Estes alterações podem ser vistas nas formas de construção cada vez mais ousadas. É como se fosse uma competição, a esbelteza que um arranha-céus tem na direção ao céu ou qual a função curva mais complexa que a envolvente do edifício tem. No entanto, todos os projetos têm em comum que deve ser criada uma análise estrutural e um dimensionamento para a transferência segura de todas as cargas antes da execução.
Esta tarefa é um processo muito complexo, dependendo da geometria e da utilização do edifício. Em particular, os novos tipos de edifícios têm outra dificuldade em termos de cargas de vento. Enquanto a carga de vento para uma forma padronizada de edifício pode ser retirada de uma norma, para uma geometria de forma livre a carga de vento permanece desconhecida. Para solucionar este problema, é possível analisar o edifício em tamanho reduzido num túnel de vento e determinar as respetivas cargas de vento. Como alternativa, o edifício pode ser simulado com tecnologia de simulação numérica num fluxo de vento e daí retirar conclusões sobre a carga de vento equivalente.
Apesar da avaliação de resultados mais complexa, a opção de solução numérica oferece uma certa vantagem em relação à solução baseada em teste: não é necessário criar um modelo de edifício reduzido e pode ser utilizado o túnel de vento. Esta vantagem é especialmente interessante ao dimensionar e definir a forma do edifício.
É com base neste ponto que a Dlubal Software, em cooperação com o PC-Progress e o CFD Support, iniciou e desenvolveu o RWIND Simulation para engenheiros de estruturas. Este programa simula fluxos de vento num túnel de vento digital em torno de edifícios ou outros objetos e gera cargas equivalentes para a análise estrutural e o dimensionamento.
O RWIND Simulation foi especialmente desenvolvido para a determinação da cargas de vento em edifícios e requer apenas uma descrição da carga de vento para além do modelo 3D. Todos os outros parâmetros para a simulação de fluxo complexo no que diz respeito à suposição de base são definidos automaticamente pelo programa. Não é necessário executar a definição complexa da questão da mecânica de fluidos e é possível obter imediatamente uma análise dos resultados.
Como o RWIND Simulation funciona
O RWIND Simulation é um programa autónomo que pode ser utilizado como aplicação autónoma ou como complemento dos programas RFEM/RSTAB para análises estáticas e dinâmicas. Devido à suposição básica em relação à determinação de cargas de vento para edifícios com a transferência de forças para o modelo estrutural, existe uma ligação nativa entre o RFEM/RSTAB e o RWIND Simulation. Esta ligação permite exportar para o RWIND Simulation qualquer modelo do RFEM ou do RSTAB para definição das carga de vento utilizando uma interface especial e recebe cargas de vento nas superfícies dos elementos após o cálculo. O programa RWIND Simulation também pode ser operado manualmente sem a interface do RFEM ou RSTAB.
Modelação
O RWIND Simulation está organizado em projetos. Cada projeto descreve a geometria do objeto orientado para o fluxo de vento num túnel de vento numérico com uma carga de vento definida incluindo todos os resultados do campo de fluxo no túnel de vento e resultados da superfície sobre os objetos. A carga de vento de entrada descreve o perfil da velocidade do vento e da intensidade de turbulência sobre a altura na entrada do túnel de vento. O utilizador tem duas opções para definir um projeto.
- Pretendendo realizar uma análise da carga de vento apenas no RWIND Simulation, importa a geometria envolvida por fluxos para o túnel de vento numérico do projeto utilizando um modelo de dados 3D, alinha-o no túnel de vento e define a carga de vento recebida na caixa de diálogo. O programa permite importar o modelo como uma geometria triangularizada do modelo no formato STL ou como uma geometria do modelo ParaView no formato VTP.
- Para uma análise das cargas de vento utilizando as cargas de vento nos programas de análise estrutural RFEM e RSTAB, é necessário criar o modelo primário como modelo estrutural no RFEM ou no RSTAB para manter todas as ligações. Neste caso, a carga de vento pode ser definida manualmente (ou de acordo com a norma) para diferentes direções do vento através de uma aplicação de interface no RFEM e no RSTAB e o modelo estrutural com todas as barras, superfícies, sólidos e objetos 3D para as direções do vento é exportado automaticamente para os projetos de túneis de vento do RWIND Simulation.
Ao importar o modelo para o RWIND Simulation, não serão aplicadas mais restrições. Independentemente de o fluxo em torno do objeto ser uma forma orgânica ou um bloco de extremidades afiadas, as interfaces disponíveis importam os dados da geometria com opção de orientação para o túnel de vento numérico e definem as condições de fronteira correspondentes para a análise de fluxo numérico nas superfícies.
Cálculo
O RWIND Simulation utiliza um modelo CFD numérico (Computational Fluid Dynamics) para executar fluxos de vento em torno dos edifícios com a ajuda de um túnel de vento digital. O processo de simulação é efetuado nas seguintes etapas.
- Geração de uma malha plana envolvente na superfície dos objetos rodeados pelo vento. Esta malha envolvente simplifica a geometria dos objetos rodeados pelo vento e garante a impermeabilidade ao ar para todos os objetos simulados.
- Discretização de elementos sólidos do espaço entre a parte exterior do túnel de vento e a malha envolvente com o gerador de malha OpenFOAM (SnappyHexMesh). O tamanho dos elementos sólidos é definido de forma fluente e segue uma especificação de densidade de malha global com uma compressão homogénea em direção à área imediata das superfícies dos objetos.
- Simulação iterativa de fluxo de vento no espaço de volume discretizado utilizando o método de volume finito com um solucionador de equações OpenFOAM da família de solucionadores SIMPLE (Método semi-implícito para equações relacionadas com a pressão) para fluxos turbulentos estacionários incompressíveis.
- Extração das pressões de vento resultantes a partir do vento em torno de objetos na malha envolvente dos objetos.
- Transformação das pressões de vento da envolvente da malha de volta para a geometria do modelo original.
Resultados
Quando é alcançado o critério de convergência do processo de simulação iterativo, o programa apresenta dois tipos de resultados básicos para descrever o fluxo de vento em torno dos objetos e o seu efeito nos objetos. Por um lado, são apresentados os campos de fluxo tridimensionais por camadas
- velocidades do vento,
- direções do vento,
- pressões,
- propriedades de turbulência e
- linhas de fluxo (podem ser animadas),
que representam o percurso do fluxo de vento em torno do objeto no espaço.
Por outro lado, os resultados da superfície escalar com a saída de
- pressões do vento, incluindo a saída vetorial da resistência do vento e
- os coeficientes aerodinâmicos das superfícies
mostram o efeito do vento sobre os objetos.
Transformação
Quando o utilizador usa a opção de criar o projeto do RWIND Simulation com base na entrada do modelo no RFEM ou no RSTAB, quando a análise de fluxo estiver concluída, o resultado da pressão do vento do RWIND Simulation será criado com base no modelo original como um caso de carga de vento separado no modelo correspondente do RFEM ou do RSTAB. Este caso de carga - ou vários casos de carga quando são analisadas várias direções do vento - inclui as cargas de vento resultantes da pressão líquida nos nós de EF das barras, superfícies e sólidos utilizados. O cálculo dos casos de carga do RWIND Simulation no RFEM ou no RSTAB resulta nas forças internas e nas deformações dos elementos estruturais utilizados devido aos efeitos do fluxo de vento simulados. Além do cálculo puro da ação do vento própria, também é possível combinar estes casos de carga com outras ações em combinações de carga e combinações de resultados e aplicar os resultados nos módulos adicionais de dimensionamento disponíveis.
Resumo
O RWIND Simulation, em conjunto com a interface para o RFEM e o RSTAB, é uma ferramenta muito poderosa para determinar cargas de vento em geometrias de edifícios complexos. A programação intuitiva permite ao utilizador determinar de forma rápida e fácil as cargas de vento para a análise estrutural e o dimensionamento, tendo em conta a teoria de cálculo utilizada. Esse procedimento já é comum na engenharia automóvel e de aeronaves e ainda oferece um grande potencial em análises e dimensionamentos estruturais no que diz respeito a uma determinação mais precisa das cargas de vento e uma análise e dimensionamento estrutural mais rápidos.
