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 v moderním městě s mrakodrapy (obrázek 1), polem rychlosti větru na věži (obrázek 2) a interakcí větrné konstrukce pomocí programů RWIND a RFEM pro most (obrázek 3).
Method of Wind Load Calculation
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.
Important Principles and Validation Examples
Here are some important criteria that wind engineers need to consider when using CFD simulation as computational techniques for estimating fluid flow in motion.
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. There are available Eurocode validation examples using RWIND to introduce the most compatible setting for CFD simulation.
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). This integration allows for seamless transfer of wind loads derived from RWIND to structural analysis and design (Image 3 and 5).
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
Using CFD Simulation for Calculating Wind Load in Eurocode
Eurocode provides guidelines (specifically Eurocode 1, Part 4: Wind Actions) for determining wind loads on structures. 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:
- Understand the building code requirements: Every city, state, or country may have different building codes. Některé se mohou řídit mezinárodními normami, zatímco jiné mohou mít konkrétnější lokální pravidla. Je třeba porozumět specifickým požadavkům v místě vašeho projektu.
- Define the geometry: The first step is to create a detailed 3D model of the building or structure in the CFD software. 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.
- Set boundary conditions: Define the boundary conditions for the CFD simulation, including the wind speed, direction, and turbulence intensity. Tyto okrajové podmínky jsou obvykle založeny na historických údajích o počasí nebo na specifických kritériích posouzení větru stanovených v Eurokódu.
- Mesh generation: Create a mesh grid around the building geometry to discretize the fluid domain. Rozlišení sítě by mělo být dostatečně jemné, aby zachytilo příslušné charakteristiky proudění a jevy v mezní vrstvě v blízkosti povrchů budov.
- Solving the equations: CFD software solves the governing fluid flow equations (Navier-Stokes equations) numerically for the defined boundary conditions. Software spočítá rychlostní a tlaková pole okolo budovy.
- Validation: Compare your CFD results with wind tunnel tests or empirical data to validate your findings.
- Post-processing: Once the CFD simulation is complete, post-processing is done to analyze the results. To představuje získání údajů o tlacích, silách a rychlostech větru působících na povrch budovy.
- Wind load calculation: Based on the pressure distribution obtained from the CFD simulation, wind loads on different surfaces of the building are calculated following Eurocode guidelines. Součinitele tlaku se používají pro stanovení zatížení větrem na stěny, střechy a další konstrukční prvky.
- Load combination: Wind loads calculated from CFD simulations are then combined with other relevant loads, such as dead loads, live loads, and snow loads, as per Eurocode load combination rules.
- Structural analysis: The wind loads, along with other loads, are used as inputs for the structural analysis of the building to assess its stability and integrity under various load scenarios.
- Optimization: Modify the design to mitigate any high-pressure areas or other potential problems identified by the CFD analysis.
- Peer review or third-party verification: Depending on the complexity of the building and local regulations, you might need to have your designs and CFD results reviewed by a third party. Jedná se o další krok k potvrzení, že váš návrh splňuje požadavky stavebního zákona.
Závěr a výhled
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.
