А.Е.Сутягин ® 2013

В общем смысле аэроупругостью или аэроупругим взаимодействием является процесс взаимодействия упругого объекта с воздушной средой (воздушным потоком). При этом происходить взаимное воздействие воздушного потока на объект и наоборот: аэродинамические силы, действующие на упругий объект приводят к деформации его поверхности, что, в свою очередь, приводит к изменению аэродинамических сил. При нашем рассмотрении упругим объектом будет является здание или сооружение.

Становление аэроупругости, как самостоятельной дисциплины, состоялась в 30-гг прошлого века, и связано это было с развитием авиации. Работы М.В.Келдыша в конце 30-гг положили заложили математические основы теории аэроупругости и показали возможность моделирования этого явления в аэродинамических трубах. Большой вклад в исследования практических вопросах аэроупругих взаимодействий внесли Е.П.Гросман, Я.М.Пархомовский, Л.С.Попов и др. В области строительных конструкций пионером динамических расчетов был Н.М.Бронштейн. Вопросами динамических взаимодействий зданий и сооружений также занимались С.П.Тимошенко, И.М.Рабинович, Б.Г.Коренев и др.

Среди иностранных ученых, разрабатывавших аналитические, численные и экспериментальные методы аэродинамики, можно отметить В.Бирбаума, Т.Кармана. Э.Симиу, А.Фершинга, Р.Мазе.

При обтекании здания ветровым потоком возникает так называемая аэродинамическая неустойчивость аэродинамических параметров среды; происходит резкая смена давлении ввиду отрыва потока от конструкции здания. Инициируются процессы вихреобразования. Вследствии этого, появляющиеся аэродинамические силы приводят к дополнительному нагружению здания и отдельных частей. Дополнительные усилия от этого нагружения необходимо учитывать при прочностных расчетах НФС.

Большая часть аэроупругих процессов носит автоколебательный характер, происходящим при энергетическом обмене между потоком и обтекаемым телом.

Основными явлениями аэроупругости можно назвать флаттер (срывной флаттер) бафтинг. Если рассматривать вопросы аэроупругости с точи зрения воздействия на конструкцию, то следует говорить о таких понятиях как вихревое возбуждение, галопирование поперек воздушного потока, диверегенция и параметрический резонанс. С точки зрения теории устойчивости (по А.А.Липунову) аэродинамические взаимодействия так же можно охарактеризовать как процессы аэроупругой устойчивости.

Флаттер — незатухающие упругие колебания конструкции (частей конструкции) при набегании воздушного потока с определённой (критической) скоростью. Флаттер является видом автоколебаний, где источником энергии колебаний является ветровой поток, а обратная связь реализуется благодаря упругости конструкции здания (или элемента здания). При определенных углах атаки может происходить срыв потока (так называемый срывной флаттер). Следует указать, что срывной флаттер реализуется как правило при малых скоростях потока.

Кроме того, существует еще малоизученное явление: такое как панельный флаттер — незатухающее колебание панелей (общивки) возникающее распространением вдоль них потока воздуха с высокой скоростью

Бафтинг - вынужденные колебания всей конструкции или его частей под действием нестационарных аэродинамических сил при срыве потока с поверхности упругого объекта при больших углах атаки (как правило с плохо обтекаемых поверхностей). Другими словами, при бафтинге срывной поток с одной части конструкции воздействует на другую часть конструкции. (рис.1 ).

Рис1. Общая схема возникновения бафтинга.

Если явление флатттер можно изучать, «локально» выделяя определенную «значительно упругую» часть конструкции, то при бафтинге необходимо рассматривать все здание, даже его «относительно неупругие» («жесткие») элементы. Как «родственное» бафтингу можно упомянуть интерфернцию потоков от соседних зданий.

Механизм вихревого возбуждение схож с механизмом флаттера (срывного флатера) и связно с тем [1], что при набегании потока плохообтекаемое тело сбрасывает вихри чередующиеся в шахматном порядке с частотой зависящей от скорости потока, размера и формы обтекаемого тела (рис.2).

Рис. 2. Схема возникновения вихревого возбуждения на примере обтекания цилиндрической поверхности.

Галопирование поперек воздушного потока возникает, как правило в гибких сооружениях с особыми формами поперечного сечения, таких как линии электропередач, вантовые или подвесные конструкции. Это явление представляет собой автоколебания тела, происходящие практически перпендикулярно направлению набегающего потока. Является задачей нелинейной аэродинамической устойчивости (так называемая устойчивость при воздействии «следящих» сил). Одним из разновидностей Галопирование поперек воздушного потока является галопирование в спутной струе (описание опустим из-за ограничение рамок настоящей статьи).

Дивергенция связана прежде всего со скручиванием тела малой поперечной толщины в воздушном потоке, направленном вдоль продольной оси поперечного сечения конструкции [2]. Явление характеризуется увеличивающимися во времени крутильными автоколебаниями конструкции (вызывающее увеличении лобового сопротивления профиля конструкции) и приходящими к разрушению конструкции. Так же является проблемой аэроустойчивости. Дивергенция, как правило, проявляется в пролетных к конструкциях мостов и скульптурных сооружениях «плоского» поперечного сечения.

Параметрический резонанс характеризуется сложным характером взаимодействия конструкции и набегающего потока и, в общим случае, связан с изменением во времени параметров динамической системы, приводящей к увеличению амплитуды колебаний. Как правило, изменение претерпевают собственная частота колебания конструкции ω или коэффициент затухания β. Можно привести, как пример, изменения силы натяжения вант подвесного моста и как следствие возбуждение колебаний пролетных строений. Подобные задачи описываются дифференциальными уравнениями с периодическим коэффициентами (например уравнения Матье-Хилла).

Строго говоря, в большинстве случаев при изучении аэровоздействий на здания и сооружения невозможно четко отделить одно из вышеуказанных явлений от другого.

Появившийся в последнее время вид строительных конструкций, такой как навесные фасадные системы (НФС) (рис. 3) поставил перед инженерами и проектировщиками рад новых расчетных задач. Из-за применения в таких системах легких (тонкостенных) металлических панелей динамическое воздействие ветра оказывает на подобные системы значительное влияние.

Рис 3. Общий вид навесной фасадной системы (НФС).

В общем случае НФС представляют собой декоративные защитные панели выполненные из стальных, алюминиевых или композитных листов, крепящихся на так называемую подсистему — набор продольных и поперечных линейных элементов передающих усилия с панелей обшивки на несущую конструкцию самого здания. (рис 4). Передача усилий осуществляется через точечные крепления — кронштейны. При необходимости под панелями устанавливаю теплоизолирующую прослойку. Подсистемы НФС могут состоять как только из одних вертикальных или только горизонтальных элементов, так и из перекрестных элементов.

Рис. 4. Общая схема НФС.

НФС подвергается воздействию горизонтальных или нормальных к поверхности НФС сил (обычно это ветровых воздействия.) и вертикальных сил (собственный вес, гололедная нагрузка и т.п.). Температурные воздействия, как правила компенсируются устройством деформационных швов и подвижных опор (закрепления). Воздействие сеймических сил в настоящей статье не рассматривается.

Указанные воздействия вызывают в элементах НФС изгибающие, продольные и поперечные усилия. Крутящие моменты (для избежания бинормальных напряжений) стараются избегать правильным конструированием НФС.

С точки зрения конструктивной схемы подсистема НФС представляет собой балочно-стоечную конструкцию (рис. 5). Панели обшивки передают нагрузку на подсистему либо по линии примыкания, либо в определенных точках крепления. Сдвиговую жесткость панелей стараются не учитывать ввиду специфичных (фрикционных) узлов крепления к подсистем.

Рис. 5. Схема крепления направляющих НФС. Вариант с вертикальными направляющим.

Элементы подсистемы крепятся между собой на болтовых соединениях, самонарезающихся винтах, или на специальных механических соединениях. Крепления к конструкции здания производится на самозакаливающийся (самоанкерующихся) болтах, предустановленных закладных элементов, реже на сварке. (рис 6).

Рис. 6. Узел крепления кронштейна.

Динамическую систему «здание-общивка» можно представить в виде упругой системы с набором масс закрепленных на упругих связях (рис 7.)

Рис. 7. Динамическая схема здания.

М₁ — обобщенная масса здания

m_i – массы элементов обшивки.

Расчетная схема элемента подсистемы НФС представляет собой одно- или многопролетную балку шарнирно закрепленную на опорах (рис. 8).

Рис. 8. Расчетная схема элемента подсистемы НФС.

Свободные колебания такой системы описываются известным уравнением [4]:

где

функция y – отклонения стержня от продольной оси по времени t;

EI – жесткость стержня;

m – приведенная масса на единицу длины стержня.

l – расчетная длина элемента

Следует отметить, что для НФС m составляет от нескольких кг до десятков кг, l — от одного метра до 6 метров (но не более высоты этажа).

Частоты свободных колебаний определяется по формуле:

Если для большинства зданий М₁ > Σm_i в, то же время, диапазоны собственных колебаний зданий и элементов НФС достаточно близки. Если порядок периода первого тона колебаний зданий составляет секунды, то период колебаний элемента подсистемы НФС составляет десятичные доли секунд. (При обледенении элементов НСФ период колебаний увеличивается).

Следует сказать, что НФС используются в достаточно крупных зданиях, обладающих большой жесткости. Для гибких зданий и в большой части сооружений применяются другие виды обшивки (которые в настоящей статье мы не рассматриваем).

Рассмотрим аэродинамические воздействия с точки зрения значимости по отношению к работе НФС.

Как указано в [3] «для инженера строителя представляют интерес два аспекта … турбулентных течений: степень турбулентности природного воздушного потока, набегающего на сооружение, и локальная или «пристеночная» турбулентность, вызываемая самим сооружением».

Ввиду достаточно большой жесткости зданий собственно флаттер не будет оказывать значительного общего динамического влияния (по сравнению со стационарным воздействием). Однако, срывной флаттер может вызывать значительные повреждения общивки здания, особенно в угловых зонах. Кроме того, как указывалось выше, неисследованной областью воздействия ветра на НФС является панельный флаттер, особенно для зданий с протяженными фасадами.

Бафтинг - явление, которое трудно учесть в общих подходах к проектированию НФС не рассмотрев конкретные объёмно-планировочные решения здания. Но это явление несомненно оказывает значительное влияние на работу НФС.

Вихревого возбуждение — так же как и срывной флаттер влияет на работу НФС в угловых зонах и зонах с выступающими из фасада частями

Галопирование поперек воздушного потока и дивергенция, ввиду отсутствия в НФС характерных элементов для этих воздействий, допускается в общем случае не учитывать. Исключение может составлять: различного рода подвески, леера ограждений и специфические архитектурные элементы, но этот вопрос возможно решить определенными конструктивными мероприятиям.

Параметрический резонанс — механизм проявления которого в строительных конструкциях еще довольно мало изучен. Ввиду того, что система «здание-общивка» обладает явной конструктивной нелинейностью, строго говоря, упругие параметры НФС при положительном и отрицательном ветровом воздействии различны, разрушения НФС при параметрическом резонансе весьма вероятны. Кроме того, можно рассмотреть схему (рис .9) при которой прямолинейный вертикальный стержень подсистемы НФС будет испытывать попеременные продольные воздействия из-за которых могут возникнуть опасные поперечные колебания. (Такая ситуация может возникнуть при попеременном крене всего здания от общего воздействия ветрового потока.)

Рис.9. Пример влияние деформаций здания на работу НФС.

Из теории аэродинамики [5] известна формула критической скорости образования флаттера и схожих ему эффектов:

здесь

g – ускорение свободного падения;

ρ — плотность воздуха.

Из соотношения видно, что критическая скорость увеличивается при увеличении жесткости несущих элементов НФС. Таким образом можно сделать два вывода:

Во-первых: при расчете элементов НФС необходимо вводить ограничения по жесткости. В практике проектирования нередки случаи, когда элементы НФС подбирались только из условий прочности без учета возможных деформаций.

Во-вторых: При проектировании НФС необходимо применять конструктивные элементы ограничивающие скорость воздушного потока вдоль поверхности фасада здания. Например, таким решением может служить так называемый «зеленый» фасад, используемый в «биопозитивном строительстве [7].

Исходя из вышеизложенного можно выделить три характерных типа ветровых и аэродинамических воздействий на здания вообще и НФС в частности:

1. Прямые ветровые воздействия — стационарные и динамические воздействия ветрового потока на поверхность здания (наветренную и подветренную). Учет этих воздействий достаточно полно, хотя и с рядом опечаток, отражен в [6].

При расчете НФС воздействие на элементы НФС от динамических колебаний всего здания следует принимать как вынужденное нагружение.

2. Общие аэроупругие воздействия — при расчете отдельных частей НФС необходимо учитывать характеристики всего здания. К ним относятся бафтинг, параметрический резонанс.

3. Локальные аэродупругие ветровые воздействия — эти воздействии оказывающие локальное влияние на НФС или не требующие учета характеристик основных конструкций здания. К ним можно отнести: срывной флаттер, панельный флаттер, частично вихревое возбуждение.

Следует особо отметить тот факт, что даже если для всего здания аэродинамические воздействия могут и не оказывать значительного влияния, то в том же самом случае, на НФС воздействия этих факторов может оказаться значительным.

Таким образом, НФС представляют особый класс строительных конструкций, с особым характером воздействий на них нагрузок. Из-за этого вытекает необходимость разработки специального нормативного документа (Свода правил) регламентирующих проектирование, конструирования, расчет и эксплуатацию данных видов конструкций.)

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Вальес Н.Г. Расчет срывного обтекания цилиндра при автоколебаниях в потоке
жидкости. Механика жидкости и газа. 1980.

2. Савицкий Г.А. Ветровая нагрузка на сооружения. - М.: Стройиздат, 1972.

3. Симиу Э., Сканлан Р. Воздействие ветра на здания и сооружения / Пер с англ.; под ред. Маслова Б.Е., — М.: Стройиздат,1984.

4. Справочник по динамике сооружений / Под. Ред. Коренева Б.Г., Рабиновича И.М. — М.: Стройиздат, 1972.

5. Справочник проектировщика расчетно-теоретический / Под. ред. Уманского А.А.— М.: Стройиздат, 1960.

6. СП 20.133330.2011 «Нагрузки и воздействия». Актуализированная редакция.

7. А.Н.Тетиор. Устойчивое развитие города. М. Ком. по телекоммуникациям и средствам массовой информ. Правительства Москвы 1999.

* * *