Digitaler Zwilling der Kalixbrücke – Tragwerkslasten aus zukünftigen Klimaextremereignissen

von Mahyar Kazemian, Sjad Nikdel, Mehrnaz Mohammad Esmaeili, Valid Nik, Kamyab Zandi

KAST

Bei der statischen Bemessung und Bewertung weitspanniger Brücken spielen Umwelteinflüsse wie Wind und Flussströmung eine wesentliche Rolle. Klimawandel und Extremereignisse gefährden die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Verkehrsnetzes.

Dies hat zu einer wachsenden Nachfrage nach digitalen Zwillingsmodellen geführt, um die Belastbarkeit von Brücken unter extremen klimatischen Bedingungen zu prüfen. Die 1956 in Schweden über den Fluss Kalix gebaute Brücke dient in diesem Zusammenhang als Testumgebung.

Die Brückenkonstruktion aus Spannbeton besteht aus fünf Feldern, von denen das längste 94 m ist. In dieser Studie werden aerodynamische Eigenschaften und Extremwerte der numerischen Windsimulation, wie der Oberflächendruck, durch die Verwendung von Spalart-Allmarasdurch die Verzögerung der Detached Eddy Simulation (DDES) als hybrider RANS-LES-Turbulenzansatz ermittelt, der sowohl praktisch als auch rechnerisch effizient für wandnahe Strukturen ist Netzdichte nach der LES-Methode.

Der Bodenwinddruck wird für drei extreme Klimaszenarien ermittelt, einschließlich extrem windigem Wetter, extrem kalter Witterung und dem Bemessungswert für eine Wiederkehrperiode von 3000 Jahren. Das Ergebnis zeigt deutliche Unterschiede im Bodenwinddruck aufgrund von Zeitschichten, die aus der transienten Windströmungssimulation stammen. Um die Tragwerksleistung unter dem kritischen Windszenario zu bewerten, wird der höchste Wert des Flächendrucks für jedes Szenario berücksichtigt.

Es wird auch eine hydrodynamische Studie an den Brückenpfeilern durchgeführt, bei der die Flussströmung mit der VOF-Methode simuliert wird, und der Wasserbewegungsprozess um die Pfeiler transient und zu unterschiedlichen Zeiten untersucht wird. Es wird der Oberflächendruck berechnet, der von der Flussströmung mit dem höchsten aufgezeichneten Volumenstrom aufgebracht wird.

Für die Simulation der Flussströmung wurden Informationen und Wetterbedingungen verwendet, die in der Vergangenheit aufgezeichnet wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass der Flächendruck zum Zeitpunkt des Auftreffens der Flusspfeiler wesentlich höher ist als zu folgenden Zeiten. Dieser Druck kann als kritische Last bei Berechnungen der Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) verwendet werden.

Abschließend werden für beide Querschnitte der Wind-Oberflächendruck, das Geschwindigkeitsfeld in Bezug auf Hilfsprobenlinien, die umlaufenden Bewegungskonturen des Wassers um die Säulen und das Druckdiagramm auf ihnen in unterschiedlichen Zeitschritten dokumentiert.

1. Einführung

Verkehrsinfrastrukturen sind das Rückgrat unserer Gesellschaft und Brücken der Nadelöhr des Verkehrsnetzes [1]. Darüber hinaus stellen der Klimawandel und die Auswirkungen des Klimawandels mit höheren Alterungsraten und extremen Klimaereignissen eine erhebliche Gefahr für die Zuverlässigkeit und Sicherheit der Verkehrsnetze dar. In den letzten zehn Jahren wurden viele Brücken durch extreme Wetterbedingungen wie Taifunen und Überflutungen beschädigt und fielen zusammen.

Wang et al. haben die Auswirkungen des Klimawandels untersucht und gezeigt, dass der Verfall von Betonbrücken noch schlimmer als heute erwartet wird und extreme Klimaereignisse häufiger und mit höherer Schwere vorhergesagt werden [2] zu bestimmen.

Zudem steigt zum Beispiel durch den Einsatz schwererer LKW für die Holztransporte in Nordeuropa und Nordamerika der Bedarf an Nutzlast mit der Zeit an. Daher besteht ein wachsender Bedarf an zuverlässigen Methoden zur Beurteilung der strukturellen Belastbarkeit von Verkehrsnetzen unter extremen klimatischen Bedingungen unter Berücksichtigung zukünftiger Klimawandel-Szenarien.

Verkehrsanlagen werden mithilfe zahlreicher Datenquellen und unterschiedlicher Modelle geplant, gebaut und betrieben. Daher verwenden Konstrukteure etablierte Modelle aus der Normung; Bauingenieure
Dokumentation der Daten am tatsächlichen Material und Bereitstellung von Zeichnungen Betreiber sammeln Verkehrsdaten, führen Kontrollen durch und planen für die Wartung; Klimaforscher führen Klimadaten und Modelle zusammen
sagen zukünftige klimatische Ereignisse vorher und Beurteilungsingenieure berechnen die Auswirkungen extremer Klimabelastungen auf die Struktur.

Angesichts der unübersichtlichen Quellen für und der Komplexität von Daten und Modellen stehen für wichtige Entscheidungen, z. B. in Bezug auf die Tragsicherheit und Betriebsfähigkeit von Infrastruktur während Episoden von Extremereignissen, nicht die aktuellsten Informationen und Berechnungen zur Verfügung. Das Fehlen einer nahtlosen Integration zwischen Infrastrukturdaten, Statikmodellen und der Entscheidungsfindung auf Systemebenen stellt eine wesentliche Einschränkung aktueller Lösungen dar, die zu Unanpassungsfähigkeiten und Unsicherheiten führt und Kosten und Ineffizienzen erzeugt.

Der digitale Structural RF-Zwilling der Infrastruktur ist eine lebendige Struktursimulation, die alle Daten und Modelle zusammenführt und sich aus mehreren Quellen aktualisiert, um ihr physisches Gegenstück darzustellen. Der digitale Zwilling, der während des gesamten Lebenszyklus eines Bauwerks beibehalten werden kann und jederzeit leicht zugänglich ist, bietet dem Besitzer/Nutzer der Infrastruktur einen frühzeitigen Einblick in die potenziellen Gefahren für die Mobilität, die durch klimatische Ereignisse, schwere Fahrzeuglasten und sogar die Alterung von a Verkehrsinfrastruktur.

In einem laufenden Projekt entwickeln und implementieren wir einen statischen digitalen Zwilling für die Kalix-Brücke in Schweden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein Verfahren zur Quantifizierung der Bauwerkslasten, die aus extremen Klimaereignissen resultieren, auf Basis zukünftiger Klimaszenarien für die Kalixbrücke vorzustellen und die entsprechenden Ergebnisse zu untersuchen. Die Kalixbrücke wurde 1956 in Schweden über den Fluss Kalix gebaut und besteht aus einem vorgespannten Hohlkasten. Die Brücke wird als Testumgebung zur Demonstration von Methoden zur Beurteilung des Zustands der Technik und zur Strukturzustandsanalyse (SHM) genutzt.

Das spezifische Ziel der aktuellen Forschung ist es, Klimaparameter wie Wind und Wasserströmung zu berücksichtigen, die statische und dynamische Lasten auf die Strukturen auferlegen. Unsere Methode besteht im ersten Schritt aus Windströmungssimulationen und Wasserströmungssimulationen mittels transienter CFD-Modellierung auf Basis des LES/DES-Turbulenzmodells zur Quantifizierung von Wind- und Hydrolasten; Dies bildet den Hauptschwerpunkt dieses Beitrags.

Im nächsten Schritt wird die statische Antwort der Brücke untersucht, indem die Wind- und Hydrolastprofile in Strukturlasten in einer nichtlinearen FE-Analyse transformiert werden. Zuletzt wird das Statikmodell durch die nahtlose Integration von SHM-Daten aktualisiert, wodurch ein digitaler Zwilling entsteht, der die tatsächliche Antwort der Struktur widerspiegelt. Die beiden erstgenannten Forschungsschwerpunkte bleiben im Rahmen der vorliegenden Arbeit unmittelbbar.

2. Beschreibung der Kalixbrücke

Die Kalixbrücke besteht aus 5 langen Feldern, von denen das längste ca. 94 m und das kürzeste 43,85 m ist. Die Brücke besteht aus nachgespanntem Beton, der segmentweise vor Ort betoniert wird, und einem nicht-prismatischen Hohlkasten, der in Bild 1 gezeigt ist. Die Brücke ist von der Geometrie her symmetrisch und in der Mitte ist ein Gelenk. Die Breite des Brückenüberbaus beträgt an der oberen und unteren Platte ca. 13 m bzw. 7,5 m. Die Dicke der Wand beträgt 45 cm und die Dicke der unteren Decke variiert zwischen 20 cm und mehr
50cm.

3. Windsimulation

Früher waren Windkanalversuche die einzige Möglichkeit, die Reaktion von Brücken auf Windlasten zu untersuchen [3]; Diese Versuche sind jedoch zeitaufwendig und teuer. Für einen typischen Windkanalversuch [4] werden etwa 6 bis 8 Wochen benötigt. Die neuesten Errungenschaften in der Rechenkapazität von Computern bieten Möglichkeiten zur praktischen Simulation von Windströmungen um Brücken mithilfe der Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics - CFD).

Mithilfe der Computersimulation kann man Windlasten auf Brückenbauteile untersuchen. Es müssen Simulationsparameter der Brücke und des sie umgebenden Windfeldes ermittelt werden; Dadurch ist es möglich, ihre Auswirkungen auf die Kräfte, die auf der Brücke wirken, genau zu bewerten.

Die konstruktiven Anforderungen an Brückenkonstruktionen erfordern eine solide Untersuchung der Windeinwirkung insbesondere bei extremen Wetterbedingungen. Die Stabilität von weitspannigen Brücken zu gewährleisten, da ihre Strukturen und Formationen am anfälligsten für Windlasten sind, gehört zu den Hauptüberlegungen bei der Bemessung [3].

3.1. Simulationsparameter

Die Basiswindgeschwindigkeit wird basierend auf der Windkarte von Schweden und dem Standort der Kalix-Brücke gemäß EN 1991-1-4 [5] und dem schwedischen Code BFS mit 22 m/s gewählt 2019:1 EKS 11; siehe Bild 1. Als dem Wind ausgesetzte Fläche wird die freie Oberfläche über dem Wasser angesehen. Als vorherrschende Windangriffsrichtung wird die Fahrbahnplatte senkrecht zur Brückenüberdachung betrachtet.

Die aktuellen Simulationen basieren auf drei Szenarien: extremer Wind, extreme Kalte und Bemessungswert für eine Wiederkehrperiode von 3000 Jahren. Jede Bedingung hat unterschiedliche Werte für Temperatur, Basiswind
Geschwindigkeit, kinematische Viskosität und Luftdichte gemäß Tabelle 1. Die Wetterdatensätze wurden für zwei Extremwetterwochen über den Zeitraum von 30 Jahren 2040-2069 unter Berücksichtigung von 13 verschiedenen zukünftigen Klimaszenarien mit verschiedenen globalen Klimamodellen (GCMs) und repräsentativen Konzentrationspfaden (RCPs) zusammengestellt.

Je eine extrem kalter und eine extrem windige Woche wurden unter Verwendung des entwickelten Ansatzes ausgewählt
von Nik [7]. Dieser Ansatz wurde an die Erfordernisse dieser Arbeit angepasst, wobei eine wöchentliche statt monatliche Zeitskala berücksichtigt wurde. Die Anwendung des Ansatzes wurde für komplexe Simulationen verifiziert, einschließlich Energiesysteme [7] [8], Hydrothermie [ 9] und Mikroklimasimulationen [10].

Um die extremen Wetterbedingungen einer sehr wichtigen Infrastruktur zu berücksichtigen, muss der Wert der Basiswindgeschwindigkeit von einer 50-jährigen Wiederkehrperiode auf 3000-jährig übertragen werden, wie in Gleichung 1 [6] angegeben. Das Geschwindigkeits- und Turbulenzprofil wird basierend auf EN 1991-1-4 [5] für Geländekategorie 0 (Z₀ = 0,003 m und Z_min = 1 m) gebildet, wobei Z₀ und Z_min die Rauigkeitslänge bzw. Mindesthöhe sind zu bestimmen. Die Variation der Windgeschwindigkeiten mit der Höhe ist in Gleichung 2 definiert, wobei c_o (z) der mit 1 angesetzte Orographiefaktor, v_m (z) die mittlere Windgeschwindigkeit in der Höhe z und k_r der von der Rauigkeitslänge abhängige Geländefaktor ist und I_v (z) die Turbulenzintensität; siehe Gleichung 3.

Der Wert der Windgeschwindigkeit für T = 3000-jährige Wiederkehrperiode wird mit 31 m/s berechnet; Damit erhält man die Windgeschwindigkeits- und Turbulenzintensitätsdiagramme wie in Bild 2 gezeigt.

3.2. Turbulenzmodell

Um die Untersuchungen auf Umströmungen wichtiger Bauwerke wie Brücken genau durchführen zu können, ist ein hybrider Ansatz mit Simulations eines deaktivierten Wirbels (DDES) anwendbar und rechnerisch effizient [11] [12]. Dieses Turbulenzmodell verwendet in der Nähe der Grenzschichten eine RANS-Methode und weit weg von den Grenzschichten die LES-Methode und im Bereich der getrennten Region'.

In einem ersten Schritt wurde der Ansatz der Depended-Eddy-Simulation erweitert, um zuverlässige Kraftvorhersagen für Modelle mit großer Auswirkung abgelöster Strömungen zu erhalten. Im Überprüfungsteil von Spalart [11] gibt es verschiedene Beispiele für mehrere Fälle, bei denen das Depended-Eddy-Simulation-Turbulenzmodell (DES) angewendet wird.

Die anfängliche Des-Formulierung [13] wird mit dem Spalart-Allmaras-Ansatz entwickelt. Im Zusammenhang mit dem Übergang vom RANS- zum LES-Ansatz wird der Zerstörungsterm in der modifizierten Viskositäts-Transportgleichung überarbeitet: Der Abstand zwischen einem Punkt im Gebiet und der nächstgelegenen Volumenfläche (d) wird durch den Faktor ersetzt, der eingeführt wird durch:

wobei C_Somit ein Koeffizient ist, der als 0,65 berücksichtigt wird und Δ eine Längenskala ist, die dem lokalen Rasterabstand zugeordnet ist:

Ein modifizierter Ansatz von Deshafteddy Simulation (DDES) wurde verwendet, um das wahrscheinliche Problem der „rasterinduzierten Trennung“ (GIS), das mit der Gittergeometrie zusammenhängt, zu beherrschen. Das Ziel dieses neuen Ansatzes ist es zu bestätigen, dass die Turbulenzmodellierung über die Grenzschichten hinweg im RANS-Modus bleibt [14]. Daher wird die Definition des Parameters wie definiert modifiziert:

mit f_d als Filterfunktion, die einen Wert von 0 in wandnahen Grenzschichten (RANS-Zone) und einen Wert von 1 in Bereichen, in denen eine Strömungsablösung stattgefunden hat (LES-Zone) berücksichtigt.

3.3. Berechnungsraster und Ergebnisse

Für die CFD-Windsimulation wird RWIND 2.01 Pro verwendet, das den externen CFD-Code OpenFOAM® Version 17.10 verwendet. Die dreidimensionale CFD-Simulation wird als transiente Windsimulation für nicht komprimierbare turbulente Strömungen unter Verwendung des SIMPLE-Algorithmus (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations) durchgeführt.

In der aktuellen Simulation wird der stationäre Solver als Anfangsbedingung betrachtet, d. h. wenn die instationäre Strömung berechnet wird, startet im ersten Teil der Simulation die stationäre Berechnung der Anfangsbedingung und sobald die beendet, so startet automatisch die transiente Berechnung.

Das Berechnungsraster wird durch dreidimensionale 8.057.279 Zellen und 8.820.901 Knoten durchgeführt, auch die Abmessungen des Windkanalgebiets werden berücksichtigt 2000 m * 1000 m * 100 m (Länge, Breite, Höhe) wie in Bild 3 dargestellt. Das Mindestzellenvolumen beträgt 6,34*10-5 m3, das Höchstvolumen 812,30 m3 und die maximale Schiefstellung 1,80.

Der endgültige Druck wird mit 5*10-5 angenommen. Der Prozess der Netzgenerierung und Netzunabhängigkeit wurde mit vier Maschenweiten durchgeführt, die in Bild 4 für das Referenznetz dargestellt sind, und schließlich wurde die Netzunabhängigkeit erreicht.

Es wurden drei Simulationen durchgeführt, um den Winddruckwert für extreme Wetterbedingungen sowie den Bemessungswindwert zu ermitteln, die in Bild 5 gezeigt sind. Für jedes Szenario wird das Ergebnis des Winddrucks unter Verwendung des transienten DDES-Turbulenzmodells mit einer Dauer von 30 (s) ermittelt, das 60 Schichten (Δt=0,5 s) enthält.

Es ist zu beobachten, dass der vordere Bereich der Brücke einem positiven Winddruck ausgesetzt ist und die Druckgröße nahe dem Fahrbahnrand für alle Szenarien mit der Höhe zunimmt. So auch Bild 5. stellt die Windunterdruckwerte vollständig auf der Decksfläche dar Der Wert, der zur 3000-Jahr-Periode gehört, ist viel höher als in den anderen Szenarien.

Es ist wichtig zu beachten, dass der Bereich der Eingabewindgeschwindigkeit einen großen Einfluss auf den Wert des Oberflächendrucks hat und nicht auf die anderen Parameter. Zusätzlich ist für jedes Szenario der höhere Bereich von Winddruck und -sog während der Gesamtzeit als kritische Windlast auf das Tragwerk zu berücksichtigen. Der niedrigste Wert des Flächendrucks wird im Extremkaltszenario erhalten, während bei Extremwind der Druck um eine Größenordnung höher liegt.

Zusätzlich ist zu beachten, dass die Leistungsfähigkeit der Brücke aufgrund unterschiedlicher Lufttemperaturen vollkommen anders wäre und ein möglicher kritischer Fall in dem Szenario mit geringerem Druck auftreten kann. Bezogen auf den Eingangswert jedes Szenarios gehört der höchste Winddruckbereich zum Bemessungsniveau aufgrund der 3000-jährigen Wiederkehrperiode, das die höchsten Windgeschwindigkeiten als Eingangsgeschwindigkeit erhalten hat.

4. Hydro Simulation

Brückenpfeiler, die den Fluss überqueren, können den Fluss blockieren, indem sie den Flussquerschnitt reduzieren, lokale Wirbelströmungen erzeugen und die Strömungsgeschwindigkeit ändern, was Druck auf die Pfeileroberflächen erzeugen kann. Wenn der Fluss in die Brückenpfeiler mündet, kann der Prozess des Fließens des Wassers um die Basis in zwei Teile geteilt werden: Anwendung des Drucks zum Zeitpunkt des Auftreffens des Wassers auf den Brückenpfeiler und nach dem Anfangsdruck, wenn das Wasser die Pfeiler umströmt [15].

Wenn das Wasser mit einer bestimmten Geschwindigkeit die Brückenpfeiler erreicht, ist die Wirkung des Drucks auf die Pfeiler viel größer als der Druck der um sie herum verbleibenden Flüssigkeit. Aufgrund der Entwicklungen in der Computerwissenschaften sowie der immer neuen Codes zur numerischen Strömungsmechanik haben die verschiedensten numerischen Simulationen Einzug gehalten und es ist bewiesen, dass die Ergebnisse vieler Simulationen mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmen [ 16].

Aus diesem Grund wurde in dieser Forschungsarbeit die Numerische Strömungsmechanik-Methode verwendet, um die Phänomene zu simulieren, die das Strömungsverhalten bestimmen. Für diese Studie wurde eine dreidimensionale Lösung gewählt, die auf numerischen Berechnungen unter Verwendung des LES-Turbulenzmodells basiert. Die dreidimensionale Simulation der Strömung in verschiedenen Richtungen und Geschwindigkeiten ermöglicht es uns, alle Drücke auf der Oberfläche der Brückenpfeiler in verschiedenen Zeitabständen zu berechnen und zu analysieren.

4.1 berechnet. Simulationsparameter

Die Flussströmung kann als Mehrphasenströmung mit Wasser und Luft in einem offenen Kanal definiert werden. Die Kanalströmung ist eine Flüssigkeitsströmung mit einer freien Oberfläche, auf der der atmosphärische Druck gleichmäßig verteilt ist und die durch die Gewichtskraft der Flüssigkeit entsteht. Um diese Strömungsart zu simulieren, wird die Mehrphasenmethode VOF verwendet.

Das Fließ3D-Programm ist im Handel erhältlich und verwendet die volumetrischen Bruchverfahren VOF und FAVOF. Bei der VOF-Methode wird das Modellierungsgebiet zunächst in Zellen mit kleineren Elementen oder Kontrollvolumen unterteilt. Bei fluidhaltigen Elementen werden für jede der Strömungsgrößen in ihrem Inneren Zahlenwerte gehalten.

Diese Werte stellen das volumetrische Mittel der Werte in jedem Element dar. Bei freien Flächenströmungen sind nicht alle Zellen mit Fluid gefüllt; Einige Zellen auf der Strömungsfläche sind halb gefüllt. In diesem Fall wird eine Größe, das sogenannte Flüssigkeitsvolumen F, definiert, das den Teil der Zelle darstellt, der mit der Flüssigkeit gefüllt ist.

Nach Festlegung der Lage und des Winkels der Strömungsfläche können die entsprechenden Randbedingungen an der Strömungsfläche zur Berechnung der Fluidbewegung aufgebracht werden. Mit der Bewegung des Fluids ändert sich auch der Wert von F. Freie Flächen werden automatisch auf die Bewegung von Flüssigkeit in einem festen Netz überwacht. Die Geometrie wird mit der FAVOR-Methode ermittelt.

Eine andere volumetrische Bruchgröße kann auch verwendet werden, um die Höhe eines nicht belegten starren Körpers zu bestimmen ( V_f ). Wenn das vom starren Körper in jeder Zelle eingenommene Volumen bekannt ist, kann die fluide Begrenzung innerhalb des festen Netzes wie eine VOF bestimmt werden. Diese Begrenzung wird verwendet, um die Randbedingungen der Wand zu bestimmen, der der Strom folgt. Allgemein lautet die Massenkontinuitätsgleichung:

Die Bewegungsgleichungen für Strömungsgeschwindigkeitskomponenten in 3D-Koordinaten, oder anders ausgedrückt die Navier-Stokes-Gleichungen, lauten wie folgt:

Dabei ist V_F das Verhältnis des offenen Volumens zur Strömung, ρ die Dichte der Flüssigkeit, (u, v, w) die Geschwindigkeitskomponenten in x-, y- bzw. z-Richtung, R _SOR die Quellfunktion, (A_x, A_y, A_z ) die Bruchflächen, (G_x, G_y, G_z ) die Gravitationskräfte, (f_x, f_y, f_z ) die Viskositätsbeschleunigungen und (b_x, b_y, b_z ) sind die Strömungsverluste in porösen Medien in x-, y- und z-Richtung [17].

Das Einzugsgebiet der Kalix ist groß und breit, wodurch hier ein sub polares Klima mit Kalten und langen Wintern und gemäßigten und kurzen Sommern herrscht. Etwa 50% der Niederschläge in diesem Gebiet sind Schnee. Normalerweise erhöht sich im Mai die Schneeschmelze erheblich. Die klimatischen Bedingungen des Flusses sind in Tabelle 2, [18] zusammengefasst.

Entgegen dem allgemeinen Trend der Studie verwendet die erwähnte Wetterlage die aufgezeichneten Wetterinformationen der vergangenen Perioden. Anhand der vorhandenen Wetterinformationen haben wir in den Berechnungen die Randbedingungen definiert.

4.2.Berechnungsraster und Ergebnisse

Zunächst wird das Gebiet entsprechend den Abmessungen der Stützen in die drei Richtungen X, Y, Z und entsprechend der Längsabmessung der Pfeiler (D = 8,5 m; siehe Bild 7) um 10D flussaufwärts und 20d flussabwärts erweitert. Um dieses Problem zu lösen, wurde eine strukturierte Vernetzungsmethode (kartesisch) und die Software Flow3D verwendet. Für ein korrektes Raster muss das Gebiet in verschiedene Abschnitte unterteilt werden.

Diese Teilung orientiert sich an Stellen mit starken Gradienten. Durch das Erzeugen einer neuen Fläche kann das Gebiet in mehrere Abschnitte unterteilt werden, um ein regelmäßiges Netz mit den richtigen und geeigneten Abmessungen zu erzeugen, die Anzahl der Zellen auf jeder Fläche kann festgelegt werden.

Dadurch vergrößert sich das Endvolumen der Zellen. Aus diesem Grund haben wir dieses Gebiet in drei Ebenen vernetzt: Grob, mittel und fein. Die Ergebnisse der Untersuchungen zur Netzunabhängigkeit sind in Bild 6 dargestellt. Um die berechneten Ergebnisse zu überprüfen, müssen wir zuerst sicherstellen, dass der Eingangsstrom korrekt ist. Dazu wird die Eingangsströmung zum Lösungsgebiet gemessen und mit dem Basiswert verglichen. Die Abmessungen des Lösungsgebiets sind in Bild 7 angegeben. Dieses Bild trägt auch zur Wiedererkennung der Brückenpfeiler und deren Flächenbezeichnungen bei.

Wie in Bild 8 gezeigt, liegt die Strömung des Flusses für 90 % der Simulationszeit im zulässigen Bereich und die Anströmung wurde korrekt simuliert. Außerdem wird in Bild 9 die mittlere Geschwindigkeit des Flusses basierend auf der Strömungsrate sowie der Querschnittsfläche des Flusses berechnet.

Um die Druckmenge zu extrahieren, die auf die verschiedenen Seiten der Stützen einwirkt, haben wir das Simulationszeitintervall von 10 bis 25 Sekunden gewählt (Stabilisierungszeit für Entleerung in Höhe von 1800 Kubikmeter pro Sekunde). Die berechneten Ergebnisse für jede Seite sind in den Bildern 10 und 11 dargestellt. Geschwindigkeitskonturen sind auch in den Bildern 12 und 13 dargestellt. Diese Konturen werden basierend auf der Geschwindigkeit der Flüssigkeit zu einem bestimmten Zeitpunkt angepasst.

Aufgrund der Abmessungen des Lösungsgebiets und der Fließgeschwindigkeit des Flusses erreicht die Wasserströmung in der zehnten Sekunde die Brückenpfeiler und der Anfangsdruck der Flussströmung wirkt auf die Oberflächen der Brückenpfeiler. Dieser Anfangsdruck nimmt mit der Zeit ab und stabilisiert sich je Seite entsprechend der Fläche und dem Interaktionsanteil mit der Strömung in einem bestimmten Bereich. Für Berechnungen zur Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) kann der berechnete kritische Druck zum Zeitpunkt des Auftreffens der Strömung auf die Säulen verwendet werden.

5. Fazit

Die Auswirkungen extremer Wetterbedingungen wie dynamische Wind- und Wasserströmungen wurden für die Kalixbrücke numerisch untersucht. Drei Szenarien wurden für dynamische Windsimulationen definiert, einschließlich extrem windigem Wetter, extrem kalter Witterung und dem Bemessungswert für eine Wiederkehrperiode von 3000 Jahren. Mithilfe von CFD-Simulationen wurden Winddrücke innerhalb von 60 Zeitschritten (30 Sekunden) mit dem transienten DDES-Turbulenzmodell ermittelt.

Die Ergebnisse zeigen erhebliche Unterschiede zwischen den Szenarien, was auf die Bedeutung der Eingabedaten hindeutet, insbesondere des Windgeschwindigkeitsdiagramms. Es wurde festgestellt, dass der Bemessungswert für die 3000-jährige Wiederkehrperiode einen viel höheren Einfluss hat als die anderen Szenarien. Darüber hinaus wurde gezeigt, wie wichtig es ist, den höheren Bereich des Oberflächenwinddrucks über Zeitschritte zu berücksichtigen, um die statische Leistung der Brücke im kritischsten Zustand zu bewerten.

Außerdem wurde die maximale Flussströmung für eine transiente Simulation entsprechend der aufgezeichneten Wetterbedingungen berücksichtigt und Brückenpfeiler wurden 30 Sekunden lang mit der maximalen Flussströmung belastet. Neben den physikalischen Strömungsbedingungen und der Änderung der Strömungsrichtung flussabwärts wurden somit die maximalen Wasserdrücke zum Zeitpunkt des Auftreffens der Strömung auf die Pfeiler quantifiziert.

In der zukünftigen Arbeit wird die statische Leistungsfähigkeit der Kalix-Brücke untersucht
Zwangslast aus Wind, Wasserdruck sowie Verkehrslast und somit wird ein digitaler Zwilling erzeugt, der die tatsächliche Antwort des Tragwerks widerspiegelt.

6. Danksagung

Die Autoren danken Dlubal Software für die Bereitstellung der RWIND Simulation-Lizenz sowie FLOW-3D durch die Bereitstellung der FLOW-3D-Lizenz sehr.

Autoren

Mahyar Kazemian , Doktorand, Praktikant in der Ingenieurabteilung, Timezyx Inc., Kanada.
Sjad Nikdel , M.Sc Student, Praktikant am Department of Engineering, Timezyx Inc., Kanada.
Mehrnaz Mohammad Esmaeili , Bachelor-Student, Praktikant in der Ingenieurabteilung, Timezyx Inc., Kanada.
Vadach Nik ist außerordentlicher Professor am Institut für Bauphysik der Universität Lund und der Technischen Universität Chalmers in Schweden.
Kamyab Zandi , Director, Timezyx Inc., Vancouver, BC V6N 2R2, Kanada. E-Mail: [email protected]