Mahyar Kazemian, Sajad Nikdel, Mehrnaz Mohammad Esmaeili, Vahid Nik, Kamyab Zandi
STRESZCZENIE
Obciążenia środowiskowe, takie jak wiatr i przepływ rzeki, odgrywają istotną rolę w projektowaniu i ocenie konstrukcji mostów o dużych rozpiętościach. Zmiany klimatu i ekstremalne zjawiska klimatyczne stanowią zagrożenia dla niezawodności i bezpieczeństwa sieci transportowej.
Doprowadziło to do rosnącego zapotrzebowania na cyfrowe modele bliźniaków do badania odporności mostów na ekstremalne warunki klimatyczne. Poligonem doświadczalnym jest most Kalix, zbudowany na rzece Kalix w Szwecji w 1956 roku.
Konstrukcja mostu, wykonana z betonu kablobetonowego, składa się z pięciu przęseł, z których najdłuższe ma 94 m. W niniejszym opracowaniu, uzyskano charakterystyki aerodynamiczne i wartości ekstremalne numerycznej symulacji wiatru, takie jak ciśnienie przypowierzchniowe, z wykorzystaniem hybrydowej metody RANS-LES (Delayed Detached Eddy Simulation, DDES), która jest praktyczna i wydajna obliczeniowo dla systemów przyściennych. gęstość siatki narzucona metodą LES.
Ciśnienie wiatru przy powierzchni jest uzyskiwane dla trzech ekstremalnych scenariuszy klimatycznych, w tym ekstremalnie wietrznej pogody, ekstremalnie niskich temperatur oraz wartości obliczeniowej dla okresu 3000 lat. Wynik wskazuje na znaczne różnice w ciśnieniu wiatru przy powierzchni, wynikające z warstw czasowych symulacji przejściowego przepływu wiatru. Aby ocenić zachowanie się konstrukcji w scenariuszu krytycznym dla wiatru, brana jest pod uwagę najwyższa wartość ciśnienia powierzchniowego dla każdego scenariusza.
Prowadzone są również hydrodynamiczne studium podpory mostu, w którym symulowany jest przepływ rzeki metodą VOF, a proces przepływu wody wokół podpór jest badany w sposób przejściowy i w różnym czasie. Na każdej z powierzchni pirsów oblicza się ciśnienie powierzchniowe wywierane przez rzekę o największym zarejestrowanym przepływie objętościowym.
W symulacji przepływu rzeki wykorzystano informacje i warunki pogodowe zarejestrowane w poprzednich okresach. Wyniki pokazują, że ciśnienie powierzchniowe w chwili, gdy strumień rzeki uderza w filary, jest znacznie wyższe niż w późniejszych czasach. Taką wielkość ciśnienia można wykorzystać jako obciążenie krytyczne w obliczeniach interakcji płynu z konstrukcją (FSI).
Na koniec, dla obu odcinków ciśnienie wiatru, pole prędkości w odniesieniu do pomocniczych linii sondy, kontury ruchu wody wokół słupów oraz wykres ciśnienia na nich przedstawiane są w różnych krokach czasowych.
1. Wstęp
Infrastruktura transportowa jest kręgosłupem naszego społeczeństwa, a mosty są wąskim gardłem sieci transportowej [1]. Ponadto zmiany klimatu skutkujące wyższymi współczynnikami pogorszenia stanu i ekstremalnymi zjawiskami klimatycznymi stanowią poważne zagrożenia dla niezawodności i bezpieczeństwa sieci transportowych. W ciągu ostatniej dekady wiele mostów zostało uszkodzonych w wyniku ekstremalnych warunków pogodowych, takich jak tajfuny i powodzie.
Wang i in. przeanalizował wpływ zmian klimatu i wykazał, że przewiduje się, że degradacja mostów betonowych będzie jeszcze gorsza niż obecnie, a ekstremalne zjawiska klimatyczne będą występować częściej i o większym dotkliwości [2].
Ponadto, zapotrzebowanie na ładowność często wzrasta, na przykład ze względu na korzystanie z cięższych samochodów ciężarowych do transportu drewna w Europie Północnej i Ameryce Północnej. W związku z tym rośnie zapotrzebowanie na niezawodne metody oceny odporności strukturalnej sieci transportowej na ekstremalne warunki klimatyczne, uwzględniające scenariusze zmian klimatu w przyszłości.
Środki transportu drogowego są projektowane, budowane i eksploatowane w oparciu o liczne źródła danych i różne modele. W związku z tym inżynierowie projektowi wykorzystują ustalone modele przewidziane w normach; inżynierowie budownictwa
udokumentować dane na rzeczywistym materiale i dostarczyć rysunki powykonawcze; operatorzy gromadzą dane o ruchu drogowym, przeprowadzają inspekcje i planują prace konserwacyjne; klimatolodzy łączą dane i modele klimatyczne, aby
Przewiduje przyszłe zdarzenia klimatyczne, a inżynierowie obliczają wpływ ekstremalnych obciążeń klimatycznych na konstrukcję.
Biorąc pod uwagę przytłaczającą ilość źródeł oraz złożoność danych i modeli, najbardziej aktualne informacje i aktualne obliczenia mogą nie być łatwo dostępne do podejmowania kluczowych decyzji, np. dotyczących bezpieczeństwa konstrukcji i operacyjności infrastruktury podczas wydarzeń ekstremalnych. Brak płynnej integracji między danymi dotyczącymi infrastruktury, modelami konstrukcyjnymi i procesem podejmowania decyzji na poziomie systemu jest głównym ograniczeniem obecnych rozwiązań, co prowadzi do nieprzystosowania i niepewności oraz generuje koszty i nieefektywność.
Structural Digital Twin infrastruktury to symulacja konstrukcyjna, która łączy wszystkie dane i modele i aktualizuje się z wielu źródeł, aby odwzorować swój fizyczny odpowiednik. Konstrukcyjny cyfrowy bliźniak, utrzymywany przez cały cykl życia zasobu i łatwo dostępny w dowolnym momencie, zapewnia właścicielowi/użytkownikom infrastruktury wczesny wgląd w potencjalne zagrożenia dla mobilności spowodowane zjawiskami klimatycznymi, dużymi obciążeniami pojazdów, a nawet starzeniem się konstrukcji infrastruktury transportowej.
W ramach trwającego projektu opracowujemy i wdrażamy konstrukcyjnego cyfrowego bliźniaka dla mostu Kalix w Szwecji. Nadrzędnym celem niniejszej pracy jest przedstawienie metody i zbadanie wyników ilościowego określania obciążeń konstrukcyjnych mostu Kalix, wynikających z ekstremalnych zjawisk klimatycznych, w oparciu o scenariusze przyszłości. Most Kalix, zbudowany na rzece Kalix w Szwecji w 1956 roku, wykonany jest z belki skrzynkowej z betonu kablobetonowego. Most służy jako stanowisko testowe do demonstracji najnowocześniejszych metod oceny i monitorowania stanu konstrukcji (SHM).
Celem szczegółowym niniejszych badań jest uwzględnienie parametrów klimatycznych, takich jak wiatr i przepływ wody, wywołujących obciążenia statyczne i dynamiczne na konstrukcje. Nasza metoda, w pierwszym kroku, składa się z symulacji przepływu wiatru i przepływu wody z wykorzystaniem modelowania CFD w oparciu o model turbulencji LES/DES w celu ilościowego określenia obciążeń wiatrem i wodą; stanowi to główny punkt odniesienia dla tej pracy.
W kolejnym kroku, odpowiedź konstrukcji mostu zostanie przeanalizowana poprzez przekształcenie profili obciążenia wiatrem i wodą na obciążenia konstrukcyjne w nieliniowej analizie konstrukcyjnej elementów skończonych. Wreszcie, model konstrukcyjny zostanie zaktualizowany poprzez płynne uwzględnienie danych SHM, tworząc w ten sposób konstrukcyjnego cyfrowego bliźniaka, odzwierciedlającego rzeczywistą reakcję konstrukcji. Tematyka pierwszych dwóch badań wykracza poza zakres niniejszej pracy.
2. Opis mostu Kalix
Most Kalix składa się z 5 długich przęseł, z których najdłuższe ma około 94 metry, a najkrótsze 43,85 m. Most wykonany jest z betonu kablobetonowego, odlewanego w sposób segmentowy na miejscu, oraz z niepryzmatycznego dźwigara skrzynkowego, pokazanego na rysunku 1. Most ma symetryczną geometrię i znajduje się w środku mostu. Szerokość pomostu na górnej i dolnej płycie wynosi odpowiednio około 13 m i 7,5 m. Grubość ściany wynosi 45 cm, a grubość dolnej płyty waha się od 20 cm do
50 cm.
3. Symulacja przepływu wiatru
Testy w tunelu aerodynamicznym były kiedyś jedynym sposobem sprawdzenia reakcji mostów na obciążenie wiatrem [3]; eksperymenty te są jednak czasochłonne i kosztowne. Na przeprowadzenie typowego testu w tunelu aerodynamicznym potrzeba około 6 do 8 tygodni [4]. Najnowsze osiągnięcia w zakresie mocy obliczeniowej komputerów umożliwiają praktyczną symulację przepływu wiatru wokół mostów z wykorzystaniem obliczeniowej mechaniki płynów (CFD).
Ciśnienie wiatru na elementy mostu jest badane za pomocą symulacji komputerowej. Należy określić parametry symulacji mostu i siły wiatru wokół mostu; dzięki temu można dokładnie ocenić ich wpływ na siły przyłożone do mostu.
Wymagania projektowe stawiane mostom wymagają dokładnej analizy oddziaływania wiatru, zwłaszcza w ekstremalnych warunkach pogodowych. Zagwarantowanie stateczności mostów o dużych przęsłach, ponieważ ich konstrukcje i konstrukcje są najbardziej narażone na obciążenie wiatrem, jest jednym z głównych kryteriów obliczeniowych [3].
3.1. Parametry symulacji
Bazową prędkość wiatru wybrano jako 22 m/s na podstawie mapy wiatru dla Szwecji oraz lokalizacji mostu Kalix zgodnie z EN 1991-1-4 [5] i szwedzką normą BFS 2019:1 EKS 11; patrz rysunek 1. Swobodna powierzchnia nad powierzchnią wody jest rozpatrywana jako obszar wystawiony na działanie obciążenia wiatrem. Dominujący kierunek naporu wiatru jest rozpatrywany prostopadle do płyty mostu.
Obecne symulacje opierają się na trzech scenariuszach, które obejmują: ekstremalnego wiatru, ekstremalnego zimna oraz wartości obliczeniowej dla 3000-letniego okresu. Każdy warunek ma inne wartości temperatury, wiatru bazowego
prędkość obrotową, lepkość kinematyczną i gęstość powietrza, jak pokazano w tabeli 1. Zbiory danych pogodowych zostały zsyntetyzowane dla dwóch ekstremalnych tygodni pogodowych w okresie 30 lat 2040-2069, z uwzględnieniem 13 różnych scenariuszy klimatycznych przyszłości z różnymi modelami globalnego klimatu (GCM) i reprezentatywnymi ścieżkami koncentracji (RCP).
Wybrano tydzień ekstremalnie chłodny i tydzień ekstremalnie wietrzny
autor: Nik [7]. Podejście to zostało dostosowane do potrzeb niniejszej pracy, biorąc pod uwagę tygodniową skalę czasową, a nie miesięczną. Zastosowanie tego podejścia zostało sprawdzone w przypadku złożonych symulacji, w tym układów energetycznych [7] [8], hydrotermalnych [ 9] oraz symulacje mikroklimatu [10].
Aby uwzględnić ekstremalne warunki pogodowe bardzo ważnej infrastruktury, wartość bazowej prędkości wiatru musi zostać przeniesiona z 50-letniego okresu do 3000-letniego okresu, jak podano w równaniu 1 [6]. Profil prędkości i turbulencji jest tworzony w oparciu o normę EN 1991-1-4 [5] dla kategorii terenu 0 (Z0 = 0,003 m i Zmin = 1 m), gdzie Z0 i Zmin to odpowiednio długość chropowatości i minimalna wysokość. Zmienność prędkości wiatru wraz z wysokością zdefiniowana jest w równaniu 2 , a Iv (z) jest intensywnością turbulencji; patrz równanie 3.
Obliczona wartość prędkości wiatru dla T = 3000-letniego okresu wynosi 31 m/s; w ten sposób uzyskuje się wykresy prędkości wiatru i intensywności turbulencji, jak pokazano na rysunku 2.
3.2. Model turbulencji
Aby zapewnić dokładność badań przepływu wokół ważnych konstrukcji, takich jak mosty, możliwe jest zastosowanie podejścia hybrydowego, w tym symulacji opóźnionego przepływu wirów (DDES) [11] [12]. Ten model turbulencji wykorzystuje metodę RANS w pobliżu warstw granicznych oraz metodę LES z dala od warstw granicznych oraz w wydzielonym obszarze pola przepływu.
W pierwszym kroku podejście oparte na symulacji wolnowirowej zostało rozszerzone w celu uzyskania wiarygodnych prognoz siły w modelach z dużym wpływem przepływu oddzielonego. W części poglądowej Spalart [11] przedstawiono różne przykłady dla kilku przypadków, w których zastosowano model turbulencji z symulacją nieizolowanego wiru (DES).
Wstępne sformułowanie DES [13] jest obliczane z wykorzystaniem metody Spalarta-Allmarasa. W związku z przejściem z podejścia RANS na LES, składnik destrukcji w zmodyfikowanym równaniu transportu lepkości został skorygowany: odległość między punktem w dziedzinie a najbliższą powierzchnią bryły (d) jest zastępowana współczynnikiem o następującym wzorze:
gdzie CDES jest współczynnikiem, przyjmuje się, że wynosi 0,65, a Δ jest skalą długości powiązaną z lokalnymi odległościami rastra:
Aby zdominować prawdopodobny problem „rozdzielenia wywołanego siatką” (GIS), który jest związany z geometrią rastra, zastosowano zmodyfikowane podejście DES, znane jako opóźniona symulacja bezwładności wirowej (DDES). Celem nowego podejścia jest potwierdzenie, że modelowanie turbulencji przebiega w trybie RANS w warstwach granicznych [14]. Z tego względu definicja parametru zostaje zmodyfikowana:
gdzie fd jest funkcją filtrowania, w której wartość 0 jest uwzględniana w przyściennych warstwach granicznych (strefa RANS), a wartość 1 w obszarach, gdzie nastąpiła separacja przepływu (strefa LES).
3.3. Siatka obliczeniowa i wyniki
RWIND 2.01 Pro jest wykorzystywany do symulacji wiatru CFD, która wykorzystuje zewnętrzny kod CFD OpenFOAM® w wersji 17.10. Trójwymiarowa symulacja CFD jest przeprowadzana jako przejściowa symulacja przepływu wiatru dla nieściśliwego przepływu turbulentnego z wykorzystaniem algorytmu SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations).
W bieżącej symulacji solwer stanu początkowego jest uwzględniany jako warunek początkowy, co oznacza, że w przypadku obliczania przepływu przejściowego obliczenia stanu początkowego stanu początkowego w stanie ustalonym rozpoczynają się w pierwszej części symulacji i gdy tylko zostanie to osiągnięte po zakończeniu, obliczenia stanu nieustalonego zostaną automatycznie uruchomione.
Siatka obliczeniowa jest realizowana za pomocą trójwymiarowych 8 057 279 komórek i 820 901 węzłów, uwzględniane są również wymiary domeny tunelu aerodynamicznego 2000 m * 1000 m * 100 m (długość, szerokość, wysokość), jak pokazano na rysunku 3. Minimalna objętość komórki to 6,34*10-5 m3, maksymalna objętość to 812,30 m3, a maksymalna skos to 1,80.
Obliczane jest, że końcowe ciśnienie resztkowe wynosi 5*10-5. Proces generowania siatki i niezależność od rastra został przeprowadzony przy użyciu czterech rozmiarów oczek, które są pokazane na rys. 4 dla siatki odniesienia, i na koniec osiągnięto niezależność od rastra.
Przeprowadzono trzy symulacje w celu uzyskania wartości ciśnienia wiatru dla ekstremalnych warunków pogodowych oraz obliczeniowej wartości wiatru, co pokazano na rysunku 5. Dla każdego scenariusza wynik ciśnienia wiatru jest uzyskiwany za pomocą przejściowego modelu turbulencji DDES ze względu na czas trwania 30 (s), który obejmuje 60 warstw (Δt=0,5 s).
Można zauważyć, że wiatr w przedniej części pomostu jest narażony na działanie dodatniego ciśnienia, a wartość ciśnienia wzrasta wraz z wysokością krawędzi pomostu we wszystkich przypadkach. Również rysunek 5. przedstawia wartości ujemnego ciśnienia wiatru na całej powierzchni pomostu. Wartość odnosząca się do okresu 3000 lat jest znacznie wyższa niż w innych scenariuszach.
Należy zauważyć, że zakres wejściowej prędkości wiatru ma duży wpływ na wartość ciśnienia powierzchniowego, a nie na inne parametry. Ponadto, dla każdego scenariusza, większy zakres parcia i ssania wiatru w całkowitym czasie należy uwzględnić jako krytyczne obciążenie wiatrem konstrukcji. Najniższą wartość ciśnienia powierzchniowego uzyskuje się w scenariuszu ekstremalnie niskiej temperatury, podczas gdy w warunkach ekstremalnej wietrznej pogody wartość ciśnienia staje się o rząd wielkości wyższa.
Ponadto należy pamiętać, że osiągi mostu byłyby całkowicie różne ze względu na różne temperatury powietrza, a scenariusz, w którym wystąpi niższe ciśnienie, może wystąpić krytyczny przypadek. Jeśli chodzi o wartość wejściową dla każdego scenariusza, najwyższy zakres ciśnienia wiatru należy do poziomu obliczeniowego ze względu na okres 3000 lat, dla którego jako prędkość wejściowa przyjęto najwyższą prędkość wiatru.
4. Hydro-symulacja
Filary w poprzek rzeki mogą blokować przepływ poprzez zmniejszenie przekroju rzeki, tworzenie lokalnych prądów wirowych i zmianę prędkości przepływu, co może powodować nacisk na powierzchnie podpory. W momencie, gdy rzeka wpływa do podpór mostu, proces opływania wody wokół podstawy można podzielić na dwie części: zastosowanie ciśnienia w chwili, gdy woda uderza w podpory mostu, oraz po początkowym ciśnieniu, gdy woda opływa podpory [15].
Kiedy woda z określoną prędkością dociera do podpór mostu, wpływ ciśnienia na podpory jest znacznie większy niż ciśnienie cieczy wokół nich. Ze względu na rozwój informatyki oraz postępujący rozwój kodów obliczeniowej dynamiki płynów, różne symulacje numeryczne znalazły szerokie zastosowanie i udowodniono, że wyniki wielu symulacji są zgodne z wynikami eksperymentalnymi [ 16].
W związku z tym, w niniejszych badaniach, wykorzystano metodę obliczeniowej dynamiki płynów do symulacji zjawisk decydujących o przepływie rzeki. Do niniejszej pracy wybrano rozwiązanie trójwymiarowe, oparte na obliczeniach numerycznych z wykorzystaniem modelu turbulencji LES. Trójwymiarowa symulacja przepływu rzeki w różnych kierunkach i prędkościach pozwala nam obliczyć i przeanalizować wszystkie ciśnienia na powierzchni podpór mostowych w różnych interwałach czasowych.
4.1. Parametry symulacji
Przepływ rzeki można zdefiniować jako przepływ dwufazowy, składający się z wody i powietrza w otwartym korycie. Przepływ kanałowy to przepływ cieczy o swobodnej powierzchni, na której ciśnienie atmosferyczne jest równomiernie rozłożone i jest tworzone przez ciężar cieczy. Do symulacji tego typu przepływu wykorzystywana jest wielofazowa metoda VOF.
Dostępny na rynku program Flow3D wykorzystuje metody VOF i FAVOF. W metodzie VOF domena modelowania jest najpierw dzielona na komórki mniejszych elementów lub objętości elementów sterujących. W przypadku elementów zawierających płyn wartości liczbowe są przechowywane dla każdej ze zmiennych przepływu w nich zawartych.
Wartości te stanowią średnią objętościową wartości w każdym elemencie. W przypadku prądów powierzchniowych nie wszystkie komórki są pełne płynu; niektóre komórki na powierzchni przepływu są zapełnione do połowy. W tym przypadku definiowana jest ilość zwana objętością płynu F, reprezentująca część komórki wypełnionej płynem.
Po określeniu położenia i kąta powierzchni przepływu, możliwe będzie zastosowanie odpowiednich warunków brzegowych na powierzchni przepływu do obliczenia ruchu cieczy. Wraz z ruchem płynu zmienia się również wartość F. Swobodne powierzchnie są automatycznie monitorowane na podstawie ruchu płynu w sieci nieruchomej. Do określania geometrii stosowana jest metoda FAVOR.
Inna wartość - ułamek objętościowy może być również użyta do określenia poziomu wolnego ciała sztywnego ( Vf ). Znając objętość zajętą przez bryłę sztywną w każdej komórce, granicę płynu w obrębie nieruchomej sieci można wyznaczyć podobnie jak VOF. Ta granica jest używana do określenia warunków brzegowych ściany, po której przepływa strumień. Zasadniczo równanie ciągłości masy ma postać:
Równania ruchu dla składowych prędkości płynu we współrzędnych 3D, czyli równania Naviera-Stokesa, są następujące:
gdzie VF jest stosunkiem objętości otwartej do przepływu, ρ jest gęstością płynu, (u, v, w) są składowymi prędkości odpowiednio w kierunku x, y i z, R SOR jest funkcją źródła (Ax ,A y, Az) topowierzchnieułamka bz ) to straty przepływu w ośrodkach porowatych w kierunku x, y i z [17].
Dorzecze rzeki Kalix jest duże i szerokie, dzięki czemu panuje na niej klimat subpolarny z mroźnymi i długimi zimami oraz łagodnym i krótkim latem. Około 50% opadów na tym obszarze to śnieg. Zazwyczaj w maju topnienie śniegu powoduje znaczny wzrost przepływu rzeki. Warunki klimatyczne dla rzeki zestawiono w tabeli 2, [18].
W przeciwieństwie do ogólnego trendu w tym opracowaniu, wspomniana prognoza warunków pogodowych opiera się na informacjach pogodowych zarejestrowanych w poprzednich okresach. Na podstawie dostępnych informacji o pogodzie zdefiniowaliśmy warunki brzegowe.
4.2.Obliczenia Ggrid i wyniki
Po pierwsze, zgodnie z wymiarami słupów w trzech kierunkach X, Y, Z oraz zgodnie z wymiarem podłużnym słupów (D = 8,5 m; patrz rysunek 7) domena rozciąga się o 10D w górę i 20D w dół. Do rozwiązania tego problemu wykorzystano metodę tworzenia siatki (kartezjańską) i oprogramowanie Flow3D. Aby siatka była poprawna, dziedzina musi zostać podzielona na różne sekcje.
Podział ten opiera się na miejscach o dużym nachyleniu. Korzystając z funkcji tworzenia nowej powierzchni, można podzielić domenę na kilka sekcji w celu utworzenia regularnej siatki o poprawnych i odpowiednich wymiarach, można też określić liczbę komórek na każdej powierzchni.
Zwiększa to końcową objętość komórek. Z tego powodu uwzględniliśmy trzy poziomy siatki: Zgrubna, średnia i drobna. Wyniki badań niezależności rastra pokazano na rysunku 6. Aby sprawdzić obliczone wyniki, musimy najpierw upewnić się, że prąd wejściowy jest poprawny. W tym celu mierzy się prędkość przepływu wejściowego w dziedzinie rozwiązania i porównuje z wartością podstawową. Wymiary domeny rozwiązań pokazano na rysunku 7. Ten rysunek pomaga również rozpoznać filary mostu i nadać im nazwy.
Jak pokazano na rysunku 8, przepływ rzeki mieści się w dopuszczalnym zakresie przez 90% czasu symulacji, a prędkość przepływu w rzece została zasymulowana prawidłowo. Ponadto, na rysunku 9, średnia prędkość rzeki jest obliczana na podstawie natężenia przepływu oraz pola przekroju rzeki.
Aby wyodrębnić ilość ciśnienia przyłożonego do różnych stron słupa, wybraliśmy interwał czasowy symulacji od 10 do 25 sekund (czas stabilizacji rozładowania w wysokości 1800 metrów sześciennych na sekundę). Obliczone wyniki dla każdej strony pokazano na rysunkach 10 i 11. Warstwy prędkości pokazano również na rysunkach 12 i 13. Kontury te są dostosowywane na podstawie prędkości płynu w danym czasie.
Ze względu na wymiary domeny rozwiązania i prędkość przepływu rzeki, woda dociera do filarów mostu w dziesiątej sekundzie, a początkowe ciśnienie przepływu rzeki wpływa na powierzchnie filarów mostu. To początkowe ciśnienie zmniejsza się z czasem i jest ustabilizowane w określonym zakresie dla każdej strony, zależnie od pola i stopnia interakcji z przepływem. Do obliczeń interakcji między cieczami a konstrukcją (FSI) można wykorzystać obliczone ciśnienie krytyczne w chwili uderzenia prądu w słupy.
5. Uwagi końcowe
Dla mostu Kalix zbadano numerycznie wpływ ekstremalnych warunków pogodowych, w tym dynamicznego wiatru i przepływu wody. Zdefiniowano trzy scenariusze dla dynamicznych symulacji wiatru, w tym ekstremalnie wietrzną i zimną pogodę oraz wartość projektową na okres 3000 lat. Wykorzystując symulacje CFD, określono ciśnienie wiatru w 60 krokach czasowych (30 sekund) przy użyciu modelu przejściowej turbulencji DDES.
Wyniki wskazują na znaczne różnice między scenariuszami, co wskazuje na znaczenie danych wejściowych, zwłaszcza wykresu prędkości wiatru. Zaobserwowano, że wpływ wartości obliczeniowej dla 3000-letniego okresu jest znacznie większy niż w przypadku innych scenariuszy. Ponadto, wykazano znaczenie uwzględnienia większego zakresu przypowierzchniowego ciśnienia wiatru w krokach czasowych w ocenie charakterystyki konstrukcyjnej mostu w najbardziej krytycznym stanie.
Ponadto, w symulacji przejściowej, zgodnie z zarejestrowanymi warunkami pogodowymi, uwzględniono maksymalny przepływ rzeki, a filary mostu zostały poddane maksymalnemu przepływowi rzeki przez 30 sekund. W związku z tym, oprócz fizycznych warunków przepływu w rzece i zmian w kierunku przepływu w dole rzeki, obliczono maksymalne ciśnienia wody w chwili, gdy przepływ uderza w słupy.
W przyszłych pracach nośność konstrukcyjna mostu Kalix zostanie oceniona przez
obciążenia wiatrem, parciem wody oraz ruchem drogowym, tworząc tym samym konstrukcyjnego cyfrowego bliźniaka, odzwierciedlającego rzeczywistą reakcję konstrukcji.
6. Potwierdzenie
Autorzy bardzo doceniają wsparcie firmy Dlubal Software w zakresie udostępnienia licencji RWIND Simulation oraz firmy Flow Sciences Inc. za udostępnienie licencji FLOW-3D.
Autorzy
Mahyar Kazemian , doktorant, praktykant w Department of Engineering, Timezyx Inc., Kanada.
mgr inż. Sajad Nikdel student, stażysta na Wydziale Inżynierii, Timezyx Inc., Kanada.
Mehrnaz Mohammad Esmaeili , student studiów licencjackich, stażysta na Wydziale Inżynierii Timezyx Inc., Kanada.
Vahid Nik , profesor nadzwyczajny wydziału Fizyki Budynków Uniwersytetu w Lund oraz Uniwersytetu Technologicznego Chalmers, Szwecja.
Kamyab Zandi , dyrektor, Timezyx Inc., Vancouver, BC V6N 2R2, Kanada. E-mail: [email protected].
