автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Численное моделирование ветровых воздействий на высотные здания и комплексы

На правах рукописи

ДУБИНСКИЙ Сергей Иванович

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЕТРОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ВЫСОТНЫЕ ЗДАНИЯ И КОМПЛЕКСЫ

Специальность 05.13.18 -математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -2010

004606776

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московский государственный строительный университет.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Белостоцкий Александр Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Травуш Владимир Ильич

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Попов Николай Александрович

Ведущая организация:

НИИ Механики МГУ, г. Москва

Защита диссертации состоится и ¿о к Я 2010 г. в /С

часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.12 при ГОУ ВПО Московский государственный строительный университет по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе. д.2б, ауд. 420 . У Л К

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного строительного университета.

Автореферат разослан «¿У» МС/Я 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Анохин Н.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Обоснование безопасности и комфортности проектируемых и уже эксплуатируемых высотных зданий современных архитектурных форм и оригинальных конструктивных решений и их комплексов в России (ММДЦ "Москва-Сити", ЖК "Аквамарин" во Владивостоке и ряда других), для которых фактор ветрового воздействий является определяющим, сдерживается действующими нормативно-регламентированными методиками, которые не содержат рекомендаций по назначению аэродинамических коэффициентов для сложных по форме высотных зданий, не учитывают влияние интерференции, рельефа, изменения спектра набегающего потока в условиях плотной и изменяющейся застройки.

Нормами (СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия», МДС 20-1.2006 «Временные нормы по назначению нагрузок и воздействий ... на многофункциональные высотные здания и комплексы в Москве») предлагается использовать результаты испытаний крупномасштабных макетов в специализированных аэродинамических трубах, позволяющих воспроизвести атмосферный пограничный слой. Но такие испытания весьма трудоемки, причем для наиболее масштабных моделей их приходится выполнять за рубежом. Кроме того, методология экспериментального моделирования ветровых потоков и воздействий на высотные комплексы обладает собственными ограничениями и погрешностями.

В последние 10-15 лет бурно развивается вычислительная гидрогазодинамика (СББ), совершенствуются технологии расчетов ветровых воздействий на здания и сооружения при неуклонно возрастающей мощности компьютеров. Ведущие зарубежные исследовательские и проектные организации все чаще комбинируют испытания и "численные" эксперименты. В перспективе роль математического моделирования, как показал опыт в смежных отраслях (например, аэрокосмической) и задачах (строительная механика), будет только возрастать.

Разработка, программная реализация и применение верифицированной методики, основанной на численном решении трехмерных уравнений гидрогазодинамики, позволит отечественным специалистам определять ветровые воздействия на высотные комплексы с необходимыми достоверностью, полнотой и оперативностью.

Цели и задачи работы. Целью работы являлась разработка, программная реализация и верификация методики расчета ветровых воздействий на высотные здания и комплексы на основе численного решения задач гидрогазодинамики, позволяющей оперативное многовариантное решение болыперазмерных практических задач строительного проектирования и мониторинга в форме вычислительного эксперимента.

Исходя из поставленной цели работы, решались следующие задачи-.

• Анализ результатов отечественных и зарубежных теоретических и экспериментальных исследований ветровых воздействий на высотные здания и их комплексы в условиях, прежде всего, их компактного расположения и

интерференции, а также анализ применимости существующей нормативной базы;

• Анализ и тестирование существующих методологий численного моделирования задач гидрогазодинамики и выбор программных средств с точки зрения их применимости к решению поставленных задач;

• Разработка комплексной методики расчета ветровых воздействий на высотные здания-комплексы, основанной на численном моделировании уравнений гидрогазодинамики и обеспечивающей решение с единых позиций регламентируемых нормами задач: расчета средней и пульсационной составляющих ветровых нагрузок на несущие конструкции, определения пиковых давлений на ограждающие конструкции, оценки уровня комфортности в пешеходных зонах комплексов.

• Выбор наилучших (по соотношению "ресурсы-точность") методологий построения расчетных сеток, моделей турбулентности, характеристик вычислительных алгоритмов применительно к данному классу задач и выбранному базовому программному комплексу (ПК);

• Разработка "инженерной" методики оценки пульсационной составляющей давления и пиковых нагрузок на фасадные конструкции по результатам стационарных расчетов;

• Разработка процедур передачи ветровых нагрузок в программы расчетов динамики и прочности конструкций, зданий и сооружений;

• Реализация вышеупомянутых методик в форме единого программного модуля - надстройки над базовым ПК;

• Верификация разрабатываемой методики и реализующего программного обеспечения на основе сравнения результатов расчетов с результатами испытаний в аэродинамических трубах и с данными натурных замеров на представительном наборе примеров;

• Применение разработанной методики и программного обеспечения для определения ветровых воздействий на реальные проектируемые и строящиеся высотные комплексы;

• Обучение студентов и аспирантов теоретическим основам и практическому применению разработанной методики.

Исследования проводились в рамках работ по Проекту 2.1.2/6414 аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы) ".

Научная новизна работы.

• Разработана и верифицирована методика определения ветровых воздействий на высотные здания и их группы на основе решения уравнений Навье-Стокса в приближении Рейнольдса (модели турбулентности RANS,

, URANS и DES) с применением метода конечных объемов, позволяющая адекватно учитывать ключевые факторы - направления и профиль ветровых потоков, рельеф местности, окружающую застройку и поэтапность возведения комплексов - и обеспечивающая успешное практическое решение регламентируемых отечественными нормами задач (расчета средней и пульсационной составляющей нагрузок на несущие конструкции, определения

пиковых давлений на ограждающие конструкции, оценки уровня пешеходной комфортности).

• Разработана методика оценки пульсационной составляющей давления и пиковых нагрузок на фасадные конструкции по результатам стационарных расчетов осредненной энергии турбулентных пульсаций и с учетом осредненных коэффициентов обеспеченности и корреляции.

• Разработана методология проблемно-ориентированного программного модуля для проведения вариантных вычислительных экспериментов, позволяющего в автоматизированном режиме формировать полный программный код для всех этапов расчета.

Практическая значимость работы.

• Разработанные в диссертации методика математического моделирования и вычислительного эксперимента, а также реализующие ее программные средства обеспечивают приемлемую практическую точность, позволяют существенно уменьшить временные ресурсы на выполнение расчётов ветровых воздействий (средняя и пульсационная составляющие нагрузок на несущие конструкции, пиковые давления на фасадные конструкции, оценка уровня пешеходной комфортности) на высотные здания-комплексы;

• Полученные с использованием разработанной методики результаты могут быть применены для верификации аналогичных технологий расчета и специализированных программных комплексов, а также для "настройки" вновь вводимых в эксплуатацию аэродинамических труб, для повышения эффективности, сокращения сроков испытаний и оптимального размещения датчиков;

• Методика позволяет создание справочной базы данных по аэродинамическим параметрам для типовых форм высотных зданий, допускающей использование совместное с программными комплексами расчетов динамики и прочности конструкций;

• Методика может быть использована в составе систем мониторинга перемещений и ускорений высотных зданий и комплексов для повышения эффективности их работы;

• Методика может быть применена для определения ветровых воздействий на произвольные классы сооружений, включая транспортные.

Внедрение:

• Методика и программное обеспечение применяются в Научно-образовательном центре компьютерного моделирования (НОЦ КМ) МГСУ и Научно-исследовательском центре "СтаДиО" для практических расчетов реальных высотных зданий и комплексов застроек;

• Разработанная методика используется в практике обучения студентов кафедры "Информатика и прикладная математика" МГСУ по дисциплине "Вычислительная аэрогидромеханика", а также аспирантов, прикрепленных к НОЦ КМ МГСУ для выполнения диссертационных исследований.

Личный вклад соискателя. Все исследования, изложенные в диссертационной работе, проведены лично соискателем в процессе научной деятельности. Из совместных публикаций в диссертацию включён лишь тот

материал, который непосредственно принадлежит соискателю.

На защиту выносятся:

® Методология численного моделирования ветровых воздействий на высотные здания и их группы, обеспечивающая успешное практическое решение регламентируемых отечественными нормами задач (расчета средней и пульсационной составляющей ветровых нагрузок, определения максимальных давлений на ограждающие конструкции, оценки уровня пешеходной комфортности);

• Методика оценки пульсационной составляющей давлений и максимальных расчетных нагрузок на фасадные конструкции по результатам стационарных расчетов энергии турбулентных пульсаций и с учетом осредненных коэффициентов обеспеченности и корреляции;

• Методология проблемно-ориентированного программного модуля для проведения вариантных вычислительных экспериментов, позволяющего в автоматизированном режиме формировать полный программный код для всех этапов расчета, для анализа и оформления результатов расчета, а также для передачи ветровых нагрузок в пакеты "прочностных" расчетов в качестве исходных данных;

• Методология формирования расчетных аэродинамических моделей высотных сооружений и их комплексов в составе застройки.

Достоверность полученных результатов обеспечивается:

• использованием апробированного математического аппарата (математические модели теории аэромеханики и механики деформируемого твёрдого тела) и численных методов решения;

• применением апробированных в мировой практике технологий аэродинамических расчетов широкого круга задач машиностроения и строительства и верифицированного лицензионного программного комплекса ANSYS CFX, их реализующего;

• успешным решением с использованием разработанной методики представительного набора верификационных тестовых задач;

• согласованием получаемых результатов с данными расчетов авторитетных отечественных и зарубежных специалистов, использующих иные методики и программные средства;

• согласованием с результатами экспериментальных исследований в аэродинамических трубах и данными натурных замеров для реальных зданий и застроек.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на симпозиумах Российской академии архитектуры и строительных наук (РААСН) «Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений» (Нижний Новгород, 2007 и Пермь, 2008), на конференциях «Теория и практика расчета зданий, сооружений и элементов конструкций. Аналитические и численные методы» (Москва, МГСУ, 2008, 2009 гг.), на научных семинарах НОЦ КМ МГСУ "Актуальные проблемы компьютерного моделирования зданий, сооружений и комплексов" (в декабре

2009 и феврале 2010), а также на конференциях и семинарах пользователей ПК ANS YS (2001-2002, 2004-2008 гг.) и ПК SCAD в г. Москва (2006-2009 гг.) и в г. Киев (2008 г.).

Публикации. По тематике диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 7 работ в изданиях, включенных ВАК в перечень рекомендуемых.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав (с выводами по каждой главе), заключения, списка литературы (194 наименования, в том числе - 110 на иностранных языках), 99 рисунков и 11 таблиц. Общий объём диссертации - 198 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится обоснование актуальности работы, определены проблемы, цели и задачи исследований, перечислены основные научные и практические результаты, приведено краткое содержание диссертации по главам.

В первой главе дается аналитический обзор современного состояния вопросов определения ветровых воздействий (нормативного, натурно-метеорологического, экспериментального и численного) на высотные здания и их комплексы. Представлен анализ отечественной нормативной базы в ее развитии и опыта практических расчетов на ветровые нагрузки (Э.И. Реттер, А.Г. Соколов, Г.А. Савицкий, И.М. Беспрозванная, Ф.Л. Серебровский, А.И. Цейтлин, A.C. Бернштейн, М.Ф. Барштейн, Б.Г. Коренев, М.И. Казакевич, A.A. Петров, H.A. Попов, В.И. Травуш, A.B. Перельмутер, Б.В. Остроумов и др.). Из зарубежных исследователей можно отметить вклад A.G. Davenport, Е. Simiu, R. H. Scanlan, N.J. Cook, Y. Tamura, A. Kareem, J.D. Holmes, G. Solan и др.

Анализируются существующие отечественные и зарубежные экспериментальные оценки ветровых нагрузок на здания и комплексы (P.A. Irwin, A.G. Davenport, H.A. Попов, M.A. Березин, А.Б. Айрапетов, C.B. Гувернкж, В.Г. Гагарин, Б.В. Остроумов, Ю.В. Табунщиков, С.Г. Кузнецов и др.). Рассмотрены особенности аэродинамических испытаний и ветровой аэродинамики высотных зданий в условиях их компактного расположения и интерференции на примере сооружений ММДЦ "Москва-Сити". Обсуждаются реальные ветровые режимы для гг. Москвы и Владивостока и нормативное районирование (Л.Е. Анапольская, М.М. Борисенко, H.A. Дашко и др.).

Кратко описана история математического моделирования задач гидрогазодинамики. Рассмотрены как классические работы (И. Ньютон, Д. Бернулли, Ж.Л. Даламбер, О. Рейнольде, Д. Стоке, Н.Е. Жуковский, Л. Прандтль, Т. фон Карман, А.Н. Колмогоров, Л.И. Седов, Л.Г.Лойцянский, Г. Шлихтинг и др.), так и современные отечественные (М.Х. Стрелец, Е.М. Смирнов, С.А. Исаев, А.Е. Усачов, И.К. Лифанов, О.М. Белоцерковский, C.B. Гувернкж, A.B. Атаманчук, В.Я. Шкадов, В.Н. Варапаев и др.).

Изучены существующие методические рекомендации по численному моделированию ветровой аэродинамики (J. Franke, C.P.W. Guerts, A.Mochida). Анализируются возможности существующих программных комплексов (ПК) и

опыт расчетов ветровых воздействий (Stathopoulos, Blocken, Carmeliet, Bitsuamlak, Meroney, Franke, Kai Fan Liaw, F.Menter, R. Stangroom, C.B. Гувернюк, C.A. Исаев и др.). Отмечено, что применение наиболее мощных и признанных ПК (в частности, ANSYS CFX, ANSYS FLUENT, STAR-CD, PHOENICS) обеспечивает успешное решение практических задач.

Обосновывается необходимость разработки специализированного программного модуля, учитывающего особенности расчетов ветровых воздействий на высотные здания и комплексы.

Во второй главе описана разработка комплексной методики численного моделирования ветровых воздействий на высотные здания и их компактно расположенные группы.

Расчеты ветровых потоков и воздействий сводятся к численному решению трехмерных нестационарных нелинейных уравнений гидрогазодинамики в постановке Навье-Стокса:

си du du du др

dt дх ду dz дх

dv dv dv dv dp + + + = +

dt dx dy dz dy

dw dw dw dw dp

dt dx dy dz

du du d2u 8x2 + 8y2 + dz2 'tfv 5\_ öV dx2 + dy2+ dz2

\d2w d2w SÜ+\dx2 + dy2 ' уравнения

0)

d2w ' dz*

неразрывности

(2)

Кроме того, должны удовлетворяться (сохранения массы) и состояния:

dp | с(ри) | 8(ру) | 5(ри>) = 0 dt dx ду dz

р - pRT (3)

Здесь u,v,w - искомые компоненты вектора скорости (по осям x,y,z), р -давления, t - время, /л -динамический коэффициент вязкости для воздуха, р -плотность, R - универсальная газовая постоянная, Г-температура.

Для упрощения моделирования ветровые потоки предполагаются несжимаемыми и изотермическими, массовые силы не учитываются.

Прямое решение уравнений (1-3) с учетом вихрей всех масштабов (DNS, Direct Numerical Simulation) при современных возможностях ЭВМ практически реализуемо только для очень малых скоростей потока и чисто исследовательских задач. Поэтому, в современной расчетной практике доминирует полуэмпирический подход, основанный на разложении скорости на осредненную во времени и пульсационную составляющие ul{t) = uj+u\(t) и переходе к решению т.н. "осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса" (Reynolds averaged Navier-Stoks Method, RANS):

д , —l d ,--. dp

1? = °' dx.

d_ dx, du', dx.

! du.

_L j

du.

dxj 8x,

■pu',u'j

S

где р - средние давления, индексы /=1,2,3 и _/'=/,2,5 соответствуют координатам х,у,г. Сдвиговые (рейнольдсовы) напряжения ри\ и'] являются дополнительными шестью неизвестными к параметрам осредненного движения (иI , р ) и аппроксимируются, как правило, по гипотезе Буссинеска:

2

ри\ и'j = -/J,

ди, | ditj 8х, дх.

+ 3 РЩ, (5)

где fir - дополнительная вязкость, вызванная пульсациями; к - осредненная энергия турбулентных пульсаций (ТКЕ). Система является незамкнутой и требует дополнительных соглашений ("моделей турбулентности").

Важным аспектом решения уравнений Навье-Стокса является схема дискретизации. Наиболее эффективным в настоящее время признан "метод конечных объемов" (МКО), не требующий столь детального моделирования пограничного слоя, как метод конечных элементов (МКЭ), и более удобный при описании сложных расчетных областей реальных застроек, чем метод конечных разностей. Современные подходы (схемы адвекции второго порядка, применение пристеночных функций и увеличение числа точек интегрирования в ячейке) значительно снижают требования к расчетной сетке и ресурсам ЭВМ.

Решение уравнений (4) может проводиться как в стационарной, так и в нестационарной постановке. Стационарная задача сводится к итерационному решению редкозаполненной системы линейных алгебраических уравнений, с узловыми давлениями, компонентами скоростей и мерами локальной турбулентности (в частности, ТКЕ) в качестве неизвестных. Определяются осредненные во времени величины, число которых для рассматриваемых объектов/задач может достигать сотен миллионов. Итерационный процесс решения системы проводится по связанной многосеточной схеме (coupled multigrid) и считается сошедшимся при малых относительных невязках решения системы. Для улучшения сходимости в качестве предобуславливателя используется неполное треугольное (ILU) разложение матрицы.

К сожалению, точность (и даже сходимость) стационарных расчетов RANS в ситуациях с развитым вихреобразованием не всегда удовлетворительна. Проведенное представительное тестирование на широком круге практических задач (включая сравнение с данными испытаний в аэродинамических трубах) позволило определить наиболее пригодную для данного класса задач модель турбулентности. Модель SST (Shear Stress Transport, перенос сдвиговых напряжений, F.Menter, 1993), комбинируя достоинства классических моделей "k-е" и "к-со", обеспечивает достаточную точность результатов и эффективную сходимость итерационного процесса даже при относительно грубых сетках и умеренном разрешении пограничного слоя.

Выработаны рекомендуемые размеры расчетной области - минимум 10 высот "господствующего" задания во всех направлениях. Рассмотрены варианты построения сетки в расчетной области и типы ячеек-элементов.

В качестве характеристик набегающего потока используются профили скорости ветра и характеристик турбулентности (интенсивность и масштаб

вихря), отвечающие заданным ветровым районам и типам местности по СНиП 2.01.07-85*. Предлагается в качестве "внешних" граничных условий для расчетной области использовать "мягкие" условия по Нейману (равенство нулю производных).

Для учета шероховатости стенок рекомендуется вместо подбора пристеночных функций или коррекции их стандартных параметров применять по возможности "натуральное" моделирование (учет в модели рельефа местности, балконов и оконных проемов и т.п.).

Предложена и апробирована следующая схема расчетных исследований:

1) по результатам стационарных расчетов для всех направлений ветра определяются наиболее неблагоприятные направления по максимальным значениям средних нагрузок и максимальной энергии турбулентных пульсаций на поверхностях; для этих направлений выполняется уточненный расчет при сгущенной сетке и/или с применением схем автоматической адаптации;

2) для этих направлений выполняется нестационарный расчет; при существенном отличии средних значений может оказаться необходимым выполнить нестационарные расчеты для многих или "всех" направлений ветра. Нестационарные расчеты также следует выполнять для направлений, при которых стационарный расчет указывает на возникновение "стоячей волны".

Нестационарные расчеты RANS (Unsteady RANS, URANS) также не всегда позволяют правильно отследить срывные потоки. В этой связи наиболее активно в настоящее время развиваются "гибридные" подходы. При DES-подходе (моделировании "отсоединенных" вихрей, Detached Eddy Simulation, М.Х. Стрелец и P.R. Spalart, 1997) комбинируются LES (моделирование крупных вихрей, Large Eddy Simulation) и URANS, что позволяет во много раз уменьшить трудоемкость расчетов по сравнению с "классическим" LES. Вихри в пограничном слое и вблизи него моделируются интегрально, отсоединенные вихри предлагается моделировать детально (аналогично LES), применяя достаточное разрежение сетки. При подходе SAS (Scalable Adaptive Simulation, Menter, Egorov, 2005) комбинируются уже DES и URANS, в процессе нестационарного расчета гибко изменяется предельный размер учитываемых вихрей.

л Неявные схемы интегрирования позволяют применять временной шаг с числами Куранта Со>3 при условии отслеживания отклика системы. Для нестационарных расчетов необходима генерация нестационарного поля скоростей ветра со средними и спектральными характеристиками, отвечающими заданной высоте и ветровому району. Используется суммирование гармонических функций со случайными фазами согласно выражению:

где: N - количество частот, для которых рассчитывается спектр Бф, А/ -

заданное приращение (шаг) для частот; текущая частота/к =к -А/, г - время, угол ¡р - случайная величина, равномерно распределенная в диапазоне [0;2я].

N

(6)

Ввиду крайней трудоемкости вариантных нестационарных расчетов для минимизации их объема предлагается практическая методика оценки и пиковых расчетных нагрузок на фасадные конструкции (Р*тах и Р*тт) по результатам стационарных расчетов энергии турбулентных пульсаций ТКЕ и с учетом осредненных коэффициентов обеспеченности втах и 0тЫ. Пульсационная составляющая нагрузок на конструкцию может быть получена в результате интегрирования по поверхности пульсационной составляющей давлений Рпульс.

Приведем основные расчетные соотношения методики: ТКЕ =3/2 (I ■ У)2 = 3-Р/р •/ I - (р ■ ТКЕ/аЬз (Р)/3)ш, ор = (12+2-1) -аЫ(Р) (7)

Р*ш* = р- 0+ <Ур- втах), Р*тп = Р■ (1- ар- 0тп)

Рпульс ~~ ( Р*тах ~ Р*тт) '

Здесь: сгр - среднеквадратичное отклонение (стандарт) давлений Р, I -интенсивность турбулентности (стандарт пульсаций скорости), V ~ локальная скорость ветра, V - коэффициент корреляции давлений на поверхностях (по СНиП 2.01.07-85*, либо вычисленный из анализа нестационарных результатов).

Для предварительных расчетов можно принять в„;„=6 и в^-Ъ (по рекомендациям АЛЗауепроЛ, 2005); уточнение значений выполняется по результатам аналогичных нестационарных расчетов по соотношениям:

втах =(Рж*-Р)/ <Ур , 0тт =(Р - РЫг)/ Ср, (8)

где Ртах, Ртп и Р — вычисленные значения минимумов, максимумов и среднего давлений в точке поверхности, сгр - стандарт давлений.

Высокие скорости ветра, образующиеся вокруг высотного здания, неблагоприятно воздействуют на человека, особенно при низких температурах, а в некоторых случаях являются опасными. В этой связи, нормативные документы МДС 20-1.2006 требуют, чтобы скорость ветра (в порывах на уровне 1.5 м) превышала Ксг;=6 м/с не чаще Ксг! =1000 часов в год (1-й уровень комфортности); превышала Усг2 =12 м/с не чаще Ксг2 =50 часов в год (2-й уровень комфортности); превышала Усг3 =20 м/с не чаще Ксг3=5 часов в год (3-й уровень комфортности). После проведения численного моделирования для "всех" направлений ветра (как правило, ...,24) "время дискомфорта /-го уровня" Ксг1 (I =1,2,3) для представительного набора точек пешеходных зон определяется соотношениями:

Кы Т1р У„=Г/Г,0(Ъ + в-1) (9)

где: 1,2,3,... У?"* - скорости в таблице метеоданных ("розе ветров"); Ту -продолжительность (по метеоданным, часов в год) ветрового воздействия направления ] и средней скорости У,; У}- - средняя скорость ветра в данной точке согласно расчету для направления у при скорости Ую на высоте 10 м; У,-максимальная скорость в точке в порывах при скорости ветра У; 0 -коэффициент обеспеченности по заданию на расчет (обычно в диапазоне от 1 до 3); - признак (0 или 1) превышения локальной скоростью ветра в точке У,у критического значения Усг/ для данного уровня комфорта I.

В главе 3 описана структура и возможности специализированного программного модуля Ш№)ШАВ/СРХ, реализующего разработанную

численную методику.

В качестве основного расчетного инструмента выбран лицензионный универсальный ПК ANS YS, установленный в МГСУ и допускающий также проведение (в развитие диссертационных исследований) прочностных и связанных аэроупругих расчетов.

Поскольку расчеты на ветровые воздействия требуют задания множества нестандартных (для универсальных расчетных программ) параметров расчета и опций, определено, что для повышения эффективности вариантных расчетов и минимизации ошибок ввода наиболее целесообразно программно формировать текстовый стартовый файл, содержащий все необходимые признаки и опции для расчетной области (домена) и для граничных условий на внешних границах расчетной области, а также параметры рекомендуемых моделей турбулентности, опции решения, точки мониторинга и записываемые результаты.

Разработанные расчетные процедуры были оформлены в специальный программный модуль WINDLOAD/CFX, включающий в настоящее время около 80 "макросов" (процедур) на языке программирования APDL.

В рамках ПК ANS YS создаются и файлы с сеткой (*.cdb) и программный код (*.ccl) для ПК ANS YS CFX. Макросы снабжены русифицированным интерфейсом и рассчитаны на специалистов в области прочности, не имеющих большого опыта численного моделирования задач газодинамики. Макросы составлены для различных типовых форм сооружений, для двумерной и трехмерной постановок, для различных вариантов учета симметрии, для различных подходов к формированию сетки. В рамках одного входного файла можно провести генерацию сетки в цикле (например, при вариациях геометрических параметров задачи и для вариантов застройки). Разработаны макросы для формирования стационарных и нестационарных профилей скорости ветра и параметров турбулентности, а также процедуры методик, описанных в главе 2. Для упрощения и повышения эффективности обработки и оформления результатов средствами программирования APDL создается и файл настроек постпроцессора (в формате *.cst). Формируются плоскости сечений, ракурсы рисунков, вспомогательные параметры и переменные. Определяются спектры воздействия (давлений и нагрузок на характерные зоны), а также числа Струхаля

St=Df/V, (10)

где D - характерный размер (как правило, поперек потока), V - средняя скорость потока,/- частота срыва вихрей.

Рассмотрены преимущества одновременного расчета модели застройки сразу при нескольких направлениях ветра для оптимизации использования многопроцессорной вычислительной техники и особенности применения кластеров к решению данного класса задач. Описана методика импорта геометрии зданий и передачи ветровых нагрузок (средней и пульсационной составляющей) из ANSYS CFX в программы расчетов НДС зданий (ANSYS, SCAD, Лира, MicroFE, СТАДИО).

Глава 4 посвящена верификации разработанной методики и

реализующего программного обеспечения на основе сравнения с результатами испытаний в аэродинамических трубах для моделей, включающих изолированные и группы высотных зданий, а также сравнения с результатами альтернативных расчетов и данными натурных замеров для реальной застройки (см. таблицу 1 - "матрицу верификации"). Расчеты проводились в стационарной (модель турбулентности SST) и в нестационарной (DES, SAS) постановках. Контролируемые параметры: скорости вблизи модели и в пешеходных зонах, St - числа Струхаля (10), аэродинамические коэффициенты Сх, Су, Ср

Cx=FJq, Cy=Fy/q, Cp=p/q (И)

где Fx, Fy - составляющие ветровых нагрузок (по потоку и в поперечном направлении, соответственно), q^'Ap- Vh - скоростной напор, Vh - скорость потока на характерной высоте.

Из тестовых задач, подготовленных авторитетным Институтом Архитектуры Японии (AIJ), для примера рассмотрена модель высотного здания в малоэтажной плотной застройке (рис. 1).

X, м

Рис. 1. Высотное здание в малоэтажной застройке. Расчетные линии тока и поля коэффициентов Ср. На графиках - коэффициенты усиления скоростей ветра (относительно набегающего потока) вдоль линии в пешеходной зоне. Расчеты 88Т (сплошная линия) и "к-в" (штрих-пунктир), эксперименты (точки).

В базе данных АН приводятся результаты натурных замеров поля скоростей ветра в пешеходных зонах микрорайона Синдзюку (Токио) за 1977-78 гг., данные двух различных испытаний в аэродинамических трубах и результаты расчетов, выполненных несколькими коллективами японских ученых. Показано (рис. 2), что результаты расчетов диссертанта по разработанной методике находятся в диапазоне разброса "эталонных" данных .

Исследована ветровая аэродинамика МФК "Сити-Палас" в составе ММДЦ "Москва-Сити" (рис.3). Средняя и пульсационная составляющие ветровых воздействий при наиболее характерных направлениях ветра сравниваются с результатами испытаний в аэродинамической трубе ВМТ (Великобритания). С учетом сложности задачи и неполноты информации о геометрии испытанной модели, получено практически приемлемое

соответствие эксперименту для уровней средних давлений в характерных сечениях фасада (см. рис.3) и для максимальных пульсационных нагрузок на здание в целом.

Отмечено, что при некоторых направлениях ветра из-за экранирования наряду с уменьшением средних значений нагрузок может резко возрасти пульсационная составляющая. При недостаточном количестве датчиков в эксперименте могут быть пропущены локальные пиковые давления.

Приведены результаты численного моделирования аэродинамики высочайшего в Европе комплекса "Федерация" (ММДЦ "Москва-Сити") совместно с несколькими близкорасположенными зданиями в сопоставлении с данными испытаний, проводившихся фирмой (Канада). Удалось с

достаточной для практики точностью воспроизвести поля средних давлений и

Рис.2. Коэффициенты усиления скорости ветра в окрестности группы высотных зданий (Токио) при южном ветре. Модель (около 11 млн. ячеек). На графиках -данные эксперимента (^УТ), натурные замеры (НЗ) с учетом разброса, расчеты японских ученых различными ПК (СРБ А, В, С), расчеты диссертанта (СРЭ_1 - предварительный, СРО_2 - уточненный).

Рис.3. МФК "Сити-Палас" в составе ММДЦ "Москва-Сити" (слева внизу). Восточный ветер. Эпюры средних давлений (Па) по контуру 17-го этажа (DES - пунктир, RANS SST - сплошная, эксперимент ВМТ - квадраты).

Таблица 1

"Матрица верификации" разработанной методики_

Описание задачи аэродинамики "Эталоны" Методика, модель турб. Модели, тыс. ячеек Контролируемые параметры Время счета, час Расхождение, %

Призма квадратная, двумерная постановка Экспер. Lyn DES 20 Средние Сх, Су, Ср, 5/, Ух, Уу 10 5-20%

Интерференция двух квадратных призм, двумерная постановка Экспер. С.Г.Кузнецов DES 50 Средние Сх и пульсации Су 20 5% средние 15% пульсационные

Цилиндр, двумерная постановка (Re=3900) Расчеты Liaw Экспер. Norberg DES 40 Средние Сх, Су, Ср, Я Ух, Уу, 20 5-10% (для Ср 5-20%)

Призма 2:1:1 Экспер. Tamuta SST 220 Упешех, ТКЕ Ср 0.5 3-5% (для У) 10-30% (для ТКЕ)

Куб Натур. замеры Silsoe Экспер. Castro DES 120 Ср 40...80 10-30% (замеры) 10-20% (экспер.)

Высотное здание в малоэтажной застройке Экспер. AIJ SST 200 450 у ' пешех зон (средние и пиковые) 1 2 5-10%, средние 10-20%, пиковые

Застройка района Синдзюку, г. Токио Натур, замеры Экспер. AIJ SST 19 700 у г пешех зон (пиковые) 15 10-50% (натурные) 10-30% (экспер.)

МФК "Сити-Палас" ММДЦ "Москва-Сити" Экспер. ВМТ SST DES 3 200 Ср (средние), Сх, Су (средние и пиковые) 6-SST 200-DES 5-10% средние 10-30% пульсац.

МФК "Федерация" ММДЦ "Москва-Сити" Экспер. RWDI SST DES 2 400 Ср (средние и станд. пульсаций) 4-SST 160-DES 5-10% средние 10-30% пульсац.

стандарты их пульсаций на ограждающих поверхностях башен «Запад» и «Восток».

В главе 5 рассматривается применение разработанной методики к решению ряда практических задач для проектируемых и строящихся высотных комплексов.

Изложены важные аспекты моделирования ветровой аэродинамики строящегося в настоящее время ЖК «Аквамарин» (г.Владивосток, 210 м). После выполнения серии тестовых нестационарных расчетов при различных направлениях ветра была изменена планировавшаяся последовательность возведения корпусов, обеспечив тем самым экранирование наиболее высокого и гибкого корпуса с учетом анализа локальной годовой розы ветров (повторяемости северного направления, особенно в зимний период). Были проведены вариантные (24 направления ветра) расчеты средней и пульсационной составляющей ветровой нагрузки для подробной модели (около 4 млн. ячеек) с учетом рельефа (перепад высот до 150 м), близлежащих сооружений в радиусе до 1 км и этапности застройки (см. рис. 4). Выполнены оценки пиковых давлений на фасадные конструкции, оценки уровня пешеходной комфортности и возможного возникновения ветрового резонанса.

Рис.4. ЖК "Аквамарин". Расчетная СРО-модель. Аэродинамические коэффициенты и поля средних скоростей ветра.

Рассмотрены принципы и особенности моделирования для расчетов средних, минимальных и максимальных давлений на фасадные конструкции строящегося ЖК «Зодиак» (г. Москва) в трехмерной постановке с учетом рельефа местности и основных близкорасположенных зданий. Базовая модель с 3.5 млн. ячеек (домен) была "скопирована" 24 раза с назначением граничных условий, соответствующих различным направлениям ветра. Полная модель (более 83 млн. ячеек, 130 млн. неизвестных) исследовалась в многопроцессорной постановке на вычислительном кластере МГСУ. По результатам вариантных расчетов были построены огибающие, а также оценены коэффициенты обеспеченности и верифицирована численная методика оценки пульсационной составляющей ветровой нагрузки.

Разработанная методика была использована при моделировании ветровых воздействий на проектируемый МФК "Газойл-Сити" (г. Москва). Особенностью задачи является сложный характер интерференционного взаимодействия двух основных корпусов МФК и близкорасположенного здания ОАО "Газпром". Расчеты для выбранных 24-х направлений ветра были выполнены как в стационарной, так и в нестационарной постановках с учетом окружающей застройки и этапности возведения. Демонстрируются значимые эффекты «подъемной силы» для изолированного корпуса (для ряда "углов атаки" - действующими нормами не выявляются, рис.5) и экранирования, значительное усиление ветровых потоков в проеме между основными корпусами, не определяемые нормативными методами расчета.

О 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 У/олэтвки еетра, градусы

Рис.5. МФК "Газойл-Сити". Средние давления (Па) от северо-западного ветра. Равнодействующая средних нагрузок Бг (тс) на корпус 1 в зависимости от направления ветра, м - изолированный корпус 1, А- частичная застройка, после возведения корпуса 1,» - в полной застройке. ♦ - результаты по СНиП 2.01.07-85* (для изолированного прямоугольного профиля).

Описана разработанная аэродинамическая модель самого высотного в Европе комплекса зданий ММДЦ "Москва-Сити" (рис. 6, около 30 млн. ячеек-объемов). На настоящий момент, в связи с произошедшими изменениями проекта, отсутствуют результаты испытаний для существующей и наиболее вероятной «окончательной» застройки. В этой связи, численное моделирование по разработанной методике, верифицированное по результатам ранее проведенных испытаний (глава 4), позволило бы достаточно оперативно оценить измененные параметры ветровых воздействий для всех зданий без необходимости повторения испытаний.

Предложена структура систем мониторинга с учетом одновременного замера ветровых воздействий и динамического поведения конструкции. В качестве примера рассмотрено использование аэродинамической модели комплекса зданий МГСУ на Ярославском шоссе.

Проанализирован опыт внедрения разработанных методик в практику обучения студентов и аспирантов профильных специальностей в МГСУ по дисциплине "Вычислительная аэрогидромеханика".

)

Рис.6. ММДЦ"Москва-Сити". Средние ветровые давления (Па) и изоповерхности завихренностей (угловых скоростей вращения потока)

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Как показал анализ современных отечественных и зарубежных теоретических и экспериментальных исследований, существующие нормативные документы и методики не в полной мере отражают специфику ветровых воздействий на высотные здания и их комплексы, прежде всего, в условиях их компактного расположения и интерференции и, поэтому, нуждаются в уточнении и развитии.

2. Разработана методика расчета нормативных параметров ветровых воздействий (средней и пульсационной составляющих нагрузок на несущие конструкции, пиковых давлений на ограждающие конструкции, уровня пешеходной комфортности) на высотные здания и их комплексы на базе численного решения стационарных и нестационарных трехмерных уравнений гидрогазодинамики (Навье-Стокса в приближении Рейнольдса, модели турбулентности RANS, URANS и DES) с дискретизацией методом конечных объемов, позволяющая адекватно учитывать важные факторы - направления и профиль ветровых потоков, рельеф местности, окружающую застройку и последовательность возведения комплексов.

3. Разработанная методика реализована в форме специализированного программного модуля WINDLOAD/CFX к выбранным, в качестве базовых, универсальным программному комплексу ANS YS. Для решения большеразмерных задач (до 100 млн. вычислительных ячеек - конечных объемов, до 150 млн. неизвестных) используются эффективные параллельные вычисления кластерной организации.

4. Проведена верификация разработанной методики и ее программной реализации на основе сравнения с результатами испытаний моделей в аэродинамических трубах (тестовые модели, комплекс "Федерация" и МФК "Сити-Палас" в ММДЦ "Москва-Сити" и др.) и с данными натурных замеров

для группы высотных зданий в реальной застройке (микрорайон Синдзюку, Токио, Япония).

5. Установлена приемлемая для практики точность результатов расчета средней составляющей ветровых нагрузок для зданий сложных форм (расхождение с имеющимися экспериментальными данными не более 15-20%) не только при нестационарных, но и при стационарных расчетах с использованием модели турбулентности SST, предложенной схемы дискретизации и при адаптивной схеме расчетов с последовательным сгущением сетки.

6. Для "уточненного" определения пульсационной составляющей ветровой нагрузки рекомендуется выполнять нестационарный расчет с использованием моделей турбулентности DES или URANS. Для сложных реальных застроек наблюдается рассогласование результатов по отрицательным давлениям (20-50%) с данными испытаний в аэродинамических трубах. Для дополнительной верификации предлагается проводить выборочные натурные замеры параметров реальных ветровых воздействий.

7. Для оценки пульсационной составляющей нагрузок допустимо использование предложенного и верифицированного "инженерного" подхода, основанного на оценке турбулентной энергии пульсаций (по результатам стационарного расчета), максимальных коэффициентов обеспеченности и нормативных параметров корреляции нагрузок. Этот подход применим и при определении ветровых нагрузок на фасадные конструкции. Возможно определение локальных зон пиковых давлений, которые не могут быть надежно идентифицированы в практике испытаний в аэродинамических трубах.

8. Особенно эффективна разработанная численная методика, как показали результаты решения верификационных задач, при оценке пешеходной комфортности. При этом исключается масштабный эффект, снижающий при испытаниях точность замеров потоков вблизи поверхности.

9. Разработанная методика использована для трехмерных стационарных и нестационарных расчетов ветровых нагрузок на несущие и ограждающие конструкции и оценки пешеходной комфортности ряда проектируемых и строящихся высотных комплексов (ММДД "Москва-Сити", МФК "Газойл-Сити" и ЖК "Зодиак", ЖК "Аквамарин"), а также комплекса зданий МГСУ. Выявлен и проанализирован ряд реальных аэродинамических эффектов (включая интерференцию), которые не определяются при применении действующих нормативных методик.

10. Применительно к объектам исследования конкретизирована и обеспечена выполненными разработками современная концепция определения ветровых воздействий: а) "предварительное" численное моделирование с определением наиболее опасных/характерных направлений ветра, оценка необходимости испытаний в аэродинамической трубе (б); б) испытания в аэродинамической трубе (углы ветра, расположения и количества датчиков по рекомендациям а); в) уточненное многопараметрическое и многофакторное численное моделирование с сопоставлением характерных параметров с результатами испытаний.

11. Предложена структура системы мониторинга высотных зданий/комплексов с учетом одновременного замера характеристик ветра и перемещений/ускорений, базирующаяся на разработанной методике.

12. Разработанная методика успешно используется в практике обучения студентов и аспирантов профильных специальностей МГСУ по дисциплине "Вычислительная аэрогидромеханика".

Основные положения и результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

а. В периодических изданиях, включенных в перечень рекомендованных ВАК:

1. Дубинский С.И. Расчеты высотных сооружений при ветровом воздействии. // САПР и графика, 2005, №10, с. 32-34.

2. Дубинский С.И. Численное моделирование ветровых воздействий на комплекс «Федерация» «Москва-Сити». // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. Volume 4, Issue 2,2008, pp.58-59.

3. Дубинский С.И., Серебренникова A.B. Численное моделирование аэродинамической комфортности пешеходных зон. // Вестник МГСУ, 2009, №1 (спецвыпуск), с.485-488.

4. Белостоцкий А.М., Дубинский С.И. Некоторые аспекты верификации программных средств численного моделирования конструкций и сооружений. // International Journal for Computational Civil aad Structural Engineering Volume 4, Issue 2,2008, p.30.

5. Дубинский С.И. ANSYS 8.0: обзор новых возможностей. // САПР и 1рафика, 2003, №11, с.42-44.

б. Дубинский С.И. Программный комплекс ANSYS/LS-DYNA 8.0. // САПР и графика, 2004, №3, с.34-38.

7. Дубинский С.И. ANSYS и ANSYS/CivilFEM в строительстве. // САПР и графика, 2004, № 12, с.75-77.

6. Публикации в иных изданиях

8. Белостоцкий А.М., Дубинский С.И. и др. Комплексное расчетное обоснование напряженно-деформированного состояния высотных многофункциональных комплексов. // Строительная механика и расчет сооружений, №10, 2006, с. 111-115.

9. Белостоцкий А.М., Дубинский С.И. и др. Методы динамического синтеза подконструкций в задачах моделирования сложных инженерных систем. // Строительная механика и расчет сооружений, №10,2006, с.99-110.

10. Дубинский С.И., Серебренникова А.В. Численное моделирование ветровой аэродинамики в пешеходных зонах «высотной» застройки. // «Теория и практика расчета зданий, сооружений и элементов конструкций. Аналитические и численные методы». Сб. трудов международной научно-практической конференции. М.: МГСУ, 2008, с.259-266.

11. Белостоцкий A.M., Дубинский С.И. и др. Расчетное обоснование НДС высотных многофункциональных комплексов. // ANSYS Solutions/ Русская редакция. - Зима 2007 (4), с. 13-17.

КОПИ-ЦЕНТР св. 7:07:10429 Тираж 100 экз. г. Москва, ул. Енисейская, д.36 тел.: 8-499-185-7954, 8-906-787-7086

Введение.

-Глава !. Сощл,именное состояние анализа ветровых воздействий на высотные здания и комплексы.

1.1 Высотные здания и комплексы.

1.2 Анализ существующей отечественной нормативной базы.

1.3 Обзор зарубежных нормативных документов.

1.4 Принципы и определения аэромеханики.

1.5 Ветровая метеорология.

1.6 Системы мониторинга динамики зданий при ветровом воздействии.

1.7 Вычислительная аэрогидромеханика и ветровые воздействия.

1.8 Сравнение гидрогазодинамических программных комплексов.

Глава 2. Разработка методики численного моделирования ветровых воздействий на высотные здания и комплексы.4S

2.1 Математическая формулировка задачи гидрогазодинамики.

2.2 Модели турбулентности.

2.3 Требования к расчетным моделям.

2.4 Граничные и начальные условия.

2.5 Пространственно-временная дискретизация задачи.

2.6. Численное решение стационарных задач.

2.7. Численное решение нестационарных задач.

2.8. Многопроцессорные технологии расчетов.

2.9 Расчет средней составляющей ветровой нагрузки.

2.10 Расчет пульсационной составляющей ветровой нагрузки.

2.11 Пиковые величины давлений на фасадные конструкции.

2.12 Оценки пешеходной комфортности.

2.13 Итоговая схема расчетов ветровых воздействий.

Глава 3. Программная реализация методики.

3.1 Назначение и структура разработанного программного модуля WINDLOAD/CFX.

3.2 Возможности и структура базовых ПК ANSYS и ANSYS CFX.

3.3 Этапы расчетов ANSYS CFX.

3.4.0сновные процедуры модуля WINDLOAD/CFX.

3.5. Пример использования WINDLOAD/CFX.

3.6. Экспорт ветровых нагрузок в прочностные пакеты.

Глава 4. Верификация разработанной методики.

4.1 Критерии выбора верификационных задач.

4.2 Двумерное обтекание квадратной призмы.

4.3 Интерференция двух квадратных призм.

4.4 Обтекание цилиндра в двумерной постановке.

4.5 Обтекание параллелепипеда 2:1:1.

4.6 Обтекание куба.

4.7 Ветровые потоки в пешеходных зонах около высотного здания.

4.8 Ветровые потоки района Синдзюку г. Токио.

4.9 МФК "Сити-Палас" ММДЦ "Москва-Сити".

4.10 Комплекс "Федерация" ММДЦ "Москва-Сити".

4.11 Матрица верификации, анализ и обобщение.

Глава 5. Практическое применение разработанной методики.

5.1 ЖК "Аквамарин" (г.Владивосток). Комплексный расчет.

5.2 ЖК «Зодиак» (г. Москва). Нагрузки на фасадные конструкции.

5.3 МФК "Газойл-Сити" (г. Москва). Нагрузки на несущие конструкции.

5.4 ММДЦ "Москва-Сити". Многопроцессорные комплексные расчеты.

5.5 Комплекс зданий МГСУ. Предложения по системе мониторинга.

5.6 Практика обучения студентов и аспирантов МГСУ.

Обоснование безопасности и комфортности проектируемых и уже эксплуатируемых высотных зданий современных архитектурных форм и оригинальных конструктивных решений и их комплексов в России (ММДТТ "Москва-Сити", ЖК "Аквамарин" во Владивостоке и ряда других), для которых фактор ветровых воздействий является определяющим, сдерживается действующими нормативно-регламентированными методиками, которые не содержат рекомендаций по назначению аэродинамических коэффициентов для сложных по форме высотных зданий, не учитывают влияние интерференции, рельефа, изменения спектра набегающего потока в условиях плотной и изменяющейся застройки.

Нормами (СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия», МДС 20-1.2006 «Временные нормы по назначению нагрузок и воздействий . на многофункциональные высотные здания и комплексы в Москве») предлагается использовать результаты испытаний крупномасштабных макетов в специализированных аэродинамических трубах, позволяющих воспроизвести атмосферный пограничный слой. Но такие испытания весьма трудоемки, причем для наиболее масштабных комплексов их приходится выполнять за рубежом. Кроме того, методология экспериментального моделирования ветровых потоков и воздействий на высотные комплексы обладает собственными ограничениями и погрешностями.

В последние 10-15 лет бурно развивается вычислительная гидрогазодинамика (CFD), совершенствуются технологии расчетов ветровых воздействий на здания и сооружения при неуклонно возрастающей мощности компьютеров. Ведущие зарубежные исследовательские и проектные организации все чаще комбинируют испытания и "численные" эксперименты. В перспективе роль математического моделирования, как

Диссертация Дубинского С.И. показал опыт в смежных отраслях (например, аэрокосмической) и задачах (строительная механика), будет только возрастать.

Разработка, программная реализация и применение верифицированной методики, основанной на численном решении трехмерных уравнений гидрогазодинамики, позволит отечественным специалистам определять ветровые воздействия навысотные комплексыснеобходимыми. достоверностью, полнотой и оперативностью.

Цели и задачи работы. Целью работы являлась разработка, программная реализация и верификация методики расчета ветровых воздействий на высотные здания и комплексы на основе численного решения задач гидрогазодинамики, позволяющей оперативное многовариантное решение большеразмерных практических задач строительного проектирования и мониторинга в форме вычислительного эксперимента.

Исходя из поставленной цели работы, решались следующие задачи:

1. Анализ результатов отечественных и зарубежных теоретических и экспериментальных исследований ветровых воздействий на высотные здания и их комплексы в условиях, прежде всего, их компактного расположения и интерференции, а также анализ применимости существующей нормативной базы;

2. Анализ и тестирование существующих методологий численного моделирования задач гидрогазодинамики и выбор программных средств с точки зрения их применимости к решению поставленных задач;

3. Разработка комплексной методики расчета ветровых воздействий на высотные здания-комплексы, основанной на численном моделировании уравнений гидрогазодинамики и обеспечивающей решение с единых позиций регламентируемых нормами задач: расчета средней и пульсационной составляющих ветровых нагрузок на несущие конструкции, определения пиковых давлений на ограждающие конструкции, оценки уровня комфортности в пешеходных зонах комплексов.

4. Выбор наилучших (по соотношению "ресурсы-точность")

Москва, 2010 5

Диссертация Дубинского С.И. методологий построения расчетных сеток, моделей турбулентности, характеристик вычислительных алгоритмов применительно к данному классу задач и выбранному базовому программному комплексу (ПК);

5. Разработка "инженерной" методики оценки пульсационной составляющей давления и пиковых нагрузок на фасадные конструкции по результатам стационарных расчетов;

6. Разработка процедур передачи ветровых нагрузок в программы расчетов динамики и прочности конструкций, зданий и сооружений;

7. Реализация вышеупомянутых методик в форме единого программного модуля - надстройки над базовым ПК;

8. Верификация разрабатываемой методики и реализующего программного обеспечения на основе сравнения результатов расчетов с результатами испытаний в аэродинамических трубах и с данными натурных замеров на представительном наборе примеров;

9. Применение разработанной методики и программного обеспечения для определения ветровых воздействий на реальные проектируемые и строящиеся высотные комплексы;

10. Обучение студентов и аспирантов теоретическим основам и практическому применению разработанной методики.

Исследования проводились в рамках работ по Проекту 2.1.2/6414 аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы) ".

Научная новизна работы.

• Разработана и верифицирована методика определения ветровых воздействий на высотные здания и их группы на основе решения уравнений Навье-Стокса в приближении Рейнольдса (модели турбулентности RANS, URANS и DES) с применением метода конечных объемов, позволяющая адекватно учитывать ключевые факторы - направления и профиль ветровых потоков, рельеф местности, окружающую застройку и поэтапность возведения комплексов - и обеспечивающая успешное практическое решение

Москва, 2010 6

Диссертация Дубииского С.И. регламентируемых отечественными нормами задач (расчета средней и пульсационной составляющей нагрузок на несущие конструкции, определения пиковых давлений на ограждающие конструкции, оценки уровня пешеходной комфортности).

• Разработана методика оценки пульсационной составляющей давления и пиковых нагрузок на фасадные конструкции по результатам стационарных ^расчетов осредненной энергии турбулентных пульсаций и с учетом осредненных коэффициентов обеспеченности и корреляции.

• Разработана методология проблемно-ориентированного программного модуля для проведения вариантных вычислительных экспериментов, позволяющего в автоматизированном режиме формировать полный программный код для всех этапов расчета.

Практическая значимость работы.

1. Разработанные в диссертации методика математического моделирования и вычислительного эксперимента, а также реализующие ее программные средства обеспечивают приемлемую практическую точность, позволяют существенно уменьшить временные ресурсы на выполнение расчётов ветровых воздействий (средняя и пульсационная составляющие нагрузок на несущие конструкции, пиковые давления на фасадные конструкции, оценка уровня пешеходной комфортности) на высотные здания-комплексы;

2. Полученные с использованием разработанной методики результаты могут быть применены для верификации аналогичных технологий расчета и специализированных программных комплексов, а также для "настройки" вновь вводимых в эксплуатацию аэродинамических труб, для повышения эффективности, сокращения сроков испытаний и оптимального размещения датчиков;

3. Методика позволяет создание справочной базы данных по аэродинамическим параметрам для типовых форм высотных зданий, допускающей использование совместное с программными комплексами

Москва, 2010 7 расчетов динамики и прочности конструкций;

4. Методика может быть использована в составе систем мониторинга перемещений и ускорений высотных зданий и комплексов для повышения эффективности их работы;

Внедрение. Разработанные методика и программное обеспечение применяются в Научно-образовательном центре компьютерного моделирования (НОЦ КМ) МГСУ и Научно-исследовательском центре "СтаДиО" для расчетов ветровых воздействий на реальные высотные здания и комплексы застроек, используются в практике обучения студентов кафедры "Информатика и прикладная математика" МГСУ по дисциплине "Вычислительная аэрогидромеханика", а также аспирантов, прикрепленных к НОЦ КМ МГСУ для выполнения диссертационных исследований.

Личный вклад соискателя. Все исследования, изложенные в диссертационной работе, проведены лично соискателем в процессе научной деятельности. Из совместных публикаций в диссертацию включён лишь тот материал, который непосредственно принадлежит соискателю.

На защиту выносятся:

1. Методика численного моделирования ветровых воздействий на высотные здания и их группы, обеспечивающая успешное практическое решение регламентируемых отечественными нормами задач (расчета средней и пульсационной составляющей ветровых нагрузок на несущие конструкции, определения пиковых давлений на ограждающие конструкции, оценки уровня пешеходной комфортности);

2. Методика оценки пульсационной составляющей давлений и пиковых расчетных нагрузок на фасадные конструкции по результатам стационарных расчетов энергии турбулентных пульсаций и с учетом осредненных коэффициентов обеспеченности и корреляции;

3. Разработанный проблемно-ориентированный программный модуль для проведения вариантных вычислительных экспериментов, позволяющий в автоматизированном режиме формировать полный

Москва, 2010 8

Диссертация Дубинского С.И. программный код для всех этапов расчета, анализа и оформления его результатов, а также для передачи ветровых нагрузок в пакеты "прочностных" расчетов в качестве исходных данных;

4. Методология формирования расчетных аэродинамических моделей высотных сооружений и их комплексов в составе застройки.

Достоверность полученных результатов обеспечивается:

1) использованием апробированного математического аппарата (математические модели теории аэромеханики) и численных методов решения;

2) применением апробированных в мировой практике технологий аэродинамических расчетов широкого круга задач машиностроения и строительства и верифицированного лицензионного программного комплекса ANSYS CFX, их реализующего;

3) успешным решением с использованием разработанной методики представительного набора верификационных тестовых задач;

4) согласованием получаемых результатов с данными расчетов авторитетных отечественных и зарубежных специалистов, использующих иные методики и программные средства;

5) согласованием с результатами экспериментальных исследований в аэродинамических трубах и данными натурных замеров для реальных зданий и застроек.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на симпозиумах Российской академии архитектуры и строительных наук (РААСН) «Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений» (Нижний Новгород, 2007 и Пермь, 2008), на конференциях «Теория и практика расчета зданий, сооружений и элементов конструкций. Аналитические и численные методы» (Москва, МГСУ, 2008, 2009 гг.), на научных семинарах НОЦ КМ МГСУ "Актуальные проблемы компьютерного моделирования зданий, сооружений и комплексов" (в декабре 2009 и феврале 2010), а также на конференциях и

Москва, 2010 9

Диссертация Дубинского С.И. семинарах пользователей ПК ANSYS (2001-2002, 2004-2008 гг.) и ПК SCAD в г. Москва (2006-2009 гг.) и в г. Киев (2008 г.).

Публикации. По тематике диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 7 работ в изданиях, включенных ВАК в перечень рекомендуемых.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (194 наименования, в том числе - 110 на иностранных языках), 99 рисунков и 11 таблиц.

Основные результаты и выводы

1. Как показал анализ современных отечественных и зарубежных теоретических и экспериментальных исследований, существующие нормативные документы и методики не в полной мере отражают специфику ветровых воздействий на высотные здания и их комплексы, прежде всего, в условиях их компактного расположения и интерференции и, поэтому, нуждаются в уточнении и развитии.

2. Разработана методика расчета нормативных параметров ветровых воздействий (средней и пульсационной составляющих нагрузок на несущие конструкции, пиковых давлений на ограждающие конструкции, уровня пешеходной комфортности) на высотные здания и их комплексы на базе численного решения стационарных и нестационарных трехмерных уравнений гидрогазодинамики (Навье-Стокса в приближении Рейнольдса, модели турбулентности RANS, URANS и DES) с дискретизацией методом конечных объемов, позволяющая адекватно учитывать важные факторы — направления и профиль ветровых потоков, рельеф местности, окружающую застройку и последовательность возведения комплексов.

3. Разработанная методика реализована в форме специализированного программного модуля WINDLOAD/CFX к выбранному, в качестве базового, универсальному программному комплексу ANSYS - ANSYS CFX. Для решения болыперазмерных задач (до 100 млн. вычислительных ячеек -конечных объемов, до 150 млн. неизвестных) используются эффективные параллельные вычисления кластерной организации.

4. Проведена верификация разработанной методики и ее программной реализации на основе сравнения с результатами испытаний моделей в аэродинамических трубах (тестовые модели, комплекс "Федерация" и МФК "Сити-Палас" в ММДЦ "Москва-Сити" и др.) и с данными натурных замеров для группы высотных зданий в реальной застройке (микрорайон Синдзюку,

Москва, 2010 178

Диссертация Дубинского С. И.

Токио, Япония).

5. Установлена приемлемая для практики точность результатов расчета средней составляющей ветровых нагрузок для зданий сложных форм (расхождение с имеющимися экспериментальными данными не более 1520%) не только при нестационарных, но и при стационарных расчетах с использованием модели турбулентности SST, предложенной схемы дискретизации и при адаптивной схеме расчетов с последовательным сгущением сетки.

6. Для "уточненного" определения пульсационной составляющей ветровой нагрузки рекомендуется выполнять нестационарный расчет с использованием моделей турбулентности DES или URANS. Для сложных реальных застроек наблюдается рассогласование результатов по отрицательным давлениям (20-50%) с данными испытаний в аэродинамических трубах. Для дополнительной верификации предлагается проводить выборочные натурные замеры параметров реальных ветровых воздействий.

7. Для оценки пульсационной составляющей нагрузок допустимо использование предложенного и верифицированного "инженерного" подхода, основанного на оценке турбулентной энергии пульсаций (по результатам стационарного расчета), максимальных коэффициентов обеспеченности и нормативных параметров корреляции нагрузок. Этот подход применим и при определении ветровых нагрузок на фасадные конструкции. Возможно определение локальных зон пиковых давлений, которые не могут быть надежно идентифицированы в практике испытаний в аэродинамических трубах.

8. Особенно эффективна разработанная численная методика, как показали результаты решения верификационных задач, при оценке пешеходной комфортности. При этом исключается масштабный эффект, снижающий при испытаниях точность замеров потоков вблизи поверхности.

9. Разработанная методика использована для трехмерных

Москва, 2010 179 стационарных и нестационарных расчетов ветровых нагрузок на несущие и ограждающие конструкции и оценки пешеходной комфортности ряда проектируемых и строящихся высотных комплексов (ММДЦ "Москва-Сити", МФК "Газойл-Сити" и ЖК "Зодиак", ЖК "Аквамарин"), а также комплекса зданий МГСУ. Выявлен и проанализирован ряд реальных аэродинамических эффектов (включая интерференцию), которые не определяются при применении действующих нормативных методик.

10. Применительно к объектам исследования конкретизирована и обеспечена выполненными разработками современная концепция определения ветровых воздействий: а) "предварительное" численное моделирование с определением наиболее опасных/характерных направлений ветра, оценка необходимости испытаний в аэродинамической трубе (б); б) испытания в аэродинамической трубе (углы ветра, расположения и количества датчиков по рекомендациям а); в) уточненное многопараметрическое и многофакторное численное моделирование с сопоставлением характерных параметров с результатами испытаний.

11. Предложена структура системы мониторинга высотных зданий/комплексов с учетом одновременного замера характеристик ветра и перемещений/ускорений, базирующаяся на разработанной методике.

12. Разработанная методика успешно используется в практике обучения студентов и аспирантов профильных специальностей МГСУ по дисциплине "Вычислительная аэрогидромеханика".

1. Айрапетов А.Б. Критерий галопирования высотных сооружений в ветровом потоке // Труды ЦАГИ. 2003. №2643, с. 85-92

2. Анапольская JI.E. Режим скоростей ветра на территории СССР // JL: Гидрометеоиздат, 1961. -200 с.

3. Атаманчук А.В., Холопов И.С. Исследования воздействия ветрового потока на пакет из трех труб с помощью метода конечных элементов. // Известия высших учебных заведений. Строительство. №8, 2005г, с. 1-6

4. Атаманчук А.В. Ветровые нагрузки на элементы трехгранных башен и пакеты вытяжных труб. Автореферат . дисс. к.т.н. // Самара.: СГАСУ, 2005.-22 с.

5. Ахметов В.К., Шкадов В.Я. Численное моделирование вязких вихревых течений для технических приложений. // М. изд-во АСВ, 2009 -270 с.

6. Барштейн М.Ф. Динамический расчет высоких сооружений на действие ветра. // В кн.: Справочник по динамике сооружений. Под ред. Б.Г. Коренева, И.М. Рабиновича. М., Стройиздат, 1972. с. 286-321

7. Барштейн М.Ф. Руководство по расчету зданий и сооружений на действие ветра. // М.: Стройздат,1978. ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко-120с

8. Безмозгий И.М., Дубинский С.И. О применении суперэлементов в расчетах конструкций // 1-я международная конференция пользователей Программного обеспечения CADFEM. Москва, 2001. с.31-36

9. Белов И.А., Исаев С.А., Коробков В.А. Задачи и методы расчета отрывных течений несжимаемой жидкости. // JL: Судостроение, 1989. -256 с.

10. Белов И.А., Исаев С.А. Моделирование турбулентных течений. -Учеб. пособие. // СПб.: Изд-во БГТУ, 2001. 107 с.

11. Белостоцкий A.M., Дубинский С.И. и др. Комплексное расчетное • обоснование напряженно-деформированного состояния высотных многофункциональных комплексов. // Строительная механика и расчет сооружений, №10, 2006, с. 111-115

12. Белостоцкий A.M., Дубинский С.И. Анализ причин обрушения конструкций покрытия СОК «Трансвааль-парк». // ANSYS Solutions. М. зима 2007 , с. 5-12.

13. Белостоцкий A.M., Дубинский С.И. Некоторые аспекты верификации программных средств численного моделирования конструкций и сооружений. // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering Volume 4, Issue 2. 2008. c. 30

14. Белостоцкий A.M., Дубинский С.И., Потапенко A.JI. Методы динамического синтеза подконструкций в задачах моделирования сложных инженерных систем. // Строительная механика и расчет сооружений, №10, 2006.-с 99-110.

15. Белостоцкий A.M., Дубинский С.И. Анализ причин обрушения конструкций покрытия СОК «Трансвааль-парк». // ANSYS Solutions. Русская редакция. Зима 2007. - с. 5-12.

16. Белоцерковский О.М. Численное моделирование в механике сплошных сред // М.: Физматлит, 1994. 448 с.

17. Березин М.А., Катюшин В.В. Атлас аэродинамических характеристик строительных конструкций // Новосибирск, Олден-Полиграфия. 2003. 130 с.

18. Беспрозванная И.М., Соколов А.Г., Фомин Г.М. Воздействия ветра на высокие сплошностенчатые сооружения. // М. Стройиздат, 1976. -185 с.

19. Болотин В.В. Методы теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений. // М., Стройиздат, 1982. 351 с.

20. Никитин Н.В., Травуш В.И. О ветровых нагрузках в г. Москве // Строительная механика и расчет сооружений, №3, 1972. с 11-17.

21. Боровков А.И., Пальмов В.А. Компьютерное моделирование динамики конструкции "Ангела" Петропавловского собора. // Дизайн и строительство №1 (19) 2003. 351 с.

22. Ван-Дайк П. Альбом течений жидкости и газа. // М.: Мир, 1986. 184 с.

23. Варапаев В.Н., Свириденков А.А., Ягодкин В.И. Численное и экспериментальное исследование течений в каналах с проницаемыми стенками и их гидродинамической устойчивости. // М., изд-во СГА,2008. -351 с.

24. Диссертация Дубинского С.И.

25. Гагарин В.Г., Гувернюк С.В. О методике определения местных аэродинамических воздействий на элементы фасада здания. Применение компьютерных технологий моделирования двумерного обтекания фасада сложной конфигурации. // Стройпрофиль №2, 2007. с. 58-62

26. Гордеев В.Н., Лантух-Лященко А.И., Пашинский В.А., Перельмутер А.В., Пичугин С.Ф. // Нагрузки и воздействия на здания и сооружения. М., ИАСВ, 2007. - 676 с.

27. Горлин С.М. Экспериментальная аэродинамика. // М.: "Высшая школа", 1970.-423 с.

28. Горохов Е.В., Кузнецов С.Г., Васылев В.Н. Воздействие ветра на высотные здания и их комплексы // Сборник научных трудов. Москва: МГСУ, 2008. с. 86-90.

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

30. Гуляев А.Н., Козлов В.Е., Секундов А.Н. К созданию универсальной однопараметрической модели для турбулентной вязкости. // Изв. АН СССР, МЖГ, № 4,1993, с. 692

31. Гутников В.А., Кирякин В.Ю., Лифанов И.К., Сетуха А.Н. Математическое моделирование аэродинамики городской застройки. // М. "Пасьва". 2002. 244 с.

32. Дашко Н.А. Курс лекций по синоптической метеорологии. // ДВГУ, 2005.-244 с.

33. Динамический расчет зданий и сооружений Под ред. Б. Г. Коренева и И. М. Рабиновича.- 2-е изд. // М.: Стройиздат, 1984, - 303 с.

34. Динамический расчет на специальные воздействия — Бронштейн М.Ф., Бородачев Н.М., Блюмина ЛХ. и др; Под ред. Коренева Б.Г., Рабиновича И. М. // М.: Стройиздат, 1981. 215 с.

35. Дубинский С.И. Численное моделирование ветровых воздействий на комплекс «Федерация» «Москва-Сити» // International1. Москва, 2010 184

36. Диссертация Дубинского С.И.

37. Journal for Computational Civil and Structural Engineering. Volume 4, Issue 2.2008,-с 58-59.

38. Дубинский С.И. ANSYS 8.0: обзор новых возможностей. // САПР и графика №11'2003, с. 42-44.

39. Дубинский С.И. Программный комплекс ANSYS LS-DYNA 8.0. // САПР и графика. №3, 2004, с. 34-38.

40. Дубинский С.И. ANSYS и ANSYS/CivilFEM в строительстве. // САПР и графика. № 12, 2004, с. 75-77.

41. Дубинский С.И. Расчеты высотных сооружений при ветровом воздействии // САПР и графика №10, 2005 с. 32-34.

42. Дубинский С.И., Серебренникова А.В. Численное моделирование аэродинамической комфортности пешеходных зон. 12-я международная межвузовская научно-практическая конференция "Строительство формирование среды жизнедеятельности". // Москва.2009, с. 631-638.

43. Дубинский С.И., Серебренникова А.В. Численное моделирование аэродинамической комфортности пешеходных зон. // Вестник МГСУ, 2009, №1 (спецвыпуск), с. 485-488.

44. Жуковский Н.Е. О присоединенных вихрях. Собрание сочинений т. IV. // М.-Л. 1949, с. 69-91.

45. Заварина М.В. Строительная климатология. // Л., Гидрометеоиздат, 1976. 310 с.

46. Исследование ветровой нагрузки на фасад комплекса "Федерация" RWDI. Заключительный отчет. // RWDI, 2005.1. Москва, 2010 185

47. Диссертация Дубинского С.И.

48. Казакевич М.И. Аэродинамика мостов. // М.: Транспорт, 1987. -240 с.

49. Карман Т. фон. Аэродинамика. Избранные темы в историческом развитии. // Ижевск, РХД, 2201.-208 с.

50. Останкинская телевизионная башня: материал технической информации. Н.В. Никитин, Б.А. Злобин, В.И. Травуш и др. // М. : Стройиздат, 1972. 215 с.

51. Козлов М.В. Совершенствование методики расчета рекламных сооружений на ветровую нагрузку. Авт. дисс. к.т.н. // КГ АСУ, Казань, 2009.

52. Колмогоров А.Н. Локальная структура турбулентности в несжимаемых вязких жидкостях при очень больших числах Рейнолъдса. // Доклады АН СССР, 1941

53. Комплекс "Федерация". Назначение расчетных нагрузок. // ЦНИИСК им. Кучеренко, 2006

54. Кузнецов С.Г. Формирование территории застройки с учетом аэродинамических характеристик высотного здания. Автореферат дисс. . канд. техн. наук. // Макеевка - 1999. - 20 с.

55. Кузнецов С.Г. Ветровые воздействия на высотные здания с учетом городской застройки. Автореферат дисс. доктора техн. наук. // Макеевка, 2009. - 20 с.

56. Ларичкин В.В. Исследование аэродинамики цилиндрических тел и башенных градирен Автореферат дисс. доктора техн. наук. // Новосибирск, 2003, 32 с.

57. Лифанов И.К., Гутников В.А., Скотченко А.С. Моделирование аэрации в городе. // М., Диалог-МГУ, 1998. -134 с.

58. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. // М.: Наука, 1987. --840 с.

59. Маклакова Т.Г. Высотные здания. // Москва. ИАСВ. 2006. -180с.

60. Диссертация Дубинского С.И.

61. МДС 20-1.2006. Временные нормы по назначению нагрузок и воздействий, действующих на многофункциональные высотные здания и комплексы в Москве. // М. 2006. -840 с.

62. Нагрузки и воздействия. Нормы проектирования. 9-34-ДБН ВЛ .2-2:2006 // Киев, 2006.

63. Николаев С.В. Безопасность и надежность высотных зданий -это комплекс высокопрофессиональных решений. // Уникальные и специальные технологии в строительстве. № 1. 2004. с. 8-18

64. Николаев С.В., Острецов В.М. и др. Аэродинамические испытания макетов высотных зданий и комплексов. // Уникальные и специальные технологии в строительстве (USTJBuild 2005). М.: Дом на Брестской, 2005. с. 82-84

65. Острецов В.М., Гендельман Л.Б., Вознюк А.Б., Капустян Н.К. Инструментальное измерение ветровых колебаний высотных зданий. // Жилищное строительство №9, 2005. с. 11-14

66. Остроумов Б.В. Разработка, исследование и внедрение новых конструктивных форм высотных сооружений на основе экспериментально теоретических исследований их взаимодействия с ветром - Автореферат дисс. доктора техн. наук. // М.: 2003. - 32 с.

67. Петров А.А. Расчет сооружений на интенсивные ветровые воздействия. В кн.: Аварии и катастрофы. Предупреждение и ликвидация последствий. - Учебное пособие. Книга 4./ Под ред.: Котляревского В.А. и Забегаева А.В. // ИАСВ. 1998. с. 32-54

68. Попов Н.А. Проведение комплекса работ по статистическому и графическому анализу результатов модельных испытаний в аэродинамической трубе здания, возводимого на участках № 2-3 ММДЦ1. Москва, 2010 L87

69. Диссертация Дубинского С.И.

70. Москва-Сити", и прилегающих пешеходных зонах. // Эталон-Проект. Москва 2007. 85 с.

71. Попов Н.А. Отчет по теме: «Пересмотр (актуализация) СНиП 2.01.07-85*«Нагрузки и воздействия». Общие положения» — (Первая редакция) // ЦНИСК им. Кучеренко, Москва, 2007. 51 с.

72. Рекомендации по уточненному динамическому расчету зданий и сооружений на действие пульсационной составляющей ветровой нагрузки. Госстрой России, сост. Попов Н.А. // М.: ГУП ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, 2000. - 45 с.

73. Реттер Э.И., Стриженов С.И. Аэродинамика зданий. // М. Стройиздат. 1968. 240 с.

74. Реттер Э.И. Архитектурно-строительная аэродинамика. // М. Стройиздат. 1984. -296 с.

75. Роуч П. Вычислительная гидродинамика. // М: Мир, 1980. 616 с.

76. Руководство по высотным зданиям, под ред. С.В.Николаева. // М., «ОАО ЦНИИЭП жилища». 2005. 296 с.

77. Савицкий Г. А. Ветровая нагрузка на сооружения. // М.: Стройиздат, 1972. 112 с.

78. Седов Л.И. Механика сплошной среды. // М.: Наука, 1973., -536 с.

79. Серебровский Ф.Л. Аэрация населенных мест. // М., Стройиздат, 1985, 170 с.

80. Симиу Э., Сканлан Р. Воздействие ветра на здания и сооружения Пер. с англ. Б.Е. Маслова, А.В. Швецовой; Под ред. Б.Е. Маслова. // М.: Стройиздат, 1984.-360 с.

81. СНиП 2.01.07 85. Нагрузки и воздействия // Госстрой России. -М.: ГУПЦПП, 1996.-48 с.

82. СНиП 2.01.07 85*. Нагрузки и воздействия // Госстрой России. - М.: ГУП ЦПП, 2001. - 44 с.

83. Диссертация Дубинского С.И.

84. СНиП II 6 - 74. Нормы проектирования. Нагрузки и воздействия. // М.: Стройиздат, 1976. - 44 с.

85. Соколов А.Г. Металлические конструкции антенных устройств. // М., Стройиздат. 1971.

86. СТО 36554501-015-2008. Нагрузки и воздействия. // ФГУП "НИЦ "Строительство", 2008.

87. Строительные нормы Беларуси. ТКП EN 1991-1-4-2009 (02250 и национальное приложение. Еврокод 1. Воздействия на конструкции. Часть 1-4. Общие воздействия. Ветровые воздействия, // Минск, 2008. 124 с.

88. Табунщиков Ю.А., Шилкин Н.В. Аэродинамика высотных зданий // АВОК. -№ 8, 2004.

89. Теличенко В.И., Король Е.А., Хлыстунов М.С. Грависейсмометрический мониторинг. // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2008. № 2. с. 60-67

90. ТСН 31-332-2006. Жилые и общественные высотные здания. Нормы. // Санкт-Петербург.

91. Травуш В.И., Попов Н.А. Особенности определения ветровых нагрузок, действующих на высотные здания комплекса "Москва-Сити" // Вестник отделения строительных наук РААСН, вып. 9, Белгород 2005.

92. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. // М. : Наука, 1974.

93. Шур M.JL, Спаларт Ф.Р., Стрелец М.Х. Расчет шума сложных струй на основе первых принципов. // Математическое моделирование. -2007, т. 27, N 7, с. 5-26

94. Dagnew А.К, Bitsuamlak G.T., Merrick R. Computational evaluation of wind pressures on tall buildings. // 11th Americas Conference of Wind Engineering. San Juan. June 2009.

95. Ahuja A.K., Dalui S.K., R. Ahuja и др. Effect of interference on the wind environment around high-rise buildings. // Journal of Wind Engineering & Science, Vol. 2, No. 1, July 2005

96. Диссертация Дубинского С.И.

97. AIJ Recommendations for Loads on Buildings. // Architectural Institute of Japan, Japan. 1996.

98. Aynsley R.M., Melbourne W. and Vickery B.J. Architectural Aerodynamics. Applied Sciences Publishers Ltd., London, 1977.

99. ANSYS CFX 11.0. User's Guide. // Canonsburg, 2009

100. ANSYS FLUENT 11.0. User's Guide. // Canonsburg, 2009

101. ANSYS Theory 11.0. User's Guide. // Canonsburg, 2009

102. ANSYS APDL 11.0 User's Guide. // Canonsburg, 2007

103. ASCE, Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures. // Reston, VA, American Society of Civil Engineers. 2005.

104. AS1170.2 Part 2: Wind Forces. Australian Standards AS1170.2 // Sydney, Standards Association of Australia. 2002.

105. Bearman P., Obasaju E. An experimental study of pressure fluctuations on fixed and oscillating square section cylinders. // Journal of Fluid Mechanics, 1982, Vol.119, p. 297-321

106. Bi An Jang. Analysis of Point and Area-averaged Pressure Coefficients Measured on the WERFL Building. // Texas Tech University, 2004. p. 1-8

107. Bitsuamlak G.T., Stathopoulos Т., Bedard C. Numerical evaluation of turbulent flows over complex terrains. A review // Journal of Aerospace Engineering, 17(4), 2004, p. 135-145

108. Blocken В., Stathopoulos Т., Carmeliet J. CFD simulation of atmospheric boundary layer-wall function problems. // Atmospheric Environment, vol. 41 (2), 238-252. 2007.

109. Boggs D. W. Wind Loading and Response of Tall Structures using Aerodynamic Models. Ph.D. Dissertation // Colorado State University, 1991.

110. Brandt А. и др. Algebraic Multigrid for Sparse Matrix Equations, Sparsity and Its Applications. // Cambridge University Press, 1984.

111. British Standard, Loadings for Buildings Part 2: Code of Practice for Wind Loads, // Building and Civil Engineering Sector Board, UK, 1995.1. Москва, 2010 190

112. Диссертация Дубинского С.И.

113. Castro, I.P., Robins, A.G. The flow around a surface mounted cube in a uniform and turbulent shear flow. // Journal of Fluid Mechanics 79(2), p. 307-335. 1977

114. China National Standard: GBJ9 Load Code for Building Structures, //China. 1987.

115. Cladding wind load study. Federation Tower. Final report. // RWDI Inc. 2005.

116. Cook, N.J., The Designer's Guide to Wind Loading of Building Structures Part 1, // Building Research Establishment, Butterworths Publishers, First Edition, 1985.

117. Davenport A.G. The application of statistical concepts to the wind loading of structures. // Proc. Civ. Engineers. Vol. 19, August 1961. p. 449472

118. Davenport A.G. Gust loading factors. // Proc. of American soc. of civil Engineering. Vol. 93 (1), No. ST3, 1967.

119. Davidson L. An introduction to turbulence models, Department of Thermo and Fluid Dynamics // Chalmer University of Technology, Publication 97/2, Sweden, 2003. p. 1-8

120. DESIDER A European Effort on Hybrid RANS-LES Modelling. // 2003. (www.desider.com)

121. Devin A. Brown, Analysis of wind-induced acceleration and pressure data from an eight-hundred-foot building, // University of Notre Dame, 2003. -144 p.

122. Dryden, H. L. and Hill, G. C. Wind pressure on a model of the Empire State Building. // 1933.1. Москва, 2010 191

123. Durao, D.F.G., Heitor, M.V., and Pereira, J.F. The turbulent flow in the near-wake of a squared obstacle. // Proceedings of 1987 ASME Applied Mechanics, Bio-Engineering and Fluids Engineering Conference, Cincinnati, Ohio, 1987. p. 45-50

124. Dyrbye C., Hansen S.O. Wind loads on structures. // New York: John Wiley & Sons. 1999.-229 p.

125. Eiffel G. Recherches experimentales sur la resistance de l'air executeese a la tour Eiffel. // Paris, 1910.

126. Eurocode 1: Basis design and action on structures. Part 1: "Basis design". ENV 1991 1, // CEN, 1994. 232p

127. Eurocode 1: Basis design and action on structures. Part 2-4: "Wind action". ENV 1991 2 - 4, // CEN, 1994. 112p

128. Frandsen В., Computational Fluid-Structure Interaction Applied to Long-Span Bridge Design, PhD Thesis // University of Cambridge, 1999. p. 1-8

129. Franke J., Hellsten F., Schlunzen H. Best practice guideline for the CFD simulation of flows in the urban environment, quality assurance and improvement of microscale meteorological models // 2007.

130. Ferziger J., Peric M., Computational Methods for Fluid Dynamics // Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg, 1999. p. 1-8

131. FlowVision. Руководство пользователя. // Москва, 2009. 230 с

132. Geurts В. J. Proposal for a new COST Action Large-Eddy Simulation for Advanced Industrial Design (LES-AID) Mathematical Fluid Dynamics Faculty EEMCS. // University of Twente, The Netherlands 2008.1. Москва, 2010 192

133. Диссертация Дубинского С.И.

134. Holmes J.D. Wind loading of structures. // Great Britain: Eastbourne. 2005.-356 p.

135. Holmes J.D. Analysis and synthesis of pressure fluctuations on bluff bodies using eigenvectors // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1990, Vol.33, p. 219-230

136. Hoxey R.P. and Richards PJ. Full-Scale Wind Load Measurements Point the Way Forward. // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Volume 57, 1995, p. 215-224

137. ERCOFTAC. QNET-CFD. "Classic Collection" Database. // cfd.mace.manchester.ac.uk/ercoftac/

138. Hutchinson B. R. and G. D. Raithby, A Multigrid Method based on the Additional Correction Strategy // Numerical Heat Transfer, Vol.9, 1986, p. 511-537

139. Ishihara Т., Hibi K. Turbulent measurements of the flow field around a high-rise building // J. of Wind Eng., Japan, No.76, 1998, p. 55-64

140. Irwin P.A., and Baker, W.F., The Wind Engineering of the Burj Dubai // Proceedings of the 7th World Congress of the Council on Tall Buildings and Urban Habitat, New York, Oct 17-19. 2005.

141. Kai Fan Liaw. Simulation of Flow around Bluff Bodies and Bridge Deck Sections using CFD // University of Nottingham. 2005.

142. Kai Fan Liaw , Wright N., Owen J., Sun D. Large eddy simulation of flow past a circular cylinder // 11th International Conference on Wind Engineering, Texas, 2003. p. 1919-1926.

143. Kareem, A., Mapping and Synthesis of Random Pressure Fields // J. of Eng. Mech., ASCE, 115(10). 1989

144. Kareem, A., Kijewski, T. and Tamura, Y. Mitigation of Motions of Tall Buildings with Specific Examples of Recent Applications // Wind & Structures, Vol. 2, No. 3, 1999. p. 201-251

145. Диссертация Дубинского С.И.

146. Kareem A., Cermak J.E. Pressure fluctuations on a square building model in boundary layer flows // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. — 1984. —Vol. 16. p. 17-41

147. Kareem А. и др. Wind-Induced Response of Tall Buildings: Synopsis of the Chicago Full-Scale Monitoring Program // Journal of structural engineering / october 2006, p. 1509-1523

148. Kijewski, T. and Kareem, A., 1998, Dynamic Wind Effects: A Comparative Study of Provisions in Codes and Standards with Wind Tunnel Data // Wind & Structures, Vol. 1, No. 1, p. 77-109

149. Kijewski Т., Haan F., Kareem A. Wind-Induced Vibrations - // University of Notre Dame, 2004

150. Launder B.E., Spalding D.B. The numerical computation of turbulent flow // Сотр. Meth. Appl. Mech. Engng. 1974. Vol. 3, No. 2. p. 269-289

151. Lourenco L., Shih C. Characteristics of the plane turbulent near wake of a circular cylinder, a particle image velocimetry study, // 1993.

152. Letchford, C.W. Wind Loads on Rectangular Signboards and Hoardings // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Volume 89, 2001, p. 135-151

153. Levitan M. L., Mehta К. C., Vann W. P. Field measurements of pressures on the Texas Tech Building // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, vol. 38, 1991. p. 227-234.

154. Lyn D., Rodi W., Park J. A laser doppler velocimetry study of ensemble-averaged characteristics of the turbulent near wake of a square cylinder // Journal of Fluid Mechanics, 1995, Vol.304, p. 285-319.

155. Mehta К. C. Field experiments for building aerodynamics // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, vol. 50. 1993, p. 213-224

156. Mendis P., Ngo Т., Haritos N. и др, Wind Loading on Tall Buildings // EJSE. Special Issue: Loading on Structures, 2007

157. Диссертация Дубинского С.И.

158. Menter F.R., Kuntz М., Langtry R. Ten years of industrial experience with the SST turbulence model // Turbulence: Heat and Mass Transfer 4: Proc. Intern. Conf. Begell House, Inc. 2003. 8 p.

159. Menter F. R. Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications // AIAA Journal, 1994. vol. 32(8), p. 1598 1605

160. Menter, F. R. Egorov, Y. A Scale-Adaptive Simulation Model using Two-Equation Models // AIAA Paper, AIAA 2005, 1093-1095 p.

161. Menter F. R, Kuntz M. Development and application of a zonal DES turbulence model for CFX-5, // ANSYS CFX Validation Report, 2001, Vol.CFX-VAL 17/0703, p. 1-34

162. Meroney, R.N. Wind tunnel and numerical simulation of pollution dispersion: a hybrid approach. Working paper, Croucher Advanced Study Insitute on Wind Tunnel Modeling, // Hong Kong University of Science and Technology, 6-10 December, 2004, 60 p.

163. Moonen P., Blocken В., Roels S., Carmeliet J. Numerical modeling of the flow conditions in a closed circuit low-speed wind tunnel. // JWEIA. 2006

164. National Building Code of Canada // Ottawa, Associate Committee on the National Building Code, National Research Council, 2005

165. Newton I. Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Book II // London, 1726.

166. N.M.V.R.Kondreddi. Wind Resource Assessment in Complex Terrain Using CFD. // Technical University of Denmark. 2007

167. Диссертация Дубинского С.И.

168. Ong L., Wallace J. The velocity field of the turbulent very near wake of a circular cylinder // Experiments in Fluids, 1996, Vol.20, p. 441-453

169. PHOENICS-VR Reference Guide. CHAM Technical Report TR/326. // London, 2006.

170. Popov N.A., Travush V.I., Berezin M.A. Pedestrian Wind Comfort Study for Moscow International Business Center. // IV Symposium Environmental Effects on Buildings and People- Actions, influences, interactions, discomfort. Susiec, Poland. 2004

171. Prandtl L. Uber die ausgebildete turbulenz. // ZAMM, 1928, № 5.

172. Bashor R. and Kareem A. Comparative study of major international standards // University of Notre Dame, 2005

173. Rathbun, J. C. 'Wind forces on a tali building' // Transactions American Society of Civil Engineers, 105. p. 1—41. (1940)

174. Raw M., A Coupled Algebraic Multigrid Method for the 3D Navier-Stokes Equations // Proceedings of the 10th GAMM Seminar, 1995

175. Richardson, G.M., Нохеу R.P., Robertson А.Р., and Short J.L. The Silsoe Structures Building: Comparison of pressures measured at full-scale and in two wind tunnels // JWEIA, 72(153): (1997), p. 187-197

176. Rofail, A.W. and Kwok, K.C.S. A Reliability Study of Wind Tunnel Results for Cladding Pressures // Proceedings of the First Australian Wind Engineering Society Workshop, Hunter Valley, Australia, 1991.

177. Shuguo Liang , Q.S. Li, и др. Torsional dynamic wind loads on rectangular tall buildings. // Engineering Structures 26 (2004), p. 129-137

178. Strelec M. Detached eddy simulation of massively separated flows. // AIAA Paper. 2001, No. 2001-0879. 18 p.

179. Диссертация Дубинского С.И.

180. Solari, G. and Kareem, A., On the Formulation of ASCE7-95 Gust Effect Factor Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics, vol. 77 and 78, p. 673-684. 1998.

181. Spalart P.R., Allmaras S.R. A one-equation turbulence model for aerodynamic flows, La Recherche Aerospatiale, 1994, Vol.1, p. 5-21

182. Stangroom P., Computational fluid dynamics for wind farm optimisation, // School of Civil Engineering, University of Nottingham, 2001.

183. STAR-CD. Руководство пользователя. Версия 3.26. // 2007

184. Tamura Y., Wind resistant design of tall buildings in Japan // Tokyo Polytechnic University, 2004.

185. Tong Yang. CFD and Field Testing of a Naturally Ventilated Full-scale Building, PhD dissertation. // Nottingham, 2004.

186. Tominaga, Y., Mochida, A. et al. AIJ guidelines for practical applications of CFD to pedestrian wind environment around buildings // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Volume 96, Issues 10-11, October-November 2008, p. 1749-1761.

187. Tominaga, Y., Mochida, A. et al. Cross Comparisons of CFD Results of Wind Environment at Pedestrian Level around a high-rise Building and within a Building Complex // J. of Asian Architecture and Building Engineering, 2004. p. 63-70

188. Tamura Y., Kareem A., Solari G., Kwok К. C. S., Holmes J. D. and Melbourne W. H. Aspects of the Dynamic Wind-Induced Response of Structures and Codification // Wind and Structures 8(4): 2005, p. 251-268.

189. Tamura Y. Monitoring Techniques in Wind Engineering. Lecture 8. // Tokyo Polytechnic University, Atsugi, Japan 2008

190. Tamura Y. Wind Tunnel Tests and Full-scale Measurements. Lecture 7. // Tokyo Polytechnic University, Atsugi, Japan - 2008

191. Validation of Phoenics-2008 for the determination of wind pressures on buildings // Zimmermann-Becker GmbH Heilbronn. 2006

192. Van der Hoven, Power Spectrum of Horizontal Wind Speed in the Frequency Range from 0.0007 to 900 Cycles per Hour // Journal of Meteorology - Volume 14, 1957, p. 160-164

193. VirtualWind 1.0. User Manual. // RWDI Group. 2010

194. Wilcox D.C. Simulation of Transition with a Two-Equation Turbulence Model, // AIAA J. 32: 1994. p. 247-254.

195. Wilcox D.C. Turbulence Modelling for CFD // DCW Industries Inc., California, 1993

196. Yakhot, V., and Orszag S.A. Renormalization group analysis of turbulence. // Journal of Scientific Computing - 1. 1986. p. 3-51

197. Yin Zhou, Kijewski Т., Kareem A. Along-Wind Load Effects on Tall Buildings: Comparative Study of Major International Codes and Standards // Journal of structural engineering - June 2002 - p. 788-796

198. Yu D., Kareem A. Parametric study of flow around rectangular prisms using LES // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1998, Vol.77, p. 653-662