Определение ветровых воздействий на навесные фасадные системы с учетом влияния вентилируемой воздушной прослойки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.01, кандидат технических наук Леденев, Павел Викторович

• Леденев, Павел Викторович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Леденев, Павел Викторович

Содержание

Список условных обозначений

Введение

Глава 1.

Краткий обзор методов определения ветровых воздействий на фаса- ^ ды высотных зданий

1.1 Применение теплоизоляционных навесных фасадных систем с вентилируемой прослойкой в современном строительстве

1.2 Характеристики ветра для расчета ветровых нагрузок

1.3 Способы определения ветрового воздействия на высотные здания

1.4 Применение методов компьютерного моделирования для определения ветровых нагрузок

1.5 Математические модели для расчета обтекания здания нестационарным ветровым потоком

1.6 Особенности определения ветровых нагрузок на облицовку навесных фасадных систем

Выводы по главе

Глава 2.

Вычислительная технология расчета ветровых нагрузок на высотные сооружения

2.1 Определение параметров математической модели

2.1.1 Модель строительного сооружения

2.1.2 Постановка задачи

2.1.3 Определение сеточных параметров

2.1.4 Выбор модели турбулентности

2.1.5 Сравнение с экспериментальными данными

2.2 Верификация на примере реального строительного сооруже

2.2.1 Геометрическая конфигурация здания

2.2.2 Расчетная сетка и параметры математической модели

2.2.3 Экспериментальная модель

2.2.4 Сопоставление результатов компьютерного и физиче- ^ ского моделирования

Выводы по главе

Глава 3.

Методика определения ветровых нагрузок на воздухопроницаемый облицовочный слой навесных фасадных систем

3.4.1 Уравнение для внутреннего давления в изолированной клетке НФС

3.1 Расчет внутреннего течения в навесных фасадных системам в рамках модели несжимаемой среды

3.1.1 Уравнение баланса расхода через проницаемое ограждение НФС

3.1.2 Примеры аналитических расчетов для наветренных фасадов при стационарных распределениях внешнего 85 давления

3.1.3 Численное моделирование с учетом внутренних гидравлических сопротивлений в воздушной прослойке' НФС

3.1.4 Метод развертки. Скорость предельного движения в НФС под действием внешнего градиента давления

3.2 Постановка и результаты модельных физических экспериментов. Сопоставление с расчетными данными

3.2.1 Испытания цилиндра с проницаемемой оболочкой в аэродинамической трубе А

3.2.2 Испытания модели фасадной системы в аэродинамической трубе А

3.2.3 Испытания модели фасадной с использованием генератора импульсных струй

3.3 Анализ механизмов формирования внутреннего давления при наличии пульсаций внешнего давления. Необходимость учета 102 сжимаемости среды в прослойке фасадной системы

3.4 Метод определяющих "клеток"

3.4.2 Примеры расчета экспериментальной модели НФС.

Влияние частоты пульсаций. Сопоставление с экспери- Ю7 ментальными данными

3.4.3 Система уравнений для взаимодействующих клеток

3.5 Методика расчета ветровых нагрузок на облицовочный слой

3.5.1 Расчет фасадов НФС на экстремальные и пиковые ветровые нагрузки в ветровом порыве

3.5.2 Этапы методики

Глава 4.

Использование методик расчета для определения ветровых нагрузок на облицовочные элементы НФС зданий

Выводы по главе

4.1 Прикладная экспериментально-расчетная методика определения внешнего распределения давления

4.2 О влиянии аэродинамической интерференции близко расположенных зданий

Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Определение ветровых воздействий на навесные фасадные системы с учетом влияния вентилируемой воздушной прослойки»

В последние десятилетия в строительной практике в качестве ограждающих конструкций активно применяются навесные вентилируемые фасады.

Введение повышенных требований к теплозащите ограждающих конструкций привело к резкому снижению, а в некоторых регионах и к полному прекращению строительства зданий со стенами традиционных для нашей страны конструкций. К таким конструкциям относятся однослойные стены из кирпичной кладки, легкобетонных панелей и блоков, бревен и брусьев. Навесные вентилируемые фасадные системы способны обеспечить требуемый отечественными нормами уровень теплозащиты.

В нашей стране навесные вентилируемые фасады известны сравнительно недавно, однако уже накоплен значительный опыт их практического применения. Также проведены широкие исследования теплофизических процессов, протекающих в системе. Оценен влажностный режим и эффективность удаления излишней влаги, предложены методы инженерного расчета влажностного состояния. Результаты основаны как на данных натурных исследований, так и данных экспериментальных и численных исследований.

Большое значение для этих задач, помимо многих свойств строительных материалов, имеют аэродинамические характеристики строительного объекта. В глобальном смысле — в виде ветрового воздействия по периметру фасада всего здания, и в локальном - в значениях скорости и давления в воздушной прослойке определенного участка вентилируемого фасада.

Активное исследование вопросов движения воздуха в воздушной прослойке вентилируемого фасада ведется на протяжении последних пятидесяти лет в европейских (Германия, Англия), азиатских (Япония) и североамериканских странах (Канада, США).

Цель диссертации — разработка методов расчета ветровых воздействий на вентилируемые НФС зданий, их верификация и практическое применение к реальным строительным объектам.

Исходя из поставленной цели, решались следующие задачи:

- численное исследование характеристик внешнего обтекания турбулентным воздушным потоком типичных конфигураций зданий;

- постановка и проведение экспериментальных исследований обтекания макетов зданий для верификации вычислительных технологий;

- разработка и верификация математической модели для расчета давления и скорости течения воздуха в вентилируемой прослойке НФС с проницаемым облицовочным слоем в условиях внешнего ветрового воздействия;

- формирование комплексной методики для практических расчетов ветровых воздействий на НФС с вентилируемой прослойкой.

Настоящая диссертация состоит из введения, четырех глав и общих выводов. В первой главе представлен анализ научных работ, посвященных исследованиям сопряженных аэродинамических, теплофизических и влажностных

Заключение диссертации по теме «Строительные конструкции, здания и сооружения», Леденев, Павел Викторович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Целью диссертационной работы является разработка метода расчета ветровых нагрузок на элементы вентилируемых навесных фасадных систем.

Цель работы формулирует ряд задач, которые и были решены в процессе выполнения работы.

1. Определение внешнего распределения давления.

В качестве математической модели использована система уравнений Рей-нольдса, замыкаемая дифференциальной моделью турбулентности. Основываясь на серии методических численных расчетов с использованием указанной математической модели и модельного объекта, определен набор общих для всех задач внешней строительной аэродинамики параметров расчетной модели, размеров расчетной области и геометрии расчетной сетки.

Выбор параметров подтвержден экспериментальными исследованиями модели реального строительного сооружения. Представленная вычислительная технология может быть использована для определения внешнего распределения давления по поверхностям фасадов реальных строительных объектов.

2. Экспериментальные исследования течения внутри воздушного зазора НФС

Проведены испытания круглой призмы с проницаемым внешнем слоем и воздушным зазором под ним в аэродинамической трубе А-6. Получены пространственные распределения внутреннего и внешнего давления.

Серия методических экспериментальных исследований модели навесной фасадной системы в аэродинамической трубе А-6 НИИ механики МГУ позволила установить зависимость нагрузки на элементы облицовочного слоя от параметров фасадной системы - геометрической проницаемости, ширины воздушного зазора, толщины облицовочного слоя - и от характеристик набегающего потока - скорости и интенсивности турбулентности. Установлено, что значение внешнего давления не зависит от параметров фасадной системы, т.е. внутреннее течение не влияет на внешнее обтекание модели.

Проведены исследования модели фасадной системы в нестационарном потоке с применением генератора импульсных струй. Получены зависимости нагрузки на облицовочные элементы от частоты внешнего воздействия. Наблюдаются эффекты, связанные со сжимаемостью среды.

3. Разработка математической модели течения внутри воздушного зазора НФС.

Представлена математическая модель расчета давления и скорости движения воздуха в воздушном зазоре НФС при стационарном распределении внешнего давления. Проведено сравнение значений нагрузки на облицовочные элементы, полученных по инженерной методике СНиП [58] и численно с использованием представленной модели. Установлено качественное и количественное расхождение.

Сформулирована методика определения нагрузки на элементы облицовочного слоя НФС при стационарном или "медленном" нестационарном внешнем воздействии, получившая название методика двумерной развертки. Методика подтверждена экспериментальными исследованиями круглой призмы в аэродинамической трубе А-6. Методика плоской развертки позволяет определить давление и скорость течения воздуха в воздушном зазоре. На примере межоконного простенка строительного сооружения численно подтверждена существенность теплофизического эффекта продольной фильтрации воздуха.

Разработана математическая модель, учитывающая сжимаемость среды и непосредственно геометрические параметры фасадной системы - метод определяющих "клеток". Сравнения результатов численного моделирования с данными испытаний модели фасадной системы с ГИС подтвердили адекватность и состоятельность метода определяющих "клеток".

4. Формулирование методики определения ветровой нагрузки на облицовочные элементы НФС.

Предложена методика, основанная на математической модели определяющих "клеток", расчета экстремальных и пиковых положительных и отрицательных нагрузок на облицовочные элементы, учитывающая разномасштабные пространственные и временные ветровые порывы. Для наветренного фасада > проведено сравнение результатов, полученных по инженерной методике СНиП [58], по предложенной методике и при прямом моделировании нестационарного внешнего воздействия.

5. Экспериментально-расчетная методика определения внешнего распределения давления.

Разработана уникальная методика определения распределения давления по поверхности фасадов сооружения, позволяющая сочетать экспериментальное и численное моделирование в рамках одного проекта для реальных строительных объектов.

6. Методика расчета уровней комфортности пешеходных зон.

Основываясь на предложенной в МГСН [42] градации уровней комфортности разработана методика расчета уровней комфортности пешеходных зон. Необходимыми исходными данными являются розы ветров в районе проведения строительных работ и векторные поля скорости вблизи поверхности земли для каждого из направлений ветрового потока. Поля скорости могут быть получены только расчетным путем.

Поставленная цель диссертационной работы полностью достигнута.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Леденев, Павел Викторович, 2011 год

1. Аэродинамические установки Института механики Московского университета / под ред. Г.Г. Черного, А.И. Зубкова, Ю.А. Панова. М.: Изд-во МГУ, 1985.- 44 с.

2. Барштейн М.Ф. Ветровая нагрузка на здания и сооружения // Строительная механика и расчет сооружений, № 4, 1974. — С. 43-48.

3. Барштейн М.Ф. Воздействие ветра на высокие сооружения // Строительная механика и расчет сооружений, № 1, 1959. С.19-32.

4. Белов И.А. Модели турбулентности: Учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: ЛМИ, 1986. - 100с.

5. Березин М.А., Катюшин В.В. Атлас аэродинамических характеристик строительных конструкций М. ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, 2003. -130с.

6. Богословский В.Н. Строительная теплофизика (теплофизические основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха) — М.: Высшая школа, 1992.-415с.

7. Борисенко М.М. Вертикальные профили ветра и температуры в нижних слоях атмосферы / В кн.: Труды ГГО. вып. 320. М. 1974. - 205с.

8. Брилинг P.E. Воздухопроницаемость ограждающих конструкций и материалов -М.: Стройиздат. 1948. 120с.

9. Вулис Л.А., Кашкаров В.П. Теория струй вязкой жидкости М.: Наука,. 1965. - 432с.

10. Гагарин В.Г. О некоторых теплотехнических ошибках, допускаемых при проектировании вентилируемых фасадов // АВОК № 2, 2005. С. 52-58.

11. И. Гагарин В.Г., Козлов В.В. Достоинства и недостатки применения ветрозащитных пленок в вентилируемых фасадах // СтройПрофиль № 1(63), 2008. -С. 29-33.

12. Гагарин В.Г., Козлов В.В. Методика проверки выпадения конденсата в воздушном зазоре вентилируемого фасада // Строительная физика в XXI веке М. НИИСФ РААСН, 2006. - С. 65-73.

13. Гагарин В.Г., Козлов В.В., Мехнецов И.А. Продольная фильтрация воздуха в современных ограждающих конструкциях // АВОК № 8, 2005. С. 6069.

14. Гагарин В.Г., Козлов В.В., Цыкановский Е.Ю. Теплозащита фасадов с вентилируемым воздушным зазором. Часть 1 // АВОК № 2, 2004. С. 20-26.

15. Гагарин В.Г., Козлов В.В., Цыкановский Е.Ю. Теплозащита фасадов с вентилируемым воздушным зазором. Часть 2 // АВОК № 3, 2004. С. 20-26.

16. Гагарин В.Г., Овсянникова Т.Ю., Овсянников С.Н., Подласова И.А Фасадные системы для сибирского климата Томск, ТГУ, 2006. - 217с.

17. Гордеев В.Н., Лантух-Лященко А.И., Пашинский В.А., Перельмутер A.B., Пичугин С.Ф. Нагрузки и воздействия на здания и сооружения. Под общейред. A.B. Перельмутера. — M.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2007. 482с.

18. Гувернюк C.B., Гагарин В.Г. Компьютерное моделирование аэродинамических воздействий на элементы ограждений высотных зданий. Часть 1 // АВОК № 8, 2006. С. 18-24.

19. Гувернюк C.B., Гагарин В.Г. Компьютерное моделирование аэродинамических воздействий на элементы ограждений высотных зданий. Часть 2 // АВОК № 1,2007. С. 16-22.

20. Гувернюк C.B., Зубков А.Ф., Синявин A.A., Панин Д.Н., Меснянкин С.Ю., Леденев П.В. Физическое моделирование ветровых воздействий на высотное здание с фасадами сложной конфигурации. — М.:МГУ, Отчет НИИ механики №4941, 2008. 55с.

21. Гувернюк C.B., Синявин A.A. К расчету естественной конвекции в воздушной прослойке вентилируемого фасада с учетом щелевой проницаемости внешнего ограждения // Строительная физика в XXI веке М. НИИСФ РААСН, 2006.-С. 65-73.

22. Гуревич М.И. Теория струй идеальной жидкости 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1979. - 536с.

23. Гутников В.А, Лифанов, И.К., Скотченко A.C. Рекомендации'по оценке аэрации территории в жилой« застройке Москвы. Отв. ред. И:К. Лифанов — М.: МАКС Пресс, 2006. 2-е изд., перераб. и доп. - 160с.

24. Гутников В.А., Лифанов И.К., Сетуха A.B., Кирякин В.Ю. Математическое моделирование аэродинамики городской застройки М.: Изд-во «Пась-ва», 2002. 244с.

25. Денисихина Д.М., Худов A.B. Математическое моделирование турбулентных течений в проекте реконструкции Национального академического Большого театра оперы и балета Республики Беларусь // ИС, № 2, 2008. -С. 32-38.

26. Дынникова Г.Я. Расчет обтекания кругового цилиндра на основе двумерных уранений Навье-Стокса при больших числах Рейнольдса с высоким разрешением в пограничном слое // Доклады академии наук, Т. 422. №6, 2008.-С. 755-757.

27. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. Под ред. М.О. Штейнберга. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1992. -672с.

28. Ильинский В. М. Проектирование ограждающих конструкций зданий (с учётом физико-климатических воздействий) — М.: Высшая школа, 1974. — 320с.

29. Исаев С.А., Быстров Ю.А., Кудрявцев H.A., Леонтьев А.И. Численное моделирование вихревой интенсиикации теплообмена в пакетах труб СПб: Судостроение, 2005. - 392с.

30. Ковеня В.М. Применение алгоритмов расщепления в методе: конечных объемов / В кн. Вычислительные технологии, Том:6^ № 2, 2001. С. 84-103.

31. Козлов В;В Аналитический метод расчета движения воздуха в воздушном зазоре вентилируемого фасада с облицовкой, содержащей периодические разрывы // Строительная физика в XXI веке М. НИИСФ РААСН, 2006. -С. 65-73.

32. Козлов В.В; Метод инженерной оценки влажностного состояния современных ограждающих конструкций с повышенным уровнем теплозащиты при учете паропроницаемости, влагопроницаемости и фильтрации воздуха. Автореферат Москва, 2004. 24с.

33. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа: Учеб; для вузов. 7-е изд., испр. -М.: Дрофа, 2003. - 840с.

34. Лукьянов В.И. Метод расчета влажностного состояния наружных ограждений с вентилируемой воздушной прослойкой для производственных зданий // В кн. Исследования теплозащиты зданий. М.: НИИСФ, 1983. С. 8493;

35. Мазурин Н.Ф. Сергеева И.А. Статистические характеристики скорости ветра применительно к ветровым нагрузкам Обнинск: ВНИИГМИ-МЦД, 1979.-49с.

36. Мачинский В.Д. Теплопередача в строительстве: учеб.пособие для стро-ит.вузов З.изд.,испр.и доп. М.: Госстройиздат, 1939: - 343с.

37. Мачинский В.Д. Теплотехнические основы строительства М.: Государственное издательство строительной литературы, 1949. - 328с.

38. МГСН 4.19-05 «Многофункциональные высотные здания и комплексы».43.