Beschreibung
Im aktuellen Validierungsbeispiel untersuchen wir den Winddruckbeiwert (Cp) von Flachdach und Wänden mit ASCE 7-22 als minimale Bemessungslasten und den zugehörigen Kriterien für Gebäude und andere Tragwerke [1]. In Abschnitt 28.3 (Windlasten - Hauptwindkraftresistenzsystem) und Bild 28.3-1 (Lastfall 1) ist eine Tabelle dargestellt, die den Cp-Wert für verschiedene Dachwinkel bilanziert. Im vorliegenden Beispiel haben wir θ=0 als Flachdach gewählt.
Obwohl CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics - CFD) immer häufiger in Windkraftanlagen eingesetzt werden, beschreibt ASCE 49 nicht alle wesentlichen Verfahren der CFD. Jegliche Verwendung von CFD zur Ermittlung der Windlasten des Bemessungs-Hauptwindkraftwiderstandssystems (MWFRS), C&C-oder anderen Strukturen' erfordert einen Peer-Review sowie eine Verifikations- und Validierungsstudie (V&V) [2] . Es wird nämlich noch eine ähnliche Norm benötigt, um die Verfahren zu dokumentieren, die erforderlich sind, um zuverlässige und genaue Windlasten mit CFD-Tools zu erhalten. In der Zwischenzeit ist diese Norm entwickelt worden. Um die Qualitätssicherung und Qualitätskontrolle dieses Verfahrens in Ermangelung einer Norm anzusprechen, ist dies erforderlich [1].
Der Schlüsselfaktor der CFD-Simulation ist, die normenkonformen Konfigurationen in Bezug auf Eingabedaten wie Turbulenzmodelle, Windgeschwindigkeitsprofile, Turbulenzintensitäten, Grenzschichtbedingungen, Diskretisierung usw. zu finden. Der wichtige Punkt ist, dass die Normen die erforderlichen Informationen für eine numerische Simulation wie die CFD-Simulation nicht abdecken. Im aktuellen VE wurden die kompatibelsten RWIND-Einstellungen am Beispiel des ASCE 7-22 Daches und Wände bezogen.
Analytische Lösung und Ergebnisse
Das dreidimensionale geschlossene Modell (Einheit: m (ft)) wird gemäß Bild 1 angenommen, das 8 Windzonen (1,2,3,4,1E,2E,3E,4E) darstellt. Die Außendruckbeiwerte (GCpf ) für geschlossene, teilweise geschlossene und teilweise offene Gebäude mit niedrigen Wänden und Dächern sind in Bild 28.3-1 der ASCE 7-22 dargestellt. Wichtige Annahmen und Eingangsdaten sind ebenfalls in Tabelle 1 zusammengestellt.
| Tabelle 1: Abmessungsverhältnis und Eingabedaten | |||
| Basiswindgeschwindigkeit | V | 30 (67,10) | m/s (km/h) |
| Geländekategorie | 2 | ||
| Mittlere Dachhöhe | h | 5 (16,40) | m (ft) |
| Horizontale Abmessung (Randabstand) | α | 4 (13.12) | m (ft) |
| Dachwinkel | θDach | 0 | Grad |
| Luftdichte - RWIND | ρ | 1,25 (0,078) | kg/m3 (lb/ft3 ) |
| Windrichtungen | θWind | 0, 22.5, 45 | Grad |
| Turbulenzmodell - RWIND | Stetige RANS k-ω SST | - | |
| Kinematische Viskosität (Gleichung 7.15, EN 1991-1-4) - RWIND | ν | 1,5*10-5 (1,6*10-4 ) | m2/ s |
| Schemareihenfolge - RWIND | 2. | - | |
| verbleibender Zielwert - RWIND | 10-4 | - | |
| verbleibender Typ - RWIND | Druck | - | |
| Mindestanzahl an Iterationen - RWIND | 800 | - | |
| Grenzschicht - RWIND | NL | 10 | |
| Art der Wandfunktion - RWIND | erweitert/gemischt | - | |
| Turbulenzintensität (beste Anpassung) - RWIND | I | Gelände 2 | |
Der mittlere Winddruckbeiwert Cp wird für verschiedene Zonen mit unterschiedlichen Turbulenzintensitäten berechnet. Es werden drei Windrichtungen (θ= 0, 22,5, 45 Grad) berücksichtigt, um den kritischen Wert von Cp zu finden. Die Cp-Kontur ist in Bild 2 dargestellt. Die Tabelle der Abweichungswerte und das Diagramm desCp -Wertes bei verschiedenen Turbulenzintensitäten sind in Bild 3 und Bild 4 dargestellt. Vier Konstanten und eine Variable (basierend auf Gelände 2) der Turbulenzintensität werden für die Durchführung von Windsimulationen berücksichtigt. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung, wenn sich das Turbulenzprofil nahe der Geländekategorie 2 bewegt.
Fazit
Im vorliegenden Beispiel haben wir die Validierung des durchschnittlichen Cp -Wertes von Dächern und Wänden untersucht, der in ASCE 7-22 mit RWIND vorgestellt wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass die empfohlene RWIND-Konfiguration eine gute Übereinstimmung mit dem Standard aufweist. Die höhere Turbulenzintensität nahe dem Varianten-Turbulenzprofil von Gelände 2 zeigt genauere Ergebnisse als das niedrige Turbulenzprofil. Es ist wichtig, das Szenario mit kritischer Windrichtung zu berücksichtigen, um einen Extremwert von ASCE 7-22 zu erhalten. Die Abweichungswerte (Differenzen um 20 %) ergaben sich größtenteils aus Sicherheitsfaktoren und dem in den Normen verwendeten statistischen Ansatz.
Außerdem finden Sie hier ein Flachdachmodell mit empfohlenen Einstellungen zum Herunterladen: