АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕКЛАМНОГО ЩИТА Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 69.04

АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕКЛАМНОГО ЩИТА

Черепанов А.В., студент группы 15А(ба)СВс, Оренбургский государственный университет, Оренбург

e-mail: aleksej_cherepanov_97@mail.ru

Научный руководитель: Гаврилов А.А., канд. техн. наук, доцент кафедры машиноведения, Оренбургский государственный университет, Оренбург

Одной из наиболее острых проблем в строительстве является расчет конструкций на ветровые нагрузки. В данной работе рассмотрена задача моделирования отрывного обтекания и расчета ветровых нагрузок на поверхность рекламного щита. Целью работы является получение зависимости сил сопротивления и опрокидывающего момента от направления ветра для дальнейшего использования в расчетах конструкции рекламного щита и определения предельных нагрузок и норм прочности при сильном ветре.

Ключевые слова: рекламный щит, моделирование, ветровая нагрузка, прочностной расчет, обтекание.

Рекламные щиты, установленные на многолюдных улицах - весьма ответственные сооружения, которые должны отвечать всем требованиям надежности и безопасности современных норм строительного проектирования. Одним из основных воздействий на рекламные уличные конструкции является ветровая нагрузка. При проектировании зданий и сооружений расчет ветровой нагрузки приходится делать довольно-таки часто. Порядок расчета прописан в СП 20.13330.20111 «Нагрузки и воздействия».

Исходные данные для расчета: размер информационного поля 4х3 м, высота стойки 4,5 м. Каркас щита выполнен из профильной трубы 40х40х2 ГОСТ 8639-82, опора-круглая труба 200х10 ГОСТ 32931-2015. Материал конструкции Сталь 3. Скорость ветра выбрана наиболее неблагоприятной, а именно 30 м/с под углами 0°-90° с шагом 30°. Основными задачами моделирования являются:

- создание 3D- модели в CAD системе КОМПАС-3D v15.1, рисунок 1;

- построение математических моделей ветрового нагружения с комплекса Solid Works Flow Simulation;

- расчет прочностных характеристик с помощью Solid Works Simulation;

анализ полученных результатов.

ыхю

использованием

Рисунок 1 - Чертеж рекламного щита

Опираясь на литературу Г.А. Савицкого [6] и А.В. Атаманчук [1] с помощью программы была выполнена серия расчетов по определению полей скорости и давления, действующих на обтекаемый потоком щит, при разных углах обтекания. В качестве граничных условий назначаются: на входе в расчетную область задаются векторы скорости потока, на выходе статическое давление.

На рисунках 2 и 3 представлены результаты расчетов траектории потока, полей давления при обтекании щита потоком ветра под углом 90

Рисунок 2 - Траектории потока Рисунок 3 - Поле давления

Рекламный щит является типичным с точки зрения аэродинамики плохообтекаемым телом. Перед щитом образуется застойная зона с торможением потока, давление в передней критической точке достигает максимума. Позади него происходит отрыв потока от поверхности, который вызывает нестационарность течения и образование различных вихревых структур, которые появляются при их отрыве с угловых кромок обтекаемого тела. Здесь возникает сильное разряжение. С удалением вихри вырождаются вследствие вязкости.

Основным результатом первой части расчета являются поля давления по поверхности модели. Следующим этапом моделирования является статический расчет конструкции.

В качестве нагрузки на модель были использованы эпюры давления, полученные ранее и собственный вес конструкции. В качестве материала стойки была применена Сталь 3.

На рисунке 4 и 5 представлены результаты расчета при обтекании щита потоком ветра под углом 90 Максимальное напряжение в основании стойки от действия нагрузок составляют 308,2 Мпа. Величина перемещений верхней части щита - 10,3 мм.

Рисунок 4 - Напряжения Рисунок 5 - Перемещения

Зависимости реакций в опоре и опрокидывающего момента от направления ветра представлены на графиках, рисунках 6 и 7.

Зависимость сил реакции от направления ветра

TCL21

Рисунок 6 - Реакции в опоре

Зависимость опрокидывающего момента от направления ветра

Рисунок 7 - Опрокидывающий момент

Как видно из рисунка 6 наименьшее сопротивление наблюдается при боковом ветре. При смене направления ветра с 0 до 30 градусов происходит резкое увеличение нагрузки и при лобовом обтекании она достигает своего пикового значения.

Зеленые кривые соответствуют значениям вертикальной отрывающей («подъемной») силе, действующей на щит.

Расчеты в пакете SOLIDWORKS Flow Simulation и Simulation ветровых нагрузок, действующих на поверхность рекламной конструкции при скорости ветра 30 м/с переменного направления в диапазоне 0°-90° позволили отразить основные особенности обтекания щита как плохообтекаемого тела и определить значения аэродинамических сил и моментов.

Полученные результаты могут быть непосредственно использованы для расчетов конструкции на прочность и определения характеристик фундамента.

Литература

1. Атаманчук, А.В. Ветровые нагрузки на элементы трехгранных башен и пакеты вытяжных труб. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.twirpx.com/file/2003250/ - (дата обращения: 10.04.2018).

2. ГОСТ 32931-2015. Трубы стальные профильные для металлоконструкций.

3. ГОСТ 8639-32. Трубы стальные квадратные сортамент.

4. Руководство по расчету зданий и сооружений на действие ветра / ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко. - М.: Стройиздат, 1978. - 224 с.

5. Савицкий, Г.А. Ветровая нагрузка на сооружения. - М.: Стройиздат, 1972. - 110 с.

6. Самоучитель (учебник) SOLIDWORKS [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://autocad-lessons.ru/solidworks/samouchitel-solidworks - (дата обращения: 10.04.2018).

7. СП 20.13330.20111 «Нагрузки и воздействия». Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*. - Введ. 2011.05.20. - М.: Минрегион России, 2011. - 80 с.