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Mahyar Kazemian, M.Sc.
2022-11-24

Applicazione dei carichi del vento in RWIND 2 per un'analisi strutturale accurata

RWIND 2 è un programma per la generazione di carichi del vento basati sulla CFD (Fluidodinamica computazionale). La simulazione numerica del flusso del vento viene generata attorno a qualsiasi edificio, compresi i tipi di geometria irregolare o unica, per determinare i carichi del vento sulle superfici e sulle aste. RWIND 2 può essere integrato con RFEM/RSTAB per l'analisi strutturale e la verifica o come applicazione stand-alone.
Software potente per la simulazione del vento su qualsiasi tipo di struttura
1 Software potente per la simulazione del vento su qualsiasi tipo di struttura

RFEM e RWIND vengono utilizzati per generare un modello di tensostruttura a membrana in modo che possa essere avviata la simulazione del vento, insieme all'implementazione di criteri importanti. RWIND è un potente strumento per creare carichi del vento su strutture generali e forme complesse. Il risolutore CFD è un pacchetto software OpenFOAM® (versione 17.10), che fornisce ottimi risultati ed è uno strumento ampiamente utilizzato per le simulazioni CFD. Il risolutore numerico è in stato stazionario per flusso incomprimibile e turbolento, utilizzando l'algoritmo SIMPLE (Metodo semi-implicito per equazioni collegate alla pressione).

I carichi del vento sono regolati da norme specifiche, come EN 1991-1-4, ASCE/SEI 7-16 o NBC 2015. RFEM è un software tecnico ben attrezzato per la creazione di tensostrutture; considera l'analisi di form-finding non lineare per superfici a doppia curvatura precompresse. L'immagine 02 presenta un diagramma di flusso d'aria numerico e la modellazione FEM per l'esecuzione di un esempio di verifica riguardante le tensostrutture.

Diagramma di flusso per l'analisi del flusso d'aria
2 Diagramma di flusso per analisi del flusso d'aria

Per determinare numericamente le equazioni alle derivate parziali, tutte le espressioni differenziali (derivate spaziali e temporali) devono essere discretizzate. Esiste una vasta gamma di metodi di discretizzazione con diversi approcci in termini di accuratezza, stabilità e convergenza. In generale, l'ordine della discretizzazione mostra quanto sia accurata la simulazione numerica rispetto alle soluzioni delle equazioni non discretizzate originali. La discretizzazione numerica del primo ordine genera sostanzialmente una migliore convergenza rispetto allo schema del secondo ordine. Nel presente studio, viene utilizzata la discretizzazione del secondo ordine. Inoltre, quando si utilizza lo schema numerico del secondo ordine, si consiglia di aumentare il numero minimo di iterazioni per ottenere una migliore convergenza (Figura 03).

Controllo del numero minimo di iterazioni e schema del secondo ordine
3 Controllo del numero minimo di iterazioni e schema del secondo ordine

Esempio di verifica

Per verificare il processo per la simulazione del vento, viene sviluppato un modello a doppia curvatura come mostrato in [1] [2], e i risultati vengono esaminati. La scala del modello a curva leggera è selezionata come 1/25, che è la stessa del modello sperimentale nel riferimento [3], che illustra una copertura hypar 10 m per 10 m per 1,25 m. La curva leggera è considerata per la verifica di un esempio con un angolo θ=45o. La forza di pretensione per la scala reale è stata applicata sulla superficie di 2,5 kN/m e le proprietà meccaniche come il modulo di Young's e il rapporto di Poisson's sono definite come Ex =1000 kN/m. Ey =800 kN/m. Gxy =100 kN/m, vxy =0,20. L'immagine 04 illustra la geometria del modello a doppia curvatura. Le informazioni di input e l'input della velocità del vento per la simulazione CFD sono mostrate nell'immagine 05.

Geometria del Modello dell'Esempio di Verifica
4 Geometria del Modello di Esempio di Verifica

Dimensione della galleria del vento

È importante notare che la dimensione della galleria del vento può produrre errori se la dimensione della galleria è inferiore al tipo standard. L'immagine seguente mostra una dimensione standard di una galleria del vento [3]. Inoltre, i risultati sono sensibili alle dimensioni della mesh, quindi il calcolo dovrebbe essere eseguito per almeno tre diversi numeri di mesh e quando i risultati sono abbastanza vicini alla fase precedente, si ottiene l'indipendenza della griglia (Figura 06).

Dimensione della galleria del vento
6 Dimensione della galleria del vento

Una vista laterale della generazione della mesh del modello è presentata nell'immagine 07; come si può vedere, l'algoritmo di infittimento della mesh è utilizzato a una distanza ravvicinata dalla superficie del modello.

Studio computazionale della griglia per l'analisi dell'indipendenza dalla griglia
7 Studio computazionale della griglia per l'analisi dell'indipendenza dalla griglia

Studio della griglia computazionale.

I risultati nella simulazione CFD sono sensibili alla dimensione della mesh, quindi l'indipendenza della griglia dovrebbe essere eseguita per almeno tre diversi numeri di elementi della mesh. Ecco i risultati del valore Cp sulla linea centrale del tetto; come si può vedere, ci sono lievissime differenze che mostrano che i risultati della simulazione del vento sono diventati indipendenti dalla terza griglia (Figura 08).

Indipendenza della griglia della distribuzione Cp per tre numeri di elementi
8 Indipendenza della Griglia nella Distribuzione Cp per Tre Numeri di Elementi

Funzione parete migliorata

RWIND utilizza la funzione Blended Wall (BWF), nota anche come Enhanced Wall Function (EWF), che mostra prestazioni molto migliori rispetto alla Standard Wall Function (SWF). Quindi, in generale, puoi essere sicuro che riceverai risultati accurati per l'ampia gamma di numeri y+. Il BWF non è una funzione simmetrica. Abbiamo una linea nera continua (come mostrato nell'immagine 09), che è la simulazione numerica diretta (DNS) che stiamo cercando di riprodurre. Quello che puoi vedere subito è che l'EWF è decisamente molto più vicino ai dati DNS rispetto all'SWF. Pertanto, nella regione del buffer tra a y+ di 5 e 30, l'EWF è decisamente molto più accurato rispetto all'SWF. Questo è il motivo per cui EWF è spesso consigliato nelle simulazioni CFD [4].

Funzione muro migliorata
9 Funzione muro avanzata

Calcolo Y+
10 Calcolo Y+

Il diagramma della pressione media e il contorno per i due modelli di turbolenza sono mostrati nelle immagini 10 e 11. Sulla base della linea centrale della copertura hypar, il diagramma della distribuzione Cpe viene tracciato e confrontato con il test sperimentale in galleria del vento. Il valore di Cp può essere determinato dalla seguente equazione, dove P è la pressione del vento nel punto misurato, Pref la pressione di riferimento (pressione atmosferica), ρ è la densità dell'aria e Uref la velocità di riferimento pari a 15,3 m/s.

Cp=P-Pref12ρUref2
Valore Cp
Diagramma del Coefficiente di Pressione del Vento per Linea Mediana
11 Diagramma del Coefficiente di Pressione del Vento per Linea Centrale
Contorni del coefficiente di pressione del vento
12 Contorni del coefficiente di pressione del vento

Come mostrato qui, il modello di turbolenza K-omega mostra prestazioni migliori nella previsione del coefficiente di pressione del vento; nel presente studio, il modello di turbolenza K-omega cattura gli effetti del distacco di vortici in una pressione del vento negativa ad alto gradiente meglio rispetto ai modelli K-epsilon. Si consiglia di utilizzare questo modello di turbolenza come opzione più accurata nelle interazioni vento-struttura.

Modello del tetto a baldacchino
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Copertura Hypar a guscio sottile a doppia curvatura
Autore

Il signor Kazemian è responsabile dello sviluppo del prodotto e del marketing per Dlubal Software, in particolare per il programma RWIND 2.

Bibliografia
  1. Colliers, J., et al., Prototipazione di modelli di gallerie del vento a guscio sottile per facilitare l'analisi sperimentale del carico del vento su strutture curve. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2019. 188: p 308-322.
  2. Rizzo, F., et al., Valutazione dell'azione del vento su coperture tese di forma paraboloide iperbolica. Engineering structures, 2011. 33(2): p 445-461.
  3. Zhang, C., Yang, S., Shu, C., Wang, L. e Stathopoulos, T. (2020). Wind pressure coefficients for buildings with air curtains. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 205, 104265. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2020.104265
  4. Cosa sono le funzioni della parete e come funzionano?
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Modello di RWIND
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Articoli tecnici della Knowledge Base
Distribuzione della forza interna principale v_max, b nel solaio
In RF-PUNCH Pro, è possibile eseguire le verifiche a taglio-punzonamento sugli angoli delle pareti e sulle estremità delle pareti. La base per la verifica è il carico di punzonamento, che è determinato automaticamente dalle forze interne di RFEM nella superficie collegata. Poiché le forze interne della superficie dal calcolo di RFEM possono essere soggette all'influenza delle posizioni di singolarità, questo può anche avere un'influenza negativa sul carico di punzonamento determinato nell'angolo o nell'estremità della parete. In questo articolo vengono descritte le opzioni di ottimizzazione che è possibile utilizzare per ridurre al minimo l'influenza sfavorevole.
Punzonatura a taglio senza testa della colonna ingrandita
In RF-PUNCH Pro, i capitelli dei pilastri possono essere disposti in punti a taglio-punzonamento, aumentando così la resistenza alla forza di taglio di una soletta in cemento armato. Nel seguente articolo, mostreremo la verifica a taglio-punzonamento con l'applicazione opzionale di un pilastro con capitello.
Tabella di immissione 1.5 Nodi di taglio a taglio
RF-PUNCH Pro esegue la verifica a taglio-punzonamento su posizioni di applicazione di carico concentrato (collegamento di colonne, vincolo esterno e carico del nodo), nonché sulle estremità delle pareti e sugli angoli delle pareti.
Beispielmodell
Con RF-PUNCH Pro, la verifica a taglio-punzonamento può essere eseguita secondo 6.4, EN 1992-1-1. Nel seguente esempio, la verifica secondo DIN EN 1992-1-1 sarà presentata prima con la verifica automatica dei perimetri interno ed esterno e poi sulla base dei perimetri interni definiti dall'utente su un semplice esempio.
Screenshot
Caratteristiche del prodotto
Output del progetto di taglio a punzonamento individuale

Il carico di punzonamento può essere determinato da un singolo carico (dalla colonna/carico/vincolo esterno del nodo) e dalla distribuzione della forza di taglio smussata o non smussata lungo il perimetro di controllo, oppure può essere definito dall'utente.

Poiché il modulo è completamente integrato in RFEM, tutti i nodi di taglio-punzonamento sulla superficie di riferimento sono noti. Pertanto, è possibile verificare la collisione dei perimetri determinati con quelli delle colonne vicine.

Definizione dei parametri di taglio a punzonamento

Dopo aver aperto il modulo, vengono preimpostati i materiali e gli spessori delle superfici definiti in RFEM. I nodi da progettare sono riconosciuti automaticamente ma possono anche essere modificati dall'utente.

È possibile considerare le aperture nell'area a rischio di taglio-punzonamento. Le aperture possono essere trasferite da RFEM o specificate solo in RF-PUNCH Pro in modo che non influiscano sulle rigidezze del modello RFEM.

I parametri dell'armatura longitudinale sono il numero e la direzione degli strati e del copriferro, specificati separatamente per la parte superiore e inferiore della soletta superficie per superficie.
Un'ulteriore finestra di input consente la definizione di tutti gli altri particolari dei nodi a taglio-punzonamento.
Il modulo riconosce la posizione del nodo di punzonamento e imposta automaticamente se il nodo si trova al centro della soletta, sul bordo della soletta o nell'angolo della soletta.

Inoltre, è possibile impostare il carico di punzonamento, il coefficiente di incremento del carico β e l'armatura longitudinale esistente. Opzionalmente, i momenti minimi possono essere attivati per determinare l'armatura longitudinale necessaria e la testa della colonna allargata.

Per garantire un chiaro e semplice controllo, la piastra viene sempre mostrata con i corrispondenti nodi a taglio-punzonamento. È anche possibile aprire il programma di verifica di HALFEN, un produttore tedesco di rotaie di taglio. Tutti i dati di RFEM possono essere importati in questo programma per un'ulteriore elaborazione facile ed efficace.

Dummy image
  • Importazione dei dati e dei risultati rilevanti da RFEM
  • Librerie dei materiali e delle sezioni trasversali integrate modificabili
  • L'estensione del modulo EC2 per RFEM consente la progettazione di aste in cemento armato secondo EN 1992-1: 2004 (Eurocodice 2) e le seguenti Appendici Nazionali:
    • De | Bandiera DIN EN 1992-1-1/NA/A1:2015-12 (Germania)
    • Austria | Bandiera ÖNORM B 1992-1-1:2018-01 (Austria)
    • Bandiera del Belgio NBN EN 1992-1-1 ANB:2010 (Belgio)
    • Bulgaria | Bandiera BDS EN 1992-1-1:2005/NA:2011 (Bulgaria)
    • Bandiera della Danimarca EN 1992-1-1 DK NA:2013 (Danimarca)
    • Bandiera della Francia NF EN 1992-1-1/NA:2016-03 (Francia)
    • Bandiera della Finlandia SFS EN 1992-1-1/NA:2007-10 (Finlandia)
    • Bandiera dell'Italia UNI EN 1992-1-1/NA:2007-07 (Italia)
    • Bandiera della Lettonia LVS EN 1992-1-1:2005/NA:2014 (Lettonia)
    • Bandiera della Lituania LST EN 1992-1-1:2005/NA:2011 (Lituania)
    • Bandiera della Malesia MS EN 1992-1-1:2010 (Malesia)
    • Bandiera dei Paesi Bassi NEN-EN 1992-1-1+C2:2011/NB:2016 (Paesi Bassi)
    • NS EN 1992-1 -1:2004-NA:2008 (Norvegia)
    • Bandiera della Polonia PN EN 1992-1-1/NA:2010 (Polonia)
    • Bandiera del Portogallo NP EN 1992-1-1/NA:2010-02 (Portogallo)
    • Bandiera della Romania RS EN 1992-1-1:2004/NA:2008 (Romania)
    • Bandiera della Svezia SS EN 1992-1-1/NA:2008 (Svezia)
    • Bandiera di Singapore SS EN 1992-1-1/NA:2008-06 (Singapore)
    • Bandiera della Slovacchia STN EN 1992-1-1/NA:2008-06 (Slovacchia)
    • Bandiera della Slovenia SIST EN 1992-1-1:2005/A101:2006 (Slovenia)
    • Bandiera della Spagna UNE EN 1992-1-1/NA:2013 (Spagna)
    • CS | Bandiera CSN EN 1992-1-1/NA:2016-05 (Repubblica Ceca)
    • IT-IT | Bandiera BS EN 1992-1-1:2004/NA:2005 (Regno Unito)
    • Bandiera della Bielorussia TKP EN 1992-1-1:2009 (Bielorussia)
    • Bandiera di Cipro CYS EN 1992-1-1:2004/NA:2009 (Cipro)

Oltre alle Appendici Nazionali (AN) sopra elencate, è possibile definire una AN specifica, applicando valori limite e parametri definiti dall'utente.

  • Impostazione completa e ragionata dei parametri di input
  • Verifica a taglio-punzonamento su colonne, estremità e vertici di pareti
  • Possibilità di considerare una testa maggiorate della colonna
  • Riconoscimento automatico del nodo di punzonamento dal modello di RFEM
  • Rilevamento delle curve o dell spline come bordo del perimentro di controllo
  • Considerazione automatica di tutte le aperture delle superfici definite in RFEM
  • Struttura e visualizzazione grafica del perimetro di controllo prima dell'avvio del calcolo
  • Determinazione dell'armatura a taglio-punzonamento
  • Progetto con tensioni tangenziali non discretizzate lungo il perimetro di controllo che corrispondono alla effettiva distribuzione del modello agli EF
  • Determinazione del coefficiente di incremento del carico β dalla distribuzione del taglio perfettamente plastica come coefficienti costanti secondo EN 1992-1-1, punto 6.4.3 (3), sulla base di EN 1992-1-1, Fig. 6.21N o delle specifiche dell'utente
  • Integrazione del software di progettazione di produttori di rotaie a taglio Halfen
  • Visualizzazione numerica e grafica dei risultati (3D, 2D e nelle sezioni)
  • Progetto a taglio-punzonamento con e senza armatura a taglio-punzonamento
  • Possibilità di considerare dei momenti minimi secondo EN 1992-1 per determinare l'armatura longitudinale
  • Calcolo o dimensionamento dell'armatura longitudinale
  • Piena integrazione dei risultati nella relazione di calcolo di RFEM
Risultato grafico dell'armatura a taglio e punzonamento richiesta

Dopo la verifica, i controlli di punzonamento sono presentati in modo chiaro e con tutti i dettagli dei risultati, in modo che la tracciabilità sia garantita in ogni momento. Rappresentati in dettaglio sono anche le tensioni disponibili e ammissibili per la resistenza a taglio-punzonamento di progetto della piastra, i perimetri e i rapporti di armatura. Se necessario, viene visualizzata una nota di chiarimento.

La finestra dei risultati successiva elenca l'armatura longitudinale o a punzonamento richiesta per ciascun nodo analizzato. I risultati sono descritti anche da un grafico. Tutti i risultati di progetto disponibili possono essere chiaramente rappresentati con i loro valori nella finestra di lavoro. Inoltre, è possibile integrare tutte le tabelle dei risultati e i grafici nella relazione di calcolo di RFEM garantendo chiarezza e trasparenza nella documentazione.

Domande frequenti (FAQ)
Ho installato Halfen HDB 13.60 sul mio PC. Die Version scheint mit RF-STANZ Pro nicht mehr kompatibel zu sein. Die Schnittstelle funktioniert nicht. Ich verwende die Version 5.26.02 von RFEM.
Cosa definisce le dimensioni "Lunghezza dell'armatura" e "Larghezza dell'armatura" dell'armatura longitudinale in RF-PUNCH Pro? La lunghezza dell'ancoraggio è inclusa?
Dove in RF‑PUNCH Pro viene visualizzata la direzione dei singoli strati di armatura?
Quando il carico di punzonamento dovrebbe essere determinato con la distribuzione (non)livellata delle forze di taglio al perimetro critico?
Come posso visualizzare graficamente i coefficienti di aumento del carico determinati ß dal calcolo di RF‑PUNCH Pro?
Vorrei eseguire la verifica a taglio-punzonamento su una colonna con travi emergenti come un angolo di parete o Wandende durchführen. Das Modul setzt aber eine Innenstütze an. Kann das angepasst werden?
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