Введение
Аэродинамические характеристики строительных конструкций являются важным аспектом их надежности и устойчивости, особенно для объектов, подверженных воздействию ветровых нагрузок. Ветровая нагрузка определяется множеством факторов, включая число Рейнольдса, шероховатость поверхности и геометрические параметры конструкции. Расчет и оптимизация аэродинамических коэффициентов, таких как коэффициент лобового сопротивления и коэффициент затемнения, позволяют существенно повысить точность проектирования, а также сократить материальные и трудозатраты [1,6,18].
Решетчатые конструкции, такие как башни и мачты, характеризуются сложным взаимодействием потоков воздуха с элементами конструкции, что требует при проектировании применения экспериментальных, численных и аналитических методов. Исследования аэродинамических характеристик таких объектов включают эксперименты в аэродинамических трубах [13,14], численное моделирование с использованием современных методов, таких как «Computational fluid dynamics» (CFD) [7,16], а также применение нормативных документов, включая СП 20.13330.2016 и EN 1991-1-4:2005 [18,20].
В последние годы акцент сделан на оптимизацию конструктивных решений за счет интеграции данных экспериментальных и численных исследований. Например, исследования ветровых воздействий на башенные сооружения показывают необходимость учета локальных изменений скорости ветра в застройке и их влияния на коэффициенты лобового сопротивления [8,14]. Дополнительно, применение решетчатых конструкций для энергосетевых объектов и телекоммуникационных башен требует разработки новых подходов к расчету устойчивости при экстремальных ветровых условиях, таких как ураганы [16,17].
Методики, основанные на численных и экспериментальных данных, успешно применяются для проектирования уникальных конструкций. Так, использование CFD позволяет учитывать турбулентные явления, которые невозможно отразить при стандартных аналитических расчетах [7,13]. Диссертационные исследования, посвященные анализу аэродинамики башенных сооружений, также демонстрируют перспективность подходов, основанных на адаптивных численных моделях [9,10].
Таким образом, развитие технологий моделирования и стандартизации расчетных методов играет ключевую роль в обеспечении надежности и экономичности современных строительных объектов, подверженных ветровым нагрузкам. Дальнейшие исследования в данной области направлены на интеграцию теоретических и прикладных решений для повышения точности и эффективности расчетов [1,4,19].
Объекты и методы исследования
Объектами исследования в данной работе являются решетчатые конструкции, такие как мачты, башни и опоры ЛЭП, с учетом их аэродинамических характеристик. Основное внимание уделено аэродинамическому коэффициенту лобового сопротивления, который зависит от шероховатости поверхности, числа Рейнольдса и геометрических характеристик конструкции. В качестве конкретных объектов рассмотрены пространственные фермы из трубчатых профилей при числе Рейнольдса менее 4·105.
Исследование включает теоретический анализ, заключающийся в разработке формул для определения аэродинамического коэффициента с учетом различных параметров. Для вычисления коэффициентов затемнения предлогается использовать метод логарифмического преобразования исходных данных и применения нелинейной регрессии. Проведен сравнительный анализ рассчитанных значений коэффициентов затемнения с данными, указанными в СП 20.13330.2016, а также оценена точность предложенных формул по сравнению с графиком В.17 этого нормативного документа. Эмпирические расчеты выполнены для различных типов пространственных ферм, а их результаты использованы для подтверждения разработанных формул. Дополнительно применены методы регрессионного анализа для построения зависимостей аэродинамического сопротивления от ключевых параметров конструкции.
Результаты исследований
Согласно [1,3] аэродинамический коэффициент лобового сопротивления
Здесь
— коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления для высоты
Примем максимальную высоту
Выразив диаметр трубы d через приведенные параметры, получим в метрах:
Следовательно, для конструкций с диаметром элементов не более 0.73 м и высотой до 100 м, аэродинамический коэффициент лобового сопротивления
Рис. 1. Определение
Аэродинамические коэффициенты
Аэродинамические коэффициенты
коэффициент заполнения ферм
$$\varphi=\frac{\sum A_i}{A_k}.$$
Коэффициент затемнения
Таблица 1
Коэффициент затемнения
|
|
|
||||
|
1/2 |
1 |
2 |
4 |
6 |
|
|
0,1 |
0,93 |
0,99 |
1 |
1 |
1 |
|
0,2 |
0,75 |
0,81 |
0,87 |
0,9 |
0,93 |
|
0,3 |
0,56 |
0,65 |
0,73 |
0,78 |
0,83 |
|
0,4 |
0,38 |
0,48 |
0,59 |
0,65 |
0,72 |
|
0,5 |
0,19 |
0,32 |
0,44 |
0,52 |
0,61 |
|
|
0 |
0,15 |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
Принятые в таблице обозначения проиллюстрированы на Рис. 2.
Рис. 2. Габаритные размеры решетчатой конструкции
Для значений
Предложена следующая формула
где
При
Коэффициенты
Таблица 2
Коэффициент затемнения
|
|
|
||||
|
1/2 |
1 |
2 |
4 |
6 |
|
|
0,1 |
0,91 |
0,94 |
0,95 |
0,96 |
0,97 |
|
0,2 |
0,81 |
0,83 |
0,86 |
0,89 |
0,92 |
|
0,3 |
0,56 |
0,70 |
0,74 |
0,81 |
0,86 |
|
0,4 |
0,34 |
0,53 |
0,60 |
0,70 |
0,78 |
|
0,5 |
0,20 |
0,35 |
0,44 |
0,58 |
0,69 |
|
|
0,11 |
0,14 |
0,26 |
0,45 |
0,59 |
Результаты сравнения нормативных значений
Таблица 3
Коэффициент затемнения η
|
|
|
||||
|
1/2 |
1 |
2 |
4 |
6 |
|
|
0,1 |
-2% |
-5% |
-5% |
-4% |
-3% |
|
0,2 |
6% |
2% |
-1% |
-1% |
-1% |
|
0,3 |
0% |
5% |
1% |
3% |
3% |
|
0,4 |
-4% |
5% |
1% |
5% |
6% |
|
0,5 |
1% |
3% |
0% |
6% |
8% |
|
|
10% |
-1% |
-4% |
5% |
9% |
Сравнение результатов продемонстрировало, что предложенные формулы могут быть использованы для вычисления коэффициента затемнения
Выводы
В результате проведенного исследования было предложено новое решение для определения аэродинамического коэффициента лобового сопротивления решетчатых конструкций, учитывающее такие параметры, как шероховатость поверхности, число Рейнольдса и геометрические характеристики объекта. Предложенные формулы позволяют эффективно вычислять коэффициент затемнения для пространственных ферм из трубчатых профилей при числе Рейнольдса менее 4·105 без необходимости использования графика В.17 СП 20.13330.2016. Метод нелинейной регрессии, основанный на логарифмическом преобразовании данных, продемонстрировал свою высокую точность и применимость в расчете аэродинамических коэффициентов. Сравнение полученных значений с коэффициентами, приведенными в нормативном документе, подтвердило адекватность предложенной методики. Это позволяет эффективно рассчитывать аэродинамическое сопротивление решетчатых конструкций, что имеет большое значение для повышения их устойчивости и надежности в различных инженерных приложениях.
