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2019-11-04

矩形,圆形结构构件上的风荷载

带圆角结构构件的风荷载是一个复杂的问题。 结构中风荷载的等效内力取决于流动风荷载的大小和构件的几何形状。

欧洲规范 EN 1991-1-4 对此规定了一种计算概念,以及空气动力学值和折减系数。 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:

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:

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.


作者

Niemeier 先生负责 RFEM、RSTAB、RWIND Simulation 以及膜结构领域的开发。 他还负责质量保证和客户支持。

链接
参考
  1. 欧洲规范 1: 结构作用 - 第1-4部分: 一般作用,风荷载BS EN 1991-1-4:2010-12
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