Structural Blog

Как флаттер стал причиной обрушения Такомского моста (и что это такое)

Аэродинамические неустойчивые колебания — еще один вид опасных аэродинамических эффектов, который нужно учитывать при проектировании сооружений.

СП 20.13330 указывает следующие их виды:

• галопирование
• дивергенция
• флаттер

С флаттером связано знаменитое обрушение пролетного строения Такомского моста в 1940 году.

При обтекании пролетного строения сильным поперечным ветром возник эффект его попеременного закручивания то в одну, то в другую сторону. Частота этого воздействия совпала с одной из собственных частот крутильных колебаний пролетного строения и возник резонанс.

Колебания были засняты на кинокамеру очевидцем. Амплитуда раскачки достигала 45 градусов. Примерно через час после начала интенсивных колебаний пролетное строение обрушилась.

Разрушение Такомского моста способствовало появлению новых исследований в области аэродинамики и аэроупругости конструкций и изменению подходов к проектированию всех большепролетных мостов в мире, начиная с 1940-х годов.

Сам мост восстановили через 10 лет. Основной ошибкой исходного проекта была признана маленькая жесткость главных балок пролетного строения, из-за чего оно имело низкую сопротивляемость кручению. В новом проекте сплошные балки заменили фермами бОльшей высоты.

Ветер, вихри, резонанс. Что важно знать инженеру?

В прошлом посте о строительный аэродинамике и CFD я упоминал эффект образования дорожки Кармана. Кроме того, что этот эффект выглядит завораживающие, он еще и влияет на механическую безопасность зданий и сооружений. Если частота срыва вихрей Кармана близка к одной из собственных частот колебаний сооружения, то может возникнуть эффект резонанса. При этом могут происходить интенсивные колебания сооружения поперек ветрового потока, приводящие к возникновению дополнительных внутренних усилий в элементах конструктивной системы.

Это явление принято называть резонансный вихревым возбуждением (далее буду писать РВВ). В соответствии с п. 11.3 СП 20.13330 РВВ можно считать отдельным видом ветровой нагрузки, которую в некоторых случаях нужно учитывать совместно с основной (средней и пульсационной).

Основной параметр, использующийся при прогнозировании возникновения РВВ — число Струхаля (St). Это безразмерный параметр, использующийся в аэродинамике и гидродинамике, показывающий частоту образования сменяющих друг друга разнонаправленных вихрей, которые образуют дорожку Кармана. СП 20.13330 дает очень упрощенный подход к определению значения St, предлагая всего 2 значения — для круглых сечений (St = 0.2) и для сечений с острыми кромками (St = 0.11). Но в общем случае этот параметр определяется экспериментально в аэродинамической трубе или с помощью CFD-моделирования.

Автоматического учета нагрузки от РВВ в программных комплексах я не встречал. На проекте, расчеты для которого я делал в последнее время, эквивалентная статическая нагрузка от РВВ высчитывалась по методике СП 20.13330 с помощью python-скрипта. Затем вычисленная нагрузка прикладывалась как сосредоточенная сила к плитам перекрытий.

А вы встречались с таким видом ветровой нагрузки в своей практике?

Ветер против зданий: как CFD помогает в архитектурно-строительном проектировании

Последнее время я осваиваю новое для себя направление — CFD-анализ (Computational Fluid Dynamics). Это компьютерное моделирование задач аэродинамики, которое помогает лучше понять, как ведет себя воздушный поток вблизи зданий и сооружений, и какое воздействие он на них оказывает.

В проектировании с помощью CFD-анализа мы можем решить несколько важных задач:

✅ определить картины скоростей ветра в пешеходных зонах, чтобы людей не сдувало во время прогулок

✅ уточнить значения основной ветровой нагрузки там, где они не могут быть установлены по нормативам

✅ уточнить значения пиковой ветровой нагрузки для расчета фасадов и узлов их крепления

✅ оценить риски возникновения аэроупругой неустойчивости (например, поперечные колебания высотных зданий)

CFD считается альтернативой натурным испытаниям в аэродинамической трубе.

Метод с аэродинамической трубой принято считать более точным, но он несоизмеримо более трудоемкий и дорогостоящий по сравнению с численным моделированием. Поэтому в реальных проектах физические испытания проводят нечасто и, как правило, один раз для проекта.

CFD, в свою очередь, позволяет экспериментировать, варьировать параметры и подбирать более удачные решения еще на стадии концепции.

А если комбинировать оба метода, то это позволяет «калибровать» и «валидировать» их, повышая уверенность в точности результатов.

P.S. На видео я визуализировал обтекание ветровым потоком здания квадратной формы, полученное с помощью CFD. Цвета показывают значения скоростей потока: от максимальных (красный) до минимальных (синий). Расчет позволил смоделировать характерное образование завихрений с подветренной стороны, которые периодично меняют свое направление, образуя след в виде волны. Этот след называют «дорожкой Кармана».

Подкаст про мой опыт выгорания и выхода из него

В последние месяцы я не так часто выхожу в блог, и одна из причин тому — случившееся выгорание. О том, как это произошло, как долго длилось, и что помогло мне выйти на здоровые рельсы — решил записать свои мысли в виде подкаста. Быть может, вам они будут полезны при столкновении со схожей ситуацией.

0:00 — мой контекст
0:36 — что такое выгорание
1:29 — когда оно началось
3:01 — что я чувствовал
4:35 — причины
8:19 — фаза разгрузки
10:30 — фаза устойчивости
15:38 — итоги

А у вас такое было? Поделитесь историями в комментах: почему началось, как долго длилось, что помогло выйти?