Popis
Stávající normy, jako jsou EN 1991-1-4 [1], ASCE/SEI 7-16 a NBC 2015, stanovují parametry zatížení větrem, včetně součinitele tlaku větru (Cp), pro základní tvary konstrukcí. Klíčovou výzvou však není použití těchto parametrů, ale jejich efektivnější a přesnější stanovení, namísto spoléhání se na časově náročné a často složité vzorce uvedené v normách.
Jedním z klíčových aspektů simulace CFD je výběr přesných a kompatibilních konfigurací, jako je model turbulence, profil rychlosti větru, intenzita turbulence, podmínky mezní vrstvy a pořadí diskretizace. Tyto numerické detaily však nejsou v normě EN 1991-1-4 výslovně specifikovány.
V aktuálním validačním příkladu zahrnujícím válcovou konstrukci navrhujeme sadu doporučených nastavení CFD, která jsou v souladu s rámcem Eurokódu. Jak je uvedeno v normě EN 1991-1-4, stanovení hodnot Cp je založeno na složitých vzorcích, které se mění s Reynoldsovým číslem, které lze zjednodušit pomocí dobře kalibrovaných přístupů CFD.
Analytické řešení
Kóty válce, jak je znázorněno na obrázku 1, jsou navrženy tak, aby bylo dosaženo Reynoldsova čísla Re= 2*106 na základě rovnice 7.15 normy EN 1991-1-4. V tomto vzorci b představuje průměr válce, ν je kinematická viskozita vzduchu (ν=15*10-6 m2/s) a v(ze) označuje maximální rychlost větru v referenční výšce ze:
Předpoklady a doporučená nastavení CFD, shrnutá v tabulce 1, ukazují lepší shodu s hodnotami součinitele tlaku Cp a silového koeficientu uvedenými v příkladu Eurokódu:
| Rychlost větru | V | 30 | m/s |
| Reynoldsovo číslo (rovnice 7.15, EN 1991-1-4) | Re | 2*106 | - |
| Výška | L | 1 | m |
| Průměr | D | 1 | m |
| Poloha minimálního tlaku/oddělení průtoku (tabulka 7.12, EN 1991-1-4) | αmin/αA | 80/120 | Stupeň |
| Hodnota minimálního součinitele tlaku (tabulka 7.12, EN 1991-1-4) | Cp0,min | -1,9 | - |
| Základní součinitel tlaku (tabulka 7.12, EN 1991-1-4) | Cp0,h | -0,7 | - |
| Poměr tělesa (rovnice 7.28, EN 1991-1-4) | φ | 1 | - |
| Efektivní štíhlostní poměr (tabulka 7.16, EN 1991-1-4) | λ | 1 | - |
| Faktor koncového účinku (obrázek 7.36 – rovnice 7.17, EN 1991-1-4) | ψλ - ψλa | 0,6-(0,6-1) | - |
| Koeficient síly (obrázek 7.28, EN 1991-1-4) | Cf,0 | 0,55 | - |
| Hustota vzduchu | ρ | 1,25 | kg/m3 |
| Model turbulence | Steady RANS k-ω SST | - | - |
| Kinematická viskozita (rovnice 7.15, EN 1991-1-4) | ν | 1,5*10-5 | m2/s |
| Řád schématu | Druhý | - | - |
| Cílové reziduum | 10-5 | - | - |
| Typ rezidua | Tlak | - | - |
| Minimální počet iterací | 800 | - | - |
| Mezní vrstva | NL | 10 | - |
| Typ funkce stěny | Vylepšená / Smíšená | - | - |
| Intenzita turbulence (nejlepší shoda) | I | 7,5 %–15 % | - |
Výsledky
Nakonec je v obrázku 2 znázorněna křivka Cp pro intenzitu turbulence 7,5 % a v obrázku 3 je uveden odpovídající diagram pro různé intenzity turbulence. Mezi testovanými případy vykazuje intenzita turbulence I=7,5 % nejlepší shodu při předpovídání průměrného součinitele tlaku větru.
Při zohlednění dalšího klíčového parametru, koeficientu síly Cf,0 (uvedeného v tabulce 2 a odkazovaného v obrázku 7.28 normy EN 1991-1-4), však intenzita turbulence 15 % vede k výsledkům, které jsou více v souladu s příkladem Eurokódu.
| ‚‘'Intenzita turbulence (%)‚‘' | Fd (N) | ρ (kg/m3) | u (m/s) | A (m2) | Cf,0 |
| 1,00 | 253 | 1,25 | 30 | 1 | 0,45 |
| 5,00 | 226 | 1,25 | 30 | 1 | 0,40 |
| 7,50 | 253 | 1,25 | 30 | 1 | 0,46 |
| 10,00 | 257 | 1,25 | 30 | 1 | 0,46 |
| 15,00 | 303 | 1,25 | 30 | 1 | 0,54 |
| 20,00 | 328 | 1,25 | 30 | 1 | 0,58 |
| 25,00 | 361 | 1,25 | 30 | 1 | 0,64 |
| Eurokód | - | - | - | - | 0,55 |
Model válce s doporučeným nastavením CFD je k dispozici ke stažení zde:
