Труби для хмарочосів

Жодну висотну будівлю тепер не будують без продування її моделі в аеродинамічній трубі. Москва-Сіті, 2008 рік. Фото: Discovery Channel

Багаторічний досвід проведення досліджень літальних апаратів різних типів і розмірів, накопичений в ЦАГІ, виявився затребуваним і в інших галузях народного господарства, в тому числі і при проектуванні та будівництві висотних об’єктів — будівель, мостів, димових труб і гігантських монументів. Сумарне вітрове навантаження, яке сприймається багатоповерховим хмарочосом, величезне. Добре відомо, наприклад, що при штормових вітрах вершина одного з перших у світі хмарочосів — «Емпайр стейт білдінг» в Нью-Йорку може здійснювати коливання, відхиляючись від вертикалі на кілька метрів. Будівельники, звичайно, врахували цю обставину, заклавши в конструкцію достатній запас міцності. У тридцятих роках минулого століття моделі висотних будівель в аеродинамічних трубах не випробовували. Навіщо ж роблять це тепер?

Насамперед, визначення оптимальних параметрів будівлі на ранніх стадіях проектування дозволяє забезпечити високий рівень безпеки. Під впливом вітру окремі елементи будівельної конструкції і вся будівля можуть коливатися. Амплітуди таких коливань залежать від діючих сил і від внутрішнього демпфування — здатності до поглинання енергії коливань. Сучасні висотні будівлі будуються з максимальним використанням сталевих конструкцій і монолітного залізобетону — матеріалів, демпфуючі здібності яких невеликі. Тому необхідно ретельно дослідити динамічну поведінку будівлі на моделях в аеродинамічних трубах вже на ранніх етапах проектування.

З волі архітекторів конструкції та форми будівель сьогодні стали настільки різноманітними і витонченими, що теоретичні розрахунки не дають достовірної відповіді на питання: як поведе себе зведена будова під впливом вітру? Для того щоб зрозуміти, що ж саме може статися, створюється модель, геометрично подібна оригіналу, яка випробовується в аеродинамічній трубі на різних режимах при різних напрямках потоку. Чим більша модель, тим точніше моделюються умови навантаження. На відміну від літальних апаратів, що мають, як правило, обтічну форму, будівля являє собою погано обтічне тіло. Тому на моделях в аеродинамічних трубах досліджують не тільки сумарні і розподілені аеродинамічні навантаження, що діють на будівлю, а й пульсаційні навантаження від дії вихорів. Ці навантаження можуть зруйнувати елементи облицювання, архітектурні прикраси, особливо якщо вони складаються з такими ж пульсаціями, що приходять від сусідньої будівлі, і різко посилюються.

Задачі, що стоять перед дослідниками, цими питаннями не обмежуються. Справа в тому, що, якщо відношення висоти будівлі до середньої ширини більше семи, при випробуваннях доводиться враховувати і гнучкість будівлі. У таких випадках модель повинна бути подібна до оригіналу не тільки геометрично, а й динамічно. Це означає, що модель виконується подібною до натурної споруди за розподіленим масово-інерційним і жорстким характеристикам.

Аеродинамічні випробування моделі комплексу адміністративних будівель на проспекті Маршала Жукова. Зображення: «Наука і життя»

Вперше фахівці ЦАГІ зайнялися вирішенням подібних проблем у сімдесятих роках минулого століття. Меч у зведеного на Мамаєвому кургані монумента «Батьківщина-Мати» під впливом вітру почав розгойдуватися. У конструкції, що підтримує меч, утворилися небезпечні тріщини. Необхідно було негайно усунути коливання. З метою виявлення причин коливань і визначення способів їх ефективного демпфування модель пам’ятника випробували в аеродинамічній трубі на різних режимах. В результаті досліджень було запропоновано, а потім і здійснено на монументі два взаємно доповнюючих способи: виконані поздовжні щілини в гранях меча і встановлений динамічний гаситель коливань (ДГК). Він являє собою маятник у поєднанні зі спеціальними демпферами, дуже схожими на автомобільні амортизатори. При коливаннях меча маятник гойдається — демпфер поглинає енергію.

Щоб встановити новий меч, довелося чимало потрудитися. Готовий і офіційно відкритий пам’ятник знову одягли в будівельні ліси і виконали необхідні роботи. В результаті коливання знизилися до допустимого рівня.

Подібні компенсуючі пристрої були спроектовані, виготовлені і змонтовані фахівцями ЦАГИ при зведенні пам’ятника захисникам Брестської фортеці. При будівництві монумента Перемоги на Поклонній горі в Москві проектант силової конструкції — Інститут ЦНДІПСК спроектував кілька динамічних гасителів коливань. Найбільший з них — десятитонний — розташований за спиною фігури Нікі, що вінчає монумент. Якщо уважно придивитися, то можна розгледіти якусь споруду. Це і є гаситель з чотирма демпферами. Система постійного моніторингу, яка стежить за станом монумента вже тринадцять років, показує, що з пам’ятником все в порядку.

Аеродинамічні дослідження моделей споруджуваних будівель допомагають вирішувати питання не тільки безпеки, а й комфорту. Всі, хто бував у Москві на Новому Арбаті, напевно помітили, що вздовж цієї вулиці майже весь час дують вітру досить відчутної сили. Висотні будинки, збудовані з обох сторін, немов по лінійці, утворили своєрідну аеродинамічну трубу, по якій постійно переміщуються повітряні маси. Іноді для виникнення подібного ефекту зовсім не обов’язково вибудовувати цілу вулицю — змінити конфігурацію повітряних потоків на вулиці може всього лише один новий будинок. Не так давно нам довелося виконувати замовлення ЦНДІЕПжитла — проектувальника будівлі на проспекті Маршала Жукова в Москві, стурбованого не тільки вирішенням проблем аеродинаміки висотного будинку, але і комфортом на рівні пішоходів. Для забезпечення комфорту було запропоновано встановити декоративні загородки-екрани.

Міст через Москву-річку в районі Срібного Бору теж спочатку випробовувався на вітрову стійкість. Зображення: «Наука і життя»

Аеродинамічні випробування вкрай важливі і при будівництві сучасних мостів. Якщо звичайний залізничний міст — це переважно решітчаста конструкція, мало схильна до впливу вітрових навантажень, то сучасний типовий автомобільний міст — об’єкт, що володіє великою вітрильністю. На нього може діяти підйомна сила, можуть виникати крутячі моменти, здатні спровокувати його вітрові коливання і навіть руйнування. Крім того, останнім часом зросла різноманітність архітектурних форм, відбулося їх ускладнення, мостобудівники все більше збільшують довжину мостових прольотів.

При спорудженні балкових мостів прольотні секції збирають на березі і в зібраному вигляді їх насувають від опори до опори. У цей момент передня секція являє собою довгу консоль, абсолютно беззахисну по відношенню до вітрового впливу. При вітрі вона може розгойдуватися, досягаючи небезпечних амплітуд коливань вже при реальних швидкостях вітру 4-20 м/с. Проблема забезпечення безпеки моста в процесі його будівництва вимагала проведення спеціальних досліджень.

У ЦАГІ, що має найбільші в Європі аеродинамічні труби, вдалося вирішити і це завдання. Дослідження моделей мостів на різних стадіях насування дозволили розробити ефективні аеродинамічні засоби гасіння коливань на стадії монтажу. На секціях монтувалися спеціальні обтічники і (або) дефлектори, в стінках аванбека (спеціальної балки в передній частині прольотної будови, призначеної для більш ранньої передачі навантаження на наступну опору) виконували отвори, що знижують вплив вітрового навантаження.

Особливо важливі подібні дослідження при проектуванні і будівництві вантових мостів. Споруджений через річку Обь у м. Сургут однопілонний вантовий міст можна порівняти з новітніми великоролітними вантовими мостами, введеними в експлуатацію в світі в останні роки. Висота його металевого пілона 146 м, довжина безопорного вантового прольоту 556 м при ширині прольотної будови 15,2 м.

Ліворуч: Сургутський міст. Праворуч: модель цього мосту перед випробуваннями в аеродинамічній трубі. Зображення: «Наука і життя»

Такі мостові споруди особливо чутливі до динамічного впливу вітру, що викликає коливання елементів конструкції, які досягають небезпечного для міцності моста рівня. Розрахунки і випробування моделей відсіків пілона і прольотної будови Сургутського мосту дозволили встановити, що на стадії монтажу коливання вітрового резонансу і галопування біля прольотної будови виникають в діапазоні навіть помірних швидкостей вітру (6-15 м/с) і носять регулярний характер. Їх розмах може досягати 0,6-1,2 м. Коливання такої інтенсивності звичайно ж неприпустимі. Для забезпечення аероупругої стійкості пілона і прольотної будови в ЦАГІ були розроблені відносно прості у виготовленні пристрою. На торцевих поверхнях прольотної будови і бар’єрній огорожі встановили обтічники спеціальної форми, що дозволили багаторазово зменшити амплітуду коливань. В результаті стійкість прольоту підвищилася настільки, що навіть на стадії монтажу йому стали не небезпечні вітру швидкістю до 40 м/с.

Згодом так само досліджувалися моделі вантових мостів у Срібному Бору в Москві, в Дубні через Волгу, у Самари через р. Самара. За час досліджень в ЦАГІ напрацьовано чималий досвід, вироблено цілий комплекс рекомендацій щодо забезпечення стійкості споруд, схильних до вітрових навантажень. Багато з цих рекомендацій в останні роки використовуються при проектуванні мостів і висотних будівель.