Tato změna se zřetelně odráží ve stále odvážnějším tvaru budov. Jako by šlo o závod, jak štíhlý mrakodrap se bude tyčit k obloze nebo jak složité budou linie pláště budovy. Všechny projekty však mají společné to, že před realizací je třeba zpracovat statický návrh pro zajištění bezpečného přenosu všech zatížení.
Tento úkol představuje v závislosti na geometrii a využití budovy velmi složitý proces. Zejména nové tvary budov s sebou nesou další problémy, pokud jde o zatížení větrem. Zatímco pro standardní tvar budovy lze zatížení převzít z norem, zůstává zatížení větrem u nové geometrie volných tvarů neznámou. Chceme-li tento problém vyřešit, můžeme zmenšený model budovy analyzovat ve větrném tunelu, a stanovit tak příslušná zatížení větrem. Další možnost představuje simulace ve větrném proudu pomocí numerické simulační techniky, na jejímž základě lze vyvodit náhradní zatížení větrem.
Navzdory složitějšímu vyhodnocení výsledků nabízí numerické řešení v porovnání s testem ve větrném tunelu jistou výhodu, protože nemusíme vytvářet zmenšený model budovy pro použití v aerodynamickém tunelu. Tato výhoda je zajímavá zejména při návrhu a stanovení tvaru budovy.
A právě v tomto bodě se zapojila společnost Dlubal Software a ve spolupráci s firmami PC-Progress a CFD Support vyvinula pro statiky program RWIND Simulation. Tento program slouží k simulaci proudění vzduchu okolo libovolných objektů v digitálním větrném tunelu a ke stanovení náhradních zatížení pro statickou analýzu a posouzení.
Program RWIND Simulation je speciálně navržen pro stanovení zatížení větrem na konstrukce a kromě 3D modelu vyžaduje od uživatele pouze popis zatížení větrem. Všechny ostatní parametry pro provedení komplexní simulace proudění se s ohledem na základní předpoklady stanoví automaticky v programu. Uživatel je tak ušetřen náročného zadání, které plyne z problematiky mechaniky proudění, a na stisknutí tlačítka obdrží výsledky analýzy.
Programová sestava
RWIND Simulation je samostatný program, který můžeme používat nezávisle na programech pro statické výpočty RFEM a RSTAB. Vzhledem k základnímu předpokladu, že stanovená zatížení větrem na budovy a působící síly se budou přenášet do statického modelu, existuje nativní propojení mezi programy RFEM, respektive RSTAB a programem RWIND Simulation. Toto propojení umožňuje exportovat přes rozhraní jakýkoli model z programu RFEM nebo RSTAB se zadáním zatížení větrem do programu RWIND Simulation a po výpočtu obdržet zatížení větrem působící na plochy prvků. Současně lze program RWIND Simulation používat také bez programu RFEM nebo RSTAB.
Vytvoření modelu
Program RWIND Simulation je uspořádán do projektů. Každý projekt popisuje geometrii tělesa ve vztahu k proudění větru v numerickém větrném tunelu a obsahuje definované vstupní zatížení větrem včetně všech hodnot v polích proudění v prostoru větrného tunelu a výsledků na povrchu těles. Zatížení větrem na vstupu přitom popisuje profil rychlosti větru a intenzity turbulence v závislosti na výšce. Projekt lze v zásadě zadat dvěma způsoby.
- Pokud chceme provést analýzu zatížení větrem pouze v programu RWIND Simulation, můžeme do numerického větrného tunelu daného projektu importovat obtékanou geometrii pomocí 3D datového modelu, uspořádat ji ve větrném tunelu a zadat v dialogu zatížení větrem na vstupu. Program přitom umožňuje načíst model jako trojúhelníkovou geometrii modelu ve formátu STL nebo jako ParaView geometrii modelu ve formátu VTP.
- Při analýze zatížení větrem, kdy se zatížení mají použít v programech pro statickou analýzu RFEM a RSTAB, se pro zachování všech vztahů zadává primární model jako statický model v programu RFEM, respektive RSTAB. V takovém případě lze přes rozhraní zadat v RFEMu a RSTABu zatížení větrem (ručně nebo podle normy) pro různé směry větru a statický model se všemi pruty, plochami, tělesy a 3D objekty převést automaticky pro směry větru do projektů větrného tunelu v programu RWIND Simulation.
RWIND Simulation nestanoví při importu modelu žádná další omezení. Bez ohledu na to, zda má obtékané těleso organický tvar anebo se jedná o blok s ostrými hranami, importují se přes dostupná rozhraní geometrická data s možností nastavit orientaci v numerickém větrném tunelu a na plochách se definují příslušné okrajové podmínky pro numerickou analýzu proudění.
Výpočet
Simulace proudění okolo zadaných těles ve větrném tunelu programu RWIND Simulation je založena na numerickém CFD modelu. Při procesu simulace probíhají následující kroky.
- Generování plošné sítě na povrchu obtékaných těles. Toto síťování pláště zjednodušuje obtékanou geometrii a zajišťuje vzduchotěsnost všech simulovaných objektů.
- Diskretizace prostoru mezi vnějšími stranami větrného tunelu a zesíťovaným pláštěm na objemové prvky pomocí generátoru sítě OpenFOAM (SnappyHexMesh). Velikost objemových prvků se přitom stanoví plynule a řídí se globálně zadanou hustotou sítě s homogenním zahuštěním směrem k bezprostřednímu okolí povrchu objektů.
- Iterační simulace proudění v diskretizovaném prostoru metodou konečných objemů pomocí řešiče OpenFOAM z rodiny SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations) pro stacionární nestlačitelné turbulentní proudění.
- Určení výsledných tlaků větru na zesíťovaný plášť těles z proudění větru okolo těles.
- Transformace tlaků větru ze zesíťovaného pláště zpět na původní geometrii modelu.
Výsledky
Po dosažení kritéria konvergence při iteračním simulačním procesu zobrazí program dva základní typy výsledků pro popis proudění větru okolo těles a jeho účinku na tělesa. Zaprvé ukazují trojrozměrná pole proudění s možností zobrazení po vrstvách se znázorněním
- rychlostí větru,
- směrů větru,
- tlaků,
- vlastností turbulence a
- proudnic (možnost animace)
průběh proudění větru okolo tělesa v prostoru.
Zadruhé ukazují skalární výsledky na plochách se zobrazením
- tlaků větru včetně zobrazení vektorového odporu větru
- aerodynamických součinitelů ploch
účinek proudění větru na tělesa.
Transformace
V případě, že projekt v RWIND Simulation vychází ze zadání v programu RFEM nebo RSTAB, výsledný tlak větru z RWIND Simulation se po dokončení analýzy proudění přenese na původní model jako samostatný zatěžovací stav v příslušném modelu RFEM nebo RSTAB. Tento zatěžovací stav - nebo sada zatěžovacích stavů při analýze několika směrů větru - obsahuje výsledná čistá zatížení tlakem větru na uzly sítě konečných prvků uvažovaných prutů, ploch a těles. Výsledkem výpočtu zatěžovacích stavů z RWIND Simulation v programu RFEM nebo RSTAB jsou vnitřní síly a deformace uvažovaných konstrukčních prvků na základě simulovaného účinku proudění větru. Kromě prostého výpočtu účinku větru lze samozřejmě tyto zatěžovací stavy skládat do kombinací zatížení a kombinací výsledků s jinými zatíženími a jejich výsledky pak použít v přídavných modulech pro další posouzení.
Závěr
Program RWIND Simulation je ve spojení s rozhraním na RFEM a RSTAB velice efektivní nástroj pro stanovení účinků větrem na budovy složitých geometrií. Díky intuitivnímu programování může uživatel při zohlednění odpovídající teorie výpočtu rychle a snadno stanovit účinky větru pro statickou analýzu konstrukce. Tento postup, který je již běžný v automobilovém a leteckém inženýrství, nabízí v oblasti statiky nadále velký potenciál s ohledem na ještě přesnější stanovení účinků větru a rychlejší zpracování statické analýzy konstrukce.
