Autoren: Mahyar Kazemian1, Sajad Nikdel2, Mehrnaz MohammadEsmaeili3, Vahid Nik4, Kamyab Zandi*5
ZUSAMMENFASSUNG Bei der statischen Bemessung und statischen Bewertung weitspanniger Brücken spielen Umweltlasten wie Wind und Flussströmung eine wesentliche Rolle. Klimawandel und Extremereignisse gefährden die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Verkehrsnetzes.
Dies hat zu einer wachsenden Nachfrage nach digitalen Zwillingsmodellen geführt, um die Belastbarkeit von Brücken unter extremen klimatischen Bedingungen zu prüfen. Die 1956 in Schweden über den Fluss Kalix gebaute Brücke dient in diesem Zusammenhang als Testumgebung.
Das Brückentragwerk aus Spannbeton besteht aus fünf Feldern, wobei das längste 94 m misst. In dieser Studie werden aerodynamische Eigenschaften und Extremwerte der numerischen Windsimulation wie der Flächendruck mittels Spalart-Allmaras Delayed Detached Eddy Simulation (DDES) als hybrider RANS-LES-Turbulenzansatz gewonnen, der sowohl praktikabel als auch rechnerisch effizient für wandnahe mit der LES-Methode auferlegte Maschendichte.
Der Flächenwinddruck wird für drei extreme Klimaszenarien ermittelt, darunter extrem windiges Wetter, extrem kaltes Wetter und der Bemessungswert für eine 3000-jährige Wiederkehrperiode. Das Ergebnis zeigt signifikante Unterschiede im Bodenwinddruck aufgrund von Zeitschichten, die aus der instationären Windströmungssimulation stammen. Um die statische Leistungsfähigkeit unter dem kritischen Windszenario zu bewerten, wird der höchste Wert der Flächenpressung für jedes Szenario betrachtet.
An den Brückenpfeilern wird auch eine hydrodynamische Untersuchung durchgeführt, bei der die Flussströmung mit der VOF-Methode simuliert wird und der Wasserbewegungsvorgang um die Pfeiler instationär und zu verschiedenen Zeitpunkten untersucht wird. An den Pfeilerflächen wird jeweils die Flächenpressung des Flusses mit dem höchsten erfassten Volumenstrom berechnet.
Bei der Simulation des Flusses wurden Informationen und Wetterbedingungen verwendet, die in den vergangenen Perioden aufgezeichnet wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Flächenpressung zum Zeitpunkt des Auftreffens des Flusses auf die Pfeiler deutlich höher ist als in den Folgezeiten. Dieser Druck kann als kritische Last in Fluid-Struktur-Interaktions-Berechnungen (FSI) verwendet werden.
Schließlich werden für beide Abschnitte die Windflächenpressung, das Geschwindigkeitsfeld in Bezug auf die Hilfssondenlinien, die Wasserumfangsbewegungskonturen um die Pfeiler und der Druckverlauf darauf in verschiedenen Zeitschritten aufgezeichnet.
Stichwörter: Digitaler Zwilling, Windtechnik, Betonbrücke, Hydrodynamik, CFD-Simulation, DDES-Turbulenzmodell, Kalixbrücke
1. Einführung
Verkehrsinfrastrukturen sind das Rückgrat unserer Gesellschaft und Brücken der Flaschenhals des Verkehrsnetzes [1]. Darüber hinaus sind der Klimawandel, der zu höheren Verschlechterungsraten führt, und extreme Klimaereignisse wichtige Bedrohungen für die Zuverlässigkeit und Sicherheit der Verkehrsnetze. In den letzten zehn Jahren wurden viele Brücken durch extreme Wetterbedingungen wie Taifune und Überschwemmungen beschädigt und versagt.
Wanget al. analysierten die Auswirkungen des Klimawandels und zeigten, dass der Verschleiß von Betonbrücken noch schlimmer als heute zu erwarten ist und extreme Klimaereignisse häufiger und mit höherer Intensität vorhergesagt werden [2].
Zudem steigt der Bedarf an Tragfähigkeit im Laufe der Zeit oft an, zum Beispiel durch den Einsatz schwererer LKWs für Holztransporte in Nordeuropa und Nordamerika. Daher besteht ein wachsender Bedarf an zuverlässigen Methoden zur Bewertung der strukturellen Belastbarkeit des Verkehrsnetzes unter extremen klimatischen Bedingungen unter Berücksichtigung zukünftiger Klimawandelszenarien.
Straßenverkehrsanlagen werden anhand zahlreicher Datenquellen und verschiedener Modelle entworfen, gebaut und betrieben. Konstrukteure verwenden daher etablierte Modelle, die von Normen bereitgestellt werden; Bauingenieure
Dokumentation der Daten am tatsächlichen Material und Bereitstellung von Bestandszeichnungen; Betreiber sammeln Verkehrsdaten, führen Inspektionen durch und planen die Wartung; Klimawissenschaftler kombinieren Klimadaten und -modelle zu
zukünftige Klimaereignisse vorhersagen und Bewertungsingenieure berechnen die Auswirkungen extremer Klimabelastungen auf die Struktur.
Angesichts der überwältigenden Datenquellen und der Komplexität der Daten und Modelle sind die aktuellsten Informationen und aktualisierten Berechnungen für wichtige Entscheidungen, z. Die fehlende nahtlose Integration zwischen Infrastrukturdaten, statischen Modellen und Entscheidungsfindung auf Systemebene stellt eine wesentliche Einschränkung aktueller Lösungen dar, die zu Inanpassungsraten und Unsicherheiten führt und zu Kosten und Ineffizienzen führt.
Structural Digital Twin of Infrastructure ist eine lebendige statische Simulation, die alle Daten und Modelle zusammenführt und sich aus mehreren Quellen aktualisiert, um ihr physisches Gegenstück darzustellen. Der bauliche Digitale Zwilling, der über den gesamten Lebenszyklus einer Anlage gepflegt und jederzeit leicht zugänglich ist, gibt dem/der Infrastrukturbetreiber/in einen frühen Einblick in mögliche Mobilitätsrisiken durch klimatische Ereignisse, hohe Fahrzeugbelastungen oder sogar die Alterung einer Anlage Verkehrsinfrastruktur.
In einem laufenden Projekt entwickeln und realisieren wir einen digitalen strukturellen Zwilling für die Kalix-Brücke in Schweden. Das übergeordnete Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, eine Methode zur Quantifizierung von Tragwerkslasten infolge von extremen Klimaereignissen anhand von zukünftigen Klimaszenarien für die Kalixbrücke vorzustellen und deren Ergebnisse zu untersuchen. Die 1956 in Schweden errichtete Kalix-Brücke besteht aus einem vorgespannten Hohlkasten aus Beton. Die Brücke dient als Prüfstand für die Demonstration modernster Bewertungs- und Structural-Health-Monitoring (SHM)-Methoden.
Konkretes Ziel der aktuellen Forschung ist es, klimatische Parameter wie Wind und Wasserströmung zu berücksichtigen, die statische und dynamische Lasten auf die Tragwerke ausüben. Unsere Methode besteht im ersten Schritt aus Windströmungssimulationen und Wasserströmungssimulationen mittels instationärer CFD-Modellierung auf Basis des LES/DES-Turbulenzmodells zur Quantifizierung von Wind- und Hydrolasten; dies bildet den primären Schwerpunkt dieser Arbeit.
Im nächsten Schritt wird das statische Verhalten der Brücke untersucht, indem die Wind- und Wasserlastprofile in strukturelle Lasten in der nichtlinearen statischen FE-Analyse transformiert werden. Schließlich wird das Tragwerksmodell aktualisiert, indem die SHM-Daten nahtlos integriert werden und so ein digitaler struktureller Zwilling erstellt wird, der das wahre Verhalten des Tragwerks widerspiegelt. Die beiden erstgenannten Forschungsschwerpunkte bleiben außerhalb des unmittelbaren Rahmens der vorliegenden Arbeit.
2. Beschreibung der Kalixbrücke
Die Kalixbrücke besteht aus 5 langen Spannweiten, von denen das längste rund 94 m und das kürzeste 43,85 m beträgt. Die Brücke besteht aus Spannbeton, der in Segmenten hergestellt wird, und einem nichtprismatischen Hohlkastenträger, der in Abb. 1. Die Brücke ist in der Geometrie symmetrisch und in ihrem Mittelpunkt befindet sich ein Gelenk. Die Breite der Brückenfahrbahn an der oberen und unteren Platte beträgt ca. 13 m bzw. 7,5 m. Die Wandstärke beträgt 45 cm und die Dicke der unteren Platte variiert von 20 cm bis
50cm.
3. Windsimulation
Windkanalversuche waren bisher die einzige Möglichkeit, das Verhalten von Brücken auf Windlasten zu untersuchen [3]; diese Versuche sind jedoch zeitaufwendig und teuer. Für die Durchführung eines typischen Windkanaltests werden fast 6 bis 8 Wochen benötigt. [4]. Die neuesten Errungenschaften in der Rechenkapazität von Computern bieten Möglichkeiten für die praktische Simulation von Wind um Brücken mittels Computational Fluid Dynamics (CFD).
Es ist von Vorteil, den Winddruck auf Brückenbauteile mittels Computersimulation zu untersuchen. Es müssen Simulationsparameter der Brücke und des sie umgebenden Windfeldes bestimmt werden; Daher können ihre Auswirkungen auf die auf die Brücke aufgebrachten Kräfte genau bewertet werden.
Die Bemessungsanforderungen an Brückenbauwerke erfordern eine belastbare Untersuchung der Windeinwirkung, insbesondere bei extremen Wetterbedingungen. Die Gewährleistung der Standsicherheit weitspanniger Brücken, da ihre Merkmale und Ausbildungen am anfälligsten für Windlasten sind, gehört zu den wichtigsten Bemessungsüberlegungen [3].
3.1. Simulationsparameter
Die Basiswindgeschwindigkeit wird 22 m/s basierend auf der Windkarte von Schweden und der Lage der Kalix-Brücke nach EN 1991-1-4 [5] und dem schwedischen Code BFS . gewählt 2019:1 EKS 11; siehe Bild 1. Als exponierte Fläche für die Windlast gilt die freie Fläche über dem Wasser. Die vorherrschende Windangriffsrichtung wird senkrecht zur Brückenfahrbahn betrachtet.
Die aktuellen Simulationen basieren auf drei Szenarien, darunter: extremer Wind, extreme Kälte und Bemessungswert für eine 3000-jährige Wiederkehrperiode. Jede Bedingung hat unterschiedliche Werte für Temperatur, Grundwind
Geschwindigkeit, kinematische Viskosität und Luftdichte, wie in Tabelle 1 dargestellt. Die Wetterdatensätze wurden für zwei Extremwetterwochen über den 30-jährigen Zeitraum von 2040-2069 synthetisiert, wobei 13 verschiedene zukünftige Klimaszenarien mit unterschiedlichen globalen Klimamodellen (GCMs) und repräsentativen Konzentrationspfaden (RCPs) berücksichtigt wurden.
Eine extrem kalte Woche und eine extrem windige Woche wurden mit dem entwickelten Ansatz selektiert
von Nik [7]. Der Ansatz wurde an die Bedürfnisse dieser Arbeit angepasst, wobei die wöchentliche Zeitskala anstelle des monatlichen berücksichtigt wurde. Die Anwendbarkeit des Ansatzes wurde für komplexe Simulationen, einschließlich Energiesysteme [7] [8], hydrothermal [ 9] und Mikroklimasimulationen [10].
Für die Berücksichtigung der extremen Wetterbedingungen einer sehr wichtigen Infrastruktur muss der Wert der Basiswindgeschwindigkeit von der 50-jährigen Wiederkehrperiode auf 3000 Jahre gemäß Gleichung 1 übertragen werden [6]. Das Geschwindigkeits- und Turbulenzprofil wird in Anlehnung an EN 1991-1-4 [5] für die Geländekategorie 0 (Z0 = 0,003 m und Zmin = 1 m) erstellt, wobei Z0 und Zmin Rauheitslänge bzw. Mindesthöhe sind. Die Variation der Windgeschwindigkeit mit der Höhe ist in Gleichung 2 definiert, wobei co (z) der Orographiefaktor von 1 angenommen wird, vm (z) die mittlere Windgeschwindigkeit in der Höhe z ist, kr der Geländefaktor in Abhängigkeit von der Rauhigkeitslänge , und Iv (z) die Turbulenzintensität ist; siehe Gleichung 3.
Der Wert der Windgeschwindigkeit für T = 3000 Jahre Wiederkehrperiode wird mit 31 m/s berechnet; somit erhält man die Diagramme der Windgeschwindigkeit und der Turbulenzintensität wie in Abb. 2 gezeigt.
3.2. Turbulenzmodell
Um die Untersuchungen zur Umströmung wichtiger Bauwerke wie Brücken genau zu machen, ist ein hybrider Ansatz einschließlich verzögerter Wirbelkörpersimulationen (DDES) anwendbar und recheneffizient [11] Siehe [12]. Dieses Turbulenzmodell verwendet eine RANS-Methode in der Nähe der Grenzschichten und die LES-Methode fern der Grenzschichten und im abgetrennten Bereich der Strömung.
Im ersten Schritt wurde der Ansatz der Abgelösten Wirbelsimulation erweitert, um zuverlässige Kraftvorhersagen an den Modellen mit großem Einfluss der Ablösungsströmung zu erhalten. Im Review-Teil von Spalart [11] gibt es verschiedene Beispiele für mehrere Fälle, in denen das Turbulenzmodell der abgelösten Wirbelsimulation (DES) verwendet wird.
Die ursprüngliche DES-Formulierung [13] wird unter Verwendung des Spalart-Allmaras-Ansatzes entwickelt. Im Hinblick auf den Übergang vom RANS- zum LES-Ansatz wird der Zerstörungsterm in der modifizierten Viskositätstransportgleichung überarbeitet: der Abstand zwischen einem Punkt im Definitionsbereich und der nächsten Volumenoberfläche (d) wird durch den Faktor ersetzt, der eingeführt wird durch:
wobei CDES ein Koeffizient ist, wird er mit 0,65 angenommen und Δ ist eine Längenskala, die mit dem lokalen Rasterabstand verknüpft ist:
Ein modifizierter Ansatz von DES, die sogenannte Delayed-Detached-Eddy-Simulation (DDES), wurde verwendet, um das wahrscheinliche Problem der "gitterinduzierten Trennung" (GIS) zu beherrschen, das mit der Gittergeometrie verbunden ist. Das Ziel dieses neuen Ansatzes ist es zu bestätigen, dass die Turbulenzmodellierung in den Grenzschichten [14] im RANS-Modus bleibt. Daher wird die Definition des Parameters wie definiert geändert:
wobei fd eine Filterfunktion ist, bei der in wandnahen Grenzschichten (RANS-Zone) ein Wert von 0 und in Bereichen, in denen die Strömungsablösung stattgefunden hat (LES-Zone), der Wert 1 berücksichtigt wird.
3.3. Rechengitter und Ergebnisse
Für die CFD-Windsimulation wird RWIND 2.01 Pro verwendet, das den externen CFD-Code OpenFOAM® Version 17.10 verwendet. Die dreidimensionale CFD-Simulation wird als transiente Windsimulation für inkompressible turbulente Strömung mit dem SIMPLE-Algorithmus (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations) durchgeführt.
In der aktuellen Simulation wird der stationäre Solver als Anfangsbedingung betrachtet, d. h. bei der Berechnung der instationären Strömung beginnt im ersten Teil der Simulation die stationäre Berechnung des Anfangszustandes, und sobald dieser abgeschlossen ist, wird die transiente Berechnung automatisch gestartet.
Das Berechnungsraster wird aus einem dreidimensionalen 8.057.279 Zellen und 8.820.901 Knoten gebildet, auch die Abmessungen der Windkanaldomäne werden 2000 m * 1000 m * 100 m (Länge, Breite, Höhe) berücksichtigt, wie in Bild 3 gezeigt. Das minimale Zellvolumen beträgt 6,34*10-5 m3, das maximale Volumen 812,30 m3 und die maximale Schiefe 1,80.
Der endgültige Restdruck wird mit 5*10-5 angenommen. Der Prozess der Netzgenerierung und Netzunabhängigkeit wurde mit vier Maschenweiten durchgeführt, die in Bild 4 für das Bezugsnetz dargestellt sind, und schließlich ist die Netzunabhängigkeit erreicht.
Es wurden drei Simulationen durchgeführt, um den Winddruckwert für extreme Wetterbedingungen und den Bemessungswindwert zu erhalten, der in Abb. 5. Für jedes Szenario wird das Ergebnis des Winddrucks unter Verwendung des instationären DDES-Turbulenzmodells bezüglich 30 (s) Dauer erhalten, das 60 Zeitschichten enthält (Δt = 0,5 s).
Es ist zu beobachten, dass der vordere Bereich der Brücke einem positiven Winddruck ausgesetzt ist und der Druck für alle Szenarien mit der Höhe in der Nähe des Fahrbahnrandes zunimmt. Auch Abb. 5. bildet die negativen Winddruckwerte vollständig auf der Decksoberfläche ab. Der zugehörige Wert für die 3000-Jahre-Periode ist deutlich höher als bei den anderen Szenarien.
Dabei ist zu beachten, dass der Bereich der Eingangswindgeschwindigkeit einen großen Einfluss auf den Wert der Flächenpressung hat und nicht die anderen Parameter. Darüber hinaus muss für jedes Szenario der größere Bereich von Winddruck und Windsog während der Gesamtzeit als kritische Windlast betrachtet werden, die auf das Bauwerk aufgebracht wird. Der niedrigste Wert der Flächenpressung wird im Szenario mit extremer Kälte erreicht, während der Wert der Flächenpressung unter extremen Windbedingungen eine Größenordnung höher wird.
Zudem ist zu beachten, dass das Verhalten der Brücke aufgrund unterschiedlicher Lufttemperaturen komplett unterschiedlich ausfallen würde und ein möglicher kritischer Fall im Szenario mit niedrigerem Druck eintreten kann. Bezogen auf den Eingabewert des jeweiligen Szenarios gehört aufgrund der 3000-jährigen Wiederkehrperiode die höchste Spannweite des Winddrucks zur Bemessungsebene, die die höchste Windgeschwindigkeit als Eingabegeschwindigkeit erhalten hat.
4. Hydrosimulation
Brückenpfeiler über den Fluss können den Fluss blockieren, indem sie den Flussquerschnitt verkleinern, lokale Wirbelströme erzeugen und die Fließgeschwindigkeit ändern, was Druck auf die Pfeileroberflächen ausüben kann. Wenn der Fluss in die Brückenpfeiler mündet, lässt sich der Prozess des Umfließens des Wassers um die Basis in zwei Teile gliedern: Aufbringen des Drucks zum Zeitpunkt des Auftreffens des Wassers auf den Brückenpfeiler und nach dem Anfangsdruck bei der Umströmung der Pfeiler durch das Wasser [15].
Wenn das Wasser mit einer bestimmten Geschwindigkeit die Brückenpfeiler erreicht, wirkt der Druck auf die Pfeiler viel größer als der Druck der sie umgebenden Flüssigkeit. Aufgrund der Entwicklungen in der Informatik sowie der zunehmenden Entwicklung von Computational Fluid Dynamics Codes sind verschiedene numerische Simulationen weit verbreitet und es wurde nachgewiesen, dass die Ergebnisse vieler Simulationen mit experimentellen Ergebnissen konsistent sind [ 16].
Dementsprechend wurde in dieser Arbeit die Computational Fluid Dynamics Methode verwendet, um die Phänomene zu simulieren, die das Fließverhalten von Flüssen bestimmen. Für diese Studie wurde eine dreidimensionale Lösung auf Basis numerischer Berechnungen mit dem Turbulenzmodell LES gewählt. Die dreidimensionale Simulation der Strömung in verschiedenen Richtungen und Geschwindigkeiten ermöglicht es uns, alle Belastungen auf die Oberfläche von Brückenpfeilern in verschiedenen Zeitabständen zu berechnen und zu analysieren.
4.1. Simulationsparameter
Die Flussströmung kann als zweiphasige Strömung, bestehend aus Wasser und Luft, in einem offenen Gerinne definiert werden. Eine Strömung im offenen Kanal ist eine Fluidströmung mit einer freien Oberfläche, auf der der Atmosphärendruck gleichmäßig verteilt ist und die durch das Gewicht des Fluids erzeugt wird. Um diese Art von Strömung zu simulieren, wird das VOF-Mehrphasenverfahren verwendet.
Das kommerziell erhältliche Programm Flow3D verwendet die Volumenfraktionierungsverfahren VOF und FAVOF. Beim VOF-Verfahren wird der Modellierungsbereich zunächst in Zellen mit kleineren Elementen oder Kontrollvolumen unterteilt. Bei flüssigkeitshaltigen Elementen werden numerische Werte für jede der darin enthaltenen Strömungsvariablen gehalten.
Diese Werte stellen das volumetrische Mittel der Werte in jedem Element dar. In freien Oberflächenströmungen sind nicht alle Zellen mit Flüssigkeit gefüllt; einige Zellen auf der Strömungsfläche sind halb gefüllt. In diesem Fall wird eine Größe namens Flüssigkeitsvolumen F definiert, die den Teil der Zelle darstellt, der mit der Flüssigkeit gefüllt ist.
Nachdem die Lage und der Winkel der Anströmfläche bestimmt sind, können die entsprechenden Randbedingungen an der Anströmfläche zur Berechnung der Fluidbewegung angesetzt werden. Mit der Bewegung der Flüssigkeit ändert sich auch der Wert von F. Freie Flächen werden automatisch durch Fluidbewegungen innerhalb eines festen Netzes überwacht. Zur Ermittlung der Geometrie wird die Methode FAVOR verwendet.
Eine weitere Volumenanteilsgröße kann auch verwendet werden, um die Höhe eines unbesetzten Starrkörpers ( Vf ) zu bestimmen. Wenn das Volumen bekannt ist, das der starre Körper in jeder Zelle einnimmt, kann die Fluidgrenze innerhalb des festen Netzwerks wie VOF bestimmt werden. Diese Grenze wird verwendet, um die Randbedingungen der Wand zu bestimmen, der der Bachlauf folgt. Im Allgemeinen lautet die Massenstetigkeitsgleichung wie folgt:
Bewegungsgleichungen für Fluidgeschwindigkeitskomponenten in 3D-Koordinaten, oder anders ausgedrückt die Navier-Stokes-Gleichungen, lauten wie folgt:
Dabei ist VF das Verhältnis des offenen Volumens zur Strömung, ρ die Dichte des Fluids, (u, v, w) die Geschwindigkeitskomponenten in x-, y- bzw. z-Richtung, R SOR ist die Quellfunktion, (Ax, Ay, Az ) sind die Flächenanteile, (Gx, Gy, Gz ) sind die Gravitationskräfte, (fx, fy, fz ) sind die Viskositätsbeschleunigungen und (bx, by, bz ) sind die Strömungsverluste in porösen Medien in x-, y- bzw. z-Richtung [17].
Das Einzugsgebiet des Flusses Kalix ist groß und weitläufig, daher herrscht hier ein subpolares Klima mit kalten und langen Wintern und milden und kurzen Sommern. Etwa 50 % der Niederschläge in diesem Gebiet sind Schnee. Im Mai führt die Schneeschmelze in der Regel zu einem deutlichen Anstieg des Flussabflusses. Die klimatischen Bedingungen des Flusses sind in Tabelle 2, [18] zusammengefasst.
Entgegen dem allgemeinen Trend dieser Studie verwendet die erwähnte Wettervorhersage die in den vergangenen Zeiträumen aufgezeichneten Wetterinformationen. Basierend auf den verfügbaren Wetterinformationen haben wir bei der Durchführung der Berechnungen die Randbedingungen definiert.
4.2.Rechengitter und Ergebnisse
Erstens erstreckt sich entsprechend den Abmessungen der Stützen in den drei Richtungen X, Y, Z und entsprechend der Längsabmessung der Stützen (D = 8,5 m; siehe Bild 7) der Bereich um 10D stromaufwärts und um 20D stromabwärts. Um dieses Problem zu lösen, wurden die Methode der strukturierten Vernetzung (kartesisch) und die Software Flow3D verwendet. Für ein korrektes Raster muss das Gebiet in verschiedene Abschnitte unterteilt werden.
Diese Einteilung basiert auf Orten mit starken Steigungen. Durch das Anlegen einer neuen Fläche kann das Gebiet in mehrere Abschnitte unterteilt werden, um ein regelmäßiges Netz mit den richtigen und passenden Abmessungen zu erzeugen, wobei die Anzahl der Zellen auf jeder Fläche festgelegt werden kann.
Dadurch erhöht sich das Endvolumen der Zellen. Aus diesem Grund haben wir diesen Bereich in drei Ebenen vermascht: Grob, mittel und fein. Die Ergebnisse der Netzunabhängigkeitsstudien sind in Bild 6 dargestellt. Um die berechneten Ergebnisse zu überprüfen, müssen wir zunächst sicherstellen, dass der Eingangsstrom korrekt ist. Dazu wird der Eingangsvolumenstrom bis zum Lösungsbereich gemessen und mit dem Basiswert verglichen. Die Dimensionen des Lösungsgebiets sind in Bild 7 angegeben. Auch diese Figur trägt zum Wiedererkennen der Brückenpfeiler und deren Flächenbenennung bei.
Wie in Abb. In 8 liegt die Abflussmenge während 90 % der Simulationszeit im zulässigen Bereich und die Zuflussmenge wurde korrekt simuliert. Außerdem ist in Abb. 9 wird die mittlere Fließgeschwindigkeit des Flusses aus der Fließgeschwindigkeit sowie der Querschnittsfläche des Flusses berechnet.
Um den Druck zu extrahieren, der an den verschiedenen Seiten der Stützen anliegt, haben wir das Simulationszeitintervall von 10 bis 25 Sekunden gewählt (Abflussstabilisierungszeit in Höhe von 1800 Kubikmeter pro Sekunde). Die berechneten Ergebnisse für jede Seite sind in Abb. 10 und 11. Die Geschwindigkeitsverläufe sind auch in den Bildern 12 und 13 dargestellt. Diese Konturen werden basierend auf der Fluidgeschwindigkeit zu einem bestimmten Zeitpunkt angepasst.
Aufgrund der Dimensionen des Lösungsgebiets und der Fließgeschwindigkeit des Flusses erreicht die Wasserströmung die Brückenpfeiler in der zehnten Sekunde und der Anfangsdruck der Flussströmung wirkt auf die Oberflächen der Brückenpfeiler. Dieser Anfangsdruck nimmt mit der Zeit ab und stabilisiert sich je nach Fläche und prozentualem Anteil der Wechselwirkung mit der Strömung für jede Seite in einem bestimmten Bereich. Für die Berechnung der Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) kann der berechnete kritische Druck zum Zeitpunkt des Auftreffens der Strömung auf die Säulen verwendet werden.
5. Fazit
Für die Kalixbrücke wurden die Auswirkungen extremer Witterungsbedingungen, einschließlich dynamischer Wind- und Wasserströmungen, numerisch untersucht. Für dynamische Windsimulationen wurden drei Szenarien definiert, darunter extrem windiges Wetter, extrem kaltes Wetter und Bemessungswert für eine 3000-jährige Wiederkehrperiode. Mit Hilfe von CFD-Simulationen wurden Winddrücke innerhalb von 60 Zeitschritten (30 Sekunden) mit dem instationären DDES-Turbulenzmodell bestimmt.
Die Ergebnisse zeigen signifikante Unterschiede zwischen den Szenarien, was die Bedeutung der Eingabedaten insbesondere des Windgeschwindigkeitsdiagramms impliziert. Es wurde beobachtet, dass der Designwert für die 3000-jährige Wiederkehrperiode einen viel größeren Einfluss hat als die anderen Szenarien. Darüber hinaus wurde gezeigt, wie wichtig es ist, den höheren Bereich des Flächenwinddrucks in Zeitschritten zu berücksichtigen, um die statische Leistung der Brücke im kritischsten Zustand zu bewerten.
Außerdem wurde für eine instationäre Simulation entsprechend der aufgezeichneten Wetterlage die maximale Abströmung berücksichtigt und Brückenpfeiler für 30 Sekunden der maximalen Abströmung ausgesetzt. Daher wurden neben den strömungsphysikalischen Bedingungen und der Änderung der Fließrichtung flussabwärts die maximalen Wasserdrücke zum Zeitpunkt des Auftreffens der Strömung auf die Pfeiler quantifiziert.
In den zukünftigen Arbeiten wird die Tragfähigkeit der Kalix-Brücke bewertet durch
Windlast, Wasserdruck und Verkehrslast, wodurch ein digitaler Zwilling der Struktur erstellt wird, der das wahre Verhalten des Bauwerks widerspiegelt.
6. Quittung
Die Autoren schätzen die Unterstützung von Dlubal Software bei der Bereitstellung der RWIND Simulation-Lizenz sowie von Flow Sciences Inc. für die Bereitstellung der FLOW-3D-Lizenz sehr.
Autoren: Mahyar Kazemian1, Sajad Nikdel2, Mehrnaz MohammadEsmaeili3, Vahid Nik4, Kamyab Zandi*5
1 Doktorand, Praktikant am Department of Engineering, Timezyx Inc., Kanada.
2 M.Sc. Student, Praktikant am Department of Engineering, Timezyx Inc., Kanada.
3 Bachelor-Student, Praktikant am Department of Engineering, Timezyx Inc., Kanada.
4 Außerordentlicher Professor an der Abteilung für Bauphysik der Universität Lund und der Chalmers University of Technology, Schweden.
*5 Direktor, Timezyx Inc., Vancouver, BC V6N 2R2, Kanada. E-Mail: [email protected]
