Результаты компьютерного расчета величины ветровой нагрузки, действующей на свод из вальцованных профилей

Полный текст

Введение1 С помощью программного комплекса COSMOSFloWorks была смоделирована виртуальная аэродинамическая труба, в которую поместили свод из вальцованных металлических профилей системы MIC-120, а также задана скорость ветра и рассчитаны траектории обтекания ветровым потоком задаваемого свода, замененного для упрощения моделирования гладким сводом с наружными ребрами такой же высоты и с таким же шагом, как у вальцованного профиля. Цель исследования - численное определение воздействия ветровых нагрузок на свод из вальцованных профилей системы MIC-120. Материалы и методы В программном комплексе COSMOSFloWorks движение текучей среды моделируется с помощью уравнений Навье - Стокса, описывающих в нестационарной постановке законы сохранения массы, импульса и энергии этой среды. Кроме того, используются уравнения состояния компонентов текучей среды, а также эмпирические зависимости вязкости и теплопроводности этих компонентов от температуры. Неньютоновские жидкости задаются зависимостью их коэффициента вязкости от скорости сдвиговых деформаций и температуры, сжимаемые жидкости задаются зависимостью их плотности от давления. Этими уравнениями моделируются турбулентные, ламинарные и переходные течения. Между ламинарным и турбулентным течениями переход определяется критическим значением числа Рейнольдса. Для моделирования турбулентных течений (они встречаются в инженерной практике наиболее часто) упомянутые уравнения Навье - Стокса осредняются по Рейнольдсу, т.е. используется осредненное по малому масштабу времени влияние турбулентности на параметры потока, а крупномасштабные временные изменения, осредненные по малому масштабу времени составляющих газодинамических параметров потока (давления, скоростей, температуры), учитываются введением соответствующих производных по времени [9]. В результате уравнения имеют дополнительные члены - напряжения по Рейнольдсу, а для замыкания этой системы уравнений в COSMOSFloWorks используются уравнения переноса кинетической энергии турбулентности и ее диссипации в рамках k-z модели турбулентности [1]. Расчет производился для ветра, действующего в торец свода (вдоль образующей), перпендикулярно к своду и под углом к нему с изменением пролета от 12 до 24 метров [13]. Нормативные скорости ветра для восьми ветровых районов представлены в табл. 1. Полученные расчетом изополя ветрового обтекания свода с цветовой индикацией скоростей потоков показаны на рис. 1-5. Распределения ветрового давления представлены на рис. 6-11 [12]. Таблица 1 Скорость ветра по районам, м/с Район 1а 1 2 3 4 5 6 7 Скорость ветра 18 21 24 27 30 33 37 40 [Table 1. Wind speed by areas, m/s] Рис. 1. Цветовые изополя распределения скоростей ветрового потока при направлении ветра перпендикулярно образующей свода пролетом 12 м в 7-м ветровом районе: сечение 1-1 (рис. 12) [Figure. 1. Color isofield velocity distribution of wind flow with wind direction perpendicular to the roof generatrix of the 12-meter span in 7th wind region: section 1-1 (Figure 12)] Рис. 2. Цветовые изополя распределения скорости ветра при его направлении перпендикулярно образующей свода пролетом 18 м в 7-м ветровом районе: вид сбоку, сечение 2-2 (рис. 12) [Figure 2. Color isofield velocity distribution of wind flow with wind direction perpendicular to the roof generatrix of the 18-meter span in 7th wind region: lateral projection, section 2-2 (Figure 12)] а б Рис. 3. Цветовые изополя распределения скорости ветра при его направлении под углом к своду пролетом 12 м в 7-м ветровом районе: а - сечение 1-1; б - сечение 2-2 (рис. 12) [Figure 3. Color isofield velocity distribution of wind flow in the direction of the wind at an angle to the arch of the 12-meter span in 7th wind region: a - section 1-1; б - section 2-2 (Figure 12)] Рис. 4. Цветовые изополя распределения скорости ветра при его направлении вдоль образующей свода пролетом 18 м в 3-м ветровом районе: сечение 1-1 (рис. 12) [Figure 4. Color isofields distributions of wind speed at its direction along the generatrix arch of the 18-meter span in 3rd wind region: section 1-1 (Figure 12)] Рис. 5. Цветовые изополя распределения скорости ветра при его направлении вдоль образующей свода пролетом 18 м в 3-м ветровом районе: сечение 2-2 (рис. 12) [Figure 5. Color isofields distributions of wind speed at its direction along the generatrix arch of the 18-meter span in 3rd wind region: section 2-2 (Figure 12)] Рис. 6. Зоны распределения давления при направлении ветра перпендикулярно образующей свода пролетом 18 м в 1-м ветровом районе: сечение 1-1 (рис. 12) [Figure 6. Zones of pressure distribution with wind direction perpendicular to the generatrix arch of the 18-meter span in the 1st wind region: section 1-1 (Figure 12)] Рис. 7. Зоны распределения давления при направлении ветра перпендикулярно образующей свода пролетом 12 м в 1-м ветровом районе: сечение 1-1 (рис. 12) [Figure 7. Zones of pressure distribution with wind direction perpendicular to the generatrix arch of the 12-meter span in the 1st wind region: section 1-1 (Figure 12)] Рис. 8. Зоны распределения давления при направлении ветра под углом к своду пролетом 12 м во 2-м ветровом районе: сечение 1-1 (рис. 12) [Figure 8. Zones of pressure distribution with wind direction perpendicular to the generatrix arch of the 12-meter span in the 2nd wind region: section 1-1 (Figure 12)] Рис. 9. Зоны распределения давления при направлении ветра под углом к своду пролетом 12 м в 7-м ветровом районе: сечение 2-2 (рис. 12) [Figure 9. Pressure distribution zones with wind direction at an angle to the arch of the 12-meter span in the 7th wind region: section 2-2 (Figure 12)] Рис. 10. Зоны распределения давления при направлении ветра вдоль образующей свода пролетом 18 м в 3-м ветровом районе: сечение 2-2 (рис. 12) [Figure 10. Pressure distribution zones with the wind direction along the arch generatrix of the 18-meter span in the 3rd wind region: section 2-2 (Figure 12)] Рис. 11. Зоны распределения давления при направлении ветра вдоль образующей свода пролетом 18 м в 3-м ветровом районе: сечение 1-1 (рис. 12) [Figure 11. Pressure distribution zones with the wind direction along the arch generatrix of the 18-meter span in the 3rd wind region: section 1-1 (Figure 12)] По полученным данным давления и скорости ветра были построены картины изолиний зон распределения давления на свод при движении воздушного потока под разными углами к образующей (рис. 12). Характер изменения давления на поверхность свода по его продольным и поперечным сечениям при действии ветра под разными углами показан цветовыми изоповерхностями на рис. 13-16. Зоны ветрового давления [Zone of wind pressure] Сечения [Section] Рис. 14. Изоповерхности давления воздуха по сечениям при действии ветра под углом к своду [Figure 14. Isosurfaces of air pressure in sections under the action of wind at an angle to the arch] Рис. 15. Изоповерхности давления воздуха по сечениям при действии ветра перпендикулярно к своду [Figure 15. Isosurfaces of air pressure in cross-sections under the action of wind-perpendicular to the arch] Результаты Рис. 12. Зоны распределения ветрового давления [Figure 12. Wind pressure distribution zones] Рис. 13. Изоповерхности давления воздуха по сечениям при действии ветра вдоль свода [Figure 13. Isosurfaces of air pressure in cross-sections under the action of wind along the roof] Полученные средние результаты давлений по трем зонам (рис. 12) при направлении действия ветра перпендикулярно своду и под углом к нему представлены в табл. 2 и 3 соответственно. На основании этих данных можно определить давление в любой зоне свода в зависимости от пролета и ветрового района. На рис. 16 показан поперечный разрез средней части свода с направлениями действующего давления на свод по зонам [1]. Рис. 16. Схема расположения зон давления на свод: сечение 1-1 (рис. 12) [Figure 16. Layout of pressure zones on the roof: section 1-1 (Figure 12)] Давление при направлении ветра перпендикулярно образующей свода, Па [Table 2. Pressure with wind direction perpendicular to the arch, Pa] Таблица 2 Район [Area] 1а 1 2 3 4 5 6 7 Зона [Zone] Пролет, м [Span, m] 24 31,08 131,6 172,2 179,9 257 279,6 338 476 1 -209 -264 -300,6 -367,5 -433 -584 -691,3 -832 2 -93,6 -31,3 -39,38 -50,77 -53,4 -70,4 -85,88 -106 3 18 58,85 120,7 144,89 169 235 289,2 322,8 403,7 1 -207 -376 -467,8 -532,3 -744 -905 -1074 -1281 2 -33,1 -62,9 -73,34 -90,01 -134 -156 -185,6 -217 3 12 101,8 136,4 172,47 252,2 287,9 343 441 532,1 1 -170 -227 -299,9 -377,1 -479 -564 -721,2 -841 2 -46,7 -61,4 -83,09 -110,6 -132 -154 -207,9 -243 3 Давление при направлении ветра под углом к своду, Па [Table 3. Pressure at wind direction at an angle to the arch, Pa] Таблица 3 Район [Area] 1а 1 2 3 4 5 6 7 Зона [Zone] Пролет, м [Span, m] 24 123,8 163,8 163,7 211,7 263,8 323,2 375,55 460,28 1 -226 -277 -280,7 -350 -429 -536 -646,4 -762,6 2 -47 -59,2 -51,22 -71 -83,1 -106 -144,3 -160,7 3 18 111,5 135,7 198,3 260,5 311,5 412,9 505,99 553,61 1 -246 -330 -412,6 -539 -661 -770 -1032 -1178 2 -61 -106 -105,7 -141 -171 -190 -272,8 -305,3 3 12 58,97 87,59 127 175,7 185,3 194,9 250,25 348,25 1 -137 -217 -295,7 -375 -424 -473 -591,4 -637,6 2 -34,9 -52,9 -78,61 -103 -113 -123 -149,3 -173,6 3 Обсуждение При действии ветра вдоль образующей свода наблюдается снижение скорости ветра вдоль нее, что показано на рис. 5. Давление, близкое к нулю, изображено на рис. 11. Снижение скорости ветра при обдувании ветровым потоком вдоль свода вызвано особенностями последнего [2]. Как уже было сказано, свод состоит из U-образных вальцованных профилей, стенки которых представляют собой вертикальные ребра, оказывающие сопротивление воздушному потоку, уменьшающие скорость ветра и, следовательно, давление на свод [3]. Снижение скорости ветра вдоль образующей свода вызывает неравномерность его деформаций в этом направлении. Сравним давление на свод, полученное с помощью компьютерного моделирования, с давлением по СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия». Вычислим давление на свод по СП и занесем данные в табл. 4 по зонам, в зависимости от ветрового района и пролета здания [4]. Сравнивая величины нормативного давления для гладкого свода (табл. 4) и давления, полученного компьютерным моделированием, для свода с ребрами (табл. 2), легко увидеть, что нормативное давление по СП не меняется в зависимости от пролета, т.к. отношение стрелы подъема свода к пролету постоянно, а компьютерное моделирование для свода с ребрами показывает, что в одном и том же ветровом районе при изменении пролета от 12 до 18 м давление растет, а от 18 до 24 м - падает. Это различие ставит ряд задач по дальнейшему, более тщательному изучению влияния ветра на тонкостенные металлические своды из вальцованных профилей [10; 11]. Вместе с тем представляет интерес сравнение результатов по ветровому давлению для гладкого и ребристого сводов с одинаковыми параметрами, полученных компьютерным моделированием. Эти результаты представлены в табл. 5 и 6 для свода пролетом 18 м, изображенном на рис. 17 [10]. Давление на свод при направлении ветра перпендикулярно образующей по СП 20.13330.2011, Па [Table 4. Pressure on the arch when the wind direction is perpendicular to the generatrix according to the Construction Rules 20.13330.2011, Pa] Таблица 4 Район [Area] 1а 1 2 3 4 5 6 7 Зона [Zone] Пролет, м [Span, m] 24 108,8 147,2 192 243,2 307,2 384 467,2 544 1 -163,2 -220,8 -288 -364,8 -460,8 -576 -700,8 -816 2 -54,4 -73,6 -96 -121,6 -153,6 -192 -233,6 -272 3 18 108,8 147,2 192 243,2 307,2 384 467,2 544 1 -163,2 -220,8 -288 -364,8 -460,8 -576 -700,8 -816 2 -54,4 -73,6 -96 -121,6 -153,6 -192 -233,6 -272 3 12 108,8 147,2 192 243,2 307,2 384 467,2 544 1 -163,2 -220,8 -288 -364,8 -460,8 -576 -700,8 -816 2 -54,4 -73,6 -96 -121,6 -153,6 -192 -233,6 -272 3 Давление при направлении ветра перпендикулярно образующей свода [Table 5. Pressure with wind direction perpendicular to the arch] Таблица 5 Район [Area] 1а 1 2 3 4 5 6 7 Зона [Zone] Пролет, м [Span, m] Гладкий свод [Smooth arch] 18 55,34 114,8 140,45 175,8 221 258,5 318 353,8 1 -208 -383 -477,3 -536,7 -750 -931 -1096 -1281 2 -34 -63,7 -80,38 -94,3 -133 -160 -193 -220 3 Свод с ребрами [Arch with ribs] 18 58,85 120,7 144,89 169 235 269,2 322,8 403,7 1 -207 -376 -467,8 -532,3 -744 -905 -1074 -1281 2 -33,1 -62,9 -73,34 -90,01 -134 -156 -185,6 -217 3 Давление при направлении ветра под углом к образующей свода [Table 6. Pressure at wind direction at an angle to the arch] Таблица 6 Район [Area] 1а 1 2 3 4 5 6 7 Зона [Zone] Пролет, м [Span, m] Гладкий свод [Smooth arch] 18 114,6 152,2 206,4 269,4 314,5 365,5 496,66 580,14 1 -242 -314 -424,1 -538 -663 -771 -915 -1176 2 -57,3 -75,1 -107,4 -129 -173 -184 -257,7 -302,2 3 Cвод с ребрами [Arch with ribs] 18 111,5 135,7 198,3 260,5 311,5 412,9 505,99 553,61 1 -246 -330 -412,6 -539 -661 -770 -1032 -1178 2 -61 -106 -105,7 -141 -171 -190 -272,8 -305,3 3 а б Рис. 17. Моделирование обтекания ветровым потоком свода: а - вид сверху; б - изометрия [Figure 17. Modelling of wind flow around the arch: а - top view; б - isometry] Выводы Из данных в таблицах видно, что при обдувании перпендикулярно своду давление на поверхность схожи для обоих сводов [8; 9]. При действии ветра под углом к сводам наблюдается та же картина. Таким образом, влияние стенок профиля мало сказывается на величины ветрового давления ввиду небольшой их высоты по сравнению с основными размерами свода. Это дает возможность вести расчет ветровой нагрузки для сводов из вальцованных профилей системы MIC-120 как для гладких сводов при действии ветра поперек длины свода [5-7; 9].

Об авторах

Юрий Алексеевич Веселев

Донской государственный технический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: kmcmishka@rambler.ru

кандидат технических наук, профессор, кафедра металлических, деревянных и пластмассовых конструкций, Академия строительства и архитектуры.

Российская Федерация, 344025, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162/32

Михаил Сергеевич Карабутов

Донской государственный технический университет

Email: kmcmishka@rambler.ru

студент, кафедра металлических, деревянных и пластмассовых конструкций, Академия строительства и архитектуры

Российская Федерация, 344025, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162/32

Список литературы