Come soddisfare i requisiti dell'Eurocodice utilizzando l'applicazione di CFD nel calcolo del carico del vento

Introduzione

L'ingegneria del vento è un campo multidisciplinare che si concentra sulla comprensione e sull'analisi del comportamento del vento e dei suoi effetti su strutture, edifici e ambiente. Svolge un ruolo cruciale nella progettazione di infrastrutture sicure, efficienti e sostenibili, sfruttando la potenza dell'energia eolica per varie applicazioni. L'ingegneria del vento combina i principi della meteorologia, della fluidodinamica, dell'ingegneria civile e dell'architettura per studiare come il vento interagisce con le strutture. L'obiettivo principale è garantire la sicurezza e la stabilità di edifici e altre costruzioni in condizioni di vento variabili. Ingegneri e ricercatori utilizzano modelli matematici e test in galleria del vento per simulare scenari del mondo reale e raccogliere dati per sviluppare soluzioni di progettazione efficaci. In questo articolo, approfondiremo il significato dell'ingegneria del vento e il suo ruolo nelle norme e come rispettarle, in particolare in EN 1991-1-4 [1]. Ecco alcuni esempi di applicazioni di simulazione del vento in una città moderna con grattacieli (Figura 1), campo di velocità del vento su una torre (Figura 2) e interazione vento-struttura utilizzando RWIND e RFEM per un ponte (Figura 3).

Figura 1: Simulazione del vento in una città moderna utilizzando RWIND

Figura 2: Campo di velocità del vento per una torre

Figura 3: Wind-Structure Interaction for a Bridge Structure Using RWIND and RFEM

Il metodo di calcolo del carico del vento

L'importanza dell'interazione vento-struttura è aumentata negli ultimi anni a causa di un numero crescente di strutture di varie altezze e forme. Per determinare l'interazione vengono utilizzati approcci sperimentali e numerici. Molte strutture sono in fase di valutazione nelle gallerie del vento come parte delle indagini sperimentali. In questo approccio, è possibile calcolare gli impatti causati dai carichi del vento. Strutture su larga scala, come edifici alti, ponti e stadi, traggono grandi vantaggi dai test in galleria del vento, ma sono metodi molto costosi e che richiedono tempo.

I carichi del vento strutturale possono anche essere determinati utilizzando la simulazione CFD, che è l'approccio più economico e veloce. È importante notare che sulla base di ASCE7-22 e EN 1991-1-4, il che implica che solo la simulazione numerica CFD verificata e validata può essere utilizzata come metodo efficace.

Principali importanti ed esempi di validazione

Qui sono alcuni criteri importanti che gli ingegneri del vento devono considerare quando utilizzano la simulazione CFD come tecniche di calcolo per la stima del flusso di fluidi in movimento. Esiste una varietà di software che può aiutare con i problemi CFD e RWIND è uno strumento molto intuitivo e potente per gli ingegneri strutturisti. RWIND Simulation è particolarmente utile per ingegneri e progettisti che hanno bisogno di capire come il vento influenza edifici, ponti, torri e altre strutture. Creando un modello 3D del flusso del vento, questo software può aiutare a valutare i carichi del vento, analizzare il comfort del vento e garantire che le strutture siano progettate per resistere alle forze del vento. Gli impatti del carico statico del vento sulle strutture possono essere stimati utilizzando una delle diverse norme ed è anche interessante fare un confronto con la simulazione CFD. Il Esempi di validazione dell'Eurocodice utilizzando RWIND per introdurre l'impostazione più compatibile per la simulazione CFD.

Figura 4: Esempio di Eurocodice per un cuboide rettangolare alto

Norme

L'Eurocodice è spesso utilizzato per eseguire calcoli del vento nei paesi europei. Per eseguire questi calcoli, il carico dinamico del vento è stato semplificato in un carico statico equivalente conservativo considerando i coefficienti di sicurezza. Un'alternativa al calcolo dei carichi del vento è un test fisico in galleria del vento. EN 1991-1-4 fornisce istruzioni su come determinare le forze naturali del vento che devono essere prese in considerazione nella progettazione strutturale di un edificio o di altre strutture per ciascuna delle regioni caricate. Questo riguarda l'intera struttura, i componenti della struttura o gli elementi collegati alla struttura, come elementi, unità di rivestimento e loro fissaggi, barriere di sicurezza e antirumore [1].

Nel capitolo C31 di ASCE 7-22 [2] relativo alla procedura in galleria del vento, ci sono punti importanti sulla simulazione CFD che menziona:

L'ASCE 49 specifica i requisiti per le prove appropriate in galleria del vento. Per calcolare i carichi del vento utilizzando prove numeriche o effettive in galleria del vento, è necessaria una norma di questo tipo. Sebbene l'uso delle simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD) nelle applicazioni di ingegneria del vento sia in aumento, ASCE 49 non elenca chiaramente tutti i passaggi necessari per CFD. Qualsiasi utilizzo di CFD per stimare i carichi del vento del sistema resistente alla forza del vento principale (MWFRS), C&C o altre strutture' richiede uno studio di revisione tra pari e di verifica e convalida (V&V) mentre aspettiamo una norma simile che delinei le procedure richieste per ottenere carichi del vento affidabili e precisi utilizzando gli strumenti CFD [2]. Ciò è necessario per gestire la garanzia di qualità e il controllo della qualità di questa procedura poiché non esiste'una norma [3]. Molte delle specifiche delineate in ASCE 49 per i test fisici in galleria del vento sono valide quando si utilizza CFD come una galleria del vento numerica. Ad esempio, il modello numerico richiede anche un flusso del vento sufficiente, una geometria precisa, l'inclusione delle principali strutture adiacenti e la considerazione della possibilità di eccitazione modale ed effetti aeroelastici. La simulazione CFD, se convalidata rispetto a un modello fisico di base, può aiutare a risolvere le sottigliezze che il modello fisico non può misurare e/o consentire l'analisi di sensibilità per le modifiche parametriche. Uno dei vantaggi significativi di RWIND è la sua integrazione con gli altri prodotti software di DLUBAL, come RFEM (software per il metodo degli elementi finiti) e RSTAB (software di analisi framework). Questa integrazione consente il trasferimento senza soluzione di continuità dei carichi del vento derivati da RWIND all'analisi strutturale e alla progettazione (Figure 3 e 5).

Figura 5: Interazione vento-struttura per una struttura leggera utilizzando RFEM e RWIND

Le simulazioni numeriche in galleria del vento possono essere considerate solo come dati qualitativi in assenza di tale convalida. Quando le informazioni di progetto sono necessarie per le seguenti tensioni indotte dal vento, gli esperimenti in galleria del vento sono spesso utilizzati come ultima opzione.

• Tensioni derivanti da instabilità, come flutter o galoppo
• Pressioni delle facciate continue risultanti dalla geometria irregolare
• Tensioni trasversali al vento e/o torsionali
• Carichi periodici indotti dal distacco di vortici

Utilizzo della simulazione CFD per il calcolo del carico del vento nell'Eurocodice

L'Eurocodice fornisce le linee guida (in particolare l'Eurocodice 1, Parte 4: Azioni del vento) per determinare i carichi del vento sulle strutture. Le simulazioni CFD possono essere utilizzate per valutare i modelli di flusso del vento intorno agli edifici e calcolare con precisione i carichi del vento che agiscono su varie superfici della struttura. Ecco come utilizzare la simulazione CFD per calcolare il carico del vento nell'Eurocodice:

1. Comprendere i requisiti delle norme edilizie: ogni città, stato o paese può avere norme edilizie diverse. Alcuni potrebbero aderire agli standard internazionali, mentre altri potrebbero avere linee guida locali più specifiche. È necessario comprendere i requisiti specifici per la posizione del progetto.
2. Definisci la geometria: il primo passo è creare un modello 3D dettagliato dell'edificio o della struttura nel software CFD. Questo modello dovrebbe rappresentare accuratamente la forma, le dimensioni e le caratteristiche della struttura, incluso qualsiasi terreno circostante o edifici vicini che possono influenzare il flusso del vento. Le categorie di terreno nell'Eurocodice 1 sono utilizzate per definire le caratteristiche del terreno, che a sua volta influenza la velocità del vento e la pressione che agisce sulla struttura. Queste categorie vengono utilizzate per determinare la rugosità del terreno e la lunghezza della rugosità del terreno, che quindi influenza il profilo della velocità del vento e le azioni del vento su una struttura. Queste informazioni sono vitali nella progettazione strutturale per garantire che l'edificio o la struttura possa sopportare i carichi del vento previsti per la sua posizione e il terreno circostante.
3. Imposta condizioni al contorno: definisce le condizioni al contorno per la simulazione CFD, inclusa la velocità del vento, la direzione e l'intensità della turbolenza. Queste condizioni al contorno sono in genere basate su dati meteorologici storici o su criteri specifici di progettazione del vento forniti nell'Eurocodice.
4. Generazione della mesh: crea una griglia della mesh attorno alla geometria dell'edificio per discretizzare il dominio del fluido. La risoluzione della mesh dovrebbe essere sufficientemente fine da catturare le caratteristiche del flusso rilevanti e gli effetti dello strato limite vicino alle superfici dell'edificio.
5. Risoluzione delle equazioni: il software CFD risolve numericamente le equazioni determinanti del flusso del fluido (equazioni di Navier-Stokes) per le condizioni al contorno definite. Il software calcola i campi di velocità e pressione intorno all'edificio.
6. Convalida: confronta i tuoi risultati CFD con i test in galleria del vento o i dati empirici per convalidare i tuoi risultati.
7. Post-elaborazione: una volta completata la simulazione CFD, viene eseguita la post-elaborazione per analizzare i risultati. Ciò comporta l'estrazione di dati sulle pressioni del vento, le forze e le velocità che agiscono sulle superfici dell'edificio.
8. Calcolo del carico del vento: sulla base della distribuzione della pressione ottenuta dalla simulazione CFD, i carichi del vento sulle diverse superfici dell'edificio sono calcolati secondo le linee guida dell'Eurocodice. I coefficienti di pressione vengono utilizzati per determinare i carichi del vento su pareti, coperture e altri componenti.
9. Combinazione di carico: i carichi del vento calcolati dalle simulazioni CFD sono quindi combinati con altri carichi rilevanti, come carichi permanenti, carichi variabili e carichi da neve, secondo le regole di combinazione di carico dell'Eurocodice.
10. Analisi strutturale: i carichi del vento, insieme ad altri carichi, sono utilizzati come input per l'analisi strutturale dell'edificio per valutarne la stabilità e l'integrità in vari scenari di carico.
11. Ottimizzazione: modifica il progetto per mitigare eventuali aree di alta pressione o altri potenziali problemi identificati dall'analisi CFD.
12. Revisione tra pari o verifica di terze parti: a seconda della complessità dell'edificio e delle normative locali, potrebbe essere necessario far rivedere i progetti e i risultati CFD da una terza parte. Questo è un passaggio aggiuntivo per verificare che il progetto soddisfi i requisiti del regolamento edilizio.

Conclusione

Nel contesto delle normative edilizie e dei carichi del vento, CFD può essere utilizzato per simulare il modo in cui il vento interagisce con un edificio, fornendo una comprensione più dettagliata e accurata dei carichi del vento rispetto a semplici formule. È importante notare che le simulazioni CFD per il calcolo del carico del vento richiedono esperienza sia nella modellazione CFD che nella conoscenza delle linee guida dell'Eurocodice. Inoltre, l'accuratezza della simulazione dipende dalla qualità del modello dell'edificio, dalla scelta delle condizioni al contorno e dalla risoluzione della mesh. Tuttavia, è importante notare che mentre CFD può fornire spunti preziosi, è uno strumento che dovrebbe essere utilizzato insieme, non al posto dei requisiti e delle norme stabilite nei regolamenti edilizi. È anche necessario avere una solida conoscenza della meccanica dei fluidi e dei metodi numerici per interpretare correttamente i risultati delle simulazioni CFD. Infine, gli esempi di validazioni e gli articoli della knowledge base sono fonti utili per trovare l'impostazione numerica più compatibile con le norme.