При проектировании архитектурных сооружений нестандартной формы (мемориалов, монументов, памятных стел) важной задачей является оценка ветровых нагрузок. Это необходимо для проверки прочности и устойчивости конструкции, а также определения нагрузок на фундамент, декоративные элементы и крепления.

Существуют нормативные коэффициенты давления ветра, однако область их применения ограничена типовыми формами зданий. Для определения ветровой нагрузки на уникальные сооружения рекомендуется проводить исследования в аэродинамических трубах, что требует значительных временных и финансовых затрат. В качестве альтернативы для определения ветровых нагрузок может выступать численное моделирование.

Численное моделирование ветрового воздействия

Численное моделирование широко применяется в различных областях техники, дополняя натурные испытания. Среди его преимуществ – сжатые сроки, а также отсутствие необходимости в опытном образце или физической модели.

Применение численного CFD-моделирования (англ. Computational Fluid Dynamics, вычислительная гидрогазодинамика) в рамках научно-технического сопровождения проектирования нормируют СП 539.1325800.2024 и ГОСТ Р 56728–2015 (подробнее об этом в статье).  Кроме того, существует отраслевой стандарт СТО 2066523-089-1-2025 «Численное моделирование ветровых и снеговых воздействий», объединяющий накопленный опыт численных исследований в сфере строительной аэродинамики.

Как и испытания в аэродинамической трубе, CFD-моделирование позволяет учитывать направление ветра, сложную форму сооружения, рельеф и окружающую застройку.

Результаты CFD-моделирования ветрового воздействия

Инженеры АО «ЦИФРА» выполнили аэродинамическое моделирование мемориальной стелы высотой 40 м, состоящей из нескольких отдельно стоящих изогнутых элементов. Внешний вид монумента показан на рисунке ниже.

Внешний вид монумента

Элементы, из которых состоит монумент, взаимно влияют друг на друга при обтекании потоком.  Поток ускоряется в узких местах между элементами, отрывается от острых кромок и образует вихревые структуры за конструкцией, как видно на картине распределения скорости.

Распределение скорости потока при обтекании монумента

В результате давление по поверхности стелы распределяется неравномерно, что показано на рисунке ниже.

Распределение давления ветра по поверхности монумента

В зависимости от поставленной задачи, по результатам численного моделирования можно получить:

• значения средней составляющей ветрового давления по поверхности конструкции (с разбивкой на характерные участки);
• аэродинамические силы и моменты;
• данные для последующей оценки устойчивости сооружения к аэроупругим колебаниям: значения аэродинамических коэффициентов и частоту схода вихрей при обтекании.

Движение линий тока воздуха при обтекании монумента

Гибридный подход к оценке ветрового воздействия

Численное моделирование позволяет определить ветровую нагрузку и оценить возможность возникновения аэродинамически неустойчивых колебаний уже на начальных этапах проектирования. Это снижает риск переделок и сопутствующих им затрат, а также позволяет принимать более взвешенные проектные решения.

В последние годы всё шире распространяется гибридный подход к проведению испытаний на ветровую нагрузку: на ранних стадиях проектирования используется численное моделирование, а эксперимент в аэродинамической трубе обеспечивает финальную проверку. Сочетая в себе накопленный опыт и передовые достижения науки и техники, такой подход применяется для проектирования наиболее сложных и ответственных сооружений.

Список использованных источников

Изображение заголовка сгенерировано нейросетью