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 [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).
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 примеры для проверки
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. Здесь доступны контрольные примеры по Еврокоду с использованием RWIND, чтобы представить наиболее совместимые настройки для CFD моделирования.
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 [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 [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).
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 Simulation для расчета ветровых нагрузок по Еврокоду
Еврокод содержит руководства (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:
- Ознакомьтесь с требованиями строительных норм и правил : В разных городах, штатах или странах могут действовать разные строительные нормы и правила. 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.
- Задайте геометрию : Первым шагом является создание в программе CFD подробной 3D модели здания или конструкции. 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 расположения и окружающей местности.
- Задать граничные условия : Задайте граничные условия для моделирования CFD, включая скорость, направление и интенсивность ветра. Эти граничные условия обычно основаны на исторических данных о погоде или конкретных критериях расчета ветра, приведенных в Еврокоде.
- Создание сетки : Создайте сетку сетки вокруг геометрии здания для дискретизации области жидкости. Разрешение сетки должно быть достаточно малым, чтобы зафиксировать соответствующие характеристики потока и эффекты граничного слоя вблизи поверхностей здания.
- 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.
- Проверка : Сравните результаты CFD с испытаниями в аэродинамической трубе или эмпирическими данными, чтобы проверить свои результаты.
- Постобработка : После завершения CFD моделирования выполняется пост-обработка для анализа результатов. Он включает в себя сбор данных о ветровых давлениях, силах и скоростях, действующих на поверхности здания.
- Расчет ветровой нагрузки : На основе распределения давления, полученного из моделирования CFD, ветровые нагрузки на различные поверхности здания рассчитываются в соответствии с указаниями Еврокода. Коэффициенты давления используются для определения ветровых нагрузок, действующих на стены, кровлю и другие элементы.
- 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.
- Расчёт конструкций : Ветровые нагрузки, наряду с другими нагрузками, используются в качестве исходных данных для расчета конструкций здания, чтобы оценить его устойчивость и целостность при различных сценариях нагружения.
- Оптимизация : Внесите изменения в расчет, чтобы смягчить любые области высокого давления или другие потенциальные проблемы, определенные по CFD-анализу.
- Экспертная проверка или проверка третьей стороной : В зависимости от сложности здания и местных нормативов, вам может потребоваться проверка ваших расчетов и результатов CFD третьей 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.
