Nyomásalapú validáció téglatesteken

Ebben a cikkben egy egyszerű téglatesten alkalmazott nyomásalapú validációt részletezünk a tartószerkezet-mérnöki tervezéshez kapcsolódó szélszimuláció keretében. Az adatfeldolgozásról és a sebességalapú validációról szóló korábbi elemzéseinkre építve célunk, hogy átfogó betekintést nyújtsunk abba, hogyan használhatók a nyomásadatok a szimulációs eredményekből származó szélterhek pontos és megbízható meghatározására.

A nyomásalapú validáció kulcsfontosságú eleme a szélszimulációnak, mivel közvetlenül kapcsolódik a szerkezetekre ható erőkhöz. A korábbi sebességalapú validációk során [1] az eredmények (a sebességvektorok irányváltozásainak átlagos eltérése százalékosan) összehasonlítása a meghatározott referenciaértékekkel azt mutatta, hogy a k-ε turbulenciamodell adta a legjobb eredményeket. Ezúttal viszont ugyanazon szimulációs eredmények felhasználásával nyomásalapú összehasonlítást végzünk.

Először is, jelentős különbség van a szimuláció időtartama és az iterációs szám között, amelyet maximum 1000 iterációra volt beállítva. Az alábbi táblázatban látható, hogy a k-ε a leggyorsabb, míg a k-ω SST és az RNGk valójában nem érte el a konvergenciát. A nyomáseredmények alapján számított globális reakciók összehasonlításakor azonban az eredmények viszonylag közel vannak egymáshoz, a felső (Rz) és az oldalfalakon (Ry) lévő szívások esetében több, az Rx esetében (amelyet a széltámadta falon lévő nyomás és a szélárnyékos oldali szívás eredményez) viszont kevesebb, különösen a k-ω esetében.

Megjegyzés: az Ry+ csak a téglatest egyik oldalfalának eredője, mert a másik oldal kioltja, így a globális reakció Ry = 0 kN

A megfelelő turbulenciamodellek kiválasztásához és a megfelelő nyomásalapú validáció elvégzéséhez célszerű a témával közvetlenül foglalkozó szélcsatorna-eredmények felhasználása. Ezen a területen Baines egyik legkorábbi, a ma használatos szabványok egyik alapját képező eredménye [2], valamint a Tokiói Műszaki Egyetem viszonylag új, alapos vizsgálata [3] szolgál kiindulópontként.

Ezen eredmények feldolgozására speciális eszközök kerültek kifejlesztésre. Baines eredményei adatbázis hiányában az eredeti kép kontúrvonalainak felhasználásával lettek reprodukálva, míg a TPU-kísérlet esetében a tényleges mérési pontok eredményeiből származó átlagos eredményértékeket a Grasshopper parametrikus környezetében lettek feldolgozva.

Megjegyzés: az eredmények megjelenítésének színátmenete nincs harmonizálva a nyomási paraméterek eredményeivel.

A TPU-eredményekből származó pontok által létrehozott háló átlagos élhosszúságot eredményez a szimulációk végrehajtásának elkezdéséhez. A 16 m x 16 m x 16 m-es kocka esetében a „cellaméret a szerkezeten”, vagyis az élhossz 2,28 m, ami az utófeldolgozásra alkalmas egységes hálót eredményez. A számítási tartomány finomításához r = 2 „hálósűrítéso tényezőt” választottunk, hogy a 16 m-es referenciamagasság alatti bemeneti cellaméretet érjünk el (2,28 x 2^r = 9,12 < 16). A szélprofil tekintetében a TPU-kísérlet alapján az Eurocode [4] szerinti III. kategóriájú terepet került kiválasztásra, amely hasonló turbulenciaintenzitású (Iv(zref) = 0,25). A szélsebesség alapértékének vb = 28,3 m/s lett felvéve, hogy q_p(z_ref) = 1 kN/m2 torlónyomást eredményezzen, a nyomási együtthatók (c_pe) és a felületi szélterhek (w_e) közötti könyebb átváltáshoz.

Megjegyzés: az alábbi hat eset eredményére vonatkozó színezés a felületi terhelés eredményei szerint vannak harmonizálva. A félkövér betűvel jelölt értékek a széltámadta, a felső és az egyik oldalsó felületre vonatkozó csúcsértékek (min vagy max), míg a keskeny betűtípus az átlagértéket jelöli. Az elöl lévő tengelyrendszer a felületi terhelések eredőit ábrázolja.

A kísérleti adatokhoz tartozó háló pontjait az utófeldolgozási hálóra közelség alapján történő vetítésekor megfigyelhető volt, hogy a Baines-eredmények általában alacsonyabbak. Ez az eltérés valószínűleg az élek és különösen a sarkok csökkent pontosságának köszönhető. A széltámadta oldalon azonban a maximális nyomástényező megközelítőleg 0,8, míg a szívóerő értékek szintén az Eurocode tipikus értékeihez közelítenek.

A globális reakciók vagy eredők vizsgálatakor a szimulációs eredmények általában megegyeznek a TPU eredményeivel, különösen a széltámadta oldalon. Ezzel szemben a szívott felületek, például az oldalfalak és a tető esetében a szimulációs eredmények átlagosan alacsonyabbak.

A nyomásalapú validálás szempontjából a k-ω SST nagyobb pontosságot mutat, különösen akkor, ha a szerkezet cellaméretét 1 méterre finomítjuk. Ez a finomítás javítja az eredmények korrelációját, beleértve a szívott oldalakat is. A modell robusztussága azonban megkérdőjelezhető, ami növeli a konvergenciához szükséges számítási időt.

Szerkezeti tervezés szempontjából ezeknek a terheknek a zónázása hatékonyan felhasználható, és a szabványokkal összevethető terheket eredményezhet a szerkezeti elemzés során. Ebből a megközelítésből máris két előnye látható a szimulált terheknek:

• A széltámadta oldalon a szélcsatorna kísérletekhez hasonló megoszlású terhek hozhatók létre, ami egyenletesen megoszló felületi teher helyett csökkentett terhelést eredményez (az Eurocode D zónája).
• Az oldalfalak esetében a terhek magasság menti csökkenése szintén szimulálható, ami az Eurocode A zónáinál kisebb terhelési területekhez vezet.

Bár az alapos, kétszeresen ellenőrzött validálás a szélcsatorna-kísérletek limitált háttérinformációi miatt kihívást jelenthet, a jelenlegi validálásaink már rávilágítottak arra, hogy a hálósűrűség és a turbulenciamodellek megfelelő kiválasztása kulcsfontosságú tényezők, amelyek jelentősen befolyásolják a nyomáseloszlást. A pontosság és a számítási hatékonyság közötti optimális egyensúly megtalálása továbbra is a béta tesztelési időszak kihívása marad. Éppen ezért a következő cikkekben tervezzük a validációinkat kiterjeszteni nagyobb léptékű, tipikus geometriájú modellekre. Célunk, hogy megkönnyítsük a használt szabványokkal való érdemleges összehasonlításokat, és átfogó iránymutatásokat nyújtsunk a szimulációs eredményekből feldolgozott hatékony szélteher-generáláshoz.

Referenciák:

[1] Dataprocessing and velocity-based validation on a simple block - https://consteelsoftware.com/ro/knowledgebase/dataprocessing-and-velocity-based-validation-on-a-simple-block/

[2] Baines, W. D., 1963. Effects of velocity distributions on wind loads and flow patterns on buildings, Proceedings, International Conference on Wind Effects on Buildings and Structures, Teddington, U.K., 26–28 June, 198–225

[3] Aerodynamic database for low-rise buildings - https://wind.arch.t-kougei.ac.jp/system/eng/contents/code/tpu

[4] EN 1991-1-4: Eurocode 1: Actions on structures - Part 1-4: General actions - Wind actions