Simulace větru v programu RWIND Simulation a přenos sil větru do programu RFEM nebo RSTAB

Odborný článek z oblasti statiky za použití softwaru Dlubal

  • Databáze znalostí

Odborný článek

Výpočetní technika zcela ovládla digitální plánování. Každý nový vývoj umožňuje účastníkům projektu posouvat neustále hranice možností.

Tato změna se zřetelně odráží ve stále odvážnějším tvaru budov. Jako by šlo o závod, jak štíhlý mrakodrap se bude tyčit k obloze nebo jak složité budou linie pláště budovy. Všechny projekty však mají společné to, že před realizací je třeba zpracovat statický návrh pro zajištění bezpečného přenosu všech zatížení.

Tento úkol představuje v závislosti na geometrii a využití budovy velmi složitý proces. Zejména nové tvary budov s sebou nesou další problémy, pokud jde o zatížení větrem. Zatímco pro standardní tvar budovy lze zatížení převzít z norem, zůstává zatížení větrem u nové geometrie volných tvarů neznámou. Chceme-li tento problém vyřešit, můžeme zmenšený model budovy analyzovat ve větrném tunelu, a stanovit tak příslušná zatížení větrem. Další možnost představuje simulace ve větrném proudu pomocí numerické simulační techniky, na jejímž základě lze vyvodit náhradní zatížení větrem.

Navzdory složitějšímu vyhodnocení výsledků nabízí numerické řešení v porovnání s testem ve větrném tunelu jistou výhodu, protože nemusíme vytvářet zmenšený model budovy pro použití v aerodynamickém tunelu. Tato výhoda je zajímavá zejména při návrhu a stanovení tvaru budovy.

A právě v tomto bodě se zapojila společnost Dlubal Software a ve spolupráci s firmami PC-Progress a CFD Support vyvinula pro statiky program RWIND Simulation. Tento program slouží k  simulaci proudění vzduchu okolo libovolných objektů v digitálním větrném tunelu a ke stanovení náhradních zatížení pro statickou analýzu a posouzení.

Proudění větru okolo budovy Čínské ústřední televize

Program RWIND Simulation je speciálně navržen pro stanovení zatížení větrem, která na konstrukce působí, a kromě 3D modelu vyžaduje od uživatele pouze popis zatížení větrem. Všechny ostatní parametry pro provedení komplexní simulace proudění se s ohledem na základní předpoklady stanoví automaticky v programu. Uživatel je tak ušetřen náročného zadání, které plyne z problematiky mechaniky proudění, a na stisknutí tlačítka obdrží výsledky analýzy.

Programová sestava

RWIND Simulation je samostatný program, který můžeme používat nezávisle na programech pro statické výpočty RFEM a RSTAB. Vzhledem k základnímu předpokladu, že stanovená zatížení větrem na budovy a působící síly se budou přenášet do statického modelu, existuje nativní propojení mezi programy RFEM, respektive RSTAB a programem RWIND Simulation. Toto propojení umožňuje exportovat přes rozhraní jakýkoli model z programu RFEM nebo RSTAB se zadáním zatížení větrem do programu RWIND Simulation a po výpočtu obdržet zatížení větrem působící na plochy prvků. Současně lze program RWIND Simulation používat také bez programu RFEM nebo RSTAB.

Vytvoření modelu

Program RWIND Simulation je uspořádán do projektů. Každý projekt popisuje geometrii tělesa ve vztahu k proudění větru v numerickém větrném tunelu a obsahuje definované vstupní zatížení větrem včetně všech hodnot v polích proudění v prostoru větrného tunelu a výsledků na povrchu těles. Zatížení větrem na vstupu přitom popisuje profil rychlosti větru a intenzity turbulence v závislosti na výšce. Projekt lze v zásadě zadat dvěma způsoby.

  1. Pokud chceme provést analýzu zatížení větrem pouze v programu RWIND Simulation, můžeme do numerického větrného tunelu daného projektu importovat obtékanou geometrii pomocí 3D datového modelu, uspořádat ji ve větrném tunelu a zadat v dialogu zatížení větrem na vstupu. Program přitom umožňuje načíst model jako trojúhelníkovou geometrii modelu ve formátu STL nebo jako ParaView geometrii modelu ve formátu VTP.

  1. Při analýze zatížení větrem, kdy se zatížení mají použít v programech pro statickou analýzu RFEM a RSTAB, se pro zachování všech vztahů zadává primární model jako statický model v programu RFEM, respektive RSTAB. V takovém případě lze přes rozhraní zadat v RFEMu a RSTABu zatížení větrem (ručně nebo podle normy) pro různé směry větru a statický model se všemi pruty, plochami, tělesy a 3D objekty převést automaticky pro směry větru do projektů větrného tunelu v programu RWIND Simulation.

RWIND Simulation nestanoví při importu modelu žádná další omezení. Bez ohledu na to, zda má obtékané těleso organický tvar anebo se jedná o blok s ostrými hranami, importují se přes dostupná rozhraní geometrická data s možností nastavit orientaci v numerickém větrném tunelu a na plochách se definují příslušné okrajové podmínky pro numerickou analýzu proudění.

Výpočet

Simulace proudění okolo zadaných těles ve větrném tunelu programu RWIND Simulation je založena na numerickém CFD modelu. Při procesu simulace probíhají následující kroky.

  1. Generování plošné sítě na povrchu obtékaných těles. Toto síťování pláště zjednodušuje obtékanou geometrii a zajišťuje vzduchotěsnost všech simulovaných objektů.

  1. Diskretizace prostoru mezi vnějšími stranami větrného tunelu a zesíťovaným pláštěm na objemové prvky pomocí generátoru sítě OpenFOAM (SnappyHexMesh). Velikost objemových prvků se přitom stanoví plynule a řídí se globálně zadanou hustotou sítě s homogenním zahuštěním směrem k bezprostřednímu okolí povrchu objektů.

  1. Iterační simulace proudění v diskretizovaném prostoru metodou konečných objemů pomocí řešiče OpenFOAM z rodiny SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations) pro stacionární nestlačitelné turbulentní proudění.

Vítr proudí kolem solárního sledovače | Program pro simulaci větru RWIND Simulation

  1. Určení výsledných tlaků větru na zesíťovaný plášť těles z proudění větru okolo těles.

  1. Transformace tlaků větru ze zesíťovaného pláště zpět na původní geometrii modelu.

Výsledky

Po dosažení kritéria konvergence při iteračním simulačním procesu zobrazí program dva základní typy výsledků pro popis proudění větru okolo těles a jeho účinku na tělesa. Zaprvé ukazují trojrozměrná pole proudění s možností zobrazení po vrstvách se znázorněním

  • rychlostí větru,
  • směrů větru,
  • tlaků,
  • vlastností turbulence a
  • proudnic (možnost animace)

průběh proudění větru okolo tělesa v prostoru.


Zadruhé ukazují skalární výsledky na plochách se zobrazením

  • tlaků větru včetně zobrazení vektorového odporu větru
  • aerodynamických součinitelů ploch

účinek proudění větru na tělesa.


Transformace

V případě, že projekt v RWIND Simulation vychází ze zadání v programu RFEM nebo RSTAB, výsledný tlak větru z RWIND Simulation se po dokončení analýzy proudění přenese na původní model jako samostatný zatěžovací stav v příslušném modelu RFEM nebo RSTAB. Tento zatěžovací stav - nebo sada zatěžovacích stavů při analýze několika směrů větru - obsahuje výsledná čistá zatížení tlakem větru na uzly sítě konečných prvků uvažovaných prutů, ploch a těles. Výsledkem výpočtu zatěžovacích stavů z RWIND Simulation v programu RFEM nebo RSTAB jsou vnitřní síly a deformace uvažovaných konstrukčních prvků na základě simulovaného účinku proudění větru. Kromě prostého výpočtu účinku větru lze samozřejmě tyto zatěžovací stavy skládat do kombinací zatížení a kombinací výsledků s jinými zatíženími a jejich výsledky pak použít v přídavných modulech pro další posouzení.

Závěr

Program RWIND Simulation je ve spojení s rozhraním na RFEM a RSTAB velice efektivní nástroj pro stanovení účinků větrem na budovy složitých geometrií. Díky intuitivnímu programování může uživatel při zohlednění odpovídající teorie výpočtu rychle a snadno stanovit účinky větru pro statickou analýzu konstrukce. Tento postup, který je již běžný v automobilovém a leteckém inženýrství, nabízí v oblasti statiky nadále velký potenciál s ohledem na ještě přesnější stanovení účinků větru a rychlejší zpracování statické analýzy konstrukce.

Autor

Dipl.-Ing. (BA) Andreas Niemeier, M.Eng.

Dipl.-Ing. (BA) Andreas Niemeier, M.Eng.

Vývoj produktů a péče o zákazníky

Ing. Niemeier je zodpovědný za vývoj hlavních programů RFEM a RSTAB a přídavných modulů pro membránové konstrukce. Zároveň má na starosti řízení jakosti a podporu zákazníkům.

Klíčová slova

Simulace větru CFD simulace OpenFOAM Analýza zatížení větrem Větrný tunel Účinek větru Stanovení síly větru Zatížení větrem Turbulence Turbulentní proudění Vír Proudové vlákno

Odkazy

Napište komentář...

Napište komentář...

  • Navštíveno 2608x
  • Aktualizováno 6. května 2021

Kontakt

Kontaktujte Dlubal Software

Máte dotazy nebo potřebujete poradit?
Kontaktujte prosím kdykoli naši bezplatnou technickou podporu e-mailem, na chatu nebo na fóru anebo se podívejte do sekce často kladených dotazů (FAQ).

+420 227 203 203

info@dlubal.cz

Online školení | Anglicky

Eurokód 2 | Betonové konstrukce podle DIN EN 1992-1-1

Online školení 12. května 2021 8:30 - 12:30 CEST

Výbušné konstrukce v programu RFEM

Časová analýza při výbuchu v programu RFEM

Webinář 13. května 2021 14:00 - 15:00 EDT

Online školení | Anglicky

RFEM pro studenty | 2. část

Online školení 17. května 2021 14:00 - 16:30 CEST

Online Training | Czech

RFEM | Bezplatné základní školení

Online školení 18. května 2021 9:00 - 11:30 CEST

Online školení | Anglicky

Eurokód 5 | Dřevěné konstrukce podle DIN EN 1995-1-1

Online školení 20. května 2021 8:30 - 12:30 CEST

Online školení | Anglicky

RFEM | Dynamika konstrukcí a posouzení zemětřesení podle EC 8

Online školení 2. června 2021 8:30 - 12:30 CEST

Návrh skla pomocí programů Dlubal Software

Návrh skla pomocí programů Dlubal Software

Webinář 8. června 2021 14:00 - 14:45 CEST

Online školení | Anglicky

RFEM pro studenty | 3. část

Online školení 15. června 2021 14:00 - 16:30 CEST

Online školení | Anglicky

RFEM | Základní školení | USA

Online školení 17. června 2021 9:00 - 13:00 EDT

Pozvání na konferenci

Statika stavieb 2021 - 25. konference statiků

Konference 14. října 2021 - 15. října 2021

Dřevěné konstrukce | 2. část: Posouzení

Prutové a plošné konstrukce ze dřeva | 2. část: Posouzení

Webinář 11. května 2021 14:00 - 15:00 CEST

Efektivní výměna dat mezi RFEM/RSTAB a Tekla Structures

Efektivní výměna dat mezi RFEM/RSTAB a Tekla Structures

Webinář 5. května 2021 9:00 - 10:00 CEST

Membránové konstrukce a \n CFD simulace zatížení větrem

Membránové konstrukce a CFD simulace zatížení větrem

Webinář 6. dubna 2021 13:00 - 14:00 CEST

Boulení stěn a skořepin s využitím softwaru Dlubal

Boulení stěn a skořepin s využitím softwaru Dlubal

Webinář 30. března 2021 14:00 - 14:45 CEST

Návrh oceli podle CSA S16:19 v programu RFEM

Návrh oceli podle CSA S16:19 v programu RFEM

Webinář 10. března 2021 14:00 - 15:00 EDT

Nejčastější chyby uživatelů v programech RFEM a RSTAB

Nejčastější chyby uživatelů v programech RFEM a RSTAB

Webinář 4. února 2021 14:00 - 15:00 BST

Řešení problémů a optimalizace MKP v programu RFEM

Řešení problémů a optimalizace MKP v programu RFEM

Webinář 26. ledna 2021 13:00 - 14:00 BST

Posouzení prutů podle ADM 2020 v programu RFEM

Posouzení prutů podle ADM 2020 v programu RFEM

Webinář 19. ledna 2021 14:00 - 15:00 EDT

Dlubal seminář

Dlubal online seminář | 15. prosince 2020

Webinář 15. prosince 2020 9:00 - 16:00 BST

Návrh dřevěné obloukové konstrukce dle EC5

Návrh dřevěné obloukové konstrukce dle EC5

Webinář 25. listopadu 2020 13:00 - 14:00 BST

Řešení problémů a optimalizace MKP v programu RFEM

Řešení problémů a optimalizace MKP v programu RFEM

Webinář 11. listopadu 2020 14:00 - 15:00 EDT

Interakce konstrukce s podložím v programu RFEM

Interakce konstrukce s podložím v programu RFEM

Webinář 27. října 2020 14:00 - 14:45 BST

Compatible Programs Program
RWIND Simulation 1.xx

Samostatný program

Samostatný program pro numerickou simulaci proudění vzduchu v digitálním větrném tunelu a export vygenerovaných zatížení větrem do programu RFEM nebo RSTAB.

Cena za první licenci
2 690,00 USD
RFEM Hlavní program
RFEM 5.xx

Hlavní program

Program RFEM pro statické výpočty metodou konečných prvků umožňuje rychlé a snadné modelování konstrukcí, které se skládají z prutů, desek, stěn, skořepin a těles. Pro následná posouzení jsou k dispozici přídavné moduly, které zohledňují specifické vlastnosti materiálů a podmínky uvedené v normách.

Cena za první licenci
3 540,00 USD
RSTAB Hlavní program
RSTAB 8.xx

Hlavní program

Program pro statický výpočet a navrhování prutových a příhradových konstrukcí, provedení lineárních a nelineárních výpočtů vnitřních sil, deformací a podporových reakcí.

Cena za první licenci
2 550,00 USD