Profil rychlosti větru a intenzity turbulence pro stanovení kvazistatického zatížení větrem v souladu s koncepcí poryvu větru

Odborný článek z oblasti statiky za použití softwaru Dlubal

  • Databáze znalostí

Odborný článek

Odezva konstrukcí na působení větru se liší v závislosti na jejich tuhosti, hmotnosti a na tlumení. V zásadě rozlišujeme mezi konstrukcemi náchylnými a nenáchylnými ke kmitání.

Obvykle se konstrukce nepovažují za náchylné ke kmitání, pokud se deformace větrem vyvolaná rezonancí při nárazech nezvýší o více než 10 % [2]. V tomto případě lze časově proměnné působení větru popsat jako statické ekvivalentní zatížení.

Za předpokladu, že víry ve vzdušném proudu jsou vzhledem k rozměrům budovy značné, lze „kvazistacionární metodou“ nebo v souladu s takzvanou poryvovou koncepcí stanovit v programu RWIND Simulation staticky působící rozdělení tlaku p na geometrii budovy [3].

Přitom se pro turbulentní kolísání rychlosti po dobu působení poryvu větru v zásadě uvažuje stacionární pole proudění okolo modelu stavby [3]. Kolísání tlaku na povrchu modelu vlivem turbulence větru se tak považuje za stav, který setrvává po určitou dobu t. Fluktuace tak přesně sledují průběh časově středovaných součinitelů tlaku cp,mean na povrchu modelu.

Výsledný tlak na povrch modelu vyvolaný větrem Δp(t) pak závisí čistě na rychlosti proudění v(t).

Tlak vyvolaný větrem v závislosti na čase

Δp(t) = 12 · ρ · v2 (t) · cp,mean

ρ hustota vzduchu
v rychlost proudění
cp,mean časově středovaný součinitel tlaku
t čas

Hodnota vektoru rychlosti proudění v(t) je tedy:

v(t)² = (vx,mean + vx,fluctuation(t))² + vy,fluctuation(t)² + vz,fluctuation(t)²

Pokud je příspěvek kvadratických členů nepatrný, je efektivní hodnota vektoru rychlosti proudění v(t):

v(t)² = vx,mean² + 2 ⋅ vx,mean ⋅ vx,fluctuation(t)

Po dosazení efektivní rychlosti proudění do rovnice pro tlak vyvolaný větrem dostaneme:

Δp(t) = 1/2 ⋅ ρ ⋅ vx,mean² [1 + (2 ⋅ vx,fluctuation(t)) / vx,mean] ⋅ cp,mean

Tato transformace ukazuje, že kolísání tlaku větru Δp(t) závisí pouze na kolísání rychlosti větru vx,fluctuation(t) v hlavním směru proudění x.

Pokud nahradíme časově proměnné kolísání rychlosti vx,fluctuation(t) maximálním kolísáním rychlosti vx,fluctuation,max, odstraníme ze systému časovou proměnnost.

Jestliže poté porovnáme výraz vx,fluctuation,max / vx,mean jako násobek g intenzity turbulence Iv(z),

Intenzita turbulence v závislosti na výšce

Iv(z) = δvvmean (z)

δv
standardní odchylka od střední rychlosti vmean
vmean(z) střední rychlost v závislosti na výšce
z výška nad zemí

lze tento výraz v hranatých závorkách popsat jako součinitel nárazu větru G(z). Při dosazení výrazů do rovnice pro jmenovité zatížení větrem dostaneme:

Jmenovité zatížení větrem

W = 12 · ρ · vmean2 (z) · G(z) · cp,mean

ρ hustota vzduchu
vmean střední rychlost proudění
G(z) součinitel nárazu větru v závislosti na výšce
cp,mean časově středovaný součinitel tlaku

kde

Součinitel nárazu větru

G(z) = 1 + 2 · g · Iv (z)

g součinitel pro stanovení trvání poryvu větru
Iv(z) intenzita turbulence v závislosti na výšce
z výška nad zemí

Například v EN 1991-1-4 je součinitel g udávající trvání poryvu větru 3,5.

Program RWIND Simulation stanoví střední hodnoty tlaků pmean na povrchu modelu v závislosti na rychlosti proudění vx(z) stacionárním řešením RANS rovnic pomocí algoritmu SIMPLEC. Protože střední hodnoty součinitelů tlaku cp,mean vycházejí z poměru mezi stanovenými středními hodnotami tlaku pmean a maximálním dynamickým tlakem nerušeného větru ve výšce střechy q (výška střechy),

cp,mean = pmean / q(výška střechy)

lze pro stanovení jmenovitých zatížení větrem podle poryvové koncepce použít rychlost proudění z přepočteného maximálního dynamického tlaku větru q(z) podle výšky [1].

v(z) = √(2 ⋅ q(z) / ρ)

Tato rychlost větru tak zahrnuje střední rychlost větru vmean a maximální fluktuační složku vfluctuation. Intenzitu turbulentního proudění lze v takovém případě nastavit jako konstantní po výšce na velmi malou hodnotu asi 5% [4].

Při zohlednění účinků sil působících na celou budovu nebo na velké plochy se lze touto metodou velmi dobře přiblížit reálnému zatížení větrem [3]. Důvodem je, že průměrováním potlačené malé turbulentní účinky působí pouze v dílčích oblastech a při globální integraci sil nemají znatelný efekt.

Tato koncepce je velmi příznivá také v případě malých dílčích ploch s čelním větrem, protože efektivní tlakové fluktuace jsou zde již velmi dobře zaznamenány v profilu maximální rychlosti větru [3].

Naopak u ploch s oddělenými toky větru (boční a zadní stěna) vykazuje systém horší přiblížení realitě. Zejména v těchto zónách má turbulence indukovaná stavbou a „odstraněná“ průměrováním podle poryvové koncepce větší účinek, než je turbulence proudění zahrnutá v profilu rychlosti proudění.

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

Maximální rychlost větru Rychlost poryvu větru Základní rychlost větru Střední rychlost větru Intenzita turbulence Tlak větru

Literatura

[1]   Eurocode 1: Actions on structures - Part 1-4: General actions - Wind actions; German version EN 1991-1-4:2005 + A1:2010 + AC:2010
[2]   Albert, A.: Schneider - Bautabellen für Ingenieure mit Berechnungshinweisen und Beispielen, 22. Auflage. Bochum: Bundesanzeiger, 2016
[3]   Kiefer, H: Windlasten an quaderförmigen Gebäuden in bebauten Gebieten, 2003
[4]   Werth, M.: Vergleichende Studie zu Windlastmodellen im Hochbau: Numerische Strömungsberechnung vs. Druckmessungen im Windkanal, 2019

Odkazy

Napište komentář...

Napište komentář...

  • Navštíveno 271x
  • Aktualizováno 14. září 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

Pozvánka na akci

2022 NASCC: Konference o oceli

Konference 23. března 2022 - 25. března 2022

Pozvánka na akci

Mezinárodní konference o masivním dřevě

Konference 12. dubna 2022 - 14. dubna 2022

Pozvánka na akci

Kongres pro statiku staveb 2022

Konference 21. dubna 2022 - 22. dubna 2022

Návrh skla pomocí programů Dlubal Software

Návrh skla pomocí programů Dlubal Software

Webinář 5. srpna 2021 13:00 - 14:00 CEST

Návrh skla pomocí programů Dlubal Software

Návrh skla pomocí programů Dlubal Software

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

Časová analýza výbuchu v programu RFEM

Časová analýza výbuchu v programu RFEM

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

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

RFEM 5
RFEM

Rozšíření modulu STEEL EC3 a RF-STEEL AISC

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 8
RSTAB

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