Численное моделирование динамического отклика башни «Эволюция» при ветровом воздействии с учетом застройки и разрешением турбулентности

Введение. Существующие нормативные методики не всегда адекватно описывают динамический отклик высотных зданий при ветровых воздействиях, особенно с учетом сложной геометрии и взаимодействия с окружающей застройкой. В данном исследовании разработана методика численного моделирования динамического отклика высотных зданий при ветровых воздействиях, учитывающая аэродинамическую интерференцию и разрешающая спектр турбулентных пульсаций на основе нестационарного CFD-моделирования и прямого динамического конечно-элементного анализа. Показан пример использования данной методики и численные результаты моделирования динамического отклика при разных углах атаки ветра башни «Эволюция», входящей в состав ММДЦ «Москва-Сити».

Материалы и методы. Методика разделяет задачу на два этапа: нестационарное аэродинамическое моделирование и расчет динамической реакции конструкции. Для этого разработаны аэродинамические модели комплекса зданий ММДЦ «Москва-Сити» и конечно-элементная модель башни «Эволюция». Для аэродинамического моделирования применена гибридная модель турбулентности SBES, позволяющая разрешать спектр турбулентных пульсаций. Динамический отклик здания вычисляется с использованием прямого динамического конечно-элементного анализа на основе неявного метода Ньюмарка.

Результаты. Результаты аэродинамического моделирования представлены в виде поэтажных распределений аэродинамических сил и моментов для разных направлений ветра. Вычисленный на их основе динамический отклик показал существенное влияние аэродинамической интерференции на поведение здания. Сравнение с расчетами по нормативной методике СП 20.13330.2016 продемонстрировало консервативность последних и необходимость более точных методов расчета.

Выводы. Предложенная методика позволяет более точно прогнозировать динамический отклик высотных зданий при ветровых воздействиях, что имеет важное значение для обеспечения механической безопасности и динамической комфортности. Рекомендуется внедрение данной методики в практику расчетных обоснований высотных зданий, что даст возможность оптимизировать конструктивные решения, повысить механическую безопасность и увеличить экономическую эффективность высотного строительства.

1. Соловьев А., Никонова Е., Герасимов А. Проектирование зданий и сооружений. М., 2022. 76 с.

2. Рыбакова Л.Ю., Балашова Е.Я. Высотные здания: проектирование, анализ и безопасность // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре. Строительство и строительные технологии : сб. статей 80-й Юбилейной Всеросс. науч.-техн. конф. 2023. С. 55–61. EDN FUXTVT.

3. Yadav H., Roy A.K. Wind-induced aerodynamic responses of triangular high-rise buildings with varying cross-section areas // Buildings. 2024. Vol. 14. Issue 9. P. 2722. DOI: 10.3390/buildings14092722

4. Shan W., Yang Q., Guo K., Chen C., Zhen W., Kim Y.C. Across-wind response characteristics of tall-square towers in urban flow: An experimental study focused on the aeroelastic effects // Physics of Fluids. 2024. Vol. 36. Issue 3. DOI: 10.1063/5.0194289

5. Abdelwahab M., Ghazal T., Nadeem K., Aboshosha H., Elshaer A. Performance-based wind design for tall buildings : review and comparative study // Journal of Building Engineering. 2023. Vol. 68. P. 106103. DOI: 10.1016/j.jobe.2023.106103

6. Xu Z., Yin J. The Influence of Aeroelastic Effects on Wind Load and Wind-Induced Response of a Super-Tall Building: An Experimental Study // Buildings. 2023. Vol. 13. Issue 7. P. 1871. DOI: 10.3390/buil-dings13071871

7. Wijesooriya K., Mohotti D., Mendis P. A technical review of computational fluid dynamics (CFD) applications on wind design of tall buildings and structures: Past, present and future // Journal of Building Engineering. 2023. Vol. 74. P. 106828. DOI: 10.1016/j.jobe.2023.106828

8. Hareendran S.P., Alipour A., Shafei B., Sarkar P. Characterizing wind-structure interaction for performance-based wind design of tall buildings // Engineering Structures. 2023. Vol. 289. P. 115812. DOI: 10.1016/j.engstruct.2023.115812

9. Саиян С.Г., Ефимова А.М. Расчетные аэродинамические исследования комплекса Московского международного делового центра «Москва-Сити» при последовательном возведении зданий // Вестник МГСУ. 2024. Т. 19. № 6. С. 906–941. DOI: 10.22227/1997-0935.2024.6.906-941

10. Mengistu M.T., Repetto M.P. Analytical downburst wind load calculation methods: Review and full-scale validation // Engineering Structures. 2024. Vol. 321. P. 118970. DOI: 10.1016/j.engstruct.2024.118970

11. Zhao S., Zhang C., Dai X., Yan Z. Review of wind-induced effects estimation through nonlinear analysis of tall buildings, high-rise structures, flexible bridges and transmission lines // Buildings. 2023. Vol. 13. Issue 8. P. 2033. DOI: 10.3390/buildings13082033

12. Варибрус Д.С., Грибанов Д.С. Методика расчета реакции сооружения на пульсации ветра // Инновационная наука. 2021. № 5. С. 35–37. EDN FCIXXI.

13. Негрозова И.Ю., Афанасьева И.Ю. Обзор аналитических и полуэмпирических подходов для анализа аэродинамической неустойчивости типа флаттер // Вестник Инженерной школы Дальне-восточного федерального университета. 2023. № 1 (54). С. 119–140. DOI: 10.24866/2227-6858/2023-1/119-140. EDN MCXFEQ.

14. Kwon D.K., Kareem A. Hybrid simulation of a tall building with a double-decker tuned sloshing damper system under wind loads // The Structural Design of Tall and Special Buildings. 2020. Vol. 29. Issue 15. DOI: 10.1002/tal.1790

15. Илюхина Е.А., Лахман С.И., Миллер А.Б., Травуш В.И. Конструктивные решения высотного здания «Лахта центр» в Санкт-Петербурге // Academia. Архитектура и строительство. 2019. № 3. C. 110–121. DOI: 10.22337/2077-9038-2019-3-110-121. EDN MLORRC.

16. Ding F., Kareem A. Tall buildings with dynamic facade under winds // Engineering. 2020. Vol. 6. Issue 12. Pp. 1443–1453. DOI: 10.1016/j.eng.2020.07.020

17. Саиян С.Г. Моделирование ускорений верхних этажей высотного здания при ветровом воздействии // Дни студенческой науки : сб. докл. науч.-техн. конф. по итогам науч.-исслед. работ студентов Института фундаментального образования НИУ МГСУ за 2019–2020 учебный год. 2020. С. 295–298. EDN JHLVLJ.

18. Saiyan S., Andreev V., Paushkin A. Numerical Simulation of Accelerations of the Upper Floors of a High-Rise Building Under Wind Influence // Lecture Notes in Civil Engineering. 2022. Pp. 269–279. DOI: 10.1007/978-3-031-10853-2_25

19. Sun W., Wang X., Dong D., Zhang M., Li Q. A comprehensive review on estimation of equivalent static wind loads on long-span roofs // Advances in Structural Engineering. 2023. Vol. 26. Issue 14. Pp. 2572–2599. DOI: 10.1177/13694332231190706

20. Zhang S., Guo K., Yang Q., Xu X. Review of wind field characteristics of downbursts and wind effects on structures under their action // Buildings. 2024. Vol. 14. Issue 9. P. 2653. DOI: 10.3390/buildings14092653

21. Bruno L., Coste N., Mannini C., Mariotti A., Patruno L., Schito P. et al. Codes and standards on computational wind engineering for structural design: State of art and recent trends // Wind and Structures. 2023. Vol. 37. Pp. 133–151. DOI: 10.12989/was.2023.37.2.133

22. Мишичев Д.К. Сравнительный анализ отечественных и зарубежных норм в части определения ветровой нагрузки на здания // Потенциал интеллектуально одаренной молодежи — развитию науки и образования : мат. XII Междунар. науч. форума молодых ученых, инноваторов, студентов и школьников. 2023. С. 482–485. EDN FAFZOA.

23. Tiwari L., Asher A., Deshpande A., Murudi M. Analysis of 150 m long wind mast using Indian code, U.S. Code & Eurocode // AIP Conference Proceedings. 2024. Vol. 3013. P. 030003. DOI: 10.1063/5.0204653

24. Baballëku M., Verzivolli A., Luka R., Zgjanolli R. Fundamental basic wind speed in Albania: An adoption in accordance with Eurocodes // Journal of Transactions in Systems Engineering. 2023. Vol. 1. Issue 2. Pp. 56–72. DOI: 10.15157/JTSE.2023.1.2.56-72

25. Llanes-Tizoc M.D., Valenzuela-Beltrán F., Bojórquez E., Bojórquez J., Gaxiola-Camacho J.R., Leal-Graciano J.M. et al. Rayleigh damping vs. modal damping matrix superposition for steel frames and evaluation of higher-mode contribution // Iranian Journal of Science and Technology, Transactions of Civil Engineering. 2024. DOI: 10.1007/s40996-024-01615-2

26. Miyamoto K., She J., Sato D., Chen Y., Soriano R.D.A., Nakano S. Wind-load estimation for seismically isolated building by equivalent-input-disturbance approach with robust-control strategy // Control Engineering Practice. 2024. Vol. 145. P. 105853. DOI: 10.1016/j.conengprac.2024.105853

27. Сидоров В.Н., Бадьина Е.С., Климушкин Д.О. Модификация функции диссипации Рэлея для численного моделирования внутреннего демпфирования в стержневых конструкциях // Вестник МГСУ. 2024. Т. 19. № 6. С. 960–970. DOI: 10.22227/1997-0935.2024.6.960-970. EDN MYGSCN.