Профиль скорости ветра и интенсивности турбулентности для определения квазистатических ветровых нагрузок по концепции порывов ветра

Техническая статья из области расчета конструкций и использования программ Dlubal Software

  • База знаний

Техническая статья

В зависимости от жесткости, массы и демпфирования конструкции по -разному реагируют на действие ветра. Основное различие проводится между зданиями, подверженными колебаниям и зданиями, не подверженными колебаниям.

Обычно считается, что конструкции не восприимчивы к колебаниям, если деформации под действием ветра из-за резонанса порывов ветра не увеличиваются более чем на 10 % [2] . В этом случае переменное во времени действие ветра можно описать как статическую эквивалентную нагрузку.

Если предположить, что вихри от ветрового потока очень значительны по отношению к размерам здания, то в программе RWIND Simulation можно рассчитать распределение давления p, статически действующее на геометрию здания, по «квазистационарному методу» или так называемой концепции порывов ветра [3].

При этом, главным образом, предполагается наличие стационарного поля потока вокруг расчетной модели для турбулентных колебаний скорости на протяжении действия порыва ветра [3]. Колебания давления на поверхности модели вследствие турбулентности набегающего потока, таким образом, рассматриваются как стационарное состояние в течение определенного периода времени t. При этом колебания точно соответствуют усредненным по времени коэффициентам давления cp,mean на поверхности модели.

Возникающее давление на поверхность модели Δp(t), вызванное ветром, зависит исключительно от скорости набегающего потока v(t).

Ветровое давление как функция времени

Δp(t) = 12 · ρ · v2 (t) · cp,mean

ρ плотность воздуха
eqv Скорость на входе
cp, среднее усредненный по времени коэффициент давления
t Время

Таким образом, значение вектора скорости потока v(t) равно:

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

Если возведенные в квадрат значения не играют большой роли, то мы получим эффективное значение вектора скорости набегающего потока v(t):

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

С применением эффективной скорости потока в уравнении давления, создаваемого ветром, мы получим:

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

Данное преобразование показывает, что колебание давления ветра Δp(t) зависит только от колебания скорости ветра vx,fluctuation(t) в основном направлении набегающего потока x.

Если заменить переменное во времени колебание скорости vx,fluctuation(t) максимальным колебанием скорости vx,fluctuation,max, мы устраним из системы переменность во времени.

Если затем сравнить выражение vx,fluctuation,max / vx,mean в виде произведения g на интенсивность турбулентности Iv(z),

Зависимость интенсивности турбулентности от высоты

Iv(z) = δvvmean (z)

Δeqv
стандартное отклонение от средней скорости обсреднем
vсреднее (z) средняя скорость в зависимости от высоты
Z высота над поверхностью земли

то можно выражение в квадратных скобках определить в виде коэффициента порыва ветра G(z). Подстановкой выражений в уравнение номинальной ветровой нагрузки мы получим:

Номинальная ветровая нагрузка

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

ρ плотность воздуха
vзначит средняя скорость на входе
G (z) коэффициент порыва в зависимости от высоты
cp, среднее усредненный по времени коэффициент давления

где

Коэффициент порыва

G(z) = 1 + 2 · g · Iv (z)

g коэффициент для определения продолжительности порыва
Iv (z) интенсивность турбулентности как функция высоты
Z высота над поверхностью земли

Например, в норме EN 1991-1-4 указан коэффициент g, соответствующий длительности порыва ветра 3,5.

Программа RWIND Simulation производит вычисление средних значений давления pmean на поверхности модели в зависимости от скорости набегающего потока vx(z) с помощью стационарного решения уравнений RANS с помощью алгоритма SIMPLEC. Поскольку средние значения коэффициентов давления cp,mean основаны на соотношении между найденными средними значениями давления pmean и максимальным динамическим давлением ненарушенного ветра на высоте q (высота кровли),

cp,mean = pmean / q (высота кровли)

для определения номинальных ветровых нагрузок по концепции порывов ветра можно применить скорость набегающего потока из преобразованного максимального динамического давления ветра q(z) по высоте [1].

v(z) = √(2 ⋅ q(z) / ρ)

Таким образом, данная скорость ветра включает в себя среднюю скорость ветра vmean и максимальную составляющую колебаний vfluctuation. В этом случае интенсивность турбулентности набегающего потока может быть задана постоянной по высоте с очень небольшим значением, около 5 % [4].

При учете воздействия сил, действующих на целое здание или на большие поверхности, данный метод обеспечивает высокую приближенность к естественной ветровой нагрузке [3]. Причина заключается в том, что небольшие эффекты турбулентности, ослабленные усреднением, действуют только в частных областях и не имеют заметного эффекта при общем интегрировании значений сил.

Кроме того, данная концепция эффективна даже для небольших частных поверхностей с фронтальным набеганием потока, поскольку при этом колебания эффективного давления уже довольно хорошо отображены в профиле максимальной скорости ветра [3].

Для поверхностей с отделением потока (боковая и задняя стена), наоборот, система дает в результате более низкую приближенность реальности. Именно в этих зонах турбулентность, индуцированная зданием и «ослабленная» посредством усреднения с применением концепции порывов ветра, имеет более высокое влияние, чем эффект турбулентности потока, содержащийся в профиле скоростей набегающего потока.

Автор

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

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

Разработка продуктов и служба поддержки

Г-н Нимейер отвечает за разработку RFEM, RSTAB и дополнительных модулей для натяжных мембранных конструкций. Кроме того, он обеспечивает также контроль качества наших программ и поддержку пользователей.

Ключевые слова

Пиковая скорость ветра <span class="VIiyi" jsaction="mouseup:BR6jm" jsname="jqKxS" lang="ru"><span jsaction="agoMJf:PFBcW;usxOmf:aWLT7;jhKsnd:P7O7bd F8DmGf;Q4AGo:Gm7gYd qAKMYb;uFUCPb:pvnm0e pfE8Hb PFBcW;f56efd:dJXsye;EnoYf:KNzws ZJsZZ JgVSJc;zdMJQc:cCQNKb zchEXc;Ytrrj:JJDvdc;tNR8yc:GeFvjb;oFN6Ye:hij5Wb" jscontroller="Zl5N8" jsmodel="SsMkhd" jsname="txFAF" class="JLqJ4b ChMk0b" data-language-for-alternatives="ru" data-language-to-translate-into="en" data-phrase-index="0" jsdata="uqLsIf;_;$41"><span jsaction="click:qtZ4nf GFf3ac tMZCfe; contextmenu:Nqw7Te QP7LD; mouseout:Nqw7Te; mouseover:qtZ4nf c2aHje" jsname="W297wb">Скорость порыва ветра</span></span></span> Основная скорость ветра Средняя скорость ветра Интенсивность турбуленции Давление ветра

Литература

[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

Ссылки

Добавить комментарий...

Добавить комментарий...

  • Просмотры 90x
  • Обновления 14. сентября 2021

Контакты

Связаться с Dlubal

У вас есть какие-либо вопросы по нашим программам или вам просто нужен совет?
Тогда свяжитесь с нами через бесплатную поддержку по электронной почте, в чате или на форуме или ознакомьтесь с различными решениями и полезными предложениями на страницах часто задаваемых вопросов.

+49 9673 9203 0

info@dlubal.com

Онлайн тренинги | Английский

Еврокод 5 | Деревянные конструкции по норме DIN EN 1995-1-1

Онлайн-обучение 23. сентября 2021 8:30 - 12:30 CEST

Приглашение на событие

Конструктивный конгресс 2022

Конференция 21. апреля 2022 - 22. апреля 2022

Расчет стекла в программе Dlubal

Расчет стекла в программе Dlubal

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

Ветровые нагрузки на здания

Ветровые нагрузки на здания

Длительность 4:00 мин

Что такое воздействия?

Что такое воздействия?

Длительность 3:04 мин

RWIND Simulation | Обрезать модель

RWIND Simulation | Обрезать модель

Длительность 1:02 мин

RFEM
RFEM

Основная программа

Программное обеспечение для расчета конструкций методом конечных элементов (МКЭ) плоских и пространственных конструктивных систем, состоящих из плит, стен, оболочек, стержней (балок), тел и контактных элементов

Цена первой лицензии
3 540,00 USD
RSTAB
RSTAB

Основная программа

Программное обеспечение для расчета конструкций рам, балок и ферм, выполняющее линейные и неьинейные расчеты внутренних сил, деформаций и опорных реакций

Цена первой лицензии
2 550,00 USD
RWIND Simulation

Автономная программа

Автономная программа для численного моделирования воздушного потока вокруг зданий и любых других объектов. Все созданные ветровые нагрузки, действующие на данных объектах, затем можно легко импортировать обратно в программу для статического и динамического расчета RFEM и RSTAB.

Цена первой лицензии
2 690,00 USD