Труби для хмарочосів, Наука і життя
К. СТРІЛКОВ, заступник начальника відділення аеропружності ЦАГІ.
Багаторічний досвід проведення досліджень літальних апаратів різних типів та розмірів, накопичений у ЦАГІ, виявився затребуваним і в інших галузях народного господарства, у тому числі і при проектуванні та будівництві висотних об'єктів — будівель, мостів, димових труб та гігантських монументів. Сумарне вітрове навантаження, що сприймається багатоповерховим хмарочосом, величезна. Добре відомо, наприклад, що за штормових вітрів вершина одного з перших у світі хмарочосів — «Емпайр стейт білдинг» у Нью-Йорку може коливатися, відхиляючись від вертикалі на кілька метрів. Будівельники, звісно, врахували цю обставину, заклавши в конструкцію достатній запас міцності. У 30-х роках минулого століття моделі висотних будівель в аеродинамічних трубах не відчували. Навіщо ж це роблять тепер?
Насамперед визначення оптимальних параметрів будівлі на ранніх стадіях проектування дозволяє забезпечити високий рівень безпеки. Під впливом вітру окремі елементи будівельної конструкції та вся будівля можуть вагатися. 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, які демпфують здібності яких невеликі. Тому необхідно ретельно дослідити динамічну поведінку будівлі на моделях в аеродинамічних трубах на ранніх етапах проектування.
З волі архітекторів конструкції та форми будівель сьогодні стали настільки різноманітними та витонченими, що теоретичні розрахунки не дають достовірної відповіді на запитання: як поведетьсязведена будова під впливом вітру? Для того щоб зрозуміти, що саме може статися, створюється модель, геометрично подібна до 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 є погано обтічно тіло. Тому на моделях в аеродинамічних трубах досліджують не лише сумарні та розподілені аеродинамічні навантаження, що діють на будівлю, але й пульсаційні навантаження від дії вихорів. Ці навантаження можуть зруйнувати елементи облицювання, архітектурні прикраси, особливо якщо вони складаються з такими ж пульсаціями, що надходять від сусідньої будівлі, і різко посилюються.
Завдання, 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 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 розподіленими масово-інерційними і жорсткими характеристиками.
Вперше фахівці ЦАГІ зайнялися вирішенням подібних проблем у сімдесятих роках минулого сторіччя. Меч біля зведеного на Мамаєвому кургані монумента «Родина-Мати» під впливом вітру почав розгойдуватися. У конструкції, що підтримує меч, утворилися небезпечні тріщини. Потрібно було негайно усунути коливання. З метою виявлення причин коливань та визначення способів ефективного демпфування модель пам'ятника випробували в аеродинамічній трубі на різних режимах. В результаті досліджень було запропоновано, а потім іздійснено на монументі два взаємно доповнюючі способи: виконані поздовжні щілини в гранях меча та встановлений динамічний гасник коливань (ДГК). Він є маятником у поєднанні зі спеціальними демпферами, дуже схожими на автомобільні амортизатори. При коливаннях меча маятник хитається – демпфер поглинає енергію.
Щоб встановити новий меч, довелося чимало попрацювати. Готовий та офіційно відкритий пам'ятник знову одягли у будівельні риштування та виконали необхідні роботи. В результаті коливання знизилися до рівня.
Подібні компенсуючі пристрої були спроектовані, виготовлені та змонтовані фахівцями ЦАГІ під час будівництва пам'ятника захисникам Брестської фортеці. Під час будівництва монумента Перемоги на Поклонній горі в Москві проектант силової конструкції — Інститут ЦНДІПЗК спроектував кілька динамічних гасителів коливань. Найбільший з них – десятитонний – розташований за спиною фігури Нікі, що вінчає монумент. Якщо уважно придивитися, можна розглянути деяке споруду. Це і є гасник із чотирма демпферами. Система постійного моніторингу, яка стежить за станом монумента вже тринадцять років, показує, що з пам'ятником все гаразд.
Аеродинамічні дослідження моделей будівель, що будуються, допомагають вирішувати питання не тільки безпеки, але і комфорту. Всі, хто бував у Москві на Новому Арбаті, напевно помітили, що вздовж цієї вулиці майже весь час дмуть вітри досить відчутної сили. Висотні будинки, збудовані з обох боків, немов по лінійці, утворили своєрідну аеродинамічну трубу, якою постійно переміщаються повітряні маси. Іноді для подібного ефекту зовсім не обов'язково вибудовувати цілу вулицю — змінити конфігурацію повітряних потоків на вулиці можелише один новий будинок. Нещодавно нам довелося виконувати замовлення ЦНДІЕП житла — проектувальника будівлі на проспекті Маршала Жукова в Москві, стурбованого не лише вирішенням проблем аеродинаміки висотної будівлі, а й комфортом на рівні пішоходів. Для забезпечення комфорту було запропоновано встановити декоративні перегородки-екрани.
Аеродинамічні випробування є вкрай важливими і при будівництві сучасних мостів. Якщо звичайний залізничний міст це в основному гратчаста конструкція, мало схильна до впливу вітрових навантажень, то сучасний типовий автомобільний міст - об'єкт, що володіє великою парусністю. На нього може діяти підйомна сила, можуть виникати моменти, що крутять, здатні спровокувати його вітрові коливання і навіть руйнування. Крім того, останнім часом зросла різноманітність архітектурних форм, відбулося їх ускладнення, мостобудівники дедалі більше збільшують довжину мостових прольотів.
При спорудженні балкових мостів пролітні секції збирають на березі і зібраному вигляді їх насувають від опори до опори. У цей момент передня секція є довгою консолью, абсолютно беззахисною по відношенню до вітрового впливу. При вітрі вона може розгойдуватися, досягаючи небезпечних амплітуд коливань вже за реальних швидкостях вітру 4—20 м/с. Проблема забезпечення безпеки мосту в процесі 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 насувки дозволили розробити ефективні аеродинамічні засоби гасіння коливань на стадії монтажу. На секціях монтувалися спеціальні обтічники та (або) дефлектори, у стінках аванбеку (спеціальної балки у передній частині)пролітної будови, призначеної для більш ранньої передачі навантаження на наступну опору) проробляли отвори, що знижують вплив вітрового навантаження.
Особливо важливими є подібні дослідження при проектуванні та будівництві вантових мостів. Споруджений через річку Обу у м. Сургут однопілонний вантовий міст можна порівняти з новітніми пролітними вантовими мостами, введеними в експлуатацію в світі в останні роки. Висота металевого пілона 146 м, довжина безопорного вантового прольоту 556 м при ширині пролітної будови 15,2 м.
Такі мостові споруди особливо чутливі до динамічного впливу вітру, що викликає коливання елементів конструкції, які досягають небезпечного для міцності моста рівня. Розрахунки та випробування моделей відсіків пілону та пролітної будови Сургутського мосту дозволили встановити, що на стадії монтажу коливання вітрового резонансу та галопування у пролітної будови виникають у діапазоні навіть помірних швидкостей вітру (6—15 м/с) і мають регулярний характер. Їх розмах може досягати 0,6-1,2 м. Коливання такої інтенсивності, звичайно ж, неприпустимі. Для забезпечення аеропружної стійкості пілону та пролітної будови в ЦАГІ були розроблені відносно прості у виготовленні пристрою. На торцевих поверхнях пролітної будови та 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 безпечні вітри швидкістю до 40 м/с.
Згодом так само досліджувалися моделі вантових мостів у Срібному Бору у Москві, у Дубні через Волгу, у Самари через р. Самара. За час досліджень у ЦАГІ напрацьовано чималий досвід, вироблено цілий комплекс рекомендацій щодозабезпечення стійкості споруд, схильних до вітрових навантажень. Багато з цих рекомендацій останніми роками використовуються при проектуванні мостів та висотних будівель.