Wprowadzenie
Trójstronne billboardy, ze względu na swoją unikalną geometrię i dużą powierzchnię, są znacznie poddawane wpływom obciążeń wiatrowych, które mogą determinować ich projektowanie strukturalne. Tradycyjne podejścia do szacowania obciążeń wiatrowych przy użyciu norm takich jak EN 1991-1-4 lub ASCE 7 często nie wystarczają w uchwyceniu lokalnych efektów przepływu i interakcji osłaniania między ścianami. W niniejszym artykule przedstawiono szczegółowy przegląd roli symulacji wiatru opartych na obliczeniowej dynamice płynów (CFD) w procesie analizy i projektowania konstrukcji trójstronnych billboardów. Badamy zachowanie aerodynamiczne przy różnych kątach wiatru, podkreślamy korzyści płynące z użycia RWIND i pokazujemy, jak wyniki symulacji zwiększają bezpieczeństwo projektowania i efektywność materiałową.
Trójstronne billboardy są powszechnie używane do reklamy zewnętrznej, mają kształt pryzmatyczny trójkątny z każdą ścianą zorientowaną 120° od sąsiedniej. Ich geometria czyni je szczególnie podatnymi na wielokierunkowe obciążenie wiatrem, zwłaszcza w terenie miejskim lub otwartym. Konwencjonalne metody projektowania polegają na uproszczonych współczynnikach ciśnienia wiatru, które mogą nie uwzględniać złożonego oddzielania przepływu, ponownego przywierania i efektów turbulencji wokół ostrych krawędzi i naroży. Dlatego stosowanie zaawansowanych symulacji CFD staje się niezbędne do:
- Uchwycenia rzeczywistych rozkładów ciśnienia wiatru
- Oceny efektów osłaniania twarzy
- Oceny obciążenia skręcającego i zginającego pod działaniem wiatru ukośnego
Charakterystyka Geometryczna i Strukturalna
Typowy trójstronny billboard składa się z:
- Trzech pionowych ścian (często w ramie stalowej z panelami kompozytowymi lub aluminiowymi)
- Centralnego słupa podtrzymującego (betonowego lub stalowego)
- Stężeń diagonalnych i poziomych
- Fundamentu podlegającego momentom i siłom unoszącym
Wyzwania związane z Obciążeniem Wiatrem
- Ukośne Kierunki Wiatru: Wszystkie trzy ściany są jednocześnie dotknięte z różnym natężeniem
- Zrzut Wirów: Indukuje obciążenia dynamiczne i możliwy rezonans
- Efekty Osłaniania: Jedna ściana może częściowo osłaniać inne w zależności od kierunku wiatru
- Niejednorodne Ciśnienie: Lokalne strefy ssania i obszary ponownego przywierania
Zalety CFD w Projektowaniu Konstrukcyjnym Billboardów
1. Dokładny Rozkład Ciśnienia Wiatrowego
- CFD dostarcza szczegółowych map Cp (współczynnika ciśnienia) na wszystkich trzech ścianach, uwzględniając niejednorodne obciążenia spowodowane oddzielaniem przepływu, turbulencją i strefami ssania, szczególnie w pobliżu krawędzi i naroży.
- Pomaga to uniknąć nadmiernego uproszczenia jednorodnych obciążeń, które mogą prowadzić do niebezpiecznych lub nadmiernie zaprojektowanych konstrukcji.
2. Analiza Wielu Kierunków Wiatru
- W przeciwieństwie do metod opartych na przepisach, które zazwyczaj rozpatrują wiatr prostopadły, CFD ocenia wiatr od 0° do 360°, identyfikując krytyczne kąty ukośne (np. 30° lub 60°), które mogą powodować największe obciążenia konstrukcyjne.
3. Uchwycenie Efektów Osłaniania i Interakcji
- CFD realistycznie modeluje, jak jedna twarz osłania drugą przed wiatrem, lub jak wiry formują się między interakcjami twarzy, co metody tradycyjne nie mogą dokładnie uwzględnić.
4. Ocena Obciążeń Skręcających
- Trójstronne billboardy często doświadczają skręcenia z powodu asymetrycznego obciążenia wiatrem. CFD oblicza współczynniki momentu, które są niezbędne do projektowania płyt podstawowych, śrub kotwiących i fundamentów.
5. Optymalizacja Projektu Konstrukcyjnego
- Inżynierowie mogą wykorzystać wyniki CFD do optymalizacji rozmiarów elementów, redukcji niepotrzebnego zużycia materiałów i opracowania bardziej efektywnych ram wsporczych.
- Umożliwia inżynierię wartości bez kompromisów w zakresie bezpieczeństwa.
6. Dokładność Projektowania Fundamentów
- CFD umożliwia dokładne oszacowanie momentów przewracających, sił unoszących i ścinających na poziomie podstawy, poprawiając projektowanie fundamentów i zmniejszając ryzyko przechyłów lub awarii.
7. Wizualizacja dla Komunikacji z Klientem
- Wyniki CFD oferują wizualne wyjścia (linie prądów, kontury ciśnienia, wektory sił), które pomagają jasno komunikować zachowanie wiatru interesariuszom, klientom i organom podczas przeglądu projektu.
8. Integracja z Oprogramowaniem Strukturalnym
- Takie narzędzia jak RWIND integrują się z RFEM, pozwalając na płynny przepływ danych od symulacji wiatrowej do analizy konstrukcyjnej i kontroli przepisów, wszystko w jednym ekosystemie.
9. Wsparcie dla Niestandardowych Geometrii
- CFD obsługuje niestandardowe kształty billboardów, elementy montowane takie jak oświetlenie i panele słoneczne, oraz dostosowuje się do rzeczywistego terenu, w przeciwieństwie do norm opartych na uproszczonych geometriach.
10. Przyszłościowe i Oparte na Badaniach
- CFD jest zgodne z nowoczesnymi trendami projektowania opartymi na osiągach i wspiera walidację opartą na badaniach, czyniąc je odpowiednim dla zaawansowanych przepływów pracy inżynierskich i zatwierdzeń planowania miejskiego.