В данной статье рассматривается актуальный вопрос допустимости и порядка применения численного моделирования методами вычислительной аэродинамики (CFD) для определения ветровых нагрузок на здания и сооружения в соответствии с действующей нормативной документацией.

Актуальность CFD-моделирования

Современные промышленные объекты могут отличаться сложной архитектурной формой, обладать значительными габаритами и находиться в условиях плотной окружающей застройки. В таких условиях традиционные подходы к назначению проектировочных ветровых нагрузок, основанные на табличных аэродинамических коэффициентах из нормативных документов, становятся недостаточными. Для обеспечения надёжности и безопасности зданий и сооружений всё чаще применяется численное CFD-моделирование ветрового воздействия — метод, позволяющий учитывать реальную геометрию объекта, влияние окружающей застройки, рельефа местности и особенности структуры ветрового потока.

Рисунок 1 – CFD-моделирование ветрового обтекания трамплина спортивного комплекса с учетом рельефа местности

Численное моделирование аэродинамики, или CFD (Computational Fluid Dynamics), представляет собой решение математических уравнений, описывающих физику ветрового потока, с использованием современных программных комплексов. Такой подход позволяет определять как средние, так и пульсационные составляющие ветровой нагрузки, а также пиковые давления на ограждающие конструкции и фасады. Особенно актуален данный подход для высотных зданий, сооружений с большими пролётами, объектов в условиях плотной застройки площадки или сложного рельефа, где стандартные коэффициенты не отражают реального аэродинамического поведения конструкций. Кроме того, численное CFD-моделирование даёт возможность оценивать аэроупругие явления — вихревое возбуждение, галопирование, дивергенцию — что критически важно для лёгких и гибких конструкций.

Расчёт ветровых нагрузок и воздействий

Согласно своду правил СП 20.13330.2016 – Нагрузки и воздействия, для зданий и сооружений необходимо учитывать следующие типы воздействий ветра:

• Основную ветровую нагрузку, которую обычно определяют с использованием аэродинамических коэффициентов из Приложения В СП 20.13330.2016. Однако для сооружений повышенного уровня ответственности — таких как уникальные здания, градирни, наружные этажерки и кабельные эстакады, козырьки с вылетом более 7 м, а также группы цилиндрических конструкций (например, резервуаров), расположенных близко друг к другу — эти коэффициенты уточняют на основе модельных испытаний в аэродинамических трубах или опубликованных исследований. Такой подход также применяется, когда необходимо учесть влияние соседней застройки или рельефа местности, что не отражено в типовых таблицах нормативов.
• Пиковые значения ветровой нагрузки — это кратковременные максимальные значения давления или разрежения, действующих на здания и сооружения, конструктивные элементы фасадов и ограждений, и передающих усилия на крепления. Для типовых прямоугольных в плане зданий значения пиковых аэродинамических коэффициентов приведены в приложении В к СП 20.13330.2016. Во всех остальных случаях — например, для сложных по форме или уникальных сооружений — эти коэффициенты определяют на основе модельных испытаний в аэродинамической трубе или на основе публикаций.

Основной тип ветровой нагрузки и пиковые ветровые нагрузки связаны с непосредственным воздействием на здания и сооружения максимальных для места строительства ветров и должны учитываться при проектировании всех сооружений.

• Резонансное вихревое возбуждение — аэроупругое явление, при котором конструкция (обычно высокое здание, архитектурная стела, дымовая труба, мостовой пролёт и т.п.) в ветровом потоке начинает интенсивно колебаться поперёк направления ветра из-за совпадения частоты срыва вихрей потока с одной из собственных частот колебаний конструкции. СП 20.13330.2016 регламентирует, что для высотных зданий воздействие, возникающее при резонансном вихревом возбуждении, необходимо устанавливать на основе данных их модельных испытаний в аэродинамических трубах.
• Аэродинамически неустойчивые колебания — такие как галопирование, дивергенция и флаттер — необходимо учитывать при проектировании зданий и сплошностенчатых сооружений (или их отдельных участков), у которых есть вытянутая форма: прямолинейная (или почти прямолинейная) ось и постоянное или плавно изменяющееся поперечное сечение. Как правило, это касается конструкций, у которых соотношение длины к поперечному размеру в плоскости, перпендикулярной ветру, превышает 10 (l/b > 10).

При проектировании тонких, легких, гибких, протяженных и высоких сооружений и конструкций требуется обязательная проверка на возможность возникновения аэродинамически неустойчивых колебаний. Критерии возможности возбуждения аэродинамически неустойчивых колебаний устанавливаются в нормах проектирования. При проектировании сооружений должны использоваться такие архитектурные и конструктивные решения, которые исключают возбуждение аэродинамически неустойчивых колебаний.

Рисунок 2 – Пример конструкции, требующей расчёта аэродинамически неустойчивых колебаний. Проект Стелы Ленинградской битвы на Пулковских высотах. Фото: Телеканал «Санкт-Петербург» / АО «ГАТР»

Таким образом, для всех типов воздействий ветра СП 20.13330.2016 допускает определение аэродинамических характеристик на основе модельных испытаний в аэродинамических трубах или опубликованных данных, но напрямую не регулирует применение численного моделирования (CFD). В то же время пункт 4.7 этого свода правил указывает, что для сооружений повышенного уровня ответственности, а также во всех не охваченных нормами случаях, дополнительные требования к ветровым нагрузкам должны устанавливаться в задании на проектирование с учётом рекомендаций, разработанных в рамках научно-технического сопровождения. Именно в этом контексте CFD-моделирование получает официальное основание для применения — как инструмент обоснования ветровых воздействий в составе научно-технического сопровождения проектирования.

Научно-техническое сопровождение проектирования

Проведение научно-технического сопровождения (НТС) проектирования регламентируется СП 539.1325800.2024, в соответствии с которым в основные задачи в рамках НТС проектирования входит, в том числе, выполнение уточненного моделирования ветровых и снеговых нагрузок и воздействий на здание, фасадные системы, оценка биоклиматической (пешеходной) комфортности застройки.

Таким образом, в рамках НТС проектирования для объектов повышенного уровня ответственности — особенно при учёте влияния соседних зданий, рельефа или сложной архитектуры — допускается использовать численное моделирование ветрового воздействия. Оно проводится в специализированных CFD-программах для репрезентативного набора направлений ветра с учётом метео- и топографических условий площадки, в соответствии с требованиями СП 20.13330, ГОСТ Р 56728 и ГОСТ Р 57188, включая обязательную верификацию и валидацию расчётов.

Порядок проведения компьютерного (численного) моделирования обтекания нормативным ветром проектируемого сооружения и объектов окружающей застройки регламентирован пунктом 5.5 ГОСТ Р 56728–2015. Допускается применение любой из CFD-программ, способных решать задачи нестационарного трехмерного обтекания твердых тел воздушным потоком, при условии обязательного подтверждения точности и достоверности расчётов в соответствии с общепринятыми профессиональными требованиями для подобных задач.

Рисунок 3 – CFD-расчёт ветрового давления на фасад здания нестандартной архитектуры с учётом особенностей рельефа местности

Правом на проведение НТС проектирования, в т.ч. в части проведения математического (численного) CFD-моделирования ветрового воздействия, согласно пункту 3.19 СП 539.1325800.2024 обладают специализированные научно-исследовательские организации, отвечающие ряду критериев:

• организация, осуществляющая в качестве основной деятельности научную или научно-техническую деятельность по соответствующему профилю;
• имеющая в своем составе научных работников или иных лиц, квалификация которых подтверждена государственной системой научной аттестации;
• поддерживающая и развивающая в своем составе соответствующую научно-исследовательскую и опытно-экспериментальную базу;
• обладающая необходимым для выполнения работ испытательным оборудованием, приборно-инструментальной базой, программным обеспечением, допущенными к применению в порядке, установленном действующим законодательством Российской Федерации;
• являющаяся членом саморегулируемой организации по проектированию и инженерным изысканиям.

Когда использовать численное моделирование, а когда — эксперимент в аэродинамической трубе?

Выбор между численным и физическим моделированием определяется как техническими, так и экономическими факторами. Согласно ГОСТ Р 56728–2015 и СП 539.1325800.2024, численное моделирование рекомендуется применять на ранних стадиях проектирования для оперативной оценки различных архитектурных решений, при необходимости учёта сложной окружающей застройки или рельефа, а также для объектов, где физическое моделирование затруднено (например, при моделировании снегонакопления или аэроупругих эффектов). В то же время физический эксперимент в аэродинамической трубе остаётся «золотым стандартом» для валидации численных моделей и обязательным при проектировании уникальных, особо ответственных или технически сложных объектов. Эксперимент особенно важен, когда требуется высокая точность определения пульсационных характеристик ветрового давления или при наличии нестандартных конструктивных решений, для которых отсутствует достоверная база верификации CFD-моделей.

Отметим, что современный подход к оценке ветровых нагрузок всё чаще опирается на гибридную методику, сочетающую преимущества численного и физического моделирования. Такой подход, регламентированный в СТО 02066523-089-1-2024 и СП 539.1325800.2024, позволяет достичь максимальной достоверности результатов, обеспечивая высокий уровень безопасности и экономической эффективности проектируемых промышленных зданий и сооружений.

Справочная информация

АО «ЦИФРА» соответствует критериям, предъявляемым к специализированным научно-исследовательским организациям, обладающих правоспособностью выполнять НТС проектирования в части проведения математического (численного) CFD-моделирования ветрового воздействия.

Основным видом деятельности является научно-техническая деятельность, научные исследования и разработки в области естественных и технических наук в рамках ОКВЭД – 72.19. В штате организации имеются сотрудники с учёной степенью к.т.н.

АО «ЦИФРА» поддерживает и развивает в своем составе соответствующую научно-исследовательскую базу, для подтверждения чего заинтересованным организациям по официальному запрос предоставляется набор справок о кадровом составе и его квалификации, об опыте выполненных работ, о материальных ресурсах.

АО «ЦИФРА» обладает коммерческими лицензиями на специализированное ПО ANSYS и SCAD и состоит в СРО «Союз НОП» с правом на подготовку проектной документации в области инженерных изысканий и в архитектурно-строительного проектирования в отношении особо опасных, технически сложных и уникальных объектов капитального строительства.

Примеры выполненных проектов:

Расчёт ветровой нагрузки на фасад здания нестандартной архитектуры с учётом особенностей рельефа местности

Расчет ветровой нагрузки на трамплин спортивного комплекса «Воробьёвы горы»

Изображение заголовка: Компания прогресса