Особенности ветрового воздействия на конструкцию стальной гиперболической градирни

DOI: 10.37153/2618-9283-2024-4-35-56

Авторы:  
Рубрики:    Теоретические и экспериментальные исследования, научно-технические разработки   
Ключевые слова: строительная аэродинамика, ветровая нагрузка, башенные стальные градирни, критерии подобия, тензометрические весы, локальные аэродинамические коэффициенты
Аннотация:

Введение. В работе рассмотрены методы анализа воздействия ветрового потока на башенную каркасно-обшивную 12-гранную стальную градирню (БСГ) площадью орошения 1600 м². Основной целью проведения численных и экспериментальных исследований обтекания ветровым потоком БСГ является верификация полученных экспериментальных данных в аэродинамической трубе, а также выбора модели турбулентности, наиболее точно описывающей полученные явления при проведении экспериментальных исследований. Разработка башенных каркасно-обшивных стальных градирен сталкивается с рядом нерешенных задач, что значительно усложняет процесс проектирования. Главное препятствие – отсутствие в действующих нормативных документах четко обоснованных значений нагрузок и воздействий на подобные сооружения. Ветровое воздействие, будучи непостоянным по силе и направлению, оказывает значительное влияние на несущую способность градирни, с учетом ее формы. Данные исследования позволяют не только уточнить расчетные значения ветрового давления, но и разработать более эффективные методы расчета нагрузок на градирни.

Материалы и методы. Работа основана на использовании таких подходов строительной аэродинамики как тензометрические весовые исследования, метод дренирования моделей, методы визуализации ветрового потока «велосиметрия», или теневой метод, метод шелковинок, позволяющие всецело оценить поведение конструкции в ветровом потоке. С использованием софта AutoCAD CFD выполнен численный анализ с последующим сопоставлением полученных результатов данных с экспериментальными исследованиями. В ходе выполнения экспериментальной части исследования применялись модели, выполненные посредством 3D-печати для продувки в строительной аэродинамической трубе, учитывая каркас стальной обшивки градирни для определения действительных эпюр распределения давления ветра на башенную каркасно-обшивную градирню гиперболической формы с учетом сезонности эксплуатации, а также стадий возведения, для выявления наиболее неблагоприятных расчетных ситуаций влияния ветрового воздействия.

Результаты. Определены значения коэффициентов полного ветрового давления Сx, Cy, CMz, подтверждающие высокую сопоставимость экспериментальных данных в пределах от 95 % до 100 % с СП. Значения и характер распределения локальных аэродинамических коэффициентов Cp отличаются от предлагаемых в нормативных документах пиковых значений при активном давлении от 30 % до 50 %, протяженностью области и зон с отрицательными давлениями, возникающими при сходе вихря, выявлена независимость аэродинамического коэффициента Сp от числа Рейнольдса R_e в пределах от 2,71 × 10⁵ до 3, 29 × 10⁵. Выполнено обоснование теории Reynolds Averaged Navier-Stokes SST k-ω DES расчета, наиболее точно описывающего характер обтекания расчетных моделей ветровым потоком.

Выводы. Данные экспериментальных исследований позволили установить значения коэффициентов полного ветрового давления, критериев подобия, а также значения и характер распределения локальных аэродинамических коэффициентов на конструкцию градирни. По результатам проведенных численных и экспериментальных исследований предложена уточненная методика нормирования ветрового воздействия на каркасно-обшивную 12-гранную стальную градирню площадью орошения 1600 м² с учетом сезонности эксплуатации и этапов возведения.

 

Используемая литература:

1. Титков С.О. Уточнение ветровой нагрузки на башенные металлические градирни с учетом особенностей конструктивной формы и этапов возведения: диссертация на соискателя ученой степени кандидата технических наук. Донбасская национальная академия строительства и архитектуры. Макеевка. 2022. 224 с.

2. Титков С.О., Югов А.М., Васылев В.Н., Лозинский Э.А. Физическое моделирование и анализ влияния обтекания ветровым потоком отдельно стоящей башенной металлической градирни // Металлические конструкции. 2021; 27(2):83–96.

3. Титков С.О., Югов А.М., Васылев В.Н., Лозинский Э.А.  Экспериментальное исследование ветрового воздействия на башенную гиперболическую градирню в аэродинамической трубе с учетом монтажных стадий // Металлические конструкции. 2021; 27(4):197–215.

4. Пособие по проектированию градирен (к СНиП 2.04.02-84). Москва: Центральный институт типового проектирования. 1989.

5. Руководство по проектированию градирен. Москва: Союзводоканалпроект. 1980.

6. Руководство по расчету зданий и сооружений на действие ветра. Москва: Стройиздат, ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко. 1978.

7. Горохов Е.В., Васылев В.Н., Кузнецов С.Г. Гаранжа И.М., Лозинский Э.А. Экспериментальные аэродинамические характеристики сечений многогранных гнутых стоек // Металлические конструкции. 2010; 16(4):251–258.

8. Кузнецов С.Г. Эффекты волнообразования при обтекании ветровым потоком высотных зданий и сооружений. Донецк: Норд-Пресс. 2019. 200 с.

9. Makhinko A., Makhinko N. Modelling of wind impacts on silos and silo parks. IOP Conference Series Materials Science and Engineering. 2021; 1164(1):012048. https://doi.org/ 10.1088/1757-899X/1164/1/012048

10. Белостоцкий А.М., Акимов П.А., Афанасьева И.Н. Вычислительная аэродинамика в задачах строительства. Москва: Издательство ACB. 2017. 720 с.

11. Лозинский Э.А. Рациональные параметры призматических высотных зданий, минимизирующих воздействие ветрового подпора на окружающую застройку: диссертация на соискателя ученой степени кандидата технических наук / Лозинский Эдуард Александрович; Донбасская национальная академия строительства и архитектуры. Макеевка; 2013: 213 с.

12. Karakozova A., Mondrus V. The refinement of dynamic wind load on masts and towers. IOP Conference Series Materials Science and Engineering. 2020; 869(5):052017. https://doi.org/ 10.1088/1757-899X/869/5/052017

15. Gaikwad Tejas G., Gore N.G., Sayagavi V.G., Madhavi Kiran, Pattiwar Sandeep. Effect of Wind Loading on Analysis of Natural Draught Hyperbolic Cooling Tower. International Journal of Engineering and Advanced Technology. 2019; 4(1):2249–8958.

17. Горохов Е.В., Кузнецов С.Г., Васылев В.Н. Ветровая среда вокруг высотного здания // Строительство, материаловедение, машиностроение. 2007; 43:139–147.

18. Горохов Е.В., Кузнецов С.Г., Васылев В.Н. Воздействие ветра на высотные здания и их комплексы. Сборник научных трудов Московского государственного строительного университета. 2008:86–90.

19. Горохов Е.В., Кузнецов С.Г. Ветровые нагрузки на низких зданиях в застройке с высотным зданием // Современное промышленное и гражданское строительство. 2016;22(1):51–56.

20. Горохов Е.В., Мущанов В.Ф., Тимофеев Н.В. Экспериментальное исследование значений аэродинамических коэффициентов на моделях оболочек покрытий // Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры. 2021; 2(5):31–44.

21. Кузнецов С.Г. Ветровой режим в приземной области высотного здания // Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры. 2008;2(10):100–103.

22. Кузнецов С.Г. Ветровой режим вокруг высотного здания, расположенного в застройке // Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры. 1998; 4(12):130–139.

23. Кузнецов С.Г. Взаимодействие двух высотных зданий в ветровом потоке. Научно-технический сборник «Донецкий ПромстройНИИпроект». Современные проблемы строительства. 2017; 5(10):54–59.