Как выполнить требования нормы Еврокод с помощью применения CFD в расчете ветровой нагрузки

Введение

Ветротехника - это междисциплинарная область, которая занимается изучением и анализом поведения ветра и его воздействия на конструкции, здания и окружающую среду. Он играет решающую роль в проектировании безопасной, эффективной и устойчивой инфраструктуры, а также в использовании силы ветра для различных приложений. Ветротехника сочетает в себе принципы из метеорологии, гидродинамики, гражданского строительства и архитектуры для изучения того, как ветер взаимодействует с конструкциями. Главной целью так является обеспечение безопасности и устойчивости зданий и других конструкций при различных ветровых условиях. Инженеры и Исследователи используют математические модели и испытания в аэродинамической трубе для моделирования реальных сценариев и собирают данные для разработки эффективных расчётных решений. В этой статье мы углубимся в значение ветра и его роль в нормативах, а также как их соблюдать, особенно в EN 1991-1-4 {%/ru#Refer [1]]]. Вот некоторые примеры моделирования ветра в современном городе с небоскребами (Рисунок 1), поля скорости ветра на башне (Рисунок 2) и взаимодействия ветра с конструкцией в программе RWIND и RFEM для моста (Рисунок 3).

Рисунок 1: Моделирование ветровых воздействий в современном городе с помощью программы RWIND

Рисунок 2: Поле скорости ветра вокруг башни

Рисунок 3: Взаимодействие ветра и конструкции моста в программе RWIND и RFEM

Метод расчета ветровой нагрузки

В последние годы возросло значение взаимодействия ветра и конструкции, в связи с увеличением количества конструкций различной высоты и формы. Для определения взаимодействия используются экспериментальные и численные методы. Многие конструкции в настоящее время оцениваются в аэродинамических трубах в рамках экспериментальных исследований. При данном подходе можно рассчитать воздействия, вызванные ветровыми нагрузками. Испытания в аэродинамической трубе значительно выиграли от испытаний в аэродинамической трубе, но это очень дорогие и длительные методы.

Ветровые нагрузки на конструкции можно определить также с помощью CFD моделирования, которое является более дешевым и быстрым методом. Важно отметить, что он основан на ASCE7-22 и EN 1991-1-4, что означает, что в качестве эффективного метода может применяться только проверенное и проверенное численное моделирование CFD.

Важные принципы и контрольные примеры

Здесь Вот некоторые важные критерии, которые необходимо учитывать ветротехникам при использовании CFD моделирования в качестве вычислительного метода для оценки потока жидкости в движении. Существует множество программ, которые могут помочь с решением задач CFD, но RWIND - это очень удобный и мощный инструмент для инженеров-строителей. RWIND Simulation будет особенно полезна для инженеров и проектировщиков, которым необходимо понять, каким образом ветер влияет на здания, мосты, башни и другие конструкции. Создавая 3D модель воздушного потока, это программное обеспечение может помочь в оценке ветровых нагрузок, анализе ветрового комфорта и обеспечении того, чтобы конструкции были рассчитаны на сопротивление ветровым нагрузкам. Воздействие статической ветровой нагрузки на конструкции можно оценить с помощью одного из различных нормативов, а также интересно провести сравнение с моделированием CFD. Доступны Примеры проверки Еврокода посредством RWIND, чтобы ввести наиболее совместимые настройки для моделирования CFD.

Рисунок 4: Пример Еврокода для прямоугольного кубоида высотного здания

Нормативы

В европейских странах для расчета ветровых нагрузок часто используется норма Еврокод. Для выполнения данных расчетов динамическая ветровая нагрузка упрощается до консервативной эквивалентной статической нагрузки с учетом коэффициентов безопасности. Альтернативой расчету ветровых нагрузок являются физические испытания в аэродинамической трубе. Норма EN 1991-1-4 содержит инструкции по определению собственных сил ветра, которые необходимо учитывать при расчете конструкции здания или других конструкций для каждой из нагруженных областей. Речь идет о всей конструкции, ее конструктивных компонентах или связанных с конструкцией позициях, таких как элементы, облицовочные блоки и их крепления, а также безопасности и шумозащитных экранах {%/ru#Refer [1]]].

В главе C31 нормы ASCE 7-22 {%strong#Refer [2]]], касающейся проведения аэродинамической трубы, приводятся важные моменты, касающиеся CFD моделирования, в которых упоминается:

Норма ASCE 49 устанавливает требования к соответствующим испытаниям в аэродинамической трубе. Для расчета ветровых нагрузок с помощью численных или фактических испытаний в аэродинамической трубе, необходим такой норматив. Хотя использование вычислительной гидродинамики (CFD) моделирования в ветротехнике растёт, норма ASCE 49 не содержит чёткого списка всех шагов, требуемых для CFD. Любое использование CFD для оценки расчетной основной системы сопротивления ветровой нагрузке (MWFRS), C&C или других ветровых нагрузок на конструкции' требует экспертной оценки и исследования по проверке и проверке (V&V) , пока мы ожидаем аналогичного норматива с изложением требуемых процедур для получения надежных и точных ветровых нагрузок с помощью инструментов CFD {%><#Refer [2]]]. Это необходимо для обеспечения качества и контроля качества этой процедуры, поскольку не существует'стандарта {%/#Refer [3]]]. Многие спецификации, указанные в ASCE 49 для физических испытаний в аэродинамической трубе, действительны и при использовании CFD в качестве цифровой аэродинамической трубы. Например, численная модель также требует достаточного воздушного потока, точной геометрии, включения основных смежных конструкций и учета возможности модального возбуждения и аэроупругих эффектов. Моделирование CFD, в случае его проверки на физической модели для базового случая, может помочь в устранении тонкостей, которые физическая модель не может измерить, и/или включить анализ чувствительность для параметрических изменений. Одним из значительных преимуществ программы RWIND является ее интеграция с другими программными продуктами DLUBAL', такими как RFEM (программа для расчета по методу конечных элементов) и RSTAB (программа для расчета каркасных конструкций). Эта интеграция обеспечивает плавную передачу ветровых нагрузок, полученных из RWIND, в расчёт и проектирование конструкций (рисунки 3 и 5).

Рисунок 5: Взаимодействие ветра и конструкции для облегченной конструкции в RFEM и RWIND

Численное моделирование в аэродинамической трубе можно рассматривать только как качественные данные без такой проверки. Когда для определения следующих напряжений, вызванных ветром, необходима информация для расчета напряжений, в качестве последнего варианта часто применяются эксперименты в аэродинамической трубе.

• Напряжения, возникающие из-за неустойчивостей, таких как флаттер или галоп
• Давление навесного фасада из-за неровной геометрии
• Поперечный ветер и/или крутящие напряжения
• Периодические нагрузки, вызванные вихреобразованием

Использование CFD моделирования для расчёта ветровой нагрузки по Еврокоду

Еврокод содержит рекомендации (в частности, Еврокод 1, часть 4: Воздействия ветра) для определения ветровых нагрузок на конструкции. CFD моделирование может быть применено для оценки распределения ветрового потока вокруг зданий и точного расчёта ветровых нагрузок, действующих на различные поверхности конструкции. Вот как можно применить CFD-моделирование для расчёта ветровой нагрузки по Еврокоду:

1. Ознакомьтесь с требованиями строительных норм и правил: в каждом городе, штате или стране могут быть разные строительные нормы. Некоторые из них могут соответствовать международным нормам, в то время как другие могут иметь более конкретные местные правила. Вам необходимо понимать конкретные требования к местоположению вашего проекта.
2. Задание геометрии: первым шагом является создание подробной 3D модели здания или конструкции в программе CFD. Эта модель должна точно передавать форму, размеры и характеристики конструкции, включая любой окружающий ландшафт или соседние здания, которые могут влиять на поток ветра. Категории местности по норме Еврокод 1 используются для определения характеристик местности, которая, в свою очередь, влияет на скорость ветра и давление, действующее на конструкцию. Эти категории используются для определения шероховатости местности и ее длины, которые влияют на профиль скорости ветра и ветровые воздействия на конструкцию. Эта информация имеет решающее значение в расчете конструкций, чтобы убедиться, что здание или конструкция могут выдержать ветровые нагрузки, ожидаемые для его местоположения и окружающей местности.
3. Задать граничные условия: определите граничные условия для моделирования CFD, включая скорость, направление и интенсивность турбулентности ветра. Эти граничные условия обычно основаны на исторических данных о погоде или конкретных критериях расчета ветра, приведенных в Еврокоде.
4. Создание сетки: создайте сетку сетки вокруг геометрии здания для дискретизации области текучей среды. Разрешение сетки должно быть достаточно малым, чтобы зафиксировать соответствующие характеристики потока и эффекты граничного слоя вблизи поверхностей здания.
5. Решение уравнений: Программа CFD численно решает определяющие уравнения потока жидкости (формулы Навье-Стокса) для заданных граничных условий. Программа автоматически рассчитывает поля скорости и давления вокруг здания.
6. Проверка. Сравните результаты CFD с результатами испытаний в аэродинамической трубе или эмпирическими данными, чтобы проверить свои результаты.
7. Пост-обработка: после завершения моделирования CFD выполняется пост-обработка для анализа результатов. Он включает в себя сбор данных о ветровых давлениях, силах и скоростях, действующих на поверхности здания.
8. Расчет ветровой нагрузки: на основе распределения давления, полученного из моделирования CFD, рассчитываются ветровые нагрузки на различные поверхности здания в соответствии с указаниями Еврокода. Коэффициенты давления используются для определения ветровых нагрузок, действующих на стены, кровлю и другие элементы.
9. Сочетание нагрузок: ветровые нагрузки, рассчитанные на основе моделирования CFD, затем сочетаются с другими соответствующими нагрузками, такими как постоянные нагрузки, временные нагрузки и снеговые нагрузки, в соответствии с правилами сочетания нагрузок Еврокода.
10. Расчёт конструкций: ветровые нагрузки, наряду с другими нагрузками, используются в качестве исходных данных для расчёта конструкций здания для оценки их устойчивости и целостности при различных сценариях нагружения.
11. Оптимизация: измените расчет, чтобы смягчить любые области высокого давления или другие потенциальные проблемы, определенные по анализу CFD.
12. Экспертная проверка или проверка третьей стороной: В зависимости от сложности здания и местных нормативов, вам может потребоваться проверка ваших расчетов и результатов CFD независимой стороной. Это дополнительный шаг к проверке того, что ваш проект соответствует требованиям строительных норм и правил.

Заключение

В рамках строительных норм и правил и ветровых нагрузок, CFD можно использовать для моделирования взаимодействия ветра с зданием, обеспечивая более подробное и точное представление о ветровых нагрузках, чем те, которые могут быть достигнуты с помощью простых формул. Важно отметить, что для расчета ветровых нагрузок с помощью CFD моделирования требуется опыт работы в данной области, а также знание норм Еврокод. Кроме того, точность моделирования зависит от качества модели здания, выбора граничных условий и разрешения сетки. Однако важно отметить, что, хотя CFD может предоставить ценную информацию, это инструмент, который следует использовать в сочетании с, а не вместо, требованиями и нормативами, изложенными в строительных нормах. Кроме того, необходимо хорошо понимать механику потока и численные методы, чтобы правильно интерпретировать результаты моделирования CFD. Наконец, примеры проверок и статьи базы знаний являются полезными источниками для нахождения наиболее совместимых числовых настроек с нормативами.