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17. Januar 2024

Interpolationsverfahren für experimentell gemessene Druckwerte in RWIND 2

Mit RWIND 2 und RFEM 6 ist es nun möglich, Windlasten aus experimentell gemessenen Winddruckwerten auf Oberflächen zu berechnen. Grundsätzlich stehen zwei Interpolationsverfahren zur Verfügung, um punktuell gemessene Drücke auf den Flächen zu verteilen. Durch entsprechende Methoden- und Parametereinstellungen kann die gewünschte Druckverteilung erreicht werden.

Einführung

Wenn eine komplexe Struktur entworfen wird und experimentelle Daten zu windinduzierten Drücken auf Oberflächen vorliegen, können diese in RFEM 6 und RWIND 2 in der Statikanalyse angewendet werden.

Zunächst müssen die Daten der Druckproben an den entsprechenden Stellen am Modell definiert werden. Dies ist entweder in RFEM 6 (siehe Fachbeitrag 1870) oder direkt im Einzelprogramm RWIND möglich (als Verifikationsdaten).

Durch die Definition erhält das Programm diskrete Informationen zu den Drücken. Aber irgendwie müssen die Druckwerte auf den Flächen der Struktur verteilt werden, damit die Windlastberechnung und auch die Statikanalyse ermöglicht wird. Diese Aufgabe übernimmt RWIND 2. Die CFD-Berechnung läuft im Hintergrund, um ein geeignetes Netz zu erzeugen und die experimentellen Daten überprüfen zu können (wenn jedoch nur eine Statikanalyse anhand der gemessenen Daten durchgeführt wird, ist die CFD-Berechnung nicht wichtig und eine Konvergenz wird nicht benötigt).

Es ist zu beachten, dass die Interpolation nicht auf realen physikalischen Phänomenen basiert und ihre Glaubwürdigkeit stark von der Anzahl (bzw. Dichte) der Druckproben abhängt. Eine Druckverteilung kann jedoch auch aus einer überschaubaren Anzahl von Druckproben vorgeschlagen werden und deren Qualität hängt von den ingenieurtechnischen Kenntnissen des Anwenders ab. Denken Sie daran, dass diese Interpolationsmethoden nur ein Werkzeug sind, um den Druck, unabhängig von den physikalischen Phänomenen, auf der Fläche zu verteilen.

Workflow in RWIND 2

Definieren Sie zuerst die Punktproben an Ihrem Modell. In RWIND 2 können Sie mehrere Punkte in einer Punktprobe festlegen. Solch eine Festlegung ist dann geeignet, wenn alle Punkte die gleichen Eigenschaften haben (Einschränkung des Bereichs usw.). Die Proben am Originalmodell sind für die experimentellen Daten geeignet. Aktivieren Sie die Option "Verifizierungsdaten" und definieren Sie die gemessenen Drücke in der Spalte "ver_p" (Bild 01).

Zoneneinschränkung

Der windinduzierte Druck hängt wesentlich von der Windrichtung ab. Es ist offensichtlich, dass sich dieser Druck je nach Ausrichtung der Flächen zum Wind sehr unterscheidet. Es ist daher sinnvoll, die Interpolation des Drucks auf eine bestimmte Fläche zu beschränken. In RWIND kann jede Probe auf eine oder mehrere bestimmte Zonen beschränkt werden (Bild 02).

Die Zonen müssen vor der Berechnung festgelegt werden. Es können mehrere Zonen auf einer Fläche erzeugt werden, z. B. analog zu den Normvorschlägen für einfache Tragwerke (Bild 03) oder gemäß einer vorläufigen CFD-Berechnung.

Interpolationsverfahren

In RWIND stehen zwei Interpolationsverfahren zur Verfügung: Diffusionsinterpolation und Gaußscher Interpolationskern. Es darf nur ein Verfahren für alle Proben ausgewählt werden.

Die Diffusionsmethode verteilt die Daten vom Punkt der "Quelle" über die Fläche. Sie eignet sich für ein engmaschiges Netz von Messpunkten (Bild 04). Bei dünnen offenen Strukturen interpoliert diese Methode die Werte auf nur einer Seite der Platte. Das Verfahren ist von der Netzdichte abhängig.

Der Gaußsche Interpolationskern hingegen interpoliert die Werte dreidimensional um die "Quelle" herum. Sie ist deshalb für dünne offene Strukturen nicht geeignet, da sie beide Seiten der Fläche beeinflusst. Für geschlossene Strukturen (Gebäude etc.) funktioniert diese Methode gut (Bild 05).

Die Parameter des Gauß-Verfahrens steuern den resultierenden Verlauf.
Der Radius steuert, inwieweit die "Quelle" die Umgebung beeinflusst. Ist der Radius größer als die eingeschränkte Zone, kann aus einer Probe ein nahezu konstanter Verlauf erzeugt werden (Bild 06). Ist der Radius hingegen größer als der Abstand zwischen den Proben und wird ein niedriger Schärfefaktor verwendet, so wird der resultierende Wert in der relevanten Probe durch die Nachbarprobe beeinflusst.

Der Schärfefaktor steuert, wie weich die Übergänge zwischen den Proben sind. Höhere Faktoren erzeugen schärfere Grenzen (Bild 07).

Fazit

Die Interpolation experimenteller Daten ermöglicht es, die gemessenen windinduzierten Drücke in der statischen Analyse anzuwenden. Die experimentellen Werte können entweder in RFEM 6 oder direkt in RWIND 2 definiert werden. Die Interpolationsverfahren basieren nicht auf einem physikalischen Prinzip, die Numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics - CFD) allerdings schon. Diese Methoden sind lediglich ein Werkzeug zur Interpolierung von Messwerten. Je mehr Messwerte Sie definieren, desto besser ist die Übereinstimmung mit der Realität, die Sie damit erreichen können.


Autor

Frau Karoušová beschäftigt sich mit der Entwicklung im Bereich RWIND.