Profil prędkości wiatru i intensywności turbulencji w wyznaczaniu quasi-statycznych obciążeń wiatrem zgodnie z koncepcją podmuchów wiatru

Artykuł techniczny na temat analizy statyczno-wytrzymałościowej w programach Dlubal Software

  • Baza informacji

Artykuł o tematyce technicznej

Konstrukcje różnie reagują na działanie wiatru, w zależności od sztywności, masy i tłumienia. Zasadniczo rozróżnia się budynki, które są podatne na drgania oraz takie, które nie są na nie podatne.

Zazwyczaj uznaje się, że konstrukcje nie są podatne na drgania, jeżeli odkształcenia od obciążenia wiatrem wywołane rezonansem pod wpływem podmuchów wiatru nie wzrastają więcej niż o 10 % [2]. W takim przypadku oddziaływanie wiatru zmienne w czasie można opisać jako statyczne obciążenie równoważne.

Zakładając, że turbulencje występujące w przepływie wiatru są bardzo duże w stosunku do wymiarów budynku, w programie RWIND Simulation można obliczyć statycznie działający rozkład ciśnienia p zgodnie z „metodą quasi-stacjonarną” lub tzw. koncepcją podmuchu [3].

Wokół modelu budynku zakłada się stacjonarne pole przepływu w czasie trwania turbulentnej zmiany prędkości wiatru w trakcie podmuchu [3]. Fluktuacja ciśnienia na powierzchni modelu spowodowana przepływem turbulencji jest zatem postrzegana jako stan stały w danym okresie czasu t. Tym samym fluktuacje ciśnienia na powierzchni modelu przebiegają dokładnie według uśrednionych w czasie współczynników ciśnienia cp, mean.

Wynikające z tego ciśnienie Δp (t) wywołane działaniem wiatru na powierzchnie modelu jest zatem zależne wyłącznie od prędkości przepływu v (t).

Ciśnienie wywołane wiatrem jako funkcja czasu

Δp(t) = 12 · ρ · v2 (t) · cp,mean

ρ gęstość powietrza
v Prędkość na wlocie tunelu
cp,mean uśredniony w czasie współczynnik ciśnienia
t Czas

Wartość wektora prędkości przepływu v (t) wynosi zatem:

v(t)² = (vx,mean + vx,fluctuation(t))² + vy,fluctuation(t)² + vz,fluctuation(t)²

Jeżeli wyrażenia do kwadratu mają niewielki udział w sumie, uzyskujemy efektywną wartość wektora prędkości przepływu v (t):

v(t)² = vx,mean² + 2 ⋅ vx,mean ⋅ vx,fluctuation(t)

Wykorzystując efektywną prędkość przepływu w równaniu ciśnienia wywołanego wiatrem:

Δp(t) = 1/2 ⋅ ρ ⋅ vx,mean² [1 + (2 ⋅ vx,fluctuation(t)) / vx,mean] ⋅ cp,mean

Transformacja ta pokazuje, że fluktuacja ciśnienia wiatru Δp (t) zależy tylko od fluktuacji prędkości wiatru v x, fluctuation (t) w głównym kierunku przepływu x.

Jeżeli zmienna czasowo fluktuacja prędkości vx, fluctuation (t) zostanie zastąpiona przez maksymalną występującą fluktuację prędkości vx, fluctuation, max zmienność w czasie zostanie usunięta z układu.

Jeżeli następnie przyjąć wyrażenie vx, fluctuation, max/vx, mean jako wielokrotność g intensywności turbulencji Iv (z),

Intensywność turbulencji jako funkcja wysokości

Iv(z) = δvvmean (z)

δv
odchylenie standardowe średniej prędkości
vmean(z) średnia prędkość zależna od wysokości
z wysokość nad poziomem gruntu

można opisać człon w nawiasach kwadratowych jako współczynnik podmuchów wiatru G (z). Wprowadzenie tych oznaczeń do równania dla nominalnego obciążenia wiatrem daje:

Nominalne obciążenie wiatrem

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

ρ gęstość powietrza
vmean średnia prędkość na wlocie
G(z) współczynnik podmuchów wiatru zależny od wysokości
cp,mean współczynnik ciśnienia uśrednionego w czasie

gdzie

Współczynnik podmuchów

G(z) = 1 + 2 · g · Iv (z)

g współczynnik definiujący czas trwania podmuchu
Iv(z) intensywność turbulencji jako funkcja wysokości
z wysokość nad poziomem terenu

Na przykład, w normie EN 1991-1-4 współczynnik g w opisie czasu trwania podmuchu wynosi 3,5.

RWIND Simulation oblicza średnie wartości ciśnienia pmean na powierzchni modelu, zależne od prędkości przepływu na wlocie vx (z) wykorzystując rozwiązania ustalone równań RANS za pomocą algorytmu SIMPLEC. Ponieważ średnie wartości współczynników ciśnienia cp, mean są oparte na stosunku średnich wartości ciśnienia pmean do niezakłóconego szczytowego ciśnienia prędkości wiatru na wysokości dachu q (wysokość dachu),

cp,mean = pmean / q(wysokość dachu

do określenia nominalnych obciążeń wiatrem zgodnie z koncepcją podmuchów [1] można wykorzystać prędkość przepływu na wlocie uzyskaną na podstawie przekształconego szczytowego ciśnienia prędkości wiatru q (z) na wysokości.

v (z) = √ (2 ⋅ q (z)/ρ)

Prędkość wiatru obejmuje zatem średnią prędkość wiatru vmean i maksymalną fluktuację v fluctuation. W takim przypadku intensywność turbulencji można ustawić na stałym, bardzo małym poziomie, wynoszącym około 5 % [4].

Rozpatrując wpływ sił od wiatru na cały budynek lub na duże powierzchnie metoda ta zapewnia efekt bardzo zbliżony do naturalnego obciążenia wiatrem [3]. Dzieje się tak dlatego, że niewielkie efekty turbulencji ukryte przez uśrednianie działają tylko w wydzielonych obszarach i nie mają zauważalnego wpływu z punktu widzenia globalnej sumy wartości sił.

Ponadto koncepcja ta sprawdza się bardzo dobrze nawet w przypadku małych obszarów częściowych z napływem powietrza od frontu, ponieważ efektywne wahania ciśnienia są już bardzo dobrze uchwycone w profilu szczytowej prędkości wiatru [3].

Z drugiej strony, założenia te powodują mniejszą zbieżność wyników z rzeczywistością na powierzchniach z separacją przepływu (ściana boczna i tylna). Zwłaszcza w tych obszarach turbulencja wywołana przez budynek i "uśredniona" przez koncepcję podmuchów ma większy wpływ na wynik końcowy niż efekt turbulencji przepływu zawarty w profilu prędkości przepływu na wlocie.

Autor

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

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

Product Engineering & Customer Support

Pan Niemeier jest odpowiedzialny za opracowanie programów RFEM, RSTAB oraz modułów dodatkowych do konstrukcji membranowych. Ponadto odpowiada za zapewnienie jakości i wsparcie klienta.

Słowa kluczowe

Szczytowa prędkość wiatru Prędkość podmuchu wiatru Bazowa prędkość wiatru Średnia prędkość wiatru Intensywność turbulencji Ciśnienie wiatru

Literatura

[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

Linki

Skomentuj...

Skomentuj...

  • Odwiedziny 271x
  • Zaktualizowane 14. września 2021

Kontakt

Skontaktuj się z firmą Dlubal

Mają Państwo pytania lub potrzebują porady?
Zapraszamy do bezpłatnego kontaktu z nami drogą mailową, poprzez czat lub forum lub odwiedzenia naszej strony z FAQ z użytecznymi wskazówkami i rozwiązaniami.

+48 (32) 782 46 26

+48 730 358 225

info@dlubal.pl

Zaproszenie na wydarzenie

Międzynarodowa Konferencja na temat drewna

Konferencje 12. kwietnia 2022 - 14. kwietnia 2022

Zaproszenie na wydarzenie

Kongres Konstrukcji 2022

Konferencje 21. kwietnia 2022 - 22. kwietnia 2022

Projektowanie szkła za pomocą oprogramowania Dlubal

Projektowanie szkła za pomocą oprogramowania Dlubal

Webinar 8. czerwca 2021 14:00 - 14:45 CEST

Analiza historii czasu wybuchu w RFEM

Analiza czasowa eksplozji w RFEM

Webinar 13. maja 2021 14:00 - 15:00 EDT

CSA S16: 19 Wymiarowanie stali w RFEM

CSA S16: 19 Wymiarowanie stali w RFEM

Webinar 10. marca 2021 14:00 - 15:00 EDT

Wymiarowanie prętów zgodnie z ADM 2020 w RFEM

Wymiarowanie prętów zgodnie z ADM 2020 w RFEM

Webinar 19. stycznia 2021 14:00 - 15:00 EDT

Dzień informacyjny Dlubal

Dlubal Info Day Online | 15 grudnia 2020 r

Webinar 15. grudnia 2020 9:00 - 16:00 BST

MES - Rozwiązywanie problemów i optymalizacja w RFEM

Rozwiązywanie problemów i optymalizacja MES w RFEM

Webinar 11. listopada 2020 14:00 - 15:00 EDT

Interakcja struktura gruntu w RFEM

Interakcja konstrukcji z podłożem w RFEM

Webinar 27. października 2020 14:00 - 14:45 BST

Analiza spektrum odpowiedzi w RFEM zgodnie z NBC 2015

Webinar 30. września 2020 14:00 - 15:00 EDT

Dokumentowanie wyników w protokole wydruku programu RFEM

Webinar 25. sierpnia 2020 14:00 - 14:45 CEST

Wymiarowanie betonu zgodnie z ACI 318-19 w RFEM

Webinar 20. sierpnia 2020 14:00 - 15:00 EDT

RFEM 5
RFEM

Rozszerzenie modułu dodatkowego STEEL EC3 i RF-STEEL AISC

Oprogramowanie do obliczeń płaskich i przestrzennych układów konstrukcyjnych, obejmujących płyty, ściany, powłoki, pręty (belki), bryły i elementy kontaktowe, z wykorzystaniem Metody Elementów Skończonych (MES)

Cena pierwszej licencji
3 540,00 USD
RSTAB 8
RSTAB

Program główny

Oprogramowanie do obliczania konstrukcji ramowych, belkowych i szkieletowych, wykonujące obliczenia liniowe i nieliniowe sił wewnętrznych, odkształceń i reakcji podporowych

Cena pierwszej licencji
2 550,00 USD