Διαδικασία προσομοίωσης ανέμου και υπολογισμού φορτίσεων σε περιπτώσεις εφαρμογής σε μεταλλικές & σύμμικτες κατασκευές

Καθώς πλησιάζει η στιγμή να κυκλοφορήσει η πρώτη έκδοση του εργαλείου προσομοίωσης ανέμου του Consteel, είναι ευκαιρία να γίνει μία συνοπτική παρουσίαση της καινοτόμου αυτής εφαρμογής με την οποία οι χρήστες του Consteel θα μπορούν να υπολογίζουν με ακρίβεια τα φορτία ανέμου σε κάθε σύνθετη κατασκευή.  Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ανάπτυξης, εντοπίστηκε ένα σημαντικό χάσμα μεταξύ της υπολογιστικής δυναμικής των ρευστών και της δομικής μηχανικής, αναγνωρίζοντας παράλληλα και ότι αυτό μπορεί να γεφυρωθεί μέσω της εφαρμογής ειδικών εργαλείων της υπολογιστικής ρευστοδυναμικής. ​Με το παρόν άρθρο περιγράφεται συνολικά η διαδικασία καθώς το θεωρητικό και τεχνολογικό υπόβαθρο που κάνει μοναδική την διαδικασία αυτή.

*Το πρόγραμμα Consteel αποτελεί ένα εξειδικευμένο λογισμικό για την ανάλυση και τον σχεδιασμό κατασκευών από χάλυβα, σκυρόδεμα και από σύμμικτα στοιχεία ενώ περιλαμβάνει πάνω από 1500 είδη συνδέσεων σε πλήρη ανάπτυξη. Πληροφορίες για το Consteel : 
https://www.ergocad.eu/consteel.html​

Στην δομοστατική μηχανική, η αξιολόγηση των φορτίων που προκαλούνται από τον άνεμο πραγματοποιείται συνήθως χρησιμοποιώντας τυπικές διαδικασίες που έχουν σχεδιαστεί για να απλοποιούν τη διαδικασία με διάφορους τρόπους. Ωστόσο, όταν χρησιμοποιούνται πιο προηγμένες μεθοδολογίες όπως η υπολογιστική ρευστοδυναμική, αυτά τα πρότυπα χρησιμεύουν αναπόφευκτα ως σημείο αναφοράς, παρέχοντας μια βάση για σύγκριση με τα αποτελέσματα πίεσης που παράγονται από την προσομοίωση.  Ολόκληρη η διαδικασία ανάπτυξης στο Consteel επικεντρώθηκε στον προσδιορισμό των προφίλ ανέμου χρησιμοποιώντας τυπικές διαδικασίες. Η πρώτη υλοποίηση ακολουθεί τον Ευρωκώδικα 1-4, ο οποίος βασίζεται σε ένα σύνολο παραμέτρων, οργανωμένων με παρόμοιο τρόπο με αυτο που υπάρχει στον καθορισμό των μετεωρολογικών φορτίων στο περιβάλλον εργασίας του Consteel. 

• Οι παράμετροι πίεσης ταχύτητας περιλαμβάνουν τη βασική ταχύτητα ανέμου (vb), η οποία μπορεί να επιλεγεί με βάση τις συγκεκριμένες γεωγραφικές ζώνες για κάθε χώρα και την κατηγορία εδάφους. Η κατηγορία εδάφους, όπως ορίζεται σε ένα επιλεγμένο εθνικό παράρτημα, παρέχει τιμές για το μήκος τραχύτητας (z0), το ελάχιστο ύψος (zmin) και τον συντελεστή εδάφους (kr). Ο συντελεστής εδάφους μπορεί είτε να έχει μια σταθερή τιμή, όπως καθορίζεται σε πολλά εθνικά παραρτήματα, είτε να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας έναν προτεινόμενο τύπο που βασίζεται στο μήκος τραχύτητας και το ελάχιστο ύψος. Επιπλέον, το επιλεγμένο εθνικό παράρτημα παρέχει βασικές τιμές για την πυκνότητα του αέρα (ρ), τον συντελεστή ορογραφίας (co(z)) και τον συντελεστή στροβιλισμού (kI), μεταξύ άλλων.
• Οι παράμετροι εσωτερικής πίεσης περιλαμβάνουν συντελεστές που τροποποιούν τις πιέσεις ταχύτητας για μια δεδομένη κατεύθυνση ανέμου, αναπαράγοντας τα αποτελέσματα των εσωτερικών πιέσεων όπως περιγράφονται στον Ευρωκώδικα.

           Σημείωση: Σε αυτό το στάδιο ανάπτυξης, συνιστούμε ανεπιφύλακτα τη χρήση του εργαλείου αποκλειστικά για την επίτευξη εξωτερικής πίεσης σε κλειστά, «αεροστεγώς» κτίρια.

• Οι γεωμετρικές παράμετροι περιλαμβάνουν τον βασικό ορισμό της κατεύθυνσης του ανέμου σύμφωνα με το παγκόσμιο σύστημα συντεταγμένων (θ = 0°), το επίπεδο του εδάφους (Z) και άλλες παραμέτρους διαστάσεων. Αυτές οι παράμετροι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία ζωνοποιημένων φορτίων, επιτρέποντας περιγράμματα φορτίου παρόμοια με αυτά που ορίζονται στον Ευρωκώδικα.
• Τέλος, ως επιφάνειες προσομοίωσης ορίζονται οι επιφάνειες που περικλείουν το υπό μελέτη κτίριο. Αυτές λειτουργούν ως επιφάνειες μεταφοράς φορτίου για μεταγενέστερους μηχανικούς υπολογισμούς.

           Σημείωση: Προς το παρόν, οι προσομοιώσεις περιορίζονται σε επιφάνειες μόνο και δεν μπορούν να εκτελεστούν σε γραμμικά μέλη απευθείας 

Μόλις καθοριστούν όλες οι απαραίτητες παράμετροι που ακολουθούν τις διατάξεις των κανονιστικών προτύπων, μπορεί τότε να ξεκινήσει η προεργασία των υπολογισμών από ένα ξεχωριστό παράθυρο διαλόγου. Στο περιβάλλον εργασία του Consteel απαιτούνται κάποιες πρόσθετες πληροφορίες που σχετίζονται με το CFD, οι οποίες θα εξηγηθούν σε επόμενα άρθρα. 

Ο προεπεξεργαστής λοιπόν (προεργασία υπολογισμών) αποτελεί μια λειτουργική φάση της διαδικασίας ή μια συλλογή μεθόδων, με δύο κύριες εργασίες που εκτελούνται με βάση τις προηγουμένως καθορισμένες παραμέτρους. Η πρώτη εργασία είναι η μετατροπή της γεωμετρίας όπως καθορίστηκε από τα εισηγμένα δεδομένα σε μια ειδικά αναπτυγμένη μορφή πλέγματος (FoamMesh). Αυτή η μορφή μοιάζει με ένα παραδοσιακό πλέγμα πεπερασμένων στοιχείων, με τριγωνικές ή τετράπλευρες επίπεδες πλευρές & ακμές, και είναι σε θέση να αποθηκεύει τα αποτελέσματα προσομοίωσης. Επιπλέον, το FoamMesh μπορεί να δημιουργήσει πλέγματα με πολυγωνικές όψεις («Ngons»), που παράγονται συνήθως από το OPENFOAM®, τα οποία συχνά μπορεί να είναι μη επίπεδα. Παράλληλα, οι πλευρές (όψεις κτιρίου) μπορούν επίσης να σχηματίσουν ζώνες με βάση τα αποτελέσματά τους. Για λόγους αναπαράστασης των αποτελεσμάτων, αυτά τα πλέγματα μπορούν να προβάλονται ως λίστα πολυγραμμών (ή δισδιάστατων φιγούρων στο Consteel) ανά πάσα στιγμή.

Σημείωση: Το πλέγμα πεπερασμένων στοιχείων που χρησιμοποιείται για την προσομοίωση διαφέρει από το πλέγμα που χρησιμοποιείται για την κατανομή φορτίου στους μηχανικούς υπολογισμούς. Οι εσωτερικές κορυφές αυτής της ειδικής προσομοίωσης λαμβάνονται μέσω της επαναληπτικής μετατόπισης του περιγράμματος της επιφάνειας, με στόχο τη δημιουργία τετράπλευρων όψεων. Αυτές οι τετράπλευρες όψεις προτιμώνται για τη δημιουργία φορτίου ζωνών κατά τη φάση μεταεπεξεργασίας.

​Η άλλη εργασία είναι η δημιουργία μιας εικονικής αεροδυναμικής σήραγγας, η οποία αποτελείται από το προφίλ ανέμου σύμφωνα με τις παραμέτρους και τον πραγματικό κλειστό τομέα στον οποίο εκτελείται η προσομοίωση που ορίζεται από όρια και εσωτερικά μπλοκ (πεπερασμένους όγκους). Έχοντας αυτά τα δύο, είναι δυνατό να δημιουργηθούν τα περιεχόμενα της υπόθεσης προσομοίωσης που είναι κατάλληλα για την ιεραρχία στο OPENFOAM®. Οι παράμετροι ροής ανέμου αποθηκεύονται στον φάκελο «μηδέν», και δημιουργείται το πλέγμα (τόσο στο «constant» όσο και στο «system»), ενώ οι παράμετροι για τη λύση και τα αποτελέσματα καταχωρούνται στο «system».

Σημείωση: Για κάθε κατεύθυνση ανέμου εκτελείται μια ξεχωριστή περίπτωση προσομοίωσης, με τη δική της ανεξάρτητη αεροδυναμική σήραγγα με βάση το πλέγμα πεπερασμένου όγκου. Ωστόσο, το πλέγμα πεπερασμένων στοιχείων του κτιρίου είναι πανομοιότυπο, ανεξάρτητα από την κατεύθυνση.

Όσον αφορά το προφίλ ανέμου, ο σαφής στόχος είναι να εισαχθεί ένα προφίλ ταχύτητας ανέμου που να αντιγράφει το προφίλ πίεσης κορυφής που καθορίζεται από τον κανονισμό. Ωστόσο, ο καθορισμός αυτού του προφίλ δεν είναι απλός. Τα παρακάτω σχήματα απεικονίζουν διάφορες προσεγγίσεις, με τη συνάρτηση QpEC να αντιπροσωπεύει το γενικό προφίλ «στόχου» σύμφωνα με τον Ευρωκώδικα.
Δεδομένου ότι ο Ευρωκώδικας συνήθως αγνοεί τον όρο δεύτερης τάξης της έντασης τύρβης (λαμβάνοντας υπόψη μόνο 1 + 7 Iv(z)) κατά τον υπολογισμό του QpEC, προκύπτει σημαντική διαφορά εάν υπολογίσουμε την πίεση ταχύτητας, QpEC.V, από το προφίλ ταχύτητας κορυφής (χρησιμοποιώντας 1 + 3,5 Iv(z) για την ένταση των αναταράξεων). Ως αποτέλεσμα, το VpEC δεν προορίζεται για άμεση εφαρμογή στο OPENFOAM®.
Εκτός από τα πρότυπα, το OPENFOAM® προσφέρει μια προεπιλεγμένη προσέγγιση για λογαριθμικά ατμοσφαιρικά οριακά στρώματα (Uabl), με βάση την ταχύτητα τριβής U* που υπολογίζεται σε ύψος αναφοράς. Ωστόσο, το Qp.abl που προκύπτει δείχνει επίσης μια σημαντική διαφορά, χωρίς το σταθερό τμήμα κάτω από το ελάχιστο ύψος (zmin). Διαφορετικά, αυτό το προφίλ είναι παρόμοιο με ένα τυπικό Vp(zRef), το οποίο αξιολογείται κατά μήκος του ύψους χρησιμοποιώντας μόνο μία ακριβή τιμή έντασης τύρβωσης που υπολογίζεται στο ύψος αναφοράς (Iv(zref)).

Αυτές οι μέθοδοι συγκρίθηκαν τόσο για τα προφίλ μέσης ταχύτητας όσο και για τα προφίλ μέγιστης ταχύτητας, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Οι μέγιστες πιέσεις αντιστοιχούν στις τιμές που μετρήθηκαν στον προσήνεμο τοίχο ενός απλού κυβοειδούς 8 m x 8 m x 8 m. Οι συμβατικές ονομασίες για τα προφίλ είναι οι εξής:
​προφίλ ταχύτητας εισόδου (μέση και κορυφή) – τυρβώδης κινητική ενέργεια εισόδου (αυτόματη - a ή υπολογισμένη - c) - ρυθμός διασποράς τυρβώδους εισόδου (αυτόματο - a ή υπολογισμένο - c). 

Συμπερασματικά, το προφίλ που επιλέχθηκε για υλοποίηση είναι το Uin, με αυτόματη αξιολόγηση να εφαρμόζεται τόσο στην τυρβώδη κινητική ενέργεια εισόδου (k) όσο και στον ρυθμό διασποράς τυρβώδους εισόδου (ε). Τα αποτελέσματα διαφόρων μοντέλων αναταράξεων, μαζί με την επίδραση διαφορετικών διαδικασιών πλέγματος στη γεωμετρία, στην οποία αναφερόμαστε ως επεξεργασία δεδομένων, θα συζητηθούν σε προσεχή υλικά βάσης γνώσης. Μείνετε συντονισμένοι λοιπόν καθώς εξερευνούμε διαφορετικές επικυρώσεις αυτού του εργαλείου που αναπτύχθηκε πρόσφατα.


Πληροφορίες για το πρόγραμμα Consteel καθώς και δωρεάν δοκιμαστική έκδοση για 30 ημέρες μπορείτε να βρείτε εδώ:
https://www.ergocad.eu/consteel.html 

Καθορισμός γεωμετρίας και παραμέτρων του προφίλ ανέμου για την προσομοίωση στο Consteel