фасадных конструкций отрицательные ветровые давления составляют … кПа до … кПа.

b)       Пиковая расчетная максимальная (прижим) ветровая нагрузка на фасады Строения 3 составляет: … кПа (.. кгс/м²) и реализуется при ССВ направлении ветра (угол 15°) в уровне крыши. На фасадах Строения 3 максимальная (прижим) ветровая нагрузка составляет: … кПа (… кгс/м²) и реализуется при ЮЮВ направлении ветра (угол 150°) в уровне 18 этажа. Для большей части фасадных конструкций положительные ветровые давления составляют от … кПа до … кПа.

МЖК в окружающей застройке

Для Строения 1 МЖК в окружающей застройке:

a)   Пиковая расчетная минимальная (разрежение) ветровая нагрузка на фасады Строения 1 МЖК составляет: … кПа (… кгс/м²) и реализуется при ЮЮЗ направлении ветра (угол 210°) в уровне крыши. На фасадах Строения 1 минимальная (разрежение) ветровая нагрузка МЖК составляет: …кПа (… кгс/м²) и реализуется при ССВ направлении ветра (угол 30°) в уровне 28 технического этажа. Для большей части фасадных конструкций отрицательные ветровые давления составляют … кПа до … кПа.

b)  Пиковая расчетная максимальная (прижим) ветровая нагрузка на фасады Строения 1 составляет: …кПа (… кгс/м²) и реализуется при ЮЮВ направлении ветра (угол 45º-60°) в уровне крыши. На фасадах Строения 1 максимальная (прижим) ветровая нагрузка составляет: … кПа (… кгс/м²) и реализуется при ЮЮВ направлении ветра (угол 150°) в уровне 25 этажа. Для большей части фасадных конструкций положительные ветровые давления составляют от … кПа до … кПа.

Для Строения 2 МЖК в окружающей застройке:

a)   Пиковая расчетная минимальная (разрежение) ветровая нагрузка на фасады Строения 2 МЖК составляет: … кПа (… кгс/м²) и реализуется при СЗ направлении ветра (угол 315°) в уровне 37-го технического этажа. Для большей части фасадных конструкций отрицательные ветровые давления составляют … кПа до … кПа.

b)  Пиковая расчетная максимальная (прижим) ветровая нагрузка на фасады Строения 2 составляет: … кПа (… кгс/м²) и реализуется при ССВ направлении ветра (угол 15°) в уровне крыши. На фасадах Строения 2 максимальная (прижим) ветровая нагрузка составляет: … кПа (… кгс/м²) и реализуется при ЮЮВ направлении ветра (угол 150°) в уровне 33 этажа. Для большей части фасадных конструкций положительные ветровые давления составляют от … кПа до … кПа.

Для Строения 3 МЖК в окружающей застройке:

a)   Пиковая расчетная минимальная (разрежение) ветровая нагрузка на фасады Строения 3 МЖК составляет: … кПа (… кгс/м²) и реализуется при ССВ направлении ветра (угол 15°) в уровне крыши. На фасадах Строения 3 минимальная (разрежение) ветровая нагрузка МЖК составляет: …0 кПа (… кгс/м²) и реализуется при ССВ направлении ветра (угол 15°) в уровне 20 технического этажа. Для большей части фасадных конструкций отрицательные ветровые давления составляют … кПа до … кПа.

b)  Пиковая расчетная максимальная (прижим) ветровая нагрузка на фасады Строения 3 составляет: … кПа (… кгс/м²) и реализуется при ССВ направлении ветра (угол 15°) в уровне крыши. На фасадах Строения 3 максимальная (прижим) ветровая нагрузка составляет: … кПа (… кгс/м²) и реализуется при ЮЮВ направлении ветра (угол 165°) в уровне 18 этажа. Для большей части фасадных конструкций положительные ветровые давления составляют от … кПа до … кПа.

7. Полученные результаты расчетных ветровых нагрузок на фасадные конструкции и распределение скоростей около исследуемого объекта могут послужить исходными данными для проведения более детального и точного исследования распределения потоков вблизи фасадных конструкций с учетом разницы температуры и затекания в воздушное пространство между стеной и фасадом при его наличии.

8. В результате проведенных многовариантных расчетных исследований (при 24-х направлениях ветра) аэродинамики МЖК в окружающей застройке определены расчетные коэффициенты усиления скоростей ветра. Наибольшее значение усиления ветра (Vr_max=1.8) наблюдается в «коридорах» между рассматриваемыми жилыми зданиями и ближайшими зданиями окружающей застройки, расположенными с СЗ и ЮВ, а также в зонах, граничащих с углами зданий многофункционального комплекса.

На основе полученных результатов проведена оценка пешеходной комфортности по 3-м нормативно регламентированным критериям (по МДС):

– локальное превышение допустимого уровня (1000 часов в год) пешеходной комфортности по первому критерию (Vcr1=… м/с) варьируется в диапазоне от … до … раз наблюдаются в «коридорах» между рассматриваемым зданиями МЖК и ближайшими зданиями окружающей застройки, расположенными с СВ и З от Строения 1, с Ю, ЮВ, В и С от Строения 2, а также с СВ, ЮЗ от Строения 3;

– локальное превышение допустимого уровня (50 часов в год) пешеходной комфортности по второму критерию (Vcr2=… м/с) варьируется в диапазоне от … до … раз и наблюдаются в «коридорах» между рассматриваемым зданиями МЖК и ближайшими зданиями окружающей застройки, расположенными с СВ и З от Строения 1, с Ю, ЮВ, В и С от Строения 2, а также с СВ, ЮЗ от Строения 3;

–превышение допустимого уровня (5 часов в год) пешеходной комфортности по третьему критерию (Vcr3=… м/с) в … раз носит локальный характер в непосредственной близости от рассматриваемого Строения 2 МЖК на юго-западном углу здания.

Ветрозащита и улучшение ветровой ситуации в пешеходных зонах около здания жилого комплекса может быть обеспечена наличием заборов и зеленых насаждений, которые в настоящих расчетах не учитывались.

9. Разработанные параметризованные модели многофункционального жилого комплекса и окружающей застройки, а также полученные результаты численного моделирования ветровой аэродинамики рекомендуется использовать для проведения корректировочных расчетов в случае изменения ситуационного плана, а именно при строительстве в окрестности объекта многоэтажных зданий/комплексов и/или сносе прилегающей малоэтажной застройки.