Численное моделирование задач аэрогидроупругости в строительстве

При обосновании безопасности и комфортности проектируемых и уже эксплуатируемых уникальных высотных и большепролетных зданий и сооружений современных архитектурных форм и оригинальных конструктивных решений фактор ветровых воздействий является определяющим. Как показали оценки японских специалистов, для зданий выше 200 м ветер (соответствующий VI ветровому району РФ) опаснее для общей прочности, чем 9-балльное землетрясение, а в Московском регионе ветровые нагрузки на здания выше 75 м могут превосходить проектное 5-балльное воздействие.

Анализ поведения всего сооружения и его отдельных конструктивных элементов (например, навесных фасадных конструкций и т. п.) в потоке обнаруживает наряду со статическими деформациями изгиба в плоскости действия потока и бокового выпучивания из этой плоскости большое разнообразие явлений аэрогидроупругой статической и динамической неустойчивости. Они обусловлены формой поперечного сечения, конфигурацией сооружения и его ориентацией относительно направления потока, упругими и демпфирующими свойствами конструкций, структурой набегающего потока, вызванной особенностью рельефа местности и интерференцией в условиях плотной и изменяющейся окружающей застройки и другими обстоятельствами.

Эти явления связаны с определенным типом колебаний и заслуживают особого внимания с точки зрения механизма их возникновения. В то же время они представляют серьезную опасность для надежности и долговечности конструкций, а также для пребывания человека на этих конструкциях. Среди них наиболее известны колебания вихревого возбуждения (например, ветровой резонанс), галопирование поперек потока, галопирование в спутной струе, дивергенция, флаттер и реакция на баффтинг при наличии самовозбуждающихся сил.

Задачи взаимодействия конструкций и сооружений с жидкостью/газом (Fluid-Structure Interaction (FSI) представляют большой и неослабевающий интерес в науке, промышленности и других приложениях. Предпосылкой для подробного изучения природы аэрогидроупругости и поиска методов решения связанных задач применительно к строительной области послужил ряд трагических случаев обрушения (США, Такомский мост, 1940 г.; Англия, градирни ТЭС Феррибридж, 1965 г., и др.) и опасных колебаний (например, Волгоградский мост, 2010 г.) конструкций в результате возникновения аэродинамической неустойчивости, а также разрушения конструкций после сейсмического воздействия в результате взаимодействия с жидкостью (например, резервуаров в Японии, г. Кобе, 1995 г., г. Томакомай; 2003 г.).

Связанные трехмерные динамические задачи аэрогидроупругости сегодня весьма далеки от своего исчерпывающего решения и требуют научно-методических и программно-алгоритмических разработок и исследований.

С полным содержанием этого номера Вы можете ознакомиться здесь

Полную версию статьи Вы можете прочитать в нашем печатном издании или подписавшись на электронную версию нашего журнала

Текст: АЛЕКСАНДР БЕЛОСТОЦКИЙ, генеральный директор ЗАО НИЦ СтаДиО,
руководитель НОЦ КМ МГСУ, член-корр. РААСН, доктор технических наук, профессор;
ИРИНА АФАНАСЬЕВА, научный сотрудник ЗАО НИЦ СтаДиО и НОЦ КМ МГСУ