Profilo della velocità del vento e dell'intensità della turbolenza per la determinazione dei carichi da vento quasi statici secondo il concetto di raffica

Articolo tecnico sul tema Analisi strutturale con Dlubal Software

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A seconda della rigidezza, della massa e dello smorzamento, le strutture reagiscono in modo diverso all'azione del vento. Viene fatta una distinzione di base tra gli edifici che sono soggetti a vibrazioni e quelli che non lo sono.

Di solito, le strutture non sono considerate sensibili alle vibrazioni se le deformazioni sotto l'azione del vento per risonanza delle raffiche non sono aumentate di più del 10 % [2]. In questo caso, l'azione del vento variabile nel tempo può essere descritta come un carico statico equivalente.

Supponendo che le turbolenze all'interno del flusso del vento siano molto grandi in relazione alle dimensioni dell'edificio, una distribuzione ad azione statica della pressione p sulla geometria dell'edificio può essere calcolata con RWIND Simulation secondo il "metodo quasi-stazionario" o la cosiddetta raffica concetto [3].

Fondamentalmente, si assume un campo di flusso stazionario attorno al modello di analisi per la fluttuazione della velocità turbolenta per la durata della raffica [3]. La fluttuazione di pressione sulla superficie del modello dalla turbolenza del flusso in ingresso è quindi vista come uno stato stazionario per un certo periodo di tempo t. Pertanto, le fluttuazioni seguono esattamente l'andamento dei coefficienti di pressione mediati nel tempo cp, media sulla superficie del modello.

La pressione risultante indotta dal vento Δp (t) sulle superfici del modello dipende quindi semplicemente dalla velocità di ingresso v (t).

Pressione indotta dal vento in funzione del tempo

Δp(t) = 12 · ρ · v2 (t) · cp,mean

ρ densità dell'aria
eqv Velocità in ingresso
cp, media coefficiente di pressione mediata nel tempo
t Tempo

Quindi, il valore del vettore velocità di ingresso v (t) è:

v (t) ² = (vx, media + vx, fluttuazione (t)) ² + vy, fluttuazione (t) ² + vz, fluttuazione (t) ²

Se i termini al quadrato danno solo un piccolo contributo, un valore efficace del vettore della velocità di ingresso v (t) è il risultato:

v (t) ² = vx, media ² + 2 ⋅ vx, media ⋅ vx, fluttuazione (t)

Utilizzando la velocità di ingresso efficace nell'equazione della pressione indotta dal vento si ottiene:

Δp (t) = 1/2 ⋅ ρ ⋅ vx, media ² [1 + (2 ⋅ vx, fluttuazione (t))/vx, media ] ⋅ cp, media

Questa trasformazione mostra che la fluttuazione della pressione del vento Δp (t) dipende solo dalla fluttuazione della velocità del vento vx, fluttuazione (t) nella direzione del flusso di afflusso principale x.

Se si sostituisce la fluttuazione di velocità variabile nel tempo vx, fluttuazione (t) con la massima fluttuazione di velocità che si verifica vx, fluttuazione, max , si rimuove la variabilità temporale dal sistema.

E se si confronta il termine vx, fluttuazione, max/vx, media come multiplo g dell'intensità di turbolenza Iv (z),

Intensità della turbolenza in funzione dell'altitudine

Iv(z) = δvvmean (z)

δeqv
deviazione standard dalla velocitàmedia v media
vmedia (z) velocità media dipendente dall'altitudine
Z altezza fuori terra

è possibile descrivere il termine tra parentesi quadre come coefficiente di raffica G (z). L'inserimento dei termini nell'equazione del carico del vento nominale risulta in:

Carico nominale del vento

W = 12 · ρ · vmean2 (z) · G(z) · cp,mean

ρ densità dell'aria
vmedia velocità media in ingresso
G (z) coefficiente di raffica dipendente dall'altitudine
cp, media coefficiente di pressione mediata nel tempo

dove

Fattore di raffica

G(z) = 1 + 2 · g · Iv (z)

g fattore per definire la durata della raffica
Iov (z) intensità di turbolenza in funzione dell'altitudine
Z altezza fuori terra

Ad esempio, nella EN 1991-1-4, il fattore g è utilizzato per descrivere la durata della raffica 3.5.

RWIND Simulation calcola i valori medi delle pressioni pmedie sulla superficie del modello in funzione di una velocità di ingresso vx (z) mediante una soluzione stazionaria delle equazioni RANS utilizzando l'algoritmo SIMPLEC. Poiché i valori medi dei coefficienti di pressione cp, la media si basa sul rapporto tra i valori di pressione media determinati pmedia e la pressione della velocità del vento massima indisturbata all'altezza del tetto q (altezza del tetto),

cp, media = pmedia/q (altezza del tetto)

è possibile utilizzare la velocità di ingresso dalla pressione della velocità di picco del vento convertita q (z) sopra l'altezza per determinare i carichi del vento nominali secondo il concetto di raffica [1].

v (z) = √ (2 ⋅ q (z)/ρ)

Così, questa velocità del vento include la velocità media del vento vmedia e la fluttuazione massima della componente difluttuazione v. In questo caso, l'intensità della turbolenza in ingresso può essere impostata costantemente per tutta l'altezza su un valore molto piccolo di circa il 5 % [4].

Quando si considerano gli effetti delle forze che agiscono sull'intero edificio o su grandi superfici, questo metodo fornisce un'ottima approssimazione al carico del vento naturale [3]. Il motivo è che i piccoli effetti di turbolenza mascherati dalla media agiscono solo in aree parziali e non hanno alcun effetto evidente a causa dell'integrazione globale dei valori di forza.

Inoltre, il concetto reagisce molto bene anche per piccole aree parziali con afflusso frontale poiché qui le fluttuazioni di pressione efficace sono già molto ben registrate nel profilo della velocità di picco del vento [3].

Al contrario, il sistema risulta in una scarsa convergenza alla realtà per le superfici con separazione di flusso (parete laterale e posteriore). È specialmente in queste zone che la turbolenza indotta dall'edificio "svanita" facendo la media utilizzando il concetto di raffica ha un effetto maggiore rispetto all'effetto di turbolenza in ingresso contenuto nel profilo della velocità dell'ingresso.

Autore

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

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

Ingegneria del prodotto e assistenza clienti

Mr. Niemeier è responsabile dello sviluppo di RFEM, RSTAB e dei moduli aggiuntivi per le strutture a membrana tesa. Inoltre, è responsabile dell'assicurazione della qualità e dell'assistenza clienti.

Parole chiave

Velocità massima del vento Velocità del vento raffica velocità di riferimento del vento Velocità media del vento Turbulence intensity pressione del vento

Riferimento

[1]   Eurocode 1: Actions on structures - Part 1-4: General actions - Wind actions; German version EN 1991-1-4:2005 + A1:2010 + AC:2010
[2]   Albert, A.: Schneider - Bautabellen für Ingenieure mit Berechnungshinweisen und Beispielen, 22. Auflage. Bochum: Bundesanzeiger, 2016
[3]   Kiefer, H: Windlasten an quaderförmigen Gebäuden in bebauten Gebieten, 2003
[4]   Werth, M.: Vergleichende Studie zu Windlastmodellen im Hochbau: Numerische Strömungsberechnung vs. Druckmessungen im Windkanal, 2019

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