Descrizione
Gli standard esistenti come EN 1991-1-4 [1], ASCE/SEI 7-16 e NBC 2015, forniscono parametri di carico del vento, incluso il coefficiente di pressione del vento (Cp), per forme strutturali di base. Tuttavia, una sfida chiave risiede nella determinazione di questi parametri in modo più efficiente e accurato, anziché basarsi su approcci basati su formule complesse e spesso dispendiosi in termini di tempo che si trovano negli standard.
Uno degli aspetti fondamentali della simulazione CFD è la selezione di configurazioni precise e compatibili come il modello di turbolenza, il profilo di velocità del vento, l'intensità della turbolenza, le condizioni dello strato limite e l'ordine di discretizzazione. Tuttavia, questi dettagli numerici non sono specificati esplicitamente nell'EN 1991-1-4.
Nell'esempio di validazione attuale che coinvolge una struttura cilindrica, proponiamo un insieme di impostazioni CFD raccomandate coerenti con il framework Eurocodice. Come descritto nell'EN 1991-1-4, la determinazione dei valori Cp si basa su formule complesse che variano con il numero di Reynolds, che può essere semplificato attraverso approcci CFD ben calibrati.
Soluzione Analitica
Le dimensioni del cilindro, come mostrato in Figura 1, sono progettate per raggiungere un numero di Reynolds di Re= 2*106 basato sull'Equazione 7.15 di EN 1991-1-4. In questa equazione, b rappresenta il diametro del cilindro, ν è la viscosità cinematica dell'aria (ν=15*10-6 m2/s), e v(ze) denota la velocità massima del vento all'altezza di riferimento ze:
Le ipotesi e le impostazioni CFD consigliate, riassunte nella Tabella 1, dimostrano un miglior accordo con i valori del coefficiente di pressione Cp e del coefficiente di forza forniti nell'esempio dell'Eurocodice:
| Velocità del Vento | V | 30 | m/s |
| Numero di Reynolds (Equazione 7.15, EN 1991-1-4) | Re | 2*106 | - |
| Altezza | L | 1 | m |
| Diametro | D | 1 | m |
| Posizione della Pressione/Separazione del Flusso Minima (Tabella 7.12, EN 1991-1-4) | αmin/αA | 80/120 | Gradi |
| Valore del Coefficiente di Pressione Minimo (Tabella 7.12, EN 1991-1-4) | Cp0,min | -1.9 | - |
| Coefficiente di Pressione di Base (Tabella 7.12, EN 1991-1-4) | Cp0,h | -0.7 | - |
| Rapporto di Solidità (Equazione 7.28, EN 1991-1-4) | φ | 1 | - |
| Snellezza Effettiva (Tabella 7.16, EN 1991-1-4) | λ | 1 | - |
| Fattore di Effetto Finale (Figura 7.36 - Equazione 7.17, EN 1991-1-4) | ψλ - ψλa | 0.6-(0.6-1) | - |
| Coefficiente di Forza (Figura 7.28, EN 1991-1-4) | Cf,0 | 0.55 | - |
| Densità dell'Aria | ρ | 1.25 | kg/m3 |
| Modello di Turbolenza | RANS k-ω SST Stazionario | - | - |
| Viscosità Cinematica (Equazione 7.15, EN 1991-1-4) | ν | 1.5*10-5 | m2/s |
| Ordine dello Schema | Secondo | - | - |
| Valore Obiettivo dei Residui | 10-5 | - | - |
| Tipo di Residuo | Pressione | - | - |
| Numero Minimo di Iterazioni | 800 | - | - |
| Strato Limite | NL | 10 | - |
| Tipo di Funzione di Parete | Avanzato / Blended | - | - |
| Intensità della Turbolenza (Miglior Adattamento) | I | 7.5%-15% | - |
Risultati
Infine, il contorno di Cp per un'intensità di turbolenza del 7.5% è mostrato in Figura 2, e il diagramma corrispondente per varie intensità di turbolenza è presentato in Figura 3. Tra i casi testati, un'intensità di turbolenza di I=7.5% dimostra il miglior accordo nella previsione del coefficiente di pressione media del vento.
Tuttavia, considerando un altro parametro chiave, il coefficiente di forza Cf,0 (come elencato nella Tabella 2 e citato nella Figura 7.28 di EN 1991-1-4), un'intensità di turbolenza del 15% produce risultati che sono più coerenti con l'esempio dell'Eurocodice.
| Intensità della Turbolenza (%) | Fd (N) | ρ (kg/m3) | u (m/s) | A (m2) | Cf,0 |
| 1.00 | 253 | 1.25 | 30 | 1 | 0.45 |
| 5.00 | 226 | 1.25 | 30 | 1 | 0.40 |
| 7.50 | 253 | 1.25 | 30 | 1 | 0.46 |
| 10.00 | 257 | 1.25 | 30 | 1 | 0.46 |
| 15.00 | 303 | 1.25 | 30 | 1 | 0.54 |
| 20.00 | 328 | 1.25 | 30 | 1 | 0.58 |
| 25.00 | 361 | 1.25 | 30 | 1 | 0.64 |
| Eurocodice | - | - | - | - | 0.55 |
Inoltre, il modello del cilindro con le impostazioni CFD raccomandate è disponibile per il download qui:
