Postęp też można łatwo zauważyć w coraz bardziej wymyślnych kształtach budynków. Kolejne budowle konkurują ze sobą, jeśli chodzi o wysokość i smukłość oraz o złożoność kształtu tworzącego bryłę obiektu. Wszystkie projekty łączy jedna wspólna cecha - przed ich realizacją należy przeprowadzić analizę statyczno-wytrzymałościową aby zaprojektować konstrukcję bezpiecznie przenoszącą wszystkie obciążenia.
Jest to bardzo złożony proces, a wynik zależny od geometrii oraz funkcji budynku. Zwłaszcza w przypadku nowoczesnych budynków przed projektantem pojawia się dodatkowy problem związany z obciążeniem wiatrem. W przypadku budynków o typowym kształcie obciążenie wiatrem można przyjąć na podstawie norm. Obciążenie takie pozostaje jednak nieznane w przypadku konstrukcji o dowolnej geometrii. Aby rozwiązać ten problem, można przeanalizować pomniejszony w skali model budynku w tunelu aerodynamicznym i określić odpowiednie obciążenia wiatrem. Alternatywą jest przeprowadzenie symulacji numerycznej przepływu wiatru wokół obiektu oraz ocena wyników by wyciągnąć wnioski dotyczące równoważnego obciążenia wiatrem.
Pomimo bardziej złożonej analizy wyników, rozwiązanie numeryczne oferuje pewną przewagę w porównaniu z rozwiązaniem opartym na testach: nie trzeba tworzyć zredukowanego modelu budynku, ale można wykorzystać tunel aerodynamiczny. Jest to szczególnie duża zaleta podczas projektowania wstępnego i na etapie definiowania kształtu bryły budynku.
Dlatego firma Dlubal Software we współpracy z PC-Progress i CFD Support opracowała RWIND Simulation dla inżynierów konstrukcyjnych. Program ten symuluje przepływy wiatru wokół budynków oraz innych obiektów w cyfrowym tunelu aerodynamicznym i generuje obciążenia równoważne do analizy statycznej i obliczeń konstrukcyjnych.
RWIND Simulation jest specjalnie zaprojektowany do zastosowania w konstrukcji i wymaga tylko wprowadzenia danych dotyczących prędkości wiatru i innych parametrów. Wszystkie pozostałe parametry potrzebne do przeprowadzenia złożonej symulacji przepływu w odniesieniu do założeń podstawowych są automatycznie definiowane przez program. Nie ma konieczności definiowania skomplikowanych parametrów dotyczących zagadnienia mechaniki przepływu, a analiza wyników jest przeprowadzana natychmiast.
Jak działa RWIND Simulation
RWIND Simulation jest samodzielnym programem. Może być używany jako niezależna aplikacja lub jako uzupełnienie programów RFEM/RSTAB do analizy statycznej i dynamicznej. Ze względu na podstawowe założenie dotyczące określania obciążeń wiatrem na budynki wraz z przeniesieniem sił na model konstrukcyjny, pomiędzy RFEM/RSTAB a RWIND Simulation istnieje połączenie bezpośrednie. Połączenie to umożliwia eksport dowolnego modelu z programu RFEM lub RSTAB do programu RWIND Simulation wraz z definicją obciążenia wiatrem, za pomocą specjalnego interfejsu, a następnie eksportowanie obciążeń wiatrem na powierzchnie elementów po przeprowadzeniu obliczeń. Program RWIND Simulation można również uruchomić ręcznie, bez interfejsu w RFEM i RSTAB.
Modelowanie
RWIND Simulation jest zorganizowany w postaci projektów. Każdy projekt opisuje geometrię obiektu wraz z jego orientacją względem przepływu wiatru w cyfrowym tunelu aerodynamicznym. Zawiera też definicję profilu wiatrowego na wejściu do cyfrowego tunelu oraz wyniki w całym polu przepływu jak i na powierzchniach obiektów. Wiatr działający na obiekty opisany jest przy wejściu do tunelu cyfrowego przez profil prędkości wiatru oraz intensywności turbulencji na wysokości. Istnieją dwie możliwości zdefiniowania projektu.
- Jeżeli chcesz przeprowadzić analizę obciążenia wiatrem tylko w RWIND Simulation , zaimportuj otoczoną przepływami geometrię na modelu 3D do numerycznego tunelu aerodynamicznego projektu, wyrównaj ją w tunelu aerodynamicznym i zdefiniuj obciążenie wiatrem w oknie dialogowym pole. RWIND umożliwia importowanie geometrii w postaci siatki wielokątów z wykorzystaniem formatu STL lub jako geometrii modelu ParaView z wykorzystaniem formatu VTP.
- Aby przeprowadzić analizę obciążenia wiatrem obiektu zdefiniowanego w programie RFEM/RSTAB, należy najpierw utworzyć model konstrukcyjny w jednej z tych aplikacji. W tym przypadku można zdefiniować obciążenie wiatrem (ręcznie lub zgodnie z normą) dla różnych kierunków wiatru za pomocą interfejsu w programach RFEM i RSTAB, a następnie zautomatyzować model konstrukcyjny ze wszystkimi prętami, powierzchniami, bryłami i obiektami 3D dla różnych kierunków wiatru do projektów tuneli aerodynamicznych RWIND Simulation do transferu.
Import modelu do RWIND Simulation nie powoduje dalszych ograniczeń. Niezależnie od tego, czy importowany obiekt ma krzywoliniowy, obły kształt, czy jest to blok o ostrych krawędziach, dostępne interfejsy importują dane o geometrii do cyfrowego tunelem aerodynamicznego i definiują odpowiednie warunki brzegowe na powierzchniach obiektu dla numerycznej analizy przepływu.
obliczenia
RWIND Simulation wykorzystuje numeryczny model CFD (Computational Fluid Dynamics) do przeprowadzenia przepływu wiatru wokół obiektów za pomocą cyfrowego tunelu aerodynamicznego. Proces symulacji przebiega w następujący sposób.
- Generowanie płaskiej siatki zamykającej z zewnątrz powierzchnie obiektów otoczonych przepływem wiatru. Ta okalająca konstrukcję siatka (obwiednia) upraszcza geometrię obiektów w tunelu i zapewnia „szczelność” na przepływy powietrza.
- Dyskretyzacja przestrzeni 3D zawartej między granicami tunelu aerodynamicznego a obwiednią konstrukcji z kroku nr 1. Siatkę bryłową generuje algorytm OpenFOAM (SnappyHexMesh). Rozmiar elementów bryłowych jest definiowany płynnie i jest zgodny z globalnym wymiarem charakterystycznym oczka siatki. Siatka bryłowa jest dodatkowo jednorodnie dogęszczana w bezpośrednim sąsiedztwie obszaru gdzie znajduje się model konstrukcji.
- Iteracyjna symulacja przepływu wiatru w dyskretyzowanej przestrzeni objętościowej z wykorzystaniem metody objętości skończonych z solwerem równań OpenFOAM z rodziny solwerów SIMPLE (Metoda pół-umowna dla równań powiązanych z ciśnieniem) dla stacjonarnych, nieściśliwych przepływów turbulentnych.
- Generowanie wynikowego ciśnienia parcia/ssania wiatru na obwiednię wokół obiektów w tunelu z iteracyjnie wyznaczonych strumieni przepływu.
- Transformacja parcia/ssania wiatru z obwiedni siatki wokół obiektów z powrotem do pierwotnej geometrii modelu.
Wyniki
Po osiągnięciu kryterium zbieżności w iteracyjnym procesie symulacji, program wyświetla dwa podstawowe typy wyników dla opisu przepływu wiatru wokół obiektów oraz ich wpływu na obiekty. Trójwymiarowe pola przepływu opisane warstwami pozwalają wyświetlać:
- Prędkość wiatru,
- Kierunki wiatru,
- Ciśnienie,
- Właściwości turbulencji i
- Linie przepływu (mogą być animowane)
kształtu pola przepływu wiatru wokół obiektu w przestrzeni.
Z kolei wyniki skalarne na powierzchniach są przedstawiane za pomocą:
- Ciśnienia wiatru wraz z generowaniem oporu wiatru w postaci wektorów
- współczynników aerodynamicznych powierzchni
wpływu wiatru na obiekty.
Transformacja
W przypadku skorzystania z opcji tworzenia projektu RWIND Simulation w oparciu o model wprowadzony do programu RFEM lub RSTAB, wynik ciśnienia wiatru z RWIND Simulation zostanie utworzony na podstawie oryginalnego modelu jako osobny przypadek obciążenia wiatrem w programie RFEM lub RSTAB. po zakończeniu analizy przepływu. Przypadek bądź przypadki (jeśli do analizy wybierzemy kilka kierunków wiatru) obejmuje (-ą) wynikowe obciążenia netto ciśnienia wiatru na węzłach siatki ES prętów, powierzchni i brył w modelu wynikowym. Analiza statyczna przypadków obciążenia wygenerowanych z RWIND skutkuje wynikami w postaci sił wewnętrznych i odkształceń elementów konstrukcyjnych od symulowanego przepływu. Oprócz wyników składowych dla oddziaływania wiatru, przypadki obciążeń można łączyć również z innymi oddziaływaniami w kombinacjach obciążeń i kombinacjach wyników. Rezultaty można stosować w dostępnych modułach dodatkowych do wymiarowania.
Uwagi końcowe
Wraz z interfejsem do RFEM i RSTAB, RWIND Simulation stanowi bardzo wydajne narzędzie do określania obciążeń wiatrem na budynki o złożonej geometrii. Dzięki intuicyjnej obsłudze można szybko i łatwo określić obciążenia wiatrem na potrzeby analizy statycznej i wymiarowania. Procedura ta jest już powszechna w branży automotive oraz lotniczej, ale jest nadal rozwojowa, jeśli chodzi o zastosowanie w budownictwie. Pozwala na dokładniejsze określanie obciążeń wiatrem oraz szybszą analizę i obliczenia konstrukcyjne, zwłaszcza nietypowych obiektów.
