Πώς μπορεί ο τομέας της προσομοίωσης των φορτίων ανέμου να συνδυαστεί με τις στατικές μελέτες κατασκευών;

Η συνήθης πρακτική του δομικού σχεδιασμού και των στατικών μελετών, βασίζεται στη χρήση πολλών εμπειρικά εισαγόμενων παραγόντων ασφάλειας και στατιστικών προσεγγίσεων, λαμβάνοντας υπόψη διαφορετικά πρότυπα. Ως αποτέλεσμα, το γεωμετρικό μοντέλο των κτιρίων και τα φορτία που επιδρούν σε αυτά μπορεί συχνά να διαφέρουν σημαντικά από την πραγματικότητα λόγω αυτών των απλοποιήσεων, ειδικά εάν η γεωμετρία της κατασκευής είναι ελεύθερη, η οποία είναι πρακτικά αδύνατο να μοντελοποιηθεί με ακρίβεια και να αναλυθεί με τυπικά εργαλεία.
​Αυτή η διαφοροποίηση από την πραγματική κατασκευή αποτελεί ένα ανησυχητικό σημείο για έναν μελετητή, η οποία ενισχύεται ειδικά όταν πρόκειται για την αξιολόγηση του φορτίου ανέμου. Από την άλλη, οι δομοστατικοί μηχανικοί θα πρέπει να είναι σε θέση να ανταποκριθούν στις ανάγκες της σημερινής αρχιτεκτονικής.
Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι μέθοδοι προσομοίωσης υπολογιστικής δυναμικής ρευστών (CFD) εμφανίζονται όλο και περισσότερο ως εναλλακτική λύση για τις προκλήσεις των μη συμβατικών γεωμετριών μεταξύ των συντηρητικών λύσεων που προσφέρουν τα πρότυπα και του πειραματικού τρόπου, χρησιμοποιώντας δοκιμές αεροδυναμικής σήραγγας. Για το σκοπό αυτό το OpenFOAM ως μηχανή CFD προσφέρει μια μεγάλη γκάμα λύσεων. Αν και, για αυτούς τους τύπους προσομοιώσεων είναι απαραίτητο ένα κατάλληλο περιβάλλον, όπου μπορεί κανείς εύκολα να ορίσει όλες τις απαραίτητες παραμέτρους για να ρυθμίσει μια ευέλικτη περίπτωση προσομοίωσης.
Αυτό οδήγησε την ομάδα ανάπτυξης του Consteel να ξεκινήσει την εφαρμογή αυτών των λύσεων στις πλατφόρμες του Consteel/Steelspace με βάση την έρευνα στο θέμα. Αυτό οδηγεί σε μια νέα λειτουργία, όπου μπορεί κανείς να ορίσει τις παραμέτρους προσομοίωσης εύκολα, χρησιμοποιώντας το OpenFOAM ως κινητήρα χωρίς απαραίτητα να διαθέτει ο χρήστης ολοκληρωμένη γνώση σχετικά με τη χρήση του.

Στο παρακάτω άρθρο μπορείτε να βρείτε πληροφορίες για τα νέα χαρακτηριστικά της επόμενης έκδοσης του Consteel που θα βοηθήσουν στον υπολογισμό αυτών των φορτίων. 

Ερμηνείες κανονισμών στην περίπτωση κατασκευών ελεύθερης μορφής

​Η επίδραση του ανέμου που ενεργεί σε μια κατασκευή μπορεί να υπολογιστεί από τη μέση ταχύτητα ανέμου και την κυμαινόμενη ταχύτητα ανέμου που δημιουργείται από τις αναταράξεις γύρω από το κτίριο. Το πρότυπο EN-1991-1-4 ορίζει τις επιδράσεις που δημιουργούνται από τον άνεμο ως απλοποιημένες επιφανειακές πιέσεις για τον υπολογισμό των φορτίων ανέμου που επιδρούν στις κατασκευές, λαμβάνοντας υπόψη το σχήμα της κατασκευής, τη θέση της, την τραχύτητα του εδάφους κ.λπ. Έτσι, τα φορτία ανέμου μπορεί να θεωρηθούν ως μια οιονεί στατική εξωτερική πίεση ίση με την επίδραση του τυρβώδους ανέμου με τη μέγιστη ταχύτητα. Στη συνέχεια, η ενεργός επιφανειακή πίεση (ή αναρρόφηση) μπορεί να προσδιοριστεί ως αποτέλεσμα του γινόμενου της πίεσης αιχμής (σε ύψος «z» πάνω από το έδαφος) και των συντελεστών πίεσης που ανήκουν στο κτίριο, σύμφωνα με τους κανονισμούς σχεδιασμού, οι οποίοι καλύπτουν μόνο μερικές τυπικές μορφές: επίπεδες στέγες, κεκλιμένες στέγες, θολωτές στέγες, θόλους κ.λπ.
Για παράδειγμα, για την κατασκευή ελεύθερης μορφής που εμφανίζεται στην παραπάνω εικόνα, ο προσδιορισμός αυτών των συντελεστών εξωτερικής πίεσης είναι πραγματικά δύσκολος. Πρώτα απ' όλα, λόγω της σχετικά χαμηλής κλίσης της οροφής της κατασκευής, είναι δύσκολο να αποφασίσουμε αν θα θεωρήσουμε την οροφή ως επίπεδη στέγη με καμπύλα άκρα ή ως θόλο (λόγω του ότι ταιριάζει στην επιφάνεια μιας σφαίρας). Στην περίπτωση θόλου, το κανονιστικό πρότυπο δίνει 3 χαρακτηριστικές τιμές με σχετικά δύσκολο τρόπο, ανάλογα με το ύψος του άκρου, το ύψος της οροφής και τη διάμετρο του κτιρίου. Η εφαρμογή αυτών των τιμών στη γεωμετρία χρειάζεται ιδιαίτερο χειρισμό, ειδικά στις άκρες.

Παρόμοια ερωτήματα εγείρονται αν προσπαθήσουμε να εφαρμόσουμε τους συντελεστές πίεσης σε τοίχους που δεν είναι κανονικοί.

Εξωτερικοί συντελεστές πίεσης στην πρόσοψη

Προσομοιώσεις CFD
Η Υπολογιστική Ρευστοδυναμική είναι ένας κλάδος της Μηχανικής Ρευστών που ασχολείται με την αριθμητική προσομοίωση και ανάλυση φαινομένων ροής ρευστών και μεταφοράς θερμότητας. Το CFD περιλαμβάνει τη χρήση αλγορίθμων υπολογιστών και αριθμητικών μεθόδων για την επίλυση των εξισώσεων της ροής ρευστού, όπως οι εξισώσεις Navier-Stokes, σε μια διακριτή περιοχή που περιέχει 6-εδρικά πεπερασμένα στοιχεία. Για αυτά τα προβλήματα το OpenFOAM ως εργαλειοθήκη είναι ένα από τα πιο κατάλληλα. 
Το OpenFOAM περιέχει πολλές εφαρμογές που μπορούν να χωριστούν σε δύο κύριους τύπους. Οι εφαρμογές τύπου Solver είναι κατάλληλες για την επίλυση συγκεκριμένων μηχανικών προβλημάτων στερεού ή υγρού σώματος, ενώ ο τύπος Utility μπορεί να χρησιμοποιηθεί για δημιουργία πλέγματος και διαχείριση δεδομένων.

Για την προετοιμασία μιας προσομοίωσης που βασίζεται σε CFD, μπορούν να προσδιοριστούν τα ακόλουθα κύρια βήματα:

• Προκαταρκτικές διαδικασίες παραγωγής πλέγματος για τη δημιουργία ενός μοντέλου κατάλληλου τόσο για προσομοίωση όσο και για ορισμό φορτίου
• Ορισμός των παραμέτρων εισόδου (ταχύτητα ανέμου, vp(z) που αντιστοιχεί στην τιμή κορυφής της πίεσης ανέμου, διεύθυνση ανέμου, μήκος τραχύτητας z0, οριακές συνθήκες, κ.λπ.)
• Δημιουργία πλέγματος πεπερασμένου όγκου OpenFOAM (καθορισμός βελτιώσεων, castellated mesh και κουμπιά ελέγχου κ.λπ.)
• Μοντέλο στροβιλισμού και ορισμός επιλύτη (αρχικές συνθήκες τομέα, έλεγχος εκτέλεσης κ.λπ.)

Το τρέχον στάδιο ανάπτυξης χρησιμοποιεί μόνο ένα συγκεκριμένο μοντέλο αναταράξεων, που χειρίζεται τις μερικές διαφορικές εξισώσεις της κινητικής ενέργειας και του ρυθμού κατανομής ενέργειας (μοντέλο k-ε), με τον επιλύτη simpleFoam (SIMPLE = Semi – Implicit Method for Pressure Linked Equations) .
Σε αυτό σενάριο, η προσομοίωση προϋποθέτει τις ακόλουθες συνθήκες:

• Ασυμπίεστα, άκαμπτα σώματα
• Τυρβώδης ροή
• Χωρίς φυσικό χρόνο, σχεδόν στατική πίεση

Τι θα προσφέρει το Consteel στους χρήστες για τον γενικό υπολογισμό των φορτίων ανέμου
Σύμφωνα με τα βήματα που προσδιορίστηκαν παραπάνω, ξεκίνησε η ανάπτυξη μιας υπηρεσίας που θα δημιουργεί όσο το δυνατόν πιο αυτόματα ένα premesh/πλέγμα για την απόδοση του φορτίου και θα προετοιμάζει τα απαραίτητα δεδομένα για το OpenFOAM, το οποίο δημιουργεί ένα πλέγμα πεπερασμένου όγκου ( στάδιο προεπεξεργασίας) και εκτελεί μια προσομοίωση ( στάδιο επεξεργασίας δεδομένων ) όπως φαίνεται παρακάτω. Για αυτό, πέρα από τις γεωμετρικές πληροφορίες και τα δεδομένα του πλέγματος, όπως το μέγεθος κυψέλης των επιθυμητών φορτίων και η βελτιστοποίηση, ο χρήστης θα πρέπει να παρέχει μόνο τη βασική ταχύτητα αναφοράς ανέμου, την κατεύθυνση και την κατηγορία του εδάφους για να ορίσει ένα προφίλ ανέμου σύμφωνα με την λογική του πολιτικού μηχανικού (κυρίως το προφίλ ανέμου του Ευρωκώδικα που αντιστοιχεί στην πίεση της μέγιστης ταχύτητας).

Αναπαράσταση των σταδίων προ-επεξεργασίας και επεξεργασίας δεδομένων

Ο στόχος της ομάδας ανάπτυξης είναι να προστεθεί η κύρια δυνατότητα (στάδιο μετά την επεξεργασία) η οποία θα προσφέρει αυτόματη μετατροπή από τις προκύπτουσες τιμές πίεσης σε χρησιμοποιήσιμα επιφανειακά φορτία σύμφωνα με τις προτιμήσεις των χρηστών. Θα είναι δυνατή η απευθείας αντιστοίχιση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης στο premesh (προ-πλέγμα) ή η εφαρμογή μιας λογικής καθορισμού ζωνών, παρόμοια με το κανονιστικό πρότυπο.

Τα επιφανειακά φορτία που δημιουργούνται μετά από διαφορετική μεταεπεξεργασία με βάση την ίδια προσομοίωση

Τα παραγόμενα επιφανειακά φορτία ανέμου στο Consteel και η ανάλυση σύμφωνα με αυτό

Συμπερασματικά, η νέα αυτή δυνατότητα θα παρέχει μοναδική ευελιξία στον μελετητή. Ωστόσο, η εμπειρία δείχνει ότι παρόλο που το CFD μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτέλεση προσομοιώσεων φορτίου ανέμου για βιομηχανική χρήση, η καταλληλότητά του εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ποιότητα των παραμέτρων εισόδου. Απαιτείται λοιπόν μια ελάχιστη ρευστοδυναμική τεχνογνωσία αλλά η τρέχουσα μορφή της νέας δυνατότητας όπως διαμορφώνεται προσφέρει ήδη μια λύση για τους δομοστατικούς μηχανικούς, προκειμένου να δημιουργήσουν αυτές τις προσομοιώσεις σχετικά εύκολα. Η υπηρεσία σχεδιάζεται να υλοποιηθεί σε πολλά κανάλια χρησιμοποιώντας τις υπάρχουσες πλατφόρμες : Consteel (απευθείας χρήση επιτραπέζιου υπολογιστή σε μοντέλα Consteel), Steelspace (χρήση βάσει cloud σε συμβατά μοντέλα) και Grasshopper (χρήση σε οποιαδήποτε μοντέλα ορίζονται στο περιβάλλον GH, για παράδειγμα με το Pangolin ) ώστε η νέα αυτή δυνατότητα να είναι διαθέσιμη σε όσο το δυνατόν περισσότερους μηχανικούς που χρησιμοποιούν διαφορετικά εργαλεία.