CC BY
17
УДК 691.33
Крупин В.П. - инженер E-mail: vol-pin@mail.ru
Шмелев Г.Н. - кандидат технических наук, профессор E-mail: shmelev@kgasu.ru
Хусаинов Д.М. - кандидат технических наук, доцент E-mail: xdmt@mail.ru
Козлов М.В. - кандидат технических наук, старший преподаватель E-mail: maxim@mi.ru
Казанский государственный архитектурно-строительный университет Сунгатуллин А.Р. - аспирант
Жерехов В.В. - кандидат технических наук, доцент E-mail: dr.jekil@rambler.ru
Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОГРАММНЫХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕТРОВОЙ НАГРУЗКИ НА РЕКЛАМНЫЕ СООРУЖЕНИЯ, УСТАНАВЛИВАЕМЫЕ НА КРЫШЕ ЗДАНИЯ
АННОТАЦИЯ
Проанализированы существующие нормы проектирования для определения ветровой нагрузки на рекламные конструкции, устанавливаемые на крыше здания. Проведен численный эксперимент, по результатам которого построены графики зависимости аэродинамического коэффициента се в зависимости от положения рекламной конструкции на крыше здания и угла действия ветровой нагрузки. Определены положения рекламной конструкции с максимальными значениями ветровой нагрузки. Выявлены наиболее неблагоприятные направления угла действия ветровой нагрузки.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ветровые нагрузки, рекламные конструкции, численное моделирование.
Krupin V.P. - engineer
Shmelev G.N. - candidate of technical sciences, professor Khusainov D.M. - candidate of technical sciences, associate professor Kozlov M.V. - candidate of technical sciences, senior lecturer Kazan State University of Architecture and Engineering Sungatullin A.R. - post-graduate student
Zherehov V.V. - candidate of technical sciences, associate professor Kazan State Technical University
USE OF SOFTWARE SYSTEMS FOR DETERMINING WIND LOAD ON ADVERTISING DESIGN SEPARATELY ON THE ROOF
ABSTRACT
Existing design standards for determining wind loads on advertising design, mounted on the roof of the building. The numerical experiment, the results of which are constructed plots of aerodynamic coefficient ce, depending on the position of an advertising structure on the roof of the building and the angle of the wind load. Are set forth in the advertising design with maximum values of wind loads. Not revealed the most favorable direction of the angle of the wind load.
KEYWORDS: wind loads, advertising design, numerical simulation.
При проектировании рекламных конструкций доминирующим из рассматриваемых воздействий являются ветровые нагрузки. Для определения нормативного значения средней составляющей ветровой нагрузки wm в зависимости от эквивалентной высоты ze над поверхностью земли, согласно [1], следует применять формулу:
= W0k{Ze )С , (1)
wm = W0
где w0 - характеристическое значение ветрового давления;
k(ze) - коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления для высоты ze;
с - аэродинамический коэффициент.
Характеристическое значение ветрового давления w0 и коэффициент k(ze) приведены в соответствующих таблицах [1] и принимаются в зависимости от ветрового района и типа местности. Значение аэродинамического коэффициента с принимается по приложению В.1 [1], где приведены основные возможные схемы зданий и конструкций, в случаях, не предусмотренных в данном приложении, аэродинамические коэффициенты необходимо принимать по справочным данным или на основе результатов продувок моделей сооружений в аэродинамических трубах.
Так, значение аэродинамического коэффициента внешнего давления се для отдельно стоящей рекламной конструкции принимается по приложению В1.1.2 [1], в зависимости от размеров щита и высоты его установки, при этом эти значения полностью совпадают с полученными по [2]. Если же рассматривать систему рекламной конструкции, установленной на крыше здания, то данные для определения или похожих схем, которые можно было бы взять за аналог, как в [1], так и в [2], отсутствуют. Сложность определения указанного коэффициента заключается в том, что его значение зависит от формы конструкции, угла действия ветрового потока, положения рассматриваемой конструкции относительно здания. Согласно [1, 3] в таких случаях рекомендуется экспериментальное определение се, путем продувания тел в аэродинамической трубе. Это связано с серьезными финансовыми затратами и не всегда экономически обосновано для всех рассматриваемых задач. Кроме того, при экспериментальном определении указанных параметров огромное значение имеет сама постановка задачи, требующая соблюдения критериев подобия.
Благодаря развитию компьютерных технологий и математических методов моделирования взаимодействия потока с телом, в данном случае воздуха, появилась возможность получать се математическим путем (численным экспериментом). Так, с помощью прикладных программных комплексов (CFX, Fluent, Star SD, AerEcoPlate, AnSys, Лира, Scad, MicroFe и др.) в области расчета строительных конструкций можно более точно, относительно нормативных требований, смоделировать ветровое воздействие и определить реакцию конструкции.
Для определения се крышной рекламной конструкции (КРК) (устанавливаемой на крыше здания) нами был выполнен численный эксперимент с помощью пакета программ «Fluent», основанного на методе конечных элементов. В качестве результатов численного моделирования рассматривалось изменение значения се. Расчетная сетка строилась на программном обеспечении Gambit, которое позволило построить сложную тетраэдральную сетку с использованием функции роста, что помогло использовать сетку максимально эффективно в интересующей нас области и не использовать интерфейсные поверхности. После этого сетка импортировалась в сам решатель Fluent, где были заданы граничные условия и интересующие нас условия проведения расчета. Применяемый программный продукт использует несколько основных моделей турбулентности. К сожалению, на данный момент не существует универсальной модели турбулентности для широкого диапазона течений. Выбор модели турбулентности зависит от характера турбулентного потока, требуемой точности, доступных вычислительных ресурсов и временных затрат, необходимых на процесс моделирования. Для адекватного выбора модели турбулентности необходимо четко представлять свойства и ограничения каждой модели турбулентности. По результатам пробного тестирования наиболее подходящей оказалась RANS модель k-epsilon RNG.
При выполнении численного эксперимента размеры здания и КРК оставались постоянными (Нзд = Взд =9 м, Ьзд =24 м и h=3 м, b=6 м.), при этом изменялось положение щита на крыше здания (хь yb а) и угол действия ветровой нагрузки (а).
Эксперимент проходил в пять этапов:
1 - изменение зазора а между КРК и крышей здания;
2 - изменение положения КРК вдоль оси х - поперек здания;
3 - изменение положения КРК вдоль оси у - вдоль здания;
4 - изменение угла действия ветровой нагрузки а;
5 - определение се для КРК, расположенной в плоскости фасада, по центру и в углу здания, при направления действия ветровой нагрузки под углом а 0о, 45о, 135о, 225о, 315о.
Рис. 1. Схема установки КРС
При выполнении 1-го этапа х1=0, ^=0, а=0, а изменялось значение зазора а между КРК и крышей. По полученным данным построен график зависимости се от зазора а и для сравнения показано значение се для отдельно стоящего рекламного сооружения, расположенного на высоте 9,5 м. Из графика видно, что при а =0 значение се меньше, чем для отдельно стоящей рекламной конструкции, но с увеличением зазора показатель се становится больше, пока при достижении 6 м не начинает медленно снижаться.
1 - КРК, расположенная на крыше здания (х1=0, у1=0, а=0);
2 - Отдельно стоящая рекламная конструкция
Рис. 2. График зависимости значения аэродинамического коэффициента се от зазора а
На 2-ом этапе у1=0, а=0.5 м, а=0, а изменялось значение параметра х1, КРК перемещалась по крыше относительно наветренной стороны здания вперед (+) и в глубь здания (-). По полученным данным построен график зависимости значения се от х1. По результатам численного эксперимента можно сделать вывод, что при выносе КРК вперед значение се приближается к значению се для отдельно стоящей рекламной конструкции, а при передвижении его вглубь уменьшается вплоть до отрицательного значения.
хь м
о
-0,119
1 - КРК, расположенная на крыше здания (у 1=0, а=0.5 м, а=0);
2 - Отдельно стоящая рекламная конструкция
Рис. 3. График зависимости значения аэродинамического коэффициента се от х1
3-ий этап х1=0, а=0.5 м, а=0, а изменялось значение параметра у1, КРК перемещалась по крыше вдоль наветренной стороны от центра к углу здания. По полученным данным построен график зависимости значения се от у1. По графику видно, что при перемещении КРК к углу здания значение се увеличивается до 1,238.
Уь м
Рис. 4. График зависимости значения аэродинамического коэффициента се от у1
По результатам первых трех этапов получается, что максимальное значение се соответствует положению КРК, расположенной в углу здания. Исходя из этого, на 4-ом этапе для положения КРК х1=0, у1=9 м, а=0.5 м изменялось направление ветра (угол а). По полученным значениям построен график зависимости се от а. Анализ результатов моделирования показывает, что максимальное значение се возникает при угле а=45о. При изменении направления ветровой нагрузки от 0 до 45о коэффициент се увеличивается в 1,5 раза, а при дальнейшем увеличении а до 90о резко уменьшается практически до 0.
Исходя из четвертого этапа моделирования, максимальное значение аэродинамического коэффициента се получается при угле действия ветровой нагрузки 45о. Поэтому на 5-ом этапе рассматривалось два положения КРК на крыше здания, по центру (х!=0, у^0м, а=0.5м) и в углу здания (х1=0, у1=9 м, а=0.5 м), а угол направления действия ветровой нагрузки а принимался 0о, 45о, 135о, 225о, 315о. По полученным результатам построен график зависимости значения се от а для двух положений КРК.
1 - КРК, расположенная на крыше здания на углу (х!=0, у1=9 м, а=0.5 м);
2 - КРК, расположенная на крыше здания по центру (х!=0, у1=0, а=0.5 м)
Рис. 6. График зависимости значения се от а для двух положений КРК на крыше здания
Из графика (рис. 6) видно, что для КРК, установленной на крыше здания по центру, максимальное значение аэродинамического коэффициента се получается так же, как и для углового положения при направлении угла действия ветровой нагрузки а = 45о.
По результатам проделанных численных экспериментов можно сделать ряд выводов:
1. При увеличении зазора а между КРК и крышей здания значение аэродинамического коэффициента се увеличивается до 1,427.
2. При выносе КРК вперед за наветренную плоскость здания значение аэродинамического коэффициента се увеличивается, а при передвижении его вглубь уменьшается.
3. При перемещении КРК по крыше вдоль наветренной стороны здания от центра к углу значение аэродинамического коэффициента се увеличивается до 1,238.
4. Максимальное значение аэродинамического коэффициента се возникает при направлении угла действия ветровой нагрузки а = 45о, при расположении КРК как на углу, так и по центру здания.
5. Значение максимального аэродинамического коэффициента се для углового положения КРК на крыше здания на 39 % больше того же коэффициента при установке по центру здания, что соответствует 1,817.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. СТО 36554501-015-2008 «Нагрузки и воздействия».
2. EN 1991-1-4 Eurocode 1: Actions on structures. - Part 1-4: General actions. - Wind actions. - Brussels: CEN, 2002. - 54 p.
3. СНиП 2.01.07-2003 «Нагрузки и воздействия».
