ТРУБЫ ДЛЯ НЕБОСКРЁБОВ
К. СТРЕЛКОВ, заместитель начальника отделения аэроупругости ЦАГИ.
Многолетний опыт проведения исследований летательных аппаратов различных типов и размеров, накопленный в ЦАГИ, оказался востребован и в других отраслях народного хозяйства, в том числе и при проектировании и строительстве высотных объектов — зданий, мостов, дымовых труб и гигантских монументов. Суммарная ветровая нагрузка, воспринимаемая многоэтажным небоскрёбом, огромна. Хорошо известно, например, что при штормовых ветрах вершина одного из первых в мире небоскрёбов — «Эмпайр стейт билдинг» в Нью-Йорке может совершать колебания, отклоняясь от вертикали на несколько метров. Строители, конечно, учли это обстоятельство, заложив в конструкцию достаточный запас прочности. В тридцатых годах прошедшего столетия модели высотных зданий в аэродинамических трубах не испытывали. Зачем же делают это теперь?
Прежде всего, определение оптимальных параметров здания на ранних стадиях проектирования позволяет обеспечить высокий уровень безопасности. Под воздействием ветра отдельные элементы строительной конструкции и всё здание могут колебаться. Амплитуды таких колебаний зависят от действующих сил и от внутреннего демпфирования — способности к поглощению энергии колебаний. Современные высотные здания строятся с максимальным использованием стальных конструкций и монолитного железобетона — материалов, демпфирующие способности которых невелики. Поэтому необходимо тщательно исследовать динамическое поведение здания на моделях в аэродинамических трубах уже на ранних этапах проектирования.
По воле архитекторов конструкции и формы зданий сегодня стали настолько разнообразными и изощрёнными, что теоретические расчёты не дают достоверного ответа на вопрос: как поведёт себя возведённое строение под воздействием ветра? Для того чтобы понять, что же именно может произойти, создаётся модель, геометрически подобная оригиналу, которая испытывается в аэродинамической трубе на разных режимах при разных направлениях потока. Чем крупнее модель, тем точнее моделируются условия нагружения. В отличие от летательных аппаратов, имеющих, как правило, обтекаемую форму, здание представляет собой плохо обтекаемое тело. Поэтому на моделях в аэродинамических трубах исследуют не только суммарные и распределённые аэродинамические нагрузки, действующие на здание, но и пульсационные нагрузки от действия вихрей. Эти нагрузки могут разрушить элементы облицовки, архитектурные украшения, особенно если они складываются с такими же пульсациями, приходящими от соседнего здания, и резко усиливаются.
Стоящие перед исследователями задачи этими вопросами не ограничиваются. Дело в том, что, если отношение высоты здания к средней ширине более семи, при испытаниях приходится учитывать и гибкость здания. В таких случаях модель должна быть подобна оригиналу не только геометрически, но и динамически. Это означает, что модель выполняется подобной натурному сооружению по распределённым массово-инерционным и жёсткостным характеристикам.
Впервые специалисты ЦАГИ занялись решением подобных проблем в семидесятых годах прошлого столетия. Меч у возведённого на Мамаевом кургане монумента «Родина-Мать» под воздействием ветра начал раскачиваться. В конструкции, поддерживающей меч, образовались опасные трещины. Необходимо было немедленно устранить колебания. С целью выявления причин колебаний и определения способов их эффективного демпфирования модель памятника испытали в аэродинамической трубе на различных режимах. В результате исследований было предложено, а затем и осуществлено на монументе два взаимно дополняющих способа: выполнены продольные щели в гранях меча и установлен динамический гаситель колебаний (ДГК). Он представляет собой маятник в сочетании со специальными демпферами, очень похожими на автомобильные амортизаторы. При колебаниях меча маятник качается — демпфер поглощает энергию.
Чтобы установить новый меч, пришлось немало потрудиться. Готовый и официально открытый памятник вновь одели в строительные леса и выполнили необходимые работы. В результате колебания снизились до допустимого уровня.
Подобные компенсирующие устройства были спроектированы, изготовлены и смонтированы специалистами ЦАГИ при возведении памятника защитникам Брестской крепости. При строительстве монумента Победы на Поклонной горе в Москве проектант силовой конструкции — Институт ЦНИИПСК спроектировал несколько динамических гасителей колебаний. Самый крупный из них — десятитонный — расположен за спиной фигуры Ники, венчающей монумент. Если внимательно приглядеться, то можно разглядеть некое сооружение. Это и есть гаситель с четырьмя демпферами. Система постоянного мониторинга, которая следит за состоянием монумента уже тринадцать лет, показывает, что с памятником всё в порядке.
Аэродинамические исследования моделей строящихся зданий помогают решать вопросы не только безопасности, но и комфорта. Все, кто бывал в Москве на Новом Арбате, наверняка заметили, что вдоль этой улицы почти всё время дуют ветра довольно ощутимой силы. Высотные дома, выстроенные с обеих сторон, словно по линейке, образовали своеобразную аэродинамическую трубу, по которой постоянно перемещаются воздушные массы. Иногда для возникновения подобного эффекта совсем не обязательно выстраивать целую улицу — изменить конфигурацию воздушных потоков на улице может всего лишь один новый дом. Не так давно нам довелось выполнять заказ ЦНИИЭПжилища — проектировщика здания на проспекте Маршала Жукова в Москве, озабоченного не только решением проблем аэродинамики высотного здания, но и комфортом на уровне пешеходов. Для обеспечения комфорта было предложено установить декоративные загородки-экраны.
Аэродинамические испытания крайне важны и при строительстве современных мостов. Если обычный железнодорожный мост это в основном решётчатая конструкция, мало подверженная воздействию ветровых нагрузок, то современный типовой автомобильный мост — объект, обладающий большой парусностью. На него может действовать подъёмная сила, могут возникать крутящие моменты, способные спровоцировать его ветровые колебания и даже разрушение. Кроме того, в последнее время возросло разнообразие архитектурных форм, произошло их усложнение, мостостроители всё больше увеличивают длину мостовых пролётов.
При сооружении балочных мостов пролётные секции собирают на берегу и в собранном виде их надвигают от опоры к опоре. В этот момент передняя секция представляет собой длинную консоль, абсолютно беззащитную по отношению к ветровому воздействию. При ветре она может раскачиваться, достигая опасных амплитуд колебаний уже при реальных скоростях ветра 4—20 м/с. Проблема обеспечения безопасности моста в процессе его строительства требовала проведения специальных исследований.
В ЦАГИ, располагающем самыми большими в Европе аэродинамическими трубами, удалось решить и эту задачу. Исследования моделей мостов на разных стадиях надвижки позволили разработать эффективные аэродинамические средства гашения колебаний на стадии монтажа. На секциях монтировались специальные обтекатели и (или) дефлекторы, в стенках аванбека (специальной балки в передней части пролётного строения, предназначенной для более ранней передачи нагрузки на следующую опору) проделывали отверстия, снижающие влияние ветровой нагрузки.
Особенно важны подобные исследования при проектировании и строительстве вантовых мостов. Сооружённый через реку Обь у г. Сургут однопилонный вантовый мост сопоставим с новейшими большепролётными вантовыми мостами, введёнными в эксплуатацию в мире в последние годы. Высота его металлического пилона 146 м, длина безопорного вантового пролёта 556 м при ширине пролётного строения 15,2 м.
Такие мостовые сооружения особенно чувствительны к динамическому воздействию ветра, вызывающему колебания элементов конструкции, которые достигают опасного для прочности моста уровня. Расчёты и испытания моделей отсеков пилона и пролётного строения Сургутского моста позволили установить, что на стадии монтажа колебания ветрового резонанса и галопирования у пролётного строения возникают в диапазоне даже умеренных скоростей ветра (6—15 м/с) и носят регулярный характер. Их размах может достигать 0,6—1,2 м. Колебания такой интенсивности конечно же недопустимы. Для обеспечения аэроупругой устойчивости пилона и пролётного строения в ЦАГИ были разработаны относительно простые в изготовлении устройства. На торцевых поверхностях пролётного строения и барьерном ограждении установили обтекатели специальной формы, позволившие многократно уменьшить амплитуду колебаний. В результате устойчивость пролёта повысилась настолько, что даже на стадии монтажа ему стали не опасны ветра скоростью до 40 м/с.
Впоследствии точно так же исследовались модели вантовых мостов в Серебряном Бору в Москве, в Дубне через Волгу, у Самары через р. Самара. За время исследований в ЦАГИ наработан немалый опыт, выработан целый комплекс рекомендаций по обеспечению устойчивости сооружений, подверженных ветровым нагрузкам. Многие из этих рекомендаций в последние годы используются при проектировании мостов и высотных зданий.
Читайте в любое время
