Оценка аэроупругой устойчивости шпиля башни

Введение. Большепролетные и гибкие конструкции весьма чувствительны к воздействию ветра. Такие конструкции подвержены возникновению аэроупругих явлений. В истории известны случаи, когда в результате ветрового воздействия происходило обрушение конструкции. В связи с этим актуальной задачей является разработка методов оценки возникновения аэроупругой неустойчивости.

Материалы и методы. Динамические и жесткостные характеристики объекта, используемые при инженерной оценке возможности аэроупругих явлений, определили с помощью программного комплекса (ПК) ANSYS Mechanical. Моделирование обтекания исследуемого объекта провели в ПК ANSYS Fluent. Для подтверждения полученных оценок о невозможности возникновения аэроупругой неустойчивости по нормативной методике выполнили прямое численное моделирование двухстороннего взаимодействия шпиля и воздушного потока в ПК ANSYS (двухсторонний FSI, реализуемый связкой модулей Fluent и Mechanical).

Результаты. С применением разработанных расчетных динамических конечно-элементных моделей установили собственные частоты и формы колебаний. Провели оценку возможности возникновения галопирования по нормативной методике для исследуемого шпиля при скоростях ветра, наблюдаемых на площадке строительства. Осуществили прямое численное моделирование связанной задачи двухстороннего взаимодействия шпиля и воздушного потока в ПК ANSYS при максимально возможной скорости ветра для места строительства для наиболее опасного направления ветра (полученного по результатам инженерной оценки).

Выводы. Проведенная оценка о возможности возникновения аэроупругой неустойчивости по нормативной методике и поверочный двухсторонний связанный расчет аэроупругих колебаний шпиля подтвердили отсутствие явлений аэроупругой неустойчивости при максимально возможной скорости ветра для места строительства.

1. Holmes J.D. Wind loading of structures. Boca Raton : CRC press, 2018.

2. Davenport A.G. The Application of Statistical Concepts to the Wind Loading of Structures // Proceedings of the Institution of Civil Engineers. 1961. Vol. 19. Issue 4. Pp. 449–472. DOI: 10.1680/iicep.1961.11304

3. Davenport A.G. Gust Loading Factors // Journal of the Structural Division. 1967. Vol. 93. Issue 3. Pp. 11–34. DOI: 10.1061/jsdeag.0001692

4. Барштейн М.Ф. Руководство по расчету зданий и сооружений на действие ветра. М. : Стройиздат, 1978. 216 с.

5. Симиу Э., Сканлан Р. Воздействие ветра на здания и сооружения / пер. с англ. Б.Е. Маслова, А.В. Швецовой. М. : Стройиздат, 1984. 358 с.

6. Den-Hartog J.P. Transmission line vibration due to sleet // Transactions of the American Institute of Electrical Engineers. 1932. Vol. 51. Issue 4. Pp. 1074–1076. DOI: 10.1109/T-AIEE.1932.5056223

7. Den-Hartog J.P. Mechanical Vibrations. New York : Dover Publications, 1985. 436 p.

8. Boggs D.W., Peterka J.A. Aerodynamic model tests of tall buildings // Journal of Engineering Mechanics. 1989. Vol. 115. Pp. 618–635. DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9399(1989)115:3(618)

9. Pozzuoli C., Bartoli G., Peil U., Clobes M. Serviceability wind risk assessment of tall buildings including aeroelastic effects // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2013. Vol. 123. Issue 8. DOI: 10.1016/j.jweia.2013.09.014

10. Dongmei H., Ledong Z., Quanshun D., Xue Z., Wei C. Aeroelastic and aerodynamic interference effects on a high-rise building // Journal of Fluids and Structures. 2017. Vol. 69. Pp. 355–381.

11. Wang L., Liang S., Huang G., Song J., Zou L. Investigation on the unstability of vortex induced resonance of high-rise buildings // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2018. Vol. 175. Pp. 17–31. DOI: 10.1016/j.jweia.2018.01.025

12. Zheng C., Liu Z., Wu T., Wang H., Wu Y., Shi X. Experimental investigation of vortex-induced vibration of a thousand-meter-scale mega-tall building // Journal of Fluids and Structures. 2019. Vol. 85. Pp. 94–109. DOI: 10.1016/j.jfluidstructs.2018.12.005

13. Wardlaw R.L., Moss G.F. A standard tall building model for the comparison of simulated natural winds in wind tunnels. CAARC, C.C.662m Tech. 1970.

14. Whitbread R.E. The measurement of non-steady wind forces on small-scale building models // Proceedings of the 4th international conference on wind effects on buildings and structures. 1977. Pp. 567–574.

15. Blackmore P.A. A comparison of experimental methods for estimating dynamic response of buildings // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 1985. Vol. 18. Pp. 197–212. DOI: 10.1016/0167-6105(85)90098-4

16. Tanaka H., Lawen N. Test on the CAARC standard tall building model with a length scale of 1:1000 // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 1986. Vol. 25. Pp. 15–29. DOI: 10.1016/0167-6105(86)90102-9

17. Goliger A.M., Milford R.V. Sensitivity of the CAARC standard building model to geometric scale and turbulence // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 1988. Vol. 31. Pp. 105–123. DOI: 10.1016/0167-6105(88)90190-0

18. Thepmongkorn S., Wood G.S., Kwok K.C.S. Interference effects on wind-induced coupled motion of a tall building // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2002. Vol. 90. Issue 12–15. Pp. 1807–1815. DOI: 10.1016/s0167-6105(02)00289-1

19. Tang U.F., Kwok K.C.S. Interference excitation mechanisms on a 3DOF aeroelastic CAARC building model // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2004. Vol. 92. Issue 14. Pp. 1299–1314. DOI: 10.1016/j.jweia.2004.08.004

20. Balendra T., Anwar M.P., Tey K.L. Direct measurement of wind-induced displacement in tall building models using laser positioning technique // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2005. Vol. 93. Issue 5. Pp. 399–412. DOI: 10.1016/j.jweia.2005.03.003

21. Hanson T., Summers D.M., Wilson C.B. A three-dimensional simulation of wind flow around buildings // International Journal for Numerical Methods in Fluids. 1986. Vol. 6. Issue 3. Pp. 113–127.

22. Murakami S., Mochida A., Hibi K. Three-dimensional numerical simulation of air flow around a cubic model by means of large eddy simulation // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 1987. Vol. 25. Pp. 291–305. DOI: 10.1016/0167-6105(87)90023-7

23. Murakami S. Current status and future trends in computational wind engineering // Journal of wind engineering and industrial aerodynamics. 1997. Vol. 67. Pp. 3–34.

24. Tominaga Y., Mochida A., Murakami S., Sawaki S. Comparison of various revised k–ε models and LES applied to flow around a high-rise building model with 1:1:2 shape placed within the surface boundary layer // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2008. Vol. 96. Issue 4. Pp. 389–411. DOI: 10.1016/j.jweia.2008.01.004

25. Blocken B., Carmeliet J., Stathopoulos T. CFD evaluation of wind speed conditions in passages between parallel buildings: effect of wall-function roughness modifications for the atmospheric boundary layer flow // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2007. Vol. 95. Pp. 941–962. DOI: 10.1016/J.JWEIA.2007.01.013

26. Montazeri H., Blocken B. CFD simulation of wind-induced pressure coefficients on buildings with and without balconies: Validation and sensitivity analysis // Building and Environment. 2013. Vol. 60. Pp. 137–149. DOI: 10.1016/J.BUILDENV.2012.11.012

27. Zheng X., Montazeri H., Blocken B. CFD simulations of wind flow and mean surface pressure for buildings with balconies: Comparison of RANS and LES // Building and Environment. 2020. Vol. 173. Pp. 106747. DOI: 10.1016/j.buildenv.2020.106747

28. Mochida A., Murakami S., Shoji M., Ishida Y. Numerical simulation of flowfield around Texas Tech building by large eddy simulation // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 1993. Vol. 46–47. Pp. 455–460. DOI: 10.1016/0167-6105(93)90312-C

29. He J., Song C.C.S. A numerical study of wind flow around the TTU building and the roof corner vortex // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 1997. Vol. 67–68. Pp. 547–558.

30. Selvam R.P. Finite element modelling of flow around a circular cylinder using LES // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 1997. Vol. 67–68. Pp. 129–139.

31. Senthooran S., Lee D.D., Parameswaran S. A computational model to calculate the flow-induced pressure fluctuations on buildings // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2004. Vol. 92. Issue 13. Pp. 1131–1145. DOI: 10.1016/j.jweia.2004.07.002