Opis prac
W prezentowanym przykładzie sprawdzamy wartość ciśnienia wiatru zarówno dla ogólnego projektu konstrukcyjnego (Cp,10 ) jak i okładziny lub elewacji (Cp,1 ) budynków na planie prostokąta wg EN 1991-1-4. [1]. Istnieją trójwymiarowe przypadki, o których więcej wyjaśnimy w następnej części.
Jednym z kluczowych aspektów symulacji CFD jest znalezienie najdokładniejszych i najbardziej kompatybilnych konfiguracji w odniesieniu do danych wejściowych, takich jak modele turbulencji, profile prędkości wiatru, intensywności turbulencji, warunki warstwy granicznej, kolejność dyskretyzacji i inne czynniki. Ważne jest, aby Eurokod nie zawierał informacji wymaganych do symulacji numerycznej, takiej jak symulacja CFD. Podaliśmy tutaj kompatybilne ustawienia RWIND na przykładzie kształtu Eurokodu. Do obliczeń statycznych obciążenia wiatrem wykorzystano kilka wzorów i wykresów, co pokazano w poniższych sekcjach.
Rozwiązanie analityczne i wyniki
Ze względu na stosunek h/d istnieją trzy kategorie wymiarowe dla prostopadłościanu prostokątnego, jak pokazano na rysunku 1 (EN 1991-1-4 Tabela 7.1). W następnej części zilustrowano dane wejściowe i założenia dla każdego przypadku wymiarowego.
W pierwszym przypadku (rys. 2) rozpatrywany jest prostokątny budynek wysokościowy (h/d=5) w oparciu o zdefiniowane strefy (rys. 3) dla każdej wysokości i dane wejściowe. Również kategoria terenu druga jest brana pod uwagę w celu utworzenia profilu prędkości wiatru i turbulencji, co pokazano w poniższej tabeli; jednocześnie sprawdzane są stałe wartości intensywności turbulencji w celu obliczenia wartości ciśnienia wiatru.
| Tabela 1: Stosunek wymiarów - h/d=5 | |||
| Bazowa prędkość wiatru | V | 30 | m/s |
| Kategoria terenu | 2 | - | - |
| Wysokość | h | 50 | m |
| głębokość | [CRASHREASON.DESCRIPTION] | 10 | m |
| Szerokość | b | 12 | m |
| Gęstość powietrza - RWIND | ρ | 1,25 | kg/m3 |
| Model turbulencji - RWIND | Stacjonarne RANS k-ω SST | - | - |
| Lepkość kinematyczna (równanie 7.15, EN 1991-1-4) - RWIND | ν | 1,5*10-5 | m2/s |
| Kolejność schematów - RWIND | Drugi | - | - |
| Pozostała wartość docelowa - RWIND | 10-5 | - | - |
| Typ pozostałości - RWIND | Ciśnienie | - | - |
| Minimalna liczba iteracji - RWIND | 800 | - | - |
| Warstwa graniczna - RWIND | NL | 10 | - |
| Typ funkcji ściany - RWIND | Rozszerzone/mieszane | - | - |
| Intensywność turbulencji (najlepsze dopasowanie) - RWIND | I | Eurokodowy profil turbulencji i 25% | - |
Wartości ciśnienia wiatru dlaCp,1 iCp,10 są uzyskiwane z uwzględnieniem różnych stref, poziomów wymiarów i intensywności turbulencji. Dla pierwszego przypadku, którym jest kształt sześcianu (h/d=5), wyniki pokazano na rysunkach 4 i 5. Wyniki pokazują, że zgodność jest wystarczająca, gdy uwzględni się rzeczywisty lub wysoki profil turbulencji (np. 25%).
Dla każdej strefy można uzyskać maksymalną wartość ciśnienia, która może być równoważną wartością ciśnienia wiatru, przy użyciu Cp,1 dla projektowania okładziny lub elewacji, oraz średnią wartość ciśnienia, która może być równoważną wartością ciśnienia wiatru, przy użyciu Cp,10 dla ogólnego projektowania konstrukcji (rysunek 6).
W następnym przypadku uwzględniany jest budynek o średniej wysokości w rzucie prostokątnym (h/d=1) w odniesieniu do danych wejściowych i zdefiniowanych stref (rysunki 7 i 8), które pokazano na poniższym rysunku i w tabeli:
| Tabela 2: Stosunek wymiarów - h/d=1 | |||
| Podstawowa prędkość wiatru | V | 30 | m/s |
| Kategoria terenu | 2 | - | - |
| Wysokość | h | 10 | m |
| głębokość | [CRASHREASON.DESCRIPTION] | 10 | m |
| Szerokość | b | 12 | m |
| Gęstość powietrza - RWIND | ρ | 1,25 | kg/m3 |
| Model turbulencji - RWIND | Stacjonarne RANS k-ω SST | - | - |
| Lepkość kinematyczna (równanie 7.15, EN 1991-1-4) - RWIND | ν | 1,5*10-5 | m2/s |
| Kolejność schematów - RWIND | Drugi | - | - |
| Pozostała wartość docelowa - RWIND | 10-5 | - | - |
| Typ pozostałości - RWIND | Ciśnienie | - | - |
| Minimalna liczba iteracji - RWIND | 800 | - | - |
| Warstwa graniczna - RWIND | NL | 10 | - |
| Typ funkcji ściany - RWIND | Rozszerzone/mieszane | - | - |
| Intensywność turbulencji (najlepsze dopasowanie) - RWIND | I | Eurokodu profil turbulencji i 25% - RWIND | - |
W drugim przypadku, czyli w kształcie sześcianu o średnim wzroście (h/d=1), wartośćCp,10 iCp,1 pokazano na rysunkach 9, 10. Wyniki pokazują, że zgodność wyników jest wystarczająca, gdy uwzględni się rzeczywisty profil turbulencji oraz profil turbulencji o dużej sile (np. 25%).
W ostatnim przypadku uwzględniany jest niski budynek w rzucie prostokątnym (h/d=0,25) w odniesieniu do danych wejściowych i zdefiniowanych stref (rysunki 11 do 13), które pokazano na poniższych rysunkach oraz w tabeli:
| Tabela 3: Stosunek wymiarów - h/d=0.25 | |||
| Bazowa prędkość wiatru | V | 30 | m/s |
| Kategoria terenu | 2 | - | - |
| Wysokość | h | 2.50 | m |
| głębokość | [CRASHREASON.DESCRIPTION] | 10 | m |
| Szerokość | b | 2.50 | m |
| Gęstość powietrza - RWIND | ρ | 1,25 | kg/m3 |
| Model turbulencji - RWIND | Stacjonarne RANS k-ω SST | - | - |
| Lepkość kinematyczna (równanie 7.15, EN 1991-1-4) - RWIND | ν | 1,5*10-5 | m2/s |
| Kolejność schematów - RWIND | Drugi | - | - |
| Pozostała wartość docelowa - RWIND | 10-5 | - | - |
| Typ pozostałości - RWIND | Ciśnienie | - | - |
| Minimalna liczba iteracji - RWIND | 800 | - | - |
| Warstwa graniczna - RWIND | NL | 10 | - |
| Typ funkcji ściany - RWIND | Rozszerzone/mieszane | - | - |
| Eurokodu profil turbulencji i 25% - RWIND | I | 15% | - |
W przypadku ostatniego przypadku, który jest niskim budynkiem na planie prostokąta (h/d=0,25), wartości Cp, 1 i Cp, 10 pokazano na rysunkach od 14 do 16. Wyniki pokazują, że zgodność jest wystarczająca, gdy uwzględni się rzeczywisty lub wysoki profil turbulencji (np. 25%).
Uwagi końcowe
Wyniki wskazują na dobrą zgodność zarówno w przypadku ogólnych projektów konstrukcyjnych (Cp10 ) jak i projektów okładzin lub elewacji (Cp1 ) budynków na planie prostokąta. Na podstawie wyników można ogólnie przyjąć zalecaną wartość intensywności turbulencji jako rzeczywisty Eurokodowy profil turbulencji lub wybrać wyższe wartości (np. I=25%) dla różnych stref i stosunków wymiarowych. Można to zauważyć zwiększając wysokość prostokątnego prostopadłościanu i liczby Reynoldsa, wyniki byłyby dokładniejsze. Dlatego, szczególnie w przypadku wieżowców, możemy spodziewać się bardzo dobrych wyników w zakresie obliczania ciśnienia wiatru w ogólnym projektowaniu konstrukcji i elewacji.
Prostokątny model w kształcie prostopadłościanu z zalecanymi ustawieniami można również pobrać tutaj:
