Строительные нормы дают значения ветровой нагрузки, которые достаточно хорошо охватывают широкий круг типовых геометрий зданий. Для прямоугольного здания средней этажности на открытой местности нормативные аэродинамические коэффициенты уместны и консервативны.
Но по мере того как здания становятся выше, стройнее, сложнее по геометрии или теснее окружены другими сооружениями, нормативные ветровые нагрузки становятся всё менее точными. В какой-то момент они либо существенно завышают нагрузки, приводя к лишним затратам на конструкцию, либо, что опаснее, пропускают локальные концентрации давления, которые упрощённая геометрия норм не способна учесть.
В этой статье рассматривается, когда достаточно нормативного расчёта ветровых нагрузок, когда нет и какие существуют альтернативы.
Как выполняется расчёт ветровой нагрузки по нормам
Строительные нормы — ASCE 7, Eurocode 1 Part 1-4 и местные аналоги — задают ветровые нагрузки через сочетание следующих факторов:
- Базовая скорость ветра в месте строительства по картам из норм
- Тип местности в зависимости от шероховатости окружающей территории
- Профиль скорости ветра по высоте — скорость ветра растёт с высотой
- Аэродинамические коэффициенты давления (Cp или Cpe) — безразмерные множители, переводящие скорость ветра в давление на поверхности; табулированы для ограниченного набора форм зданий
Полученные расчётные давления прикладываются к несущей системе как статические эквивалентные нагрузки.
Этот подход хорошо работает для зданий, в целом похожих на формы, для которых выводились нормативные коэффициенты: преимущественно прямоугольные в плане, с умеренным соотношением сторон и условиями местности, в достаточной мере соответствующими допущениям норм.
Когда нормативных значений недостаточно
Нормативный подход имеет внутренние ограничения, которые становятся существенными в ряде ситуаций:
Сложная или непрямоугольная геометрия
Криволинейные фасады, нерегулярные планы этажей, сужающиеся башни, большие консольные свесы кровли или навесы выходят за рамки нормативных таблиц аэродинамических коэффициентов. Картины течения вокруг таких геометрий порождают локальные распределения давления, которые невозможно описать коэффициентами, полученными для простых прямоугольных форм.
Применение коэффициентов для прямоугольных зданий к сложной геометрии даёт неточные давления — иногда с запасом, иногда нет, — и проверить их без более сложного расчёта невозможно.
Высотные и гибкие сооружения
Для гибких высотных зданий динамические эффекты от ветра — особенно поперечное возбуждение и срыв вихрей — могут определять работу конструкции. Нормативные эквивалентные статические нагрузки не отражают эти эффекты в достаточной мере.
Для гибких зданий (отношение высоты к ширине более примерно 4:1) поперечные ветровые нагрузки могут превышать нагрузки вдоль потока. Динамическое усиление зависит от собственной частоты здания, демпфирования и характеристик турбулентности ветра — всё это требует расчёта, выходящего за рамки нормативного статического эквивалентного подхода.
Влияние соседних зданий (эффекты интерференции)
Соседние здания существенно изменяют ветровую обстановку вокруг сооружения. Аэродинамический след, эффект канала между зданиями и ускорение потока у углов могут вызывать локальное повышение давления значительно выше того, что предсказывают коэффициенты для отдельно стоящего здания.
Строительные нормы не учитывают конкретное расположение соседних зданий. Если площадка находится в плотной городской застройке с близко стоящими зданиями, необходимо оценить эффекты интерференции.
Требования к давлению на облицовку и фасады
Строительные нормы задают суммарные горизонтальные нагрузки для несущего каркаса. Местные давления на панели облицовки, остекление и элементы фасада — особенно на углах, краях и по периметру кровли — часто требуют более детального анализа. Нормативные коэффициенты давления для угловых зон консервативны в целом, но могут не отражать пространственное распределение давлений, определяющее расчёт отдельных панелей облицовки.
Ветровой комфорт пешеходов
Ветер на уровне земли вокруг зданий влияет на комфорт и безопасность пешеходов. Нормативные расчёты не дают никакой информации о ветровых условиях на уровне земли — для этого нужен либо CFD-анализ, либо испытания в аэродинамической трубе.
Альтернативы нормативному расчёту
CFD-анализ ветровых нагрузок
Анализ методами вычислительной гидродинамики (CFD) моделирует обтекание здания ветром, одновременно определяя распределение давления по всем поверхностям. Поле течения может включать окружающий рельеф и соседние здания.
CFD-анализ ветра особенно полезен для:
- Сложные геометрии зданий, к которым нормативные коэффициенты неприменимы
- Распределение местного давления на ограждающие конструкции
- Оценка ветрового комфорта пешеходов
- Предварительные исследования до принятия решения об испытаниях в аэродинамической трубе
Точность CFD-расчёта ветровых воздействий критически зависит от подхода к моделированию турбулентности и от граничных условий, задающих атмосферный пограничный слой. Методы на основе RANS (стационарные осреднённые по Рейнольдсу уравнения Навье — Стокса) — стандартный подход для зданий: они быстрее LES (метода крупных вихрей) и достаточны для прогноза средних давлений, хотя менее точны при оценке пиковых давлений в зонах отрывного течения.
Расчёт должен включать исследование чувствительности к параметрам модели турбулентности и плотности сетки. К результатам без документированной стратегии валидации следует относиться с осторожностью.
Испытания в аэродинамической трубе
Испытания в аэродинамической трубе остаются самым точным методом определения ветровых нагрузок на здания, особенно для высотных зданий и сложных проектов, где существенны динамические эффекты и интерференция.
Масштабная модель здания и окружающей застройки испытывается в аэродинамической трубе пограничного слоя, воспроизводящей турбулентные характеристики атмосферного пограничного слоя. Дренажные отверстия на поверхности модели непосредственно измеряют давление одновременно в сотнях точек.
Результаты испытаний в аэродинамической трубе используются для того, чтобы:
- Определять нагрузки на конструкцию (сдвигающая сила в основании, опрокидывающий момент, кручение)
- Определять зоны давления на облицовку
- Оценка ускорений для комфорта людей в высотных зданиях
- Оценивать ветровой комфорт пешеходов
Испытания в аэродинамической трубе дороже CFD-анализа и требуют изготовления физической модели. Для большинства проектов, где нужен ветровой анализ сверх норм, CFD обеспечивает достаточную точность при существенно меньших затратах. Испытания в аэродинамической трубе обычно применяют для высотных зданий выше примерно 150–200 м или для особо сложных и значимых проектов.
Что должен содержать отчёт о ветровом CFD-анализе
Достоверный отчёт о ветровом расчёте методами CFD включает:
Расчётная область и граничные условия: размеры области, профиль скорости на входе, интенсивность турбулентности и обоснование этих решений относительно признанных рекомендаций (COST Action 732, рекомендации AIJ и т. п.)
Стратегия построения сетки: плотность сетки в расчётной области, зоны сгущения вокруг здания, пристеночная обработка и исследование сеточной независимости.
Охват направлений ветра: для большинства проектов — шестнадцать направлений с шагом 22.5°. Критические направления определяются и приводятся отдельно.
Карты коэффициентов давления: распределение давления по всем фасадам для каждого направления ветра. Сравнение с нормативными значениями, где это применимо.
Оценка пиковых давлений: средние давления из расчёта RANS следует комбинировать с соответствующими пик-факторами для проектирования ограждающих конструкций. Метод оценки пиковых значений должен быть задокументирован.
Сводка нагрузок на конструкцию: интегральные силы и моменты, действующие на конструкцию, для использования в глобальной расчётной модели.
Итоги
Нормативные ветровые нагрузки достаточны для типовых форм зданий в простых условиях местности. Для сложных геометрий, высотных или гибких сооружений, эффектов городской интерференции и детального определения давления на облицовку необходим более совершенный анализ.
CFD-анализ ветра — экономичный путь к точным ветровым нагрузкам для конкретной геометрии. Качество результата полностью зависит от качества постановки — моделирования турбулентности, граничных условий, стратегии построения сетки и валидации, — и всё это должно быть явно описано в любом отчёте о расчёте.
Если ваш проект связан со сложной геометрией, высотными сооружениями или требованиями к давлению на ограждающие конструкции сверх стандартных нормативных значений, опишите объём работ.
