Popis
V našem aktuálním validačním příkladu zkoumáme hodnotu tlaku větru jak pro obecné statické posouzení (Cp,10 ), tak pro posouzení opláštění nebo fasády (Cp,1 ) obdélníkových budov podle EN 1991-1-4. [1]. Existují trojrozměrné případy, o kterých si více vysvětlíme v příštím díle.
Jedním z klíčových aspektů CFD simulace je nalezení co nejpřesnějších a nejkompatibilnějších konfigurací s ohledem na vstupní data, jako jsou modely turbulence, rychlostní profily větru, intenzity turbulence, podmínky mezní vrstvy, řád diskretizace a další faktory. Důležité je, že Eurokód nepokrývá požadované informace pro numerickou simulaci, jako je CFD simulace. Uvedli jsme zde kompatibilní nastavení programu RWIND ve vztahu k příkladu krychlového tvaru podle Eurokódu. Pro statický výpočet zatížení větrem se používá několik vzorců a diagramů, které si ukážeme v následujících odstavcích.
Analytické řešení a výsledky
V závislosti na poměru h/d, jak je znázorněno na obrázku 1 (EN 1991-1-4 tabulka 7.1), existují pro obdélníkový kvádr tři kategorie rozměrů. Vstupní údaje a předpoklady pro každý rozměrový případ jsou popsány v další části.
V prvním případě (obrázek 2) se uvažuje výšková budova obdélníkového půdorysu (h/d=5) s ohledem na definované oblasti (obrázek 3) pro každou výšku a vstupní údaje. Pro stanovení profilu rychlosti větru a turbulence se zohledňuje také kategorie terénu 2, která je znázorněna v následující tabulce; současně se zkoumají konstantní hodnoty intenzity turbulence pro výpočet hodnot tlaku větru.
| Tabulka 1: Poměr rozměrů - h/d=5 | |||
| Základní rychlost větru | V | 30 | m/s |
| Kategorie terénu | 2 | - | - |
| Výška | h | 50 | m |
| Účinná výška | d | 10 | m |
| Šířka | b | 12 | m |
| Hustota vzduchu - RWIND | ρ | 1,25 | kg/m3 |
| Model turbulence - RWIND | Stacionární RANS k-ω SST | - | - |
| Kinematická viskozita (rovnice 7.15, EN 1991-1-4) - RWIND | ν | 1,5*10-5 | m2/s |
| Řád schémat - RWIND | Druhý | - | - |
| Cílová reziduální hodnota - RWIND | 10-5 | - | - |
| Typ rezidua - RWIND | Tlak | - | - |
| Minimální počet iterací - RWIND | 800 | - | - |
| Mezní vrstva - RWIND | NL | 10 | - |
| Typ stěnové funkce - RWIND | Vylepšená / Smíšená | - | - |
| Intenzita turbulence (Best fit) - RWIND | I | Turbulentní profil podle Eurokódu a 25% | - |
Hodnoty tlaku větru pro Cp,1 a Cp,10 se získají s ohledem na různé oblasti, rozměrové poměry a intenzity turbulence. V prvním případě, kterým je kvádrový výškový model (h/d=5), jsou výsledky znázorněny na obr. 4 a 5. Výsledky ukazují, že při zohlednění skutečného nebo vysokého profilu turbulence (např. 25 %) existuje dobrá shoda.
Pro každou oblast lze získat maximální hodnotu tlaku, která může být ekvivalentní hodnotě tlaku větru pomocí Cp,1 pro návrh opláštění nebo fasády, a průměrnou hodnotu tlaku, která může být ekvivalentní hodnotě tlaku větru pomocí Cp,10 pro obecné statické posouzení (obrázek 6).
V dalším případě uvažujeme středně vysokou budovu obdélníkového půdorysu (h/d=1) s ohledem na vstupní údaje a definované oblasti (obrázek 7 a 8), které jsou znázorněny na následujícím obrázku a v tabulce:
| Tabulka 2: Poměr rozměrů - h/d=1 | |||
| Základní rychlost větru | V | 30 | m/s |
| Kategorie terénu | 2 | - | - |
| Výška | h | 10 | m |
| Účinná výška | d | 10 | m |
| Šířka | b | 12 | m |
| Hustota vzduchu - RWIND | ρ | 1,25 | kg/m3 |
| Model turbulence - RWIND | Stacionární RANS k-ω SST | - | - |
| Kinematická viskozita (rovnice 7.15, EN 1991-1-4) - RWIND | ν | 1,5*10-5 | m2/s |
| Řád schémat - RWIND | Druhý | - | - |
| Cílová reziduální hodnota - RWIND | 10-5 | - | - |
| Typ rezidua - RWIND | Tlak | - | - |
| Minimální počet iterací - RWIND | 800 | - | - |
| Mezní vrstva - RWIND | NL | 10 | - |
| Typ stěnové funkce - RWIND | Vylepšená / Smíšená | - | - |
| Intenzita turbulence (Best fit) - RWIND | I | Turbulentní profil podle Eurokódu a 25% - RWIND | - |
Pro druhý případ, kterým je tvar krychle se středním stoupáním (h/d=1), jsou hodnoty Cp,10 a Cp,1 znázorněny na obrázku 9, 10. Výsledky ukazují, že při zohlednění skutečného i vysokého profilu turbulence (např. 25 %) panuje dobrá shoda.
V posledním případě se uvažuje malá konstrukce obdélníkového půdorysu (h/d=0,25) s ohledem na vstupní údaje a definované oblasti (obrázky 11 až 13), které jsou znázorněny na následujících obrázcích a v tabulce:
| Tabulka 3: Poměr rozměrů - h/d=0,25 | |||
| Základní rychlost větru | V | 30 | m/s |
| Kategorie terénu | 2 | - | - |
| Výška | h | 2,50 | m |
| Účinná výška | d | 10 | m |
| Šířka | b | 2,50 | m |
| Hustota vzduchu - RWIND | ρ | 1,25 | kg/m3 |
| Model turbulence - RWIND | Stacionární RANS k-ω SST | - | - |
| Kinematická viskozita (rovnice 7.15, EN 1991-1-4) - RWIND | ν | 1,5*10-5 | m2/s |
| Řád schémat - RWIND | Druhý | - | - |
| Cílová reziduální hodnota - RWIND | 10-5 | - | - |
| Typ rezidua - RWIND | Tlak | - | - |
| Minimální počet iterací - RWIND | 800 | - | - |
| Mezní vrstva - RWIND | NL | 10 | - |
| Typ stěnové funkce - RWIND | Vylepšená / Smíšená | - | - |
| Turbulentní profil podle Eurokódu a 25% - RWIND | I | 15% | - |
Pro poslední případ, kterým je nízká budova obdélníkového půdorysu (h/d=0,25), jsou hodnoty Cp,1 a Cp,10 znázorněny na obr. 14 až 16. Výsledky ukazují, že dobrá shoda je při zohlednění skutečného nebo vysokého profilu turbulence (např. 25 %).
Závěr a výhled
Výsledky ukazují dobrou shodu jak u obecného statického posouzení (Cp10 ), tak u návrhu opláštění nebo fasády (Cp1 ) budov obdélníkového půdorysu. Na základě výsledků je obecně lepší uvažovat doporučenou hodnotu intenzity turbulence jako skutečný profil turbulence podle Eurokódu nebo zvolit vyšší hodnoty (např. I=25 %) pro různé oblasti a rozměrové poměry. Lze to vidět, pokud zvětšíme výšku obdélníkového kvádru a Reynoldsova čísla proudění, výsledky by byly přesnější. Zejména u výškových konstrukcí tak můžeme očekávat velmi dobré předpovědi pro výpočet tlaku větru pro obecné statické posouzení a posouzení fasád.
Model obdélníkového kvádru s doporučeným nastavením je k dispozici ke stažení zde:
