fbpx
consteel_wind_simulation
április 10, 2024
5 perc olvasási idő
Kis Ádám

Hogyan egyesíthető a szélszimulációk világa a tartószerkezet tervezéssel?

A hagyományos tervezés, a különböző szabványok figyelembevétele / alkalmazása esetén rengeteg, empirikus úton bevezetett biztonsági tényezők és statisztikai megközelítések használatán alapul. Ennek következtében gyakran a vizsgálandó épületek geometriai kialakítása, illetve a rá ható terhek jelentős szinten változhatnak az egyszerűsítések következtében kiváltképp, ha a szerkezet geometriája szabadformájú, melyet a szokásos eszköztárral gyakorlatilag lehetetlen pontosan modellezni és ezáltal elemezni.

A valóságtól való elrugaszkodás jogos aggodalmat okozhat egy szerkezettervező számára, főleg ha szélteher meghatározásáról van szó. Mérnökileg megfontoltan, de tudni kell reagálni a modern kor építészeti igényeire is. Ezért a szabványok által kínált konzervatív megoldások és a szélcsatorna vizsgálatok mellett egyre inkább teret hódítanak a numerikus folyadékdinamikai szimulációs módszerek (CFD – Computational Fluid Dynamics), mivel megoldást nyújtanak nem szokványos geometriák okozta kihívásokra. Erre a célra az OpenFOAM , mint CFD motor megoldások széles skáláját kínálja. Azonban egy ilyen szimulációhoz elengedhetetlen a megfelelő környezet, ahol könnyen meghatározható az összes szükséges paraméter egy szimulációs vizsgálat beállításához. Ez vezetett ahhoz, hogy a saját, a témában végzett kutatások alapján megkezdjük az implementálást a saját platformjainkon, egy új funkcionalitást fejlesztve. Ezáltal lehetővé válik, hogy a szimulációs paramétereket rendkívűl kényelmes módon meg lehessen adni, így az OpenFOAM átfogó ismerete nem szükséges, a háttérben, mint számítómotor működik majd.

Szabvány értelmezések a szabad formájú szerkezetek esetében

A szerkezetre ható szél erőssége a szél átlagos sebességéből és az épületet körülvevő áramlási közegben, a szél hatására fellépő turbulencia által generált fluktuáló szélerősség alapján számítható. Az EN-1991-1-4 szabvány a tartószerkezeteket érő szélhatások számításához a szél által generált igénybevételeket egyszerűsített felületi nyomásokként határozza meg, figyelembe véve a szerkezet alakját, elhelyezkedését, a terep egyenetlenségét …stb. Ezáltal a szélhatás egy kvázi-statikus hatásként vehető figyelembe, mely megegyezik a turbulens szél maximális sebességének hatásával. Azaz a felületi nyomás (vagy szívás) a torlónyomás csúcsértékének („z” magasságban a talaj felett) és az épülethez tartozó alaki tényezők – melyet a szabvány csak bizonyos szabályos formák esetén tárgyal: lapostetők, nyeregtetők, kupolák stb. – szorzatának eredményeképpen határozható meg.

Például az alábbi szabad formájú szerkezet esetében a külső nyomástényezőknek a meghatározása komoly kihívást jelenthet. Mindenekelőtt a szerkezet viszonylag alacsony tetőhajlásszöge miatt nehéz eldönteni, hogy a tetőt íves ereszű lapostetőnek, vagy kupolának tekintsük (mivel egy gömb felületéhez illeszkedik). A kupola esetében a szabvány viszonylag körülményesen 3 karakterisztikus értéket ad meg az épület ereszmagasságától, tetőmagasságától és átmérőjétől függően. Ezeknek az értékeknek az adott geometriára való alkalmazása erősen vitatható, különösen az élek mentén.

External pressure coefficents on the roof a free form structure
1. ábra: Külső nyomási tényezők egy szabadformájú tetőszerkezeten

Similar questions are raised if we try to apply the pressure coefficients on walls which are not regular.

External pressure coefficients on the facade
2. ábra: Külső nyomási tényezők a homlokzaton

CFD szimulációk

A numerikus folyadékdinamika (CFD – Computational Fluid Dynamics) a folyadékmechanika egyik ága, amely a folyadékáramlás és a hőátadás jelenségeinek numerikus szimulációjával és elemzésével foglalkozik. A CFD magában foglalja a számítógépes algoritmusok és numerikus módszerek alkalmazását az áramlást leíró egyenleteknek, például a Navier-Stokes-egyenleteknek a megoldására egy végeselem-térfogatokat tartalmazó diszkretizált tartományon. Ezekre a problémákra az OpenFOAM, mint eszközkészlet az egyik legalkalmasabb.

Az OpenFOAM számos alkalmazást tartalmaz, amelyek két fő típusra oszthatók. A “Solver” típusú alkalmazások speciális szilárd vagy folyékony test mechanikai problémák megoldására alkalmasak, míg a “Utility” típusúak háló létrehozására és adatkezelésre használhatóak.

Egy CFD alapú szimuláció előkészítéséhez az alábbi fő lépéseket különíthetjük el:

  • Egy előzetes háló generálásának folyamatai, egy a szimuláció és a teherfelvétel szempontjából megfelelő model létrehozása érdekében
  • Bemeneti paraméterek megadása (a torlónyomás csúcsértékének megfelelő szélsebesség v

p(z), szélirány, érdességi hossz z0, az áramlási közeg geometriai peremfeltételei stb.)                                                                    

  • véges térfogatelem alapú háló generálása az OpenFOAM által
  • Turbulencia modell és megoldóalgoritmus kiválasztása

A fejlesztés jelenlegi szakasza egy bizonyos turbulenciamodell használatán alapszik, amely a kinetikus energia és az energiaeloszlás differenciálegyenleteit kezeli (k-ε modell), a simpleFoam megoldóval (SIMPLE = Semi – Implicit Method for Pressure Linked Equations) együtt . Ebben az esetben a szimuláció a következő feltételeket feltételezi:

  • Összenyomhatatlan, merev testek
  • Turbulens áramlás
  • Nincs fizikai idő, kvázi statikus nyomás

A mi szolgáltatásunk,mint egy általános munkafolyamat a szélteher meghatározásához

A fent azonosított lépéseknek megfelelően megkezdtük egy olyan szolgáltatás fejlesztését, amely a lehető legautomatikusabban készít előhálót a terhelés hozzárendeléséhez és előkészíti a szükséges adatokat az OpenFOAM számára, amely véges térfogatú hálót generál (előfeldolgozási szakasz) és szimulációt végez (adatfeldolgozási szakasz) a lenti ábrákhoz hasonlóan. Ehhez a felhasználónak a geometriai és hálógenerálási paramétereken kívül, mint például a kívánt terhek cellamérete és a hálófinomítás csak a szél referencia alapsebességét, irányát és a terepkategóriát kell megadnia a szélprofil meghatározásához a szerkezettervezői logikának megfelelően (elsősorban az Eurocode-ban szereplő szélprofilhoz hasonlóan).

The representation of the pre- and dataprocessing stages
3. ábra: Az elő- és adatfeldolgozási lépések reprezentációja

A jelenlegi fejlesztés egy további és egyben a fő funkciót (utófeldolgozási szakasz) célozza meg, amely a kapott nyomásértékekből a felhasználói preferenciáknak megfelelően automatikus konvertálást kínál használható felületi terhekké. Lehetséges lesz a szimulációs eredmények közvetlen hozzárendelése az előhálóhoz, vagy akár egy, a szabványhoz hasonló zónázási logika alkalmazása.

The surface loads created after different postprocessing based on the same simulation
4. ábra: Különböző utófeldolgozás után létrejött felületi terhek ugyanazon szimuláció alapján
The generated wind surface loads in Consteel and the analysis according to it
5. ábra: A generált felületi szélterhek Consteelban és az ez alapján végzett analízis

Összességében komoly potenciál rejlik a funkcióban, elsősorban a sokoldalúsága miatt. A tapasztalat azonban azt mutatja, hogy bár a CFD szimuláció során kinyert szélterhek eredményei használhatóak ipari felhasználásra, helyessége nagymértékben függ a bemeneti paraméterek minőségétől. Minimális folyadékdinamikai szakértelem tehát még szükséges, de a fejlesztés jelenlegi állása már megoldást kínál a szerkezetmérnökök számára, hogy ezeket a szimulációkat viszonylag könnyen elvégezhessék. A szolgáltatást több csatornán is tervezzük implementálni a meglévő platformjainkon: Consteel (közvetlen asztali használat Consteel modelleken), Steelspace (felhő alapú használat kompatibilis modelleken) és Grasshopper (bármilyen GH környezetben definiált modellen, például Pangolinnal), hogy minél több, különböző eszközöket használó mérnök számára is elérhető legyen.

Simulation on a free-form structure
6. ábra: Egy szabadformájú tartószerkezeten végzett szimuláció

A szerző

Kis Ádám

Szerkezettervezőként a parametrikus tervezési módszerek megszállottja volt. Meggyőződése, hogy bármilyen tervezési feladat esetén hatékonyan alkalmazható. Így került a sötét oldalra, és fejlesztőként a Pangolinon dolgozik. Doktoranduszként szimulációs módszerek Consteel-be történő implementálását kutatja.

Vissza a Blogra

Egyszerűsítsd a tervezési folyamatod a Consteel segítségével

Megvan a Steel Lion díj győzteseinek névsora

New model examples available in the first quarter

A Consteel 17 fejlesztések és frissítések videós összefoglalója

Iratkozz fel, hogy mindig naprakész légy a Consteel híreivel kapcsolatban