por Mahyar Kazemian, Sajad Nikdel, Mehrnaz Mohammad Esmaeili, Vahid Nik, Kamyab Zandi
RESUMEN
Las cargas ambientales, como el viento y el flujo de los ríos, juegan un papel esencial en el diseño y evaluación estructural de puentes de grandes luces. El cambio climático y los eventos climáticos extremos son amenazas para la confiabilidad y seguridad de la red de transporte.
Esto ha llevado a una creciente demanda de modelos de gemelos digitales para investigar la resistencia de los puentes en condiciones climáticas extremas. El puente Kalix, construido sobre el río Kalix en Suecia en 1956, se utiliza como banco de pruebas en este contexto.
La estructura del puente, hecha de hormigón postesado, consta de cinco vanos, siendo el más largo de 94 m. En este estudio, las características aerodinámicas y los valores extremos de la simulación numérica del viento, como la presión en la superficie, se obtienen utilizando la simulación de remolinos separados retardados (DDES) de Spalart-Allmaras como un enfoque híbrido de turbulencia RANS-LES que es práctico y computacionalmente eficiente para cerca de la pared. densidad de malla impuesta por el método LES.
La presión del viento en la superficie se obtiene para tres escenarios climáticos extremos, que incluyen un clima ventoso extremo, un clima extremadamente frío y un valor de cálculo para un período de retorno de 3000 años. El resultado indica diferencias significativas en la presión del viento en la superficie debido a las capas de tiempo que provienen de la simulación del flujo de viento transitorio. Para evaluar el comportamiento estructural bajo el escenario de viento crítico, se considera el valor más alto de la presión superficial para cada escenario.
Además, se realiza un estudio hidrodinámico en los pilares del puente, en el que se simula el flujo del río utilizando el método VOF, y se examina el proceso de movimiento del agua alrededor de los pilares de forma transitoria y en diferentes momentos. La presión superficial aplicada por el flujo del río con el flujo volumétrico más alto registrado se calcula en cada una de las superficies del pilar.
En la simulación del flujo del río, se han utilizado la información y las condiciones meteorológicas registradas en los períodos anteriores. Los resultados muestran que la presión superficial en el momento en que el flujo del río golpea los pilares es mucho mayor que en los momentos posteriores. Esta cantidad de presión se puede usar como una carga crítica en los cálculos de interacción fluido-estructura (FSI).
Finalmente, para ambas secciones, la presión del viento en la superficie, el campo de velocidades con respecto a las líneas auxiliares de la sonda, los contornos del movimiento circunferencial del agua alrededor de los pilares y el diagrama de presión sobre ellos se informan en diferentes pasos de tiempo.
1. Introducción
Las infraestructuras de transporte son la columna vertebral de nuestra sociedad y los puentes son el cuello de botella de la red de transporte [1]. Además, el cambio climático que resulta en tasas de deterioro más altas y los eventos climáticos extremos son amenazas importantes para la fiabilidad y seguridad de las redes de transporte. Durante la última década, muchos puentes han resultado dañados y han fallado debido a condiciones climáticas extremas como tifones e inundaciones.
Wang et al. analizó los impactos del cambio climático y mostró que se espera que el deterioro de los puentes de hormigón sea aún peor que en la actualidad, y se prevé que los eventos climáticos extremos sean más frecuentes y con mayor gravedad [2] .
Además, la demanda de capacidad de carga a menudo aumenta con el tiempo, por ejemplo, debido al uso de camiones más pesados para el transporte de madera en el norte de Europa y América del Norte. Por lo tanto, existe una necesidad creciente de métodos fiables para evaluar la resistencia estructural de la red de transporte en condiciones climáticas extremas que tengan en cuenta los escenarios futuros de cambio climático.
Los activos de transporte por carretera se diseñan, construyen y operan basándose en numerosas fuentes de datos y varios modelos. Por lo tanto, los ingenieros de diseño utilizan modelos establecidos proporcionados por las normas; ingenieros de construcción
documentar los datos sobre el material real y proporcionar planos de construcción; los operadores recopilan datos sobre el tráfico, realizan inspecciones y planifican el mantenimiento; Los científicos del clima combinan datos climáticos y modelos para
predecir eventos climáticos futuros y los ingenieros de evaluación calculan el impacto de la carga climática extrema en la estructura.
Dadas las fuentes abrumadoras y la complejidad de los datos y modelos, la información más actual y los cálculos actualizados pueden no estar disponibles para decisiones cruciales, por ejemplo, con respecto a la seguridad estructural y la operatividad de la infraestructura durante episodios de eventos extremos. La falta de una integración perfecta entre los datos de la infraestructura, los modelos estructurales y la toma de decisiones a nivel del sistema es una limitación importante de las soluciones actuales, lo que conduce a la inadaptabilidad e incertidumbres y crea costes e ineficiencias.
El gemelo digital estructural de la infraestructura es una simulación estructural viva que reúne todos los datos y modelos y se actualiza desde múltiples fuentes para representar su contraparte física. El gemelo digital estructural, mantenido durante todo el ciclo de vida de un activo y fácilmente accesible en cualquier momento, proporciona al propietario/usuario de la infraestructura una visión temprana de los riesgos potenciales para la movilidad inducidos por eventos climáticos, cargas de vehículos pesados e incluso el envejecimiento de un infraestructura de transporte.
En un proyecto en curso, estamos desarrollando e implementando un gemelo digital estructural para el puente Kalix en Suecia. El objetivo general del presente artículo es presentar un método y estudiar los resultados de la cuantificación de las cargas estructurales resultantes de eventos climáticos extremos basados en escenarios climáticos futuros para el puente de Kalix. El puente Kalix, construido sobre el río Kalix en Suecia en 1956, está compuesto por una viga cajón de hormigón postesado. El puente se utiliza como banco de pruebas para la demostración de los métodos más modernos de evaluación y control de la salud estructural (SHM).
El objetivo específico de la investigación actual es tener en cuenta los parámetros climáticos como el viento y el flujo de agua, imponiendo cargas estáticas y dinámicas en las estructuras. Nuestro método, en el primer paso, consiste en simulaciones de flujos de viento y simulaciones de flujos de agua utilizando un modelo de CFD transitorio basado en el modelo de turbulencia LES/DES para cuantificar las cargas de viento e hidráulicas; esto constituye el punto focal principal de este documento.
En el siguiente paso, se estudiará la respuesta estructural del puente transformando los perfiles de carga de viento e hidráulica en cargas estructurales en el análisis de EF estructural no lineal. Por último, el modelo estructural se actualizará incorporando a la perfección los datos del MAS y creando así un gemelo digital estructural que refleje la respuesta real de la estructura. Los dos enfoques de investigación anteriores permanecen fuera del alcance inmediato del presente artículo.
2. Descripción del puente de Kalix
El puente Kalix consta de 5 vanos largos, el más largo mide alrededor de 94 metros y el más corto 43,85 m. El puente está hecho de hormigón postensado, que se vierte in situ en forma de dovelas y una viga en cajón no prismática que se muestra en la Imagen 1. El puente es simétrico en geometría y hay una articulación en el punto medio. El ancho del tablero del puente en la losa superior e inferior es de aproximadamente 13 m y 7,5 m, respectivamente. El espesor del muro es de 45 cm, y el espesor de la losa inferior varía de 20 cm a
50 cm.
3. Simulación de viento
Los ensayos en túnel de viento solían ser la única forma de examinar la reacción de los puentes a las cargas de viento [3]; sin embargo, estos experimentos requieren mucho tiempo y son costosos. Se necesitan entre 6 y 8 semanas para realizar una prueba típica en túnel de viento [4]. Los últimos logros en la capacidad computacional de las computadoras brindan oportunidades para la simulación práctica del viento alrededor de puentes utilizando la dinámica de fluidos computacional (CFD).
Es beneficioso investigar la presión del viento en los componentes del puente utilizando la simulación por computadora. Es necesario determinar los parámetros de simulación del puente y el campo de viento a su alrededor; por lo tanto, sus impactos en las fuerzas aplicadas en el puente se pueden evaluar con precisión.
Las exigencias de diseño en estructuras de puentes requieren una investigación sólida de la acción del viento, especialmente en condiciones climáticas extremas. Garantizar la estabilidad de los puentes de grandes luces, ya que sus características y formaciones son más propensas a la carga de viento, se encuentra entre las principales consideraciones de diseño [3] .
3.1. Parámetros de simulación
La velocidad básica del viento se elige 22 m/s en función del mapa de viento de Suecia y la ubicación del puente de Kalix según EN 1991-1-4 [5], y el código sueco BFS 2019:1 EKS 11; ver imagen 1. La superficie libre sobre el agua se considera como un área expuesta para la carga de viento. La dirección de ataque del viento dominante se considera perpendicular al tablero del puente.
Las simulaciones actuales se basan en tres escenarios que incluyen: viento extremo, frío extremo y valor de cálculo para un periodo de retorno de 3000 años. Cada condición tiene diferentes valores de temperatura, viento básico
velocidad, viscosidad cinemática y densidad del aire, como se muestra en la tabla 01. Los conjuntos de datos meteorológicos se sintetizaron para dos semanas de clima extremo durante el período de 30 años de 2040-2069, considerando 13 escenarios climáticos futuros diferentes con diferentes modelos climáticos globales (GCM) y trayectorias de concentración representativas (RCP).
Se seleccionó una semana de frío extremo y una semana de viento extremo utilizando el enfoque desarrollado
de Nik [7] . El enfoque se adaptó a las necesidades de este trabajo, considerando la escala de tiempo semanal en lugar de mensual. La aplicación del enfoque se ha verificado para simulaciones complejas, incluidos los sistemas de energía [7] [8], hidrotermal [ 9] y simulaciones de microclima [10].
Para considerar las condiciones climáticas extremas de una infraestructura muy importante, el valor de la velocidad básica del viento debe transferirse del período de retorno de 50 años a 3000 años como se indica en la ecuación 1 [6] . El perfil de velocidad y turbulencia se crea según EN 1991-1-4 [5] para la categoría de terreno 0 (Z0 = 0.003 m y Zmín = 1 m), donde Z0 y Zmín son la longitud de rugosidad y la altura mínima, respectivamente. La variación de la velocidad del viento con la altura se define en la ecuación 2, donde co (z) es el factor orográfico que se toma como 1, vm (z) es la velocidad media del viento a la altura z, kr es el factor del terreno que depende de la longitud de rugosidad , e Iv (z) es la intensidad de la turbulencia; véase la ecuación 3.
El valor de la velocidad del viento para T = período de retorno de 3000 años se calcula en 31 m/s; por lo tanto, los diagramas de velocidad del viento e intensidad de la turbulencia se obtienen como se muestra en la Imagen 2.
3.2. Modelo de turbulencia
Para que las investigaciones sean precisas en el flujo alrededor de estructuras importantes como puentes, se aplica un enfoque híbrido que incluye simulaciones de remolinos desprendidos retardados (DDES) y es computacionalmente eficiente [11] [12] . Este modelo de turbulencia utiliza un método RANS cerca de las capas límite y el método LES lejos de las capas límite y en el área del flujo de la región separada.
En el primer paso, el enfoque de simulación de remolinos separados se ha ampliado para adquirir predicciones de fuerzas confiables en los modelos con un gran impacto del flujo separado. Hay varios ejemplos en la parte de revisión de Spalart [11] para varios casos que utilizan la aplicación del modelo de turbulencia de simulación de remolinos separados (DES).
La formulación DES inicial [13] se desarrolla utilizando el enfoque de Spalart-Allmaras. Con respecto a la transición del enfoque RANS al LES, se revisa el término de destrucción en la ecuación de transporte de la viscosidad modificada: la distancia entre un punto en el dominio y la superficie sólida más cercana (d) se sustituye con el factor introducido por:
donde CDES es un coeficiente, se considera como 0,65 y Δ es una escala de longitud asociada con la separación de rejilla local:
Se ha empleado un enfoque modificado de DES, conocido como simulación de remolinos separados retardados (DDES), para dominar el problema probable de la "separación inducida por la rejilla" (GIS) que está relacionada con la geometría de la rejilla. El objetivo de este nuevo enfoque es confirmar que el modelado de turbulencia se mantiene en modo RANS en todas las capas de contorno [14] . Por lo tanto, la definición del parámetro se modifica como se define:
donde fd es una función de filtro que considera un valor de 0 en las capas límite cercanas al muro (zona RANS) y un valor de 1 en las áreas donde tuvo lugar la separación del flujo (zona LES).
3.3. Rejilla computacional y resultados
RWIND 2.01 Pro se emplea para la simulación de viento con CFD, que utiliza el código CFD externo OpenFOAM® versión 17.10. La simulación CFD tridimensional se realiza como una simulación de viento transitoria para un flujo turbulento incompresible utilizando el algoritmo SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations).
En la simulación actual, el solucionador de estado estacionario se considera como la condición inicial, lo que significa que cuando se calcula el flujo transitorio, el cálculo de estado estacionario de la condición inicial comienza en la primera parte de la simulación, y tan pronto como sea completado, el cálculo transitorio se iniciará automáticamente.
La rejilla computacional se realiza mediante 8.057.279 celdas tridimensionales y 8.820.901 nudos, también se consideran las dimensiones del dominio del túnel de viento 2000 m * 1000 m * 100 m (largo, ancho, alto) como se muestra en la imagen 3. El volumen mínimo de la celda es 6,34*10-5 m3, el volumen máximo es 812,30 m3 y la inclinación máxima es 1,80.
La presión residual final se considera 5*10-5. El proceso de generación de malla e independencia de la rejilla se ha llevado a cabo utilizando cuatro tamaños de malla que se muestran en la Imagen 4 para la malla de referencia y, finalmente, se ha logrado la independencia de la rejilla.
Se han realizado tres simulaciones para obtener el valor de la presión del viento para condiciones climáticas extremas y el valor del viento de diseño que se muestra en la Imagen 5. Para cada escenario, el resultado de la presión del viento se obtiene utilizando el modelo de turbulencia transitoria DDES con respecto a una duración de 30 (s) que incluye 60 capas de tiempo (Δt = 0,5 s).
Se puede observar que el área frontal del puente está expuesta a una presión de viento positiva y la cantidad de presión aumenta por la altura cerca del borde del tablero para todos los escenarios. Además, la imagen 5. ilustra los valores negativos de la presión del viento completamente en la superficie del tablero. El valor de pertenencia para el período de 3000 años es mucho mayor que en los otros escenarios.
Es importante tener en cuenta que el rango de la velocidad del viento de entrada tiene un gran impacto en el valor de la presión de la superficie en lugar de los otros parámetros. Además, para cada escenario, se debe considerar el intervalo más alto de presión del viento y succión durante el tiempo total como carga de viento crítica impuesta en la estructura. El valor más bajo de la presión superficial se obtiene en el escenario de condiciones de frío extremo, mientras que en la condición de viento extremo, el valor de la presión se vuelve un orden de magnitud mayor.
Además, es importante tener en cuenta que el rendimiento del puente sería completamente diferente debido a las diferentes temperaturas del aire, y un posible caso crítico puede ocurrir en el escenario que experimenta una presión más baja. Con respecto al valor de entrada de cada escenario, el intervalo más alto de presión del viento pertenece al nivel de cálculo debido al período de retorno de 3000 años, que ha recibido la mayor velocidad del viento como velocidad de entrada.
4. Simulación hidráulica
Los pilares del puente a través del río pueden bloquear el flujo al reducir la sección del río, crear corrientes de Foucault locales y cambiar la velocidad del flujo, lo que puede ejercer presión sobre las superficies de los pilares. Cuando el río fluye hacia los pilares del puente, el proceso de flujo de agua alrededor de la base se puede dividir en dos partes: aplicando presión en el momento en que el agua golpea el pilar del puente y después de la presión inicial cuando el agua fluye alrededor de los pilares [15].
Cuando el agua alcanza los pilares del puente a una cierta velocidad, el efecto de la presión sobre los pilares es mucho mayor que la presión del fluido que queda alrededor de ellos. Debido a los desarrollos de la ciencia de la computación, así como al desarrollo cada vez mayor de los códigos dinámicos de fluidos computacionales, se han utilizado ampliamente varias simulaciones numéricas y se ha demostrado que los resultados de muchas simulaciones son consistentes con los resultados experimentales [16].
En consecuencia, en esta investigación, se ha utilizado el método de la dinámica de fluidos computacional para simular los fenómenos que rigen el comportamiento del flujo del río. Para este estudio, se ha seleccionado una solución tridimensional basada en cálculos numéricos utilizando el modelo de turbulencia LES. La simulación tridimensional del flujo del río en diferentes direcciones y velocidades nos permite calcular y analizar todas las presiones en la superficie de los pilares del puente en diferentes intervalos de tiempo.
4.1. Parámetros de simulación
El flujo del río se puede definir como un flujo de dos fases, que incluye agua y aire, en un canal abierto. El flujo en canal abierto es un flujo de fluido con una superficie libre en la cual la presión atmosférica se distribuye uniformemente y se crea por el peso del fluido. Para simular este tipo de flujo, se utiliza el método multifásico VOF.
El programa disponible comercialmente Flow3D utiliza los métodos de fracciones volumétricas VOF y FAVOF. En el método VOF, el dominio de modelado se divide primero en celdas de elementos más pequeños o volúmenes de controles. Para elementos que contienen fluidos, los valores numéricos se mantienen para cada una de las variables de flujo dentro de ellos.
Estos valores representan la media volumétrica de los valores en cada elemento. En las corrientes superficiales libres, no todas las celdas están llenas de fluido; algunas celdas en la superficie de flujo están llenas hasta la mitad. En este caso, se define una cantidad llamada volumen de fluido, F, que representa la parte de la celda que está llena por el fluido.
Después de determinar la posición y el ángulo de la superficie de flujo, será posible aplicar las condiciones de contorno apropiadas en la superficie de flujo para calcular el movimiento del fluido. A medida que el fluido se mueve, el valor de F también cambia con él. Las superficies libres se controlan automáticamente mediante el movimiento del fluido dentro de una red fija. El método FAVOR se usa para determinar la geometría.
También se puede usar otra cantidad de fracción volumétrica para determinar el nivel de un cuerpo rígido desocupado ( Vf ). Cuando se conoce el volumen ocupado por el cuerpo rígido en cada celda, el límite del fluido dentro de la red fija se puede determinar como VOF. Este contorno se usa para determinar las condiciones de contorno del muro que sigue la corriente. En general, la ecuación de continuidad de masas es la siguiente:
Las ecuaciones de movimiento para los componentes de la velocidad del fluido en coordenadas 3D, o en otras palabras, las ecuaciones de Navier-Stokes, son las siguientes:
Donde VF es la relación del volumen abierto al flujo, ρ es la densidad del fluido, (u, v, w) son las componentes de la velocidad en las direcciones x, y y z, respectivamente, R SOR es la función de la fuente, (Ax, Ay, Az ) son las áreas fraccionales, (Gx, Gy, Gz ) son las fuerzas gravitacionales, (fx, fy, fz ) son las aceleraciones de la viscosidad y (bx, by, bz ) son las pérdidas de flujo en medios porosos en las direcciones x, y, z, respectivamente [17] .
El área de captación del río Kalix es grande y ancha, por lo que tiene un clima subpolar con inviernos fríos y largos y veranos suaves y cortos. Alrededor del 50% de la lluvia en esta área es nieve. En mayo, generalmente, el derretimiento de la nieve provoca un aumento significativo en la descarga del río. Las condiciones climáticas del río se resumen en la Tabla 2, [18] .
Contrariamente a la tendencia general de este estudio, el pronóstico de las condiciones meteorológicas mencionadas está utilizando la información meteorológica registrada en los períodos anteriores. Basándonos en la información meteorológica disponible, definimos las condiciones de contorno al realizar los cálculos.
4.2.Grejilla computacional y resultados
Primero, según las dimensiones de los pilares en las tres direcciones X, Y, Z, y según la dimensión longitudinal de los pilares (D = 8,5 m; ver figura 7), el dominio se extiende 10D aguas arriba y 20D aguas abajo. El método de mallado estructurado (cartesiano) y el software Flow3D se han utilizado para resolver este problema. Para una rejilla correcta, el dominio se debe dividir en diferentes secciones.
Esta división se basa en lugares con fuertes pendientes. Usando la creación de una nueva superficie, el dominio se puede dividir en varias secciones para crear una malla regular con las dimensiones correctas y apropiadas, se puede especificar el número de celdas en cada superficie.
Esto aumenta el volumen final de las celdas. Por esta razón, hemos mallado este dominio en tres niveles: Grueso, medio y fino. Los resultados de los estudios de independencia de la rejilla se dan en la Imagen 6. Para comprobar los resultados calculados, primero debemos asegurarnos de que la corriente de entrada sea correcta. Para hacer esto, el caudal de entrada se mide en el dominio de la solución y se compara con el valor base. Las dimensiones del dominio de la solución se especifican en la Imagen 7. Esta imagen también contribuye al reconocimiento de los pilares del puente y su denominación de superficie.
Como se muestra en la Imagen 8, el flujo del río está dentro del rango permitido durante el 90% del tiempo de simulación y el caudal de entrada se ha simulado correctamente. Además, en la Imagen 9, la velocidad media del río se calcula en función del caudal y del área de la sección transversal del río.
Para extraer la cantidad de presión aplicada a los diferentes lados de los pilares, hemos seleccionado el intervalo de tiempo de simulación de 10 a 25 segundos (tiempo de estabilización de descarga en la cantidad de 1800 metros cúbicos por segundo). Los resultados calculados para cada lado se muestran en las imágenes 10 y 11. Los contornos de velocidad también se muestran en las imágenes 12 y 13. Estos contornos se ajustan en función de la velocidad del fluido en un momento dado.
Debido a las dimensiones del dominio de la solución y al caudal del río, el flujo de agua alcanza los pilares del puente en el décimo segundo y la presión inicial del flujo del río afecta a las superficies de los pilares del puente. Esta presión inicial disminuye con el tiempo y se estabiliza en un cierto intervalo para cada lado según el área y el porcentaje de interacción con el flujo. Para los cálculos de interacción fluido-estructura (FSI), se puede usar la presión crítica calculada en el momento en que la corriente golpea los pilares.
5. Conclusión
Los efectos de las condiciones climáticas extremas, incluido el viento dinámico y el flujo de agua, se investigaron numéricamente para el puente Kalix. Se definieron tres escenarios para simulaciones dinámicas de viento que incluyen un clima con viento extremo, un clima con frío extremo y un valor de cálculo para un período de retorno de 3000 años. Aprovechando las simulaciones de CFD, se determinaron las presiones del viento en 60 pasos de tiempo (30 segundos) utilizando el modelo de turbulencia transitoria DDES.
Los resultados indican diferencias significativas entre el escenario, lo que implica la importancia de los datos de entrada, especialmente el diagrama de velocidad del viento. Se observó que el valor de cálculo para el periodo de retorno de 3000 años tiene un impacto mucho mayor que los otros escenarios. Además, se mostró la importancia de considerar el rango más alto de presión del viento en la superficie a través de pasos de tiempo para evaluar el comportamiento estructural del puente en la condición más crítica.
Además, se consideró el flujo máximo del río para una simulación transitoria según las condiciones climáticas registradas, y los pilares del puente se sometieron al flujo máximo del río durante 30 segundos. Por lo tanto, además de las condiciones físicas del flujo del río y cómo cambia la dirección del flujo aguas abajo, se cuantificaron las presiones máximas del agua en el momento en que el flujo golpea los pilares.
En el trabajo futuro, se evaluará el comportamiento estructural del puente Kalix mediante
imposición de la carga de viento, la presión del agua, así como la carga del tráfico, creando así un gemelo digital estructural que refleja la respuesta real de la estructura.
6. Acuse de recibo
Los autores agradecen enormemente el apoyo de Dlubal Software por proporcionar la licencia de RWIND Simulation, así como a Flow Sciences Inc. por proporcionar la licencia de FLOW-3D.
Autores
Mahyar Kazemian , candidato a doctorado, becario en el Departamento de Ingeniería, Timezyx Inc., Canadá.
Sajad Nikdel , M.Sc. estudiante, pasante en el Departamento de Ingeniería, Timezyx Inc., Canadá.
Mehrnaz Mohammad Esmaeili , estudiante de licenciatura, pasante en el Departamento de Ingeniería, Timezyx Inc., Canadá.
Vahid Nik , profesor asociado en la división de Física de la construcción, Universidad de Lund y Universidad Tecnológica de Chalmers, Suecia.
Kamyab Zandi , Director, Timezyx Inc., Vancouver, BC V6N 2R2, Canadá. E-mail: [email protected].