Jak splnit požadavky Eurokódu při výpočtu zatížení větrem pomocí CFD

Úvod

Větrné inženýrství je multidisciplinární obor, který se zaměřuje na pochopení a analýzu chování větru a jeho účinků na konstrukce, budovy a životní prostředí. Hraje klíčovou roli při navrhování bezpečných, efektivních a udržitelných infrastruktur a současně využívá sílu větrné energie pro různé aplikace. Větrné inženýrství kombinuje principy z meteorologie, dynamiky tekutin, stavebního inženýrství a architektury a zkoumá, jak vítr interaguje s konstrukcemi. Prvořadým cílem je zajistit bezpečnost a stabilitu budov a jiných konstrukcí při proměnných větrných podmínkách. Inženýři a výzkumní pracovníci používají matematické modely a testování ve větrném tunelu pro simulaci reálných scénářů a shromažďují data pro vývoj efektivních návrhových řešení. V tomto příspěvku se podíváme na význam větrného inženýrství a jeho roli v normách a na to, jak je dodržovat, zejména EN 1991-1-4 [1]. Zde je několik příkladů použití simulace větru: vítr v moderním městě s mrakodrapy (obrázek 1), rychlostní pole větru okolo věže (obrázek 2) a interakce větru a konstrukce mostu (obrázek 3) pomocí programů RWIND a RFEM.

Obrázek 1: Simulace větru v moderním městě pomocí programu RWIND

Obrázek 2: Rychlostní pole větru kolem věže

Obrázek 3: Interakce větru a konstrukce mostu pomocí programů RWIND a RFEM

Metoda výpočtu zatížení větrem

Vzhledem k rostoucímu počtu konstrukcí různých výšek a tvarů vzrůstá v posledních letech význam interakce konstrukce a větru. Pro stanovení interakce se používají experimentální a numerické postupy. Mnoho konstrukcí se posuzuje pomocí experimentů ve větrných tunelech. Tímto způsobem lze vypočítat účinky zatížení větrem. Pro budovy velkých rozměrů, jako jsou výškové budovy, mosty nebo stadiony, má testování ve větrných tunelech velký přínos, ale jedná se o velmi drahé a časově náročné metody.

Zatížení konstrukce větrem lze stanovit také pomocí CFD simulace, což je levnější a rychlejší metoda. Je důležité poznamenat, že podle ASCE7-22 a EN 1991-1-4 lze jako efektivní metodu použít pouze ověřenou a validovanou numerickou CFD simulaci.

Důležité principy a validační příklady

Zde jsou některá důležitá kritéria, která musí větrní inženýři zohlednit při použití CFD simulace jako výpočetní techniky pro výpočet proudění tekutiny. Existuje celá řada programů, které zvládají CFD výpočty; program RWIND je uživatelsky velmi přívětivý a výkonný nástroj určený především pro statiky. Program RWIND je užitečný zejména pro inženýry a projektanty, kteří potřebují pochopit, jak vítr působí na budovy, mosty, věže a další konstrukce. Vytvořením 3D modelu proudění větru může tento software pomoci při posouzení zatížení větrem, analýze větrné pohody a zajištění toho, aby konstrukce odolávaly zatížení větrem. Účinky statického zatížení větrem na konstrukce lze stanovit pomocí jedné z různých norem a zajímavé je také srovnání s CFD simulací. Zde jsou k dispozici  Příklady validace Eurokódu v programu RWIND, které ukazují nejkompatibilnější nastavení pro CFD simulaci.

Obrázek 4: Příklad Eurokódu pro výškový obdélníkový kvádr

Normy

V evropských zemích se používá pro výpočty zatížení větrem Eurokód. Pro tyto výpočty se dynamické zatížení větrem zjednoduší na konzervativní náhradní statické zatížení se zohledněním součinitelů spolehlivosti. Alternativou k výpočtu zatížení větrem je zkouška ve větrném tunelu. EN 1991-1-4 poskytuje návod, jak stanovit přirozené zatížení větrem, které je třeba zohlednit při statickém posouzení budovy nebo jiných konstrukcí pro každou z oblastí zatížení. Týká se to celé konstrukce, jejích komponent nebo prvků s ní spojených, jako jsou obkladové prvky a jejich upevnění nebo bezpečnostní a protihlukové stěny [1].

V kapitole C31 normy ASCE 7-22 [2] týkající se postupu ve větrném tunelu jsou uvedeny důležité body týkající se CFD simulace, které zmiňují:

Norma ASCE 49 stanovuje požadavky na příslušné zkoušky ve větrném tunelu. Pro výpočet zatížení větrem pomocí numerického nebo skutečného testování ve větrném tunelu je taková norma nezbytná. Ačkoli využití numerické simulace proudění (CFD) v aplikacích větrného inženýrství roste, ASCE 49 neuvádí jasně všechny kroky potřebné pro CFD. Jakékoli použití CFD pro odhad zatížení větrem pro hlavní návrhový systém odolávající síle větru (MWFRS), C&C nebo jiné konstrukce vyžaduje odbornou kontrolu a verifikační a validační studii (V&V), zatím čekáme na podobnou normu s popisem požadovaných postupů pro získání spolehlivých a přesných zatížení větrem pomocí CFD nástrojů [2]. To je nezbytné pro zajištění kvality a řízení kvality tohoto postupu, protože neexistuje norma [3]. Mnoho specifikací uvedených v ASCE 49 pro experimentální testování ve větrném tunelu platí i při použití CFD pro numerický větrný tunel. Numerický model například vyžaduje dostatečné proudění větru, přesnou geometrii, zahrnutí hlavních sousedních konstrukcí a zohlednění možnosti modálního buzení a aeroelastických účinků. CFD simulace, pokud je ověřena na základním fyzikálním modelu, může pomoci při řešení jemností, které na fyzikálním modelu nemohou být změřeny a/nebo může umožnit analýzu citlivosti na změnu parametrů. Jednou z významných výhod programu RWIND je jeho integrace s dalšími softwarovými produkty společnosti DLUBAL, jako jsou RFEM (software pro statickou analýzu metodou konečných prvků) a RSTAB (software pro statickou analýzu prutových konstrukcí). Tato integrace umožňuje bezproblémový přenos zatížení větrem z programu RWIND do statického výpočtu a posouzení (obrázky 3 a 5).

Obrázek 5: Interakce větru a lehké konstrukce pomocí programů RWIND a RFEM

Simulace v numerickém větrném tunelu mohou být považovány pouze za kvalitativní údaje bez takového ověření. Pokud jsou zapotřebí informace pro posouzení pro následující napětí vyvolaná větrem, často se jako poslední možnost používají experimenty ve větrném tunelu.

• Napětí vyplývající z nestabilit, jako je flutter a další aeroelastické jevy
• Tlaky na obvodovou stěnu v důsledku nerovnoměrné geometrie
• Napětí od napříč působícího větru a/nebo kroucení
• Periodická zatížení vyvolaná odtrháváním vírů

Použití CFD simulace pro výpočet zatížení větrem v Eurokódu

Eurokód poskytuje pokyny (konkrétně Eurokód 1, část 4: Zatížení větrem) pro stanovení zatížení větrem na konstrukce. CFD simulace lze použít pro posouzení proudění větru okolo budov a pro přesný výpočet zatížení větrem působícím na různé plochy konstrukce. Zde je vysvětleno, jak lze použít CFD simulaci pro výpočet zatížení větrem v Eurokódu:

1. Porozumění požadavkům stavební normy: každé město, stát nebo země mohou mít různé stavební normy. Některé se mohou řídit mezinárodními normami, zatímco jiné mohou mít konkrétnější lokální pravidla. Je třeba porozumět specifickým požadavkům v místě vašeho projektu.
2. Zadání geometrie: prvním krokem je vytvoření podrobného 3D modelu budovy nebo konstrukce v CFD softwaru. Tento model by měl přesně reprezentovat tvar, velikost a vlastnosti konstrukce včetně okolního terénu nebo sousedních budov, které mohou ovlivnit proudění větru. Kategorie terénu v Eurokódu 1 se používají k definování vlastností terénu, které následně ovlivňují rychlost větru a tlak působící na konstrukci. Pomocí těchto kategorií se stanoví drsnost terénu a délka drsnosti terénu, které pak ovlivňují rychlostní profil větru a účinky větru na konstrukci. Tyto informace jsou nezbytné pro posouzení konstrukce, aby bylo zajištěno, že budova nebo konstrukce odolá zatížení větrem, které se očekává v dané lokalitě a v okolním terénu.
3. Nastavení okrajových podmínek: zadejte okrajové podmínky pro CFD simulaci, včetně rychlosti a směru větru a intenzity turbulence. Tyto okrajové podmínky jsou obvykle založeny na historických údajích o počasí nebo na specifických kritériích posouzení větru stanovených v Eurokódu.
4. Generování sítě: vytvořte síť okolo geometrie budovy pro diskretizaci oblasti proudění. Rozlišení sítě by mělo být dostatečně jemné, aby zachytilo příslušné charakteristiky proudění a jevy v mezní vrstvě v blízkosti povrchů budov.
5. Řešení rovnic: CFD software řeší rozhodující rovnice proudění (Navier-Stokesovy rovnice) numericky pro definované okrajové podmínky. Software spočítá rychlostní a tlaková pole okolo budovy.
6. Validace: porovnejte své výsledky CFD s testy ve větrném tunelu nebo s empirickými údaji pro ověření numerických výsledků.
7. Postprocessing: jakmile je CFD simulace dokončena, následuje postprocessing pro analýzu výsledků. To představuje získání údajů o tlacích, silách a rychlostech větru působících na povrch budovy.
8. Výpočet zatížení větrem: na základě rozdělení tlaku získaného z CFD simulace se stanoví zatížení větrem na různé plochy budovy podle pokynů Eurokódu. Součinitele tlaku se používají pro stanovení zatížení větrem na stěny, střechy a další konstrukční prvky.
9. Kombinace zatížení: zatížení větrem vypočítaná z CFD simulací se pak kombinují s dalšími relevantními zatíženími, jako jsou vlastní zatížení, užitná zatížení a zatížení sněhem, podle pravidel Eurokódu pro kombinace zatížení.
10. Statická analýza: zatížení větrem spolu s dalšími zatíženími se používají jako vstupy pro statickou analýzu budovy pro posouzení její stability a celistvosti při různých zatěžovacích scénářích.
11. Optimalizace: upravte návrh tak, aby se omezily oblasti s vysokým tlakem nebo jiné potenciální problémy identifikované CFD analýzou.
12. Posouzení nebo ověření třetí stranou: v závislosti na složitosti budovy a místních předpisech může být nutné nechat zkontrolovat své návrhy a výsledky CFD třetí stranou. Jedná se o další krok k potvrzení, že váš návrh splňuje požadavky stavebního zákona.

Závěr

S ohledem na stavební normy a zatížení větrem lze CFD využít pro simulaci interakce větru s budovou, která poskytuje podrobnější a přesnější porozumění zatížení větrem než lze dosáhnout pomocí jednoduchých vzorců. Je důležité poznamenat, že CFD simulace pro výpočet zatížení větrem vyžadují odborné znalosti v oblasti CFD modelování i znalost norem Eurokódu. Přesnost simulace dále závisí na kvalitě modelu budovy, volbě okrajových podmínek a rozlišení sítě. Je ovšem důležité si uvědomit, že ačkoliv CFD může poskytnout cenné poznatky, je to nástroj, který by měl být používán v souladu s požadavky a normami stanovenými ve stavebních předpisech, nikoli jako náhrada. Pro správnou interpretaci výsledků CFD simulací je také nutné mít dobré znalosti z mechaniky tekutin a numeriky. Validační příklady a články z naší databáze znalostí jsou užitečným zdrojem pro nalezení numerického nastavení nejkompatibilnějšího s normami.