La norma del vento EN 1991-1-4 specifica un concetto di calcolo con valori aerodinamici e coefficienti di riduzione per questo caso. Diese Angaben ergeben final eine resultierende Windkraft auf das Bauteil. Eine Winddruckverteilung um das Bauteil wird hier nicht angegeben. Die Windkraft basiert demnach auf folgendem Zusammenhang:
cscd |
è il coefficiente strutturale in due parti per considerare il fatto che le pressioni di picco del vento non si verificano simultaneamente sull'intera superficie (cs ), così come la controfreccia dinamica dovuta alle vibrazioni strutturali simili alla risonanza risultanti dalla turbolenza del vento (cd ), |
cf |
è il coefficiente di forza per un oggetto da costruzione o una sezione di oggetto da costruzione, |
qp(ze) |
è la pressione cinetica di picco all'altezza di riferimento ze |
Aref |
Bezugsfläche für einen Baukörper oder Baukörperabschnitt |
Nimmt man das betrachtete Bauteil als starren unnachgiebigen Körper unter einer konstanten Windströmung an, so vereinfacht sich die Ermittlung der Windkraft auf folgende Gesetzmäßigkeit:
Für ein nicht-schlankes Bauteil mit einem quadratisch abgerundeten Querschnitt ermittelt sich nach [1] der Kraftbeiwert cf über folgenden Zusammenhang:
cf,0 |
Coefficiente di forza di base di sezioni trasversali con spigoli vivi |
Ψr |
è il coefficiente di riduzione per considerare gli angoli arrotondati di una sezione trasversale quadratica, |
Ψλ |
è il coefficiente di riduzione per considerare la snellezza efficace λ dipendente dal rapporto di solidità φ, |
φ |
è il rapporto di solidità per considerare la permeabilità delle superfici sopravento |
Herkömmliche Ermittlung der Windbelastung
Exemplarisch ergibt sich nach [1] für diese Bauteileigenschaften
ein Kraftbeiwert cf = 0,97.
Diese Größe basiert auf dem Grundkraftbeiwert cf,0 = 2,15 abhängig von dem Seitenlängenverhältnis d/b = 280 mm/280 mm = 1,
dem Abminderungsfaktor Ψr = 0,75 abhängig vom Radius-Seitenlängenverhältnis r/b = 28 mm/280mm = 0,1
und zuletzt dem Abminderungsfaktor Ψλ = 0,6 abhängig von der Schlankheit λ = 1 mit Annahme einer voll geschlossen Bauteiloberfläche φ = 1.
Der auf die Bezugsfläche Aref = 280 mm ⋅ 280 mm = 0,0784 m² aufgebrachte Geschwindigkeitsdruck q = 563 N/m² ergibt über den Zusammenhang:
Somit wirkt final eine Windkraft Fw = 0,97 ⋅ 563 N/m² ⋅ 0,0784 m² = 43 N auf das Bauteil in Windrichtung.
Numerische Ermittlung der Windbelastung
Ist neben dieser Windkraft Fw auch die Winddruckverteilung über das Bauteil nötig, kann zum Beispiel über eine CFD-Analyse eine entsprechende Druckverteilung auf dem Bauteil errechnet werden. Hier stellt man gedanklich das Bauteil in einen numerischen Windkanal und ermittelt abhängig von der resultierenden Druck- und Geschwindigkeitsverteilung um das Bauteil die Druckverteilung auf dem Bauteil.
Das Programm RWIND Simulation erlaubt solch eine numerische Simulation von Windströmungen um Gebäude oder sonstige Objekte auf Basis eines 3D-Finite-Volumen-Netzes. Dieses Netz wird von der Anwendung automatisch mit zum Modell hin angepassten zueinander korrelierenden Elementgrößen erzeugt. Je näher die Finite-Volumen-Elemente an der Modelloberfläche liegen, desto feiner wird das Netz generiert. Das Programm verwendet für diesen Prozess den OpenFOAM-Netzgenerator (SnappyHexMesh). Für die Berechnung der Windströmung und des Winddrucks auf der Modelloberfläche wird der stationäre SimpleFOAM-Löser für inkompressible turbulente Strömungen verwendet.
Für das gegebene Beispiel ergibt eine RWIND-Simulation-Berechnung eine ähnliche Windkraft Fw = 41 N. Neben dieser Resultierenden gibt das Programm auch die Druck- und Windgeschwindigkeitsverteilung um das Bauteil sowie die Druckverteilung auf dem Bauteil mit aus.