Профессор Архитектурно-строительного института ЮУрГУ, доктор технических наук Александр Потапов и его молодые коллеги Артём Михайлов (ЮУрГУ) и Сергей Шматков («Спецвысотстройпроект») построили модель, позволяющую рассчитать, как дымовая труба будет вести себя при ветровом резонансе, вызванном вихревыми потоками.
В качестве испытательного образца учёные взяли трубу котельной в Красноперекопске, республика Крым. Под действием ветра она может раскачиваться, отклоняясь почти на полтора метра. Особенно опасен ветровой резонанс, принцип «качелей». Труба высотой 180 метров – это как 60-этажный небоскрёб. Страшно подумать, какие беды могут причинить рухнувшие тысячи тонн бетона.
Конструкции меньших размеров можно просто собрать и испытать в аэродинамической трубе. Но такую громадину в испытательную установку не засунешь. В этом случае эксперименты с вихревыми возбуждениями проводят на уменьшенных моделях.
В предложенном профессором Александром Потаповым и его коллегами методе на помощь призвана математика и строительная механика. Модель трубы разбивается на сотню кольцевых элементов, размеры и масса которых известны. Это позволяет для всей конструкции построить матрицы масс, жёсткости, а также демпфирования (способности гасить колебания за счёт сил трения в бетоне и сопротивления воздуха).
«Ветровую пульсацию мы представили не как простой порыв, а как параболическое повторяющееся действие импульсов с плавным нарастанием и спадом «туда-обратно» поперечно потоку ветра. Резонанс смоделирован так, что ветровые пульсации действуют на трубу циклически то слева, то справа, – сообщил Александр Потапов. – Мы рассмотрели колебания с периодичностью пульсаций по трём низшим – наиболее опасным – собственным формам».
Самой потенциально опасной для крымской трубы оказалась амплитуда в 1.4 метра в пределах одного цикла основного тона колебаний.
Сложный расчёт обладает огромной точностью до 0,00000000006 килоньютонов, что в сотни (и более) раз точнее существующих методов расчета, которые регламентируются современными нормами в строительстве.
Метод позволяет в процессе колебаний определять характеристики реакции дымовой трубы (перемещения, скорости, силы инерции, напряжения и т.д.) для любых расчетных сечений и в любой момент времени. Метод в принципе может быть обобщён и на другие высотные конструкции – объекты ветроэнергетики, градирни, башни и здания. Его можно использовать в проектных и конструкторских организациях, специализирующихся по расчету высотных сооружений.
Работа, опубликованная в ведущем журнале «Вестник ЮУрГУ», в серии «Строительство и архитектура» (DOI 10.14529/build260101).