Wstęp
Symulacje obciążenia wiatrem są fundamentalne dla analizy strukturalnej i procesu projektowania budynków, wież i szerokiej gamy konstrukcji inżynierii lądowej. Te symulacje umożliwiają inżynierom ocenę, jak wiatr wchodzi w interakcję z różnymi typami konstrukcji oraz precyzyjne ocenianie wynikających z tego wymagań strukturalnych. Integracja zaawansowanych narzędzi obliczeniowych, takich jak oprogramowanie numerycznego tunelu wiatrowego jak RWIND i platformy analizy metodą elementów skończonych jak RFEM, znacznie zwiększyła niezawodność i głębokość ocen związanych z wiatrem.
Częstym ograniczeniem zarówno w eksperymentalnych testach w tunelu wiatrowym, jak i wielu symulacjach CFD jest to, że zazwyczaj raportują one jedynie rozkłady ciśnienia powierzchniowego, a nie poprawne reakcje podporowe. Jednakże, siły podporowe i momenty na poziomie fundamentów są kluczowe dla projektowania stabilnych i bezpiecznych konstrukcji. Ten artykuł zajmuje się tą luką, pokazując jak wyniki ciśnień z RWIND mogą być importowane do RFEM w celu dokładnego obliczenia reakcji podporowych.
Dzięki temu przepływowi pracy, inżynierowie mogą symulować realistyczne wzorce przepływu wiatru, efekty turbulencji i rozkłady ciśnienia na powierzchni konstrukcji nawet dla nieregularnych lub niestandardowych konfiguracji i ostatecznie wyprowadzać siły i momenty przenoszone na system fundamentowy lub zakotwienia.
Znaczenie sił podporowych
Siły podporowe (lub reakcje podporowe) reprezentują siły wewnętrzne i momenty, które konstrukcja przekazuje do swoich podpór z powodu przyłożonych obciążeń. W inżynierii wiatrowej te reakcje są szczególnie ważne dla:
- Projektowania fundamentów (np. stopy fundamentowe, pale, śruby kotwiące)
- Oceny podnoszenia i przewracania
- Oceny sił przesuwających
- Weryfikacji równowagi całej struktury
Siły podporowe wywołane wiatrem mogą się znacznie różnić od innych obciążeń statycznych z powodu ich dynamicznego charakteru, kierunkowości i zmienności z wysokością.
Przepływ pracy w RFEM i RWIND
Aby uzyskać dokładne siły podporowe w RFEM przy obciążeniu wiatrem, typowy przepływ pracy obejmuje:
Krok 1: Modelowanie strukturalne w RFEM
- Definiowanie geometryczne, materiałów i przekrojów
- Przypisywanie warunków brzegowych (podpory, zawiasy, ograniczenia)
Krok 2: Symulacja obciążenia wiatrem w RWIND
- Eksport modelu RFEM do RWIND
- Definiowanie kierunków wiatru, profili prędkości, modeli turbulencji
- Uruchomienie symulacji CFD w celu obliczenia rozkładów ciśnienia powierzchniowego
Krok 3: Importowanie obciążeń wiatrem do RFEM
- Importowanie ciśnienia wiatru CFD jako obciążeń powierzchniowych
- Automatyczne stosowanie ich do struktury jako obciążeń węzłowych lub elementarnych
Krok 4: Analiza statyczna w RFEM
- Uruchamianie kombinacji obciążeń z uwzględnieniem działań wiatrowych
- Analiza sił wewnętrznych, odkształceń i reakcji podporowych
Rodzaje sił podporowych
W RFEM zazwyczaj uzyskuje się następujące reakcje:
- Siły poziome (Fx, Fy): boczne ciśnienie wiatru (Dostępne w RWIND i RFEM - Obrazy 1 i 2)
- Siły pionowe (Fz): ciśnienie podnoszące lub obniżające (Dostępne w RWIND i RFEM - Obrazy 1 i 2)
- Momenty (Mx, My, Mz): efekty skrętne lub przewracające (Dostępne w RFEM - Obraz 2)
Inżynierowie mogą przeglądać te reakcje na każdy punkt podparcia lub globalnie dla każdej sytuacji obciążeniowej i kombinacji. Są one również kluczowymi danymi wejściowymi do weryfikacji geotechnicznej.
Praktyczne Uwagi
- Kierunek Wiatru: Różne kierunki wiatru mogą prowadzić do różnych wzorców reakcji, więc symulacje powinny obejmować wszystkie istotne kąty (np. 0°, 45°, 90°, itp.).
- Rozdzielczość Siatki w RWIND: Drobna siatka powierzchniowa zapewnia dokładny rozkład ciśnienia, bezpośrednio wpływający na siły podporowe.
- Kombinacje Obciążeń: Obciążenia wiatrem muszą być odpowiednio złożone z obciążeniami trwałymi, użytkowymi i innymi dynamicznymi zgodnie z obowiązującymi normami (np. Eurokod, ASCE 7).
- Efekty Nieliniowe: Dla elastycznych konstrukcji, efekty drugiego rzędu i dynamiczna amplifikacja mogą wpływać na reakcje podporowe.
Zakończenie
Analiza sił podporowych jest podstawową częścią projektowania obciążeń wiatrem w RFEM. Łącząc precyzyjne możliwości symulacji wiatru RWIND z potężnym silnikiem analizy strukturalnej RFEM, inżynierowie mogą zapewnić, że ich struktury są bezpieczne, ekonomiczne i zgodne z nowoczesnymi standardami projektowymi. Właściwe wyodrębnienie i interpretacja tych sił podporowych jest kluczowe dla osiągnięcia wiarygodnych wyników i pomyślnych rezultatów inżynieryjnych.
