МД Профатилов

1.

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования «Луганский государственный
университет имени Владимира Даля»
Институт строительства, архитектуры и жилищно-коммунального хозяйства
институт
Кафедра промышленного, гражданского строительства и архитектуры
кафедра
МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ
Анализ конструктивных решений высотных зданий, рекомендованных для
строительства в г. Луганске, с учетом обеспечения динамической комфортности
08.04.01 Строительство
шифр и наименование направления подготовки (специальности)
Теория проектирования зданий и сооружений
образовательная программа
Студент: Профатилов Максим Денисович, 2 курс, С-341м
Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент, Хвортова Марина Юрьевна

2.

Цель диссертационной работы
Научная новизна
Целью данной магистерской работы является выбор оптимальной схемы расположения
Для климатических условий Луганска впервые получены параметры пространственной
элементов жесткости для снижения ускорений перекрытий и обеспечения динамической
работы 28-этажного монолитного каркаса под действием пульсации ветра. На основе
комфортности жилого здания с учетом ветрового режима г. Луганска.
компьютерного
моделирования
двенадцати
различных
схем
доказана
низкая
эффективность разрозненных виртуальных аутригеров при гашении горизонтальных
Задачи исследования
ускорений. Численно обоснована необходимость совмещения работы центрального ядра и
1. Выполнить обзор научно-технической литературы по проблеме физиологического
наружных колонн через сплошные пояса жесткости. Также определены оптимальные
воздействия низкочастотных ветровых вибраций. Систематизировать отечественный и
высотные отметки для их размещения, что обеспечивает динамический комфорт здания
зарубежный инженерный опыт применения выносных опор и жестких диафрагм для
без значительного утяжеления конструкции.
стабилизации башенных комплексов.
2. Изучить математический аппарат оценки кинематики пространственных
расчетных моделей зданий. Аргументировать выбор метода конечных элементов и
совместного использования программной среды ЛИРА-САПР для вычисления динамических
Практическая значимость работы
Разработанные конфигурации несущих элементов полностью пригодны для внедрения
реакций каркаса на пульсации ветра.
в реальную практику проектирования. Предложенная методика пространственной
3.
компоновки каркаса позволяет инженерам выйти на нормативные показатели
Построить исходную пространственную конечно-элементную схему монолитного
здания с обязательным учетом местного климата и плотности окружающей городской
динамической комфортности без избыточного расхода железобетона.
застройки г. Луганска.
4.
Смоделировать двенадцать альтернативных расчетных схем усиления каркаса
виртуальными и жесткими аутригерами с защемлением в ядре. Произвести сравнительный
анализ динамического отклика и объемов дополнительного бетонирования, вычленив
оптимальную конфигурацию каркаса.
Апробация работы
Ключевые аспекты и расчетные данные диссертации прошли публичную оценку 23
апреля 2026 года. Материалы были представлены в г. Луганске на базе ФГБОУ ВО «ЛГУ
им. В. Даля» в рамках работы XI научно-практической конференции «Актуальные проблемы
урбанизированных территорий Донбасса». По итогам выступления в официальном
Актуальность
Уплотнение центральной застройки и переход к высотному строительству в
г.
Луганске требует особого внимания к механике работы железобетонного каркаса.
Динамическая комфортность становится определяющим фактором при проектировании,
так как она лимитирует негативное физиологическое воздействие пульсационной
составляющей ветрового напора на человека.
сборнике трудов опубликована одна профильная научная статья.

3.

Климатические особенности г. Луганска
Влияние горизонтальных низкочастотных ускорений на состояние человека
- Условия: III ветровой район, тип местности «В» (плотная застройка от 10 м).
-
Уровень
Значение ускорения, м/с2
1
< 0,05
2
0,05 - 0,10
3
0,10 - 0,25
4
0,25 - 0,50
5
0,50 - 0,60
6
0,60 - 0,70
Аэродинамика: Нелинейное возрастание скорости ветрового потока на верхних
отметках.
-
Проблема: Пульсационная составляющая ветра вызывает динамическое раскачивание
высотного здания.
Физиологическое воздействие низкочастотных колебаний на человека
-
Специфика восприятия: вестибулярный аппарат практически не фиксирует плавные
линейные перемещения (статические отклонения башни), но крайне остро реагирует на
Влияние на человека
Обычно за порогом
чувствительности для
человека
Покачивание подвешенных
предметов
Качание, вызывающее
чувство дискомфорта
Потеря равновесия
Большинство людей не
могут ходить
самостоятельно
Критическое воздействие
на организм человека
инерционные силы — кинематические ускорения плит перекрытий.
- Опасный резонанс: пульсации ветра генерируют вибрации здания в узком
Нормативные ограничения и инженерная задача
низкочастотном диапазоне (0,1–1 Гц), который напрямую резонирует с собственными
- Главный критерий комфорта: обеспечение нормативных параметров второй
частотами внутренних органов человека.
группы предельных состояний (эксплуатационная пригодность и комфортность
-
пребывания людей).
Неврологический диссонанс: конфликт визуального восприятия (статичный
интерьер) и сигналов внутреннего уха (маятниковое движение) провоцирует развитие
высотной морской болезни.
-
«Сопит-синдром»: длительное воздействие низкодозовых микровибраций вызывает
- Жесткий барьер СП: согласно требованиям СП 20.13330.2016, пиковые
пульсационные ускорения верхних перекрытий для жилых объектов строго
ограничены отметкой 80 мм/с2 (0,08 м/с2).
скрытую симптоматику — необъяснимую мышечную усталость, нарастающую апатию и
-
катастрофическое падение концентрации внимания.
гарантированно удовлетворяет строгим рамкам международных норм оценки динамики
Международная практика: выполнение требований отечественного СП
(стандарт ISO 10137 и шкала AIJ).
-
Инженерная проблема: линейное наращивание толщины железобетонных стен для
гашения вибраций неэффективно. Увеличение массы каркаса пропорционально
увеличивает инерционные силы, раскачивающие башню.
-
Путь
решения:
требуется
интеллектуальное
перераспределение
пространственной жесткости без значительного утяжеления конструкции
(интеграция аутригерных систем).

4.

РОССИЙСКИЙИЗАРУБЕЖНЫЙ ОПЫТОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЖЕСТКОСТИЗДАНИЯ
МФК «Лахта-Центр» (г. Санкт-Петербург)
Lotte World Tower (ЮжнаяКорея)
Конструкция аутригера Лахта-Центра
Схема расположения и устройство аутригерных этажей
Решение: Жесткое объединение лестнично-лифтового узла с внешним несущим контуром.
Трехмерный вид аутригера Лахта-Центра
Схема несущих конструкций
Лахта центра
Решение: Применение сталежелезобетонных аутригерных ферм, интегрированных с
Механика: Пространственная интеграция через массивные аутригерные конструкции в
уровне технических пространств.
шагом 67 метров по высоте.
Механика: Фермы надежно связывают центральное ядро с наружной оболочкой,
Eureka Tower (Австралия, высота 300 м)
функционируя как мощные выносные опоры.
Комплекс «Федерация» (ММДЦ «Москва-Сити»)
Схемы типовых этажей здания, виден крестообразный несущий каркас
Решение: Крестообразные диафрагмы жесткости из бетона 125 МПа + установка
Схема расположения аутригерных этажей
Схема аутригерного этажа
Решение: Устройство четырех ярусов аутригерных рам, конструктивно
совмещенных с техническими этажами.
Механика: Формирование уникальных непрерывных колец жесткости (первое — на
отметке 120 м),перераспределяющих изгибающие моменты.
инерционного гасителя (демпфера) на кровле.
Механика: Центральная лифтовая шахта связана с внешними колоннами. Резервуар с
водой на крыше гасит пиковые ускорения от ветровых пульсаций.

5.

МЕТОДЫРАСЧЕТА ДИНАМИЧЕСКОЙКОМФОРТНОСТИ
Аналитические методы расчета
Суть метода: Упрощение пространственной работы здания до односвободных или многомассовых систем с сосредоточенными
массами.
Механика расчета :Базируется на матричном дифференциальном уравнении движения:
Определение пиковых кинематических ускорений через спектральный анализ:
Вывод: Метод ограничен простейшими геометрическими формами. Не дает требуемой точности при оценке реальных высотных
каркасов со сложной пространственной работой.
Метод конечных элементов (МКЭ)
Суть метода: Дискретизация (разбиение) сплошной конструкции на конечное число элементов (стержней, оболочек) с локализацией
переменных внутри каждого из них.
Механика расчета: Динамическое поведение отдельного конечного элемента (КЭ):
Сборка локальных матриц в глобальную матрицу жесткости конструкции:
Вывод: Безальтернативный, высокоточный математический аппаратдля расчетауникальных сооружений с неоднородным
распределением жесткости.
Программная реализация метода конечных элементов
Суть метода: Автоматизированное решение алгоритмов МКЭ в специализированной вычислительной среде для построения точной
топологии 28-этажного здания
Механика расчета: Генерация 3D-сетки конечных элементов -> Приложение профиля ветровых давлений -> Автоматизированный
поиск спектра собственных частот и форм колебаний -> Учет Рэлеевского демпфирования -> Расчет итоговых мозаик ускорений.
Вывод: Комплекс ЛИРА-САПР выбран в качестве основного расчетного ядра диссертации, так как его алгоритмы строго
адаптированы к отечественным строительным нормам, что исключает методологические ошибки при оценке динамической
комфортности.

6.

РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ
Исходные архитектурно-конструктивные данные
План расположения несущих
элементов типового этажа
Динамический расчет в ПК ЛИРА-САПР
Фасады здания
Окно задания ветровой
пульсационной нагрузки
Объект: 28-этажное жилое здание в г. Луганске (III ветровой район, тип «В»).
-
Конструктивная схема: монолитная стеновая (толщина стен варьируется от 400 до
фундамента.
-
200 мм).
Материалы: класс бетона несущих стен В25–В30, перекрытия — монолитные
Окно параметров ветровой
пульсационной нагрузки по оси X
Импорт конечно-элементной сетки и жесткое защемление опорных узлов
Формирование матрицы масс и задание динамических загружений (пульсации ветра
по осям X и Y).
безбалочные.
Результат расчета базовой схемы
Создание расчетной модели в ПК САПФИР
Суммарные максимальные ускорения базовой
расчетной
Объёмная пространственная модель
несущего железобетонного каркаса
высотного здания
Окно параметров добавляемой
статической ветровой нагрузки
- Генерация объемной пространственной 3D-модели железобетонного остова.
- Назначение жесткостных характеристик и физических свойств материалов.
-
Сбор статических нагрузок (собственный вес, полезные нагрузки, статический
ветер).
-
Автоматическая триангуляция (шаг сетки 0,5 м) и формирование аналитической
модели.
- Зафиксировано пиковое ускорение верхнего перекрытия: 87,86 мм/с2.
- Нормативный предел СП20.13330.2016: 80 мм/с2.
-
Вывод: Эксплуатация базового каркаса недопустима, требуется разработка
вариантов усиления пространственной жесткости.

7.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙНА ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Гипотеза 1:Пассивные аутригеры на каждом этаже
Суть гипотезы: Динамическая комфортность повышается при устройстве
виртуальных аутригеров на уровне перекрытий в виде дополнительных железобетонных
стен (без жесткой связи с ЛЛУ). Сечение стен равно толщине несущих стен этажа.
Варианты стен: Введение 3, 5 или 7 дополнительных стен на типовом этаже.
Гипотеза 3: Аутригерные этажи в зонах максимальных перемещений
Суть гипотезы: Реализуется механика стоячей волны. Локальное повышение
жесткости каркаса непосредственно
на уровне пучностей (зон максимальных
перемещений) позволит эффективно снизить амплитуду без существенного увеличения
общей массы системы. Варианты стен:
Интеграция жесткого железобетонного пояса по внешнему контуру последнего этажа
с добавлением промежуточных виртуальных аутригеров (например, на 13-м этаже).
Вариант №1 – Дополнительные
стены на типовом этаже
Вариант №1 – Ускорение последнего этажа
составляет 86,68 мм/с2
Вывод: Норматив динамической комфортности не достигнут (минимальное ускорение
составило 82,35 мм/с2). Значительный перерасход бетона на каждом этаже.
Гипотеза 2: Пассивные аутригеры с сопряжением ЛЛУ
Суть гипотезы: Жесткое сопряжение виртуальных аутригеров со стенами
лестнично-лифтового узла (ЛЛУ) дает дополнительный прирост комфортности. Элементы
устанавливаются соосно ядру жесткости, заставляя его активнее включаться в работу.
Варианты стен: Введение 3, 8 или 12 дополнительных стен с жесткой связью с
конструкциями ЛЛУ.
Вариант №5 – Дополнительные
стены на типовом этаже
Вариант №5 – Ускорение последнего
этажа составляет 103,43 мм/с2
Вывод: Гипотеза опровергнута. Увеличение массы конструкции нивелирует прирост
жесткости, из-за чего инерционные силы возрастают, а ускорения ухудшаются (до 107,37
мм/с2).
Дополнительные аутригерный
пояс из стен на последнем
этаже
Вариант №8 – Дополнительные
стены на типовом этаже
Вариант №8 – Ускорение последнего
этажа составляет 45,41 мм/с2
Вывод: Гипотеза подтверждена. Комплексные аутригерные этажи обеспечивают
радикальное гашение низкочастотных вибраций при минимальном расходе материала.

8.

АНАЛИЗ ПРЕДЛОЖЕННЫХВАРИАНТОВ УСИЛЕНИЯИОСНОВНЫЕВЫВОДЫ
Анализ материалоемкости вариантов усиления
Обоснование оптимального решения (Вариант №8)
Для каждой из 12 расчетных схем был вычислен дополнительный объем бетона,
Концепция: Совместная интеграция сплошного жесткого монолитного пояса по
требуемый для устройства аутригеров, и сопоставлен с итоговым падением ускорений.
Промежуточный вывод: Разница в объемах бетонирования между рабочими моделями
внешнему контуру самого верхнего этажа и дополнительного яруса виртуальных
аутригеров на промежуточной отметке 13-го этажа.
оказалась значительной. Распределенные по всем этажам стены дают недопустимый
перерасход материала без должного эффекта.
Таблица 2 - Эффективность вариантов решения повышения динамического комфорта
Кинематический эффект: Сдвоенная структура надежно перехватывает изгибающие
моменты. Пиковые ускорения перекрытий упали практически вдвое – до полностью
безопасного значения 45,41 мм/с2 (при норме 80 мм/с2).
в здании
Экономический эффект: Относительный перерасход бетонной смеси составил всего
12,59%. На фоне общих масштабов башенного строительства такое утяжеление
классифицируется как минимально необходимое.
Практическая значимость и рекомендации
Разработанная пространственная компоновка остова рекомендуется к прямому
внедрению при возведении аналогичных высотных объектов в условиях III ветрового
района г. Луганска.
Рекомендации для проектных организаций:
1.
Закладывать сдвоенные аутригерные уровни (на кровле и в середине здания) еще на
стадии формирования концептуальной схемы.
2.
Заблаговременное внедрение этих узлов гарантирует выполнение строгих рамок
динамического комфорта.
3.
Данный подход сохраняет полезную коммерческую площадь и исключает
потребность в хаотичном наращивании расхода железобетона на финальных стадиях
подготовки проекта.
Коэффициент эффективности использования дополнительного бетона