Simulación de viento usando RWIND Simulation y transferencia de fuerzas de viento a RFEM o RSTAB

Artículo técnico sobre el tema del análisis de estructuras usando de Dlubal Software

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Artículo técnico

La tecnología informática tiene un control firme sobre el análisis y diseño de estructuras digital. Con cada nuevo desarrollo, los planificadores involucrados pueden subir el listón de los límites de lo que es posible.

Puede ver fácilmente estos cambios en las formas de construcción cada vez más atrevidas. Es como una competición para ver qué esbeltez tiene un rascacielos que crece hacia el cielo o qué función compleja de curva tiene la envolvente del edificio. Sin embargo, todos los proyectos tienen en común que se debe crear un análisis y diseño de la estructura para la transferencia segura de todas las cargas antes de la ejecución.

Esta tarea es un proceso muy complejo, que depende de la geometría y el uso del edificio. En particular, los nuevos tipos de edificios tienen otra dificultad en términos de cargas de viento. Mientras que la carga de viento para una forma de edificio estandarizada se puede tomar de una norma, la carga de viento permanece desconocida para una nueva geometría de forma libre. Para resolver este problema, puede analizar el edificio en un tamaño reducido en un túnel de viento y determinar las cargas de viento correspondientes. Alternativamente, puede simular el edificio en un flujo de viento utilizando la tecnología de simulación numérica y extraer conclusiones sobre la carga de viento equivalente.

A pesar de una evaluación de resultados más compleja, la opción de la solución numérica ofrece una cierta ventaja en comparación con la solución basada en pruebas: no tiene que crear un modelo de construcción reducido y puede utilizar el túnel de viento. Esta ventaja es especialmente interesante al diseñar y definir la forma del edificio.

Aquí es exactamente donde Dlubal Software, en cooperación con PC-Progress y CFD Support, inició y desarrolló RWIND Simulation para ingenieros estructurales. Este programa simula flujos de viento en un túnel de viento digital alrededor de edificios u otros objetos y genera cargas equivalentes para el análisis y diseño estructural.

Flujo de viento alrededor del edificio de la sede de la Televisión Central de China

RWIND Simulation está especialmente diseñado para la determinación de la carga de viento en edificios y solo requiere una descripción de la carga de viento además del modelo en 3D. El programa define automáticamente todos los demás parámetros para realizar la simulación compleja de flujos con respecto a la suposición básica. Con eso, no tendrá que realizar la definición compleja del problema de la mecánica de fluidos y obtendrá inmediatamente el análisis de los resultados.

Cómo funciona RWIND Simulation

RWIND Simulation es un programa independiente y se puede utilizar como una aplicación independiente o como un complemento de los programas RFEM/RSTAB para análisis estáticos y dinámicos. Debido a la suposición básica con respecto a la determinación de las cargas de viento para edificios con la transferencia de fuerzas al modelo estructural, hay una conexión nativa entre RFEM/RSTAB y RWIND Simulation. Esta conexión permite exportar cualquier modelo de RFEM o RSTAB con la definición de la carga de viento a RWIND Simulation utilizando una interfaz especial y recibir las cargas de viento en las superficies de los elementos después del cálculo. El programa RWIND Simulation se puede ejecutar también manualmente sin la interfaz en RFEM y RSTAB.

Modelado

RWIND Simulation está organizado en proyectos. Cada proyecto describe la geometría del objeto orientado al flujo de viento en un túnel de viento numérico con una carga de viento entrante definida incluyendo todos los resultados del campo de flujo en el túnel de viento y los resultados de las superficies en los objetos. La carga de viento entrante describe el perfil de la velocidad del viento y de la intensidad de la turbulencia sobre la altura en la entrada del túnel de viento. Tiene dos opciones para definir un proyecto.

  1. Si desea realizar un análisis de carga de viento solo en RWIND Simulation, importe la geometría rodeada por flujos al túnel de viento numérico del proyecto utilizando un modelo de datos en 3D, alinéelo en el túnel de viento y defina la carga de viento entrante en el cuadro de diálogo. Este programa le permite importar el modelo como una geometría de modelo triangular utilizando el formato STL o como una geometría de modelo ParaView utilizando el formato VTP.

  1. Para un análisis de cargas de viento utilizando las cargas de viento en los programas de análisis estructural RFEM y RSTAB, debe crear el modelo primario como un modelo estructural en RFEM o RSTAB para retener todas las conexiones. En este caso, puede definir la carga de viento (manualmente o según la norma) para diferentes direcciones del viento mediante una aplicación de interfaz en RFEM y RSTAB, y el modelo estructural se exporta automáticamente con todas las barras, superficies, sólidos y objetos 3D para las direcciones del viento a los proyectos de túnel de viento de RWIND Simulation.

Al importar el modelo a RWIND Simulation, no habrá más restricciones. Independientemente de si el flujo alrededor del objeto es una forma orgánica o un bloque con esquinas pronunciadas, las interfaces disponibles importan los datos geométricos con una opción de orientación al túnel de viento numérico y definen las condiciones de contorno correspondientes para el análisis numérico del flujo en las superficies.

Cálculo

RWIND Simulation usa un modelo de CFD numérico (Dinámica de fluidos computacional) para representar flujos de viento alrededor de los edificios usando un túnel de viento digital. El proceso de simulación es el siguiente.

  1. Generación de una malla envolvente plana en la superficie de los objetos rodeados de viento. Esta malla envolvente simplifica la geometría de los objetos rodeados de viento y asegura la estanqueidad de todos los objetos simulados.

  1. Discretización de elementos sólidos del espacio entre el exterior del túnel de viento y la envolvente de malla con el generador de mallas OpenFOAM (SnappyHexMesh). El tamaño de los elementos sólidos se define con fluidez y sigue una especificación de densidad de malla global con una compresión homogénea hacia el área inmediata de las superficies de los objetos.

  1. Simulación iterativa de flujos de viento en el espacio de volumen discretizado utilizando el método del volumen finito con un solucionador de ecuaciones OpenFOAM de la familia de solucionadores SIMPLE (método semi-implícito para ecuaciones vinculadas a presión) para flujos turbulentos incompresibles estacionarios.

El viento fluye alrededor de un seguidor solar | Programa de simulación de viento RWIND Simulation

  1. Extracción de las presiones de viento resultantes de los flujos de viento alrededor de los objetos sobre la malla envolvente de éstos.

  1. Transformación de las presiones del viento desde la envolvente de la malla hasta la geometría original del modelo.

Datos de salida

Cuando se alcanza el criterio de convergencia del proceso de simulación iterativo, el programa muestra dos tipos de resultados básicos para describir el flujo de viento alrededor de los objetos y su efecto en éstos. Por un lado, se indican los campos de flujo tridimensionales caracterizados por capas mostrando

  • Velocidades del viento,
  • Direcciones del viento,
  • Presiones,
  • Propiedades de turbulencia y
  • Líneas de corriente (se pueden animar)

la forma del flujo de viento alrededor del objeto en el espacio.


Por otro lado, se indican los resultados de la superficie escalar mostrando

  • Presiones del viento incluyendo la salida de la resistencia al viento vectorial y
  • coeficientes aerodinámicos de las superficies

el efecto del flujo de viento en los objetos.


Transformación

Cuando utilizó la opción con la creación del proyecto de RWIND Simulation basado en la introducción del modelo en RFEM o RSTAB, el resultado de la presión del viento de RWIND Simulation se creará en función del modelo original como un caso de carga de viento separado en el modelo de RFEM o RSTAB correspondiente cuando se complete el análisis de flujo. Este caso de carga, o varios casos de carga cuando se analizan varias direcciones de viento, incluye las cargas de la presión del viento netas resultantes en los nudos de elementos finitos de las barras, superficies y sólidos utilizados. Un cálculo de los casos de carga de la simulación RWIND en RFEM o RSTAB da como resultado los esfuerzos internos y deformaciones de los elementos estructurales utilizados debido a los efectos simulados del flujo de viento. Además del cálculo puro de la acción del viento en sí, también puede combinar estos casos de carga con otras acciones en combinaciones de carga y combinaciones de resultados, y aplicar los resultados en los módulos adicionales de diseño disponibles.

Conclusión

RWIND Simulation, junto con la interfaz con RFEM y RSTAB, es una herramienta muy potente para determinar las cargas de viento en geometrías complejas de edificios. Con la programación intuitiva, puede determinar rápida y fácilmente las cargas de viento para el análisis y diseño de sus estructuras, teniendo en cuenta la teoría de cálculo utilizada. Este procedimiento ya es común en la ingeniería automovilística y de aeronaves y aún ofrece un gran potencial en el análisis y diseño estructural con respecto a una determinación más precisa de las cargas de viento y un análisis y diseño estructural más rápido.

Autor

Dipl.-Ing. (BA) Andreas Niemeier, M.Eng.

Dipl.-Ing. (BA) Andreas Niemeier, M.Eng.

Product Engineering & Customer Support

El Sr. Niemeier es responsable del desarrollo de RFEM, RSTAB y los módulos adicionales para estructuras de membranas extensibles. Además, es responsable del aseguramiento de la calidad y la atención al cliente.

Palabras clave

Simulación de viento Simulación CFD OpenFOAM Análisis de cargas de viento Túnel de viento Acción del viento Determinación de la fuerza del viento Carga de viento Turbulencia Flujos turbulentos Torbellino Curva de flujo de viento

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  • Actualizado 26. abril 2021

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