Jak spełnić wymagania Eurokodu dzięki wykorzystaniu CFD w obliczeniach obciążenia wiatrem

Wstęp

Inżynieria wiatrowa to multidyscyplinarna dziedzina, która koncentruje się na zrozumieniu i analizie zachowania wiatru oraz jego wpływu na konstrukcje, budynki i środowisko. Odgrywa kluczową rolę w projektowaniu bezpiecznej, wydajnej i zrównoważonej infrastruktury, jednocześnie wykorzystując energię wiatru do różnych zastosowań. Inżynieria wiatrowa łączy w sobie podstawy meteorologii, dynamiki płynów, inżynierii lądowej i architektury, aby zbadać interakcje wiatru z konstrukcjami. Nadrzędnym celem jest zapewnienie bezpieczeństwa i stateczności budynków i innych konstrukcji przy zmiennych warunkach wiatru. Inżynierowie i badacze wykorzystują modele matematyczne i testy w tunelu aerodynamicznym do symulacji rzeczywistych scenariuszy i gromadzenia danych w celu opracowania efektywnych rozwiązań projektowych. W tym artykule zagłębimy się w znaczenie inżynierii wiatrowej i jej rolę w normach oraz sposobach ich przestrzegania, zwłaszcza w EN 1991-1-4 [1]. Oto kilka przykładów symulacji przepływu wiatru we współczesnym mieście z drapaczami chmur (Rysunek 1), polem prędkości wiatru na wieży (Rysunek 2) oraz interakcją wiatru i konstrukcją przy użyciu programów RWIND i RFEM dla mostu (Rysunek 3).

Rysunek 1: Symulacja przepływu wiatru we współczesnym mieście z wykorzystaniem RWIND

Rysunek 2: Pole prędkości wiatru dla wieży

Rysunek 3: Interakcja konstrukcji wiatrowej dla konstrukcji mostowej z wykorzystaniem RWIND i RFEM

Metoda obliczania obciążenia wiatrem

Znaczenie interakcji wiatru i konstrukcji wzrosło w ostatnich latach ze względu na rosnącą liczbę konstrukcji o różnych wysokościach i kształtach. Do określenia interakcji wykorzystywane są metody eksperymentalne i numeryczne. Wiele konstrukcji jest ocenianych w tunelach aerodynamicznych w ramach badań eksperymentalnych. Dzięki temu podejściu można obliczyć oddziaływania wywołane przez obciążenia wiatrem. Testy w tunelu aerodynamicznym odnoszą znaczne korzyści dla dużych konstrukcji, takich jak wysokie budynki, mosty i stadiony, ale są to metody bardzo kosztowne i czasochłonne.

Konstrukcyjne obciążenia wiatrem można również określić za pomocą symulacji CFD, która jest tańszym i szybszym podejściem. Należy zauważyć, że zgodnie z ASCE7-22 i EN 1991-1-4, z których wynika, że tylko zweryfikowana i potwierdzona numeryczna symulacja CFD może być stosowana jako efektywna metoda.

Ważne zasady i przykłady walidacji

Tutaj to tylko niektóre z ważnych kryteriów, które inżynierowie muszą uwzględnić podczas korzystania z symulacji CFD jako techniki obliczeniowej do szacowania przepływu cieczy w ruchu. Istnieje wiele programów, które mogą pomóc w rozwiązywaniu problemów CFD, a RWIND jest bardzo przyjaznym dla użytkownika i wydajnym narzędziem dla inżynierów konstrukcyjnych. RWIND Simulation jest szczególnie przydatny dla inżynierów i projektantów, którzy chcą zrozumieć, w jaki sposób wiatr wpływa na budynki, mosty, wieże i inne konstrukcje. Tworząc model 3D przepływu wiatru, oprogramowanie może pomóc w ocenie obciążenia wiatrem, analizie komfortu wiatrowego i zapewnieniu, że konstrukcje są zaprojektowane tak, aby wytrzymać siły wiatru. Wpływ statycznego obciążenia wiatrem na konstrukcje można oszacować przy użyciu jednej z różnych norm, a także porównać go z symulacją CFD. Są dostępne Przykłady walidacji Eurokodu za pomocą RWIND można wprowadzić najbardziej kompatybilne ustawienie dla symulacji CFD.

Rysunek 4: Przykład Eurokodu dla wysokiego prostopadłościanu prostokątnego

Normy

Eurokod jest często stosowany do obliczeń wiatru w krajach europejskich. Aby przeprowadzić te obliczenia, dynamiczne obciążenie wiatrem zostało uproszczone do konserwatywnego równoważnego obciążenia statycznego, z uwzględnieniem współczynników bezpieczeństwa. Alternatywą dla obliczania obciążeń wiatrem jest fizyczny test w tunelu aerodynamicznym. Norma EN 1991-1-4 zawiera instrukcje, jak określać naturalne siły wiatru, które należy uwzględnić w obliczeniach konstrukcyjnych budynku lub innych konstrukcji, w każdym z obszarów obciążonych. Dotyczy to całej konstrukcji, jej elementów lub elementów z nią połączonych, takich jak elementy okładziny i ich mocowania, ekrany zabezpieczające i akustyczne [1].

W rozdziale C31 ASCE 7-22 [2], dotyczącym procedury w tunelu aerodynamicznym, znajdują się ważne punkty dotyczące symulacji CFD, które mówią:

Norma ASCE 49 określa wymagania dotyczące odpowiednich badań w tunelu aerodynamicznym. Aby obliczyć obciążenia wiatrem za pomocą numerycznego lub rzeczywistego badania w tunelu aerodynamicznym, taka norma jest konieczna. Chociaż coraz częściej wykorzystywane są symulacje CFD w inżynierii wiatrowej, norma ASCE 49 nie wymienia jasno wszystkich kroków wymaganych w przypadku CFD. Jakiekolwiek wykorzystanie CFD do oszacowania obliczeniowego układu odpornościowego na główną siłę wiatru (MWFRS), obciążenia wiatrem konstrukcji lub innych konstrukcji' wymaga sprawdzenia oraz weryfikacji i walidacji (V&V), podczas gdy czekamy na wydanie podobnej normy, określającej wymagane procedury aby uzyskać niezawodne i dokładne obciążenia wiatrem za pomocą narzędzi CFD [2]. Jest to wymagane do zapewnienia jakości i kontroli jakości tej procedury, ponieważ istnieje'norma [3]. Wiele specyfikacji opisanych w ASCE 49 dla fizycznych testów w tunelu aerodynamicznym jest ważnych w przypadku wykorzystania CFD jako numerycznego tunelu aerodynamicznego. Na przykład, model numeryczny wymaga również odpowiedniego przepływu wiatru, precyzyjnej geometrii, uwzględnienia głównych sąsiednich konstrukcji oraz uwzględnienia możliwości wzbudzenia modalnego i efektów aerosprężystych. Jeżeli symulacja CFD zostanie zweryfikowana w odniesieniu do podstawowego modelu fizycznego, może pomóc w rozwiązaniu problemu, którego model fizyczny nie może zmierzyć i/lub umożliwić analizę wrażliwości dla zmian parametrycznych. Jedną z istotnych zalet RWIND jest jego integracja z innymi produktami DLUBAL', takimi jak RFEM (oprogramowanie do metody elementów skończonych) i RSTAB (oprogramowanie do analizy konstrukcji szkieletowych). Integracja ta umożliwia bezproblemowe przenoszenie obciążeń wiatrem z RWIND do analizy statyczno-wytrzymałościowej (rys. 3 i 5).

Rysunek 5: Interakcja wiatru i konstrukcji w lekkich konstrukcjach z wykorzystaniem programów RFEM i RWIND

Numeryczne symulacje w tunelu aerodynamicznym mogą być traktowane jako dane jakościowe tylko w przypadku braku takiej weryfikacji. Jeżeli dla poniższych naprężeń wywołanych wiatrem konieczne są dane obliczeniowe, eksperymenty w tunelu aerodynamicznym są często stosowane jako ostatnia opcja.

• Naprężenia wynikające z niestateczności, takie jak flutter lub galoping
• Naciski ściany osłonowej wynikające z nierównej geometrii
• Naprężenia powietrzne i/lub skręcające
• Obciążenia okresowe wywołane wzbudzaniem wirów

Wykorzystanie symulacji CFD do obliczania obciążenia wiatrem w Eurokodzie

Eurokod zawiera wytyczne (w szczególności Eurokod 1, Część 4: Oddziaływania wiatru) dotyczące określania obciążeń wiatrem na konstrukcje. Symulacje CFD można wykorzystać do oceny schematów przepływu wiatru wokół budynków i dokładnego obliczenia obciążeń wiatrem działających na różne powierzchnie konstrukcji. Oto jak można wykorzystać symulację CFD do obliczania obciążenia wiatrem w Eurokodzie:

1. Poznaj wymagania przepisów budowlanych: W każdym mieście, stanie lub kraju mogą obowiązywać inne przepisy budowlane. Niektóre z nich mogą być zgodne z międzynarodowymi normami, podczas gdy inne mogą mieć bardziej szczegółowe wytyczne lokalne. Musisz zrozumieć specyficzne wymagania dotyczące lokalizacji projektu.
2. Zdefiniuj geometrię: Pierwszym krokiem jest utworzenie szczegółowego modelu 3D budynku lub konstrukcji w oprogramowaniu CFD. Model ten powinien dokładnie oddawać kształt, rozmiar i cechy konstrukcji, w tym wszelkie otaczające tereny lub sąsiednie budynki, które mogą wpływać na przepływ wiatru. Kategorie terenu w Eurokodzie 1 służą do definiowania właściwości terenu, co z kolei wpływa na prędkość wiatru i ciśnienie działające na konstrukcję. Kategorie te służą do określania szorstkości terenu i długości szorstkości podłoża, które następnie wpływają na profil prędkości wiatru i oddziaływania wiatru na konstrukcję. Informacje te są niezbędne podczas projektowania konstrukcji, aby zapewnić, że budynek lub konstrukcja będzie w stanie wytrzymać obciążenia wiatrem spodziewane dla jego lokalizacji i ukształtowania terenu.
3. Ustaw warunki brzegowe: Zdefiniuj warunki brzegowe dla symulacji CFD, w tym prędkość wiatru, kierunek i intensywność turbulencji. Warunki brzegowe są zazwyczaj oparte na historycznych danych pogodowych lub określonych kryteriach projektowych dla wiatru, zawartych w Eurokodzie.
4. Generowanie siatki: Utwórz siatkę siatki wokół geometrii budynku, aby zdyskretyzować domenę płynu. Rozdzielczość siatki powinna być na tyle duża, aby umożliwić uchwycenie odpowiednich funkcji przepływu i efektów warstw granicznych w pobliżu powierzchni budynków.
5. Rozwiązywanie równań: Oprogramowanie CFD rozwiązuje numerycznie równania przepływu płynu (równania Naviera-Stokesa) dla zdefiniowanych warunków brzegowych. Oprogramowanie oblicza pola prędkości i ciśnienia wokół budynku.
6. Walidacja: Porównuj wyniki CFD z testami w tunelu aerodynamicznym lub danymi empirycznymi, aby potwierdzić swoje wnioski.
7. Przetwarzanie końcowe: Po zakończeniu symulacji CFD przeprowadzana jest obróbka końcowa w celu analizy wyników. Obejmuje to wyodrębnienie danych dotyczących ciśnienia, sił i prędkości wiatru działających na powierzchnie budynków.
8. Obliczenia obciążenia wiatrem: Na podstawie rozkładu ciśnienia uzyskanego z symulacji CFD obciążenia wiatrem na różne powierzchnie budynku są obliczane zgodnie z wytycznymi Eurokodu. Współczynniki ciśnienia służą do określania obciążenia wiatrem ścian, dachów i innych elementów.
9. Kombinacja obciążeń: obciążenia wiatrem obliczone na podstawie symulacji CFD są następnie łączone z innymi odpowiednimi obciążeniami, takimi jak obciążenia stałe, obciążenia użytkowe i obciążenia śniegiem, zgodnie z zasadami kombinacji obciążeń Eurokodu.
10. Analiza statyczno-wytrzymałościowa: Obciążenia wiatrem oraz inne obciążenia są wykorzystywane jako dane wejściowe do analizy statyczno-wytrzymałościowej budynku w celu oceny jego stateczności i integralności przy różnych obciążeniach.
11. Optymalizacja: zmodyfikuj projekt, aby złagodzić wszelkie obszary, w których występuje wysokie ciśnienie lub inne potencjalne problemy zidentyfikowane przez analizę CFD.
12. Wzajemna weryfikacja lub weryfikacja przez inną firmę: W zależności od złożoności budynku i lokalnych przepisów może być konieczne zwrócenie uwagi na projekty i wyniki CFD przez stronę trzecią. Jest to dodatkowy krok w celu sprawdzenia, czy projekt spełnia wymagania przepisów budowlanych.

Wniosek

W kontekście przepisów budowlanych i obciążeń wiatrem, CFD może być wykorzystany do symulacji interakcji wiatru z budynkiem, zapewniając bardziej szczegółowe i dokładne zrozumienie obciążeń wiatrem niż proste równanie. Należy pamiętać, że symulacje CFD do obliczeń obciążenia wiatrem wymagają wiedzy w zakresie modelowania CFD oraz znajomości wytycznych Eurokodu. Dodatkowo dokładność symulacji zależy od jakości modelu budynku, wybranych warunków brzegowych oraz rozdzielczości siatki. Należy jednak pamiętać, że chociaż CFD może dostarczyć cennych informacji, jest to narzędzie, którego należy używać w połączeniu z wymaganiami i normami określonymi w przepisach budowlanych, a nie zamiast nich. Do prawidłowej interpretacji wyników symulacji CFD konieczna jest również dobra znajomość mechaniki płynów i metod numerycznych. Przykłady walidacyjne i artykuły w bazie wiedzy są przydatnymi źródłami do znajdowania ustawień numerycznych najbardziej zgodnych z normami.