Coniugare il mondo delle simulazioni del vento con la progettazione strutturale
NOTA: il testo è tratto da un articolo dell’ing. Ádám Kis. Il testo originale, in lingua inglese, si trova al presente link.
La progettazione strutturale contempla l’utilizzo di fattori di sicurezza, introdotti empiricamente e derivanti dall’adozione di approcci statistici, applicandoli in vari contesti standard di analisi così come descritti dalle norme.
Quando il modello geometrico degli edifici e i carichi che agiscono su di essi assumono geometrie molto particolari, i risultati possono differire significativamente dalla realtà a causa delle semplificazioni introdotte dal progettista. Pertanto, quanto più il modello numerico è distante dalla realtà fisica, tanto più dovrebbe crescere una preoccupazione legittima nell’ingegnere strutturale: questo vale anche per le semplificazioni che conducono a risultati in eccesso di sicurezza.
Il distacco può dipendere dagli strumenti adottati ed essere significativo, ad esempio, nella valutazione degli effetti del vento nei casi di esigenze architettoniche particolari. Questo è il motivo per cui i metodi di simulazione fluidodinamica computazionale (CFD) si stanno sempre più affermando come una soluzione alternativa alle sfide imposte da geometrie non convenzionali rispetto alle soluzioni conservative offerte dalle norme e alla via sperimentale, che utilizza prove in galleria del vento.
A questo scopo, l’utilizzo di OpenFOAM come motore CFD offre un’ampia gamma di soluzioni al problema. Tuttavia, condurre una simulazione di questo tipo richiede un input adeguato, dove si possano definire compiutamente, con flessibilità e con semplicità tutti i parametri necessari per la simulazione. Questa richiesta, non ancora soddisfatta dal mercato, ha determinato in ConSteel Solutions Ltd la decisione di avviare l’implementazione di questa soluzione all’interno di Consteel, partendo da ricerche sperimentali sull’argomento.
Ciò ha portato all’introduzione di una nuova funzionalità, grazie alla quale è possibile definire comodamente i parametri della simulazione utilizzando OpenFOAM come motore, anche senza una conoscenza approfondita di tale strumento.
Interpretazioni del codice di progettazione nel caso di strutture a forma libera
L’effetto del vento che agisce su una struttura può essere calcolato a partire dalla velocità media del vento e dalla velocità del vento generata dalla turbolenza intorno all’edificio. La EN-1991-1-4 definisce gli effetti generati dal vento come pressioni superficiali semplificate dalle quali derivano le azioni sulle strutture, valutate considerando la forma della struttura, la sua posizione, la rugosità del terreno, ecc.
Pertanto, i carichi del vento possono essere considerati come una pressione esterna quasi statica determinata come risultato del prodotto della pressione di picco (all’altezza “z” dal suolo) per i coefficienti di pressione di riferimento, che sono proposti dalla norma solo per alcune sagome regolari: coperture piane, a falde, volta cilindrica, ecc.
Con tale approccio, determinare questi coefficienti di pressione esterna per la struttura a forma libera sottostante potrebbe essere davvero impegnativo. Innanzitutto, a causa della pendenza relativamente bassa del tetto della struttura, è difficile decidere se considerare il tetto come una copertura piana o come una volta cilindrica (a causa del fatto che si adatta alla superficie di una sfera).
Nel secondo caso, la norma porta alla stima di tre diversi valori caratteristici, a seconda dell’altezza di gronda, dell’altezza della copertura e del diametro dell’edificio. L’applicazione di questi valori alla geometria della copertura è piuttosto discutibile, soprattutto ai bordi.
Figura 1. Coefficienti di pressione esterna sul tetto
Dubbi analoghi sorgono quando si tenta di applicare i coefficienti di pressione su pareti che non sono di forma regolari
Figura 2. Coefficienti di pressione esterna sulle pareti della struttura a forma libera
Simulazioni CFD
La fluidodinamica computazionale è una branca della meccanica dei fluidi che si occupa della simulazione numerica e dell’analisi dei fenomeni di trasferimento di calore nei fluidi. La CFD prevede l’utilizzo di algoritmi informatici e metodi numerici per risolvere le equazioni che governano il flusso dei fluidi, come le equazioni di Navier-Stokes, su un dominio discretizzato contenente volumi di elementi finiti. Per la gestione di questo tipo di problemi, OpenFOAM è sicuramente uno dei toolkit più adatti.
OpenFOAM contiene due tipologie principali di “applicazione”. Le applicazioni di tipo Solutore sono adatte per risolvere problemi meccanici specifici di corpi solidi o liquidi, mentre le applicazioni di tipo Utility possono essere utilizzate per la creazione di mesh e la gestione dei dati.
Per preparare una simulazione basata su CFD, è possibile seguire i seguenti passaggi principali:
- sviluppo dei processi preliminari di generazione delle mesh, per creare un modello adatto sia alla simulazione che alla definizione dei carichi;
- definizione dei parametri di input (velocità del vento, vp(z) corrispondente al valore di picco della pressione del vento, direzione del vento, lunghezza di rugosità z0, condizioni al contorno, ecc.);
- generazione della mesh a volume finito (tipo di mesh, controlli di snap, ecc.);
- definizione del modello di turbolenza e del solutore (condizioni iniziali del dominio, controllo della corsa, ecc.).
La simulazione sviluppata e di seguito descritta utilizza un modello di turbolenza specifico, che gestisce le equazioni differenziali dell’energia cinetica e della velocità di distribuzione dell’energia (modello K-ε), con il solutore simpleFoam (SIMPLE = Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations).
In questo scenario, la simulazione presuppone le seguenti condizioni:
- corpi rigidi incomprimibili;
- flusso turbolento;
- nessun tempo fisico, pressione quasi statica.
Il flusso di lavoro generale per la valutazione degli effetti del vento
In coerenza ai passaggi descritti, ConSteel Solutions Ltd ha avviato lo sviluppo di un servizio che, nel modo più automatico possibile, crea una “pre-mesh” per l’assegnazione dei carichi e prepara i dati necessari per OpenFOAM, che genera quindi una mesh a volume finito (fase di pre-processo) ed esegue poi la simulazione (fase di processo dei dati), come mostrato di seguito.
Grazie a questa nuova funzionalità l’utente, oltre alle informazioni geometriche e di meshing, quali la dimensione della cella dei carichi desiderata e la sua raffinatezza, dovrebbe fornire solo la velocità di base di riferimento del vento, la direzione e la categoria del terreno per definire un profilo di vento secondo, ad esempio, il profilo fornito dall’Eurocodice e corrispondente alla pressione della velocità di picco).
Figura 3. Rappresentazione delle fasi di pre- elaborazione e di elaborazione dei dati
L’attuale sviluppo mira ad una caratteristica aggiuntiva e allo stesso tempo principale (fase di post-elaborazione), che offre una conversione automatica dai valori di pressione risultanti ai carichi superficiali utilizzabili in base alle preferenze degli utenti. Sarà così possibile assegnare direttamente i risultati della simulazione alla premesh, oppure applicare una logica di zoning.
Figura 4. Carichi superficiali creati dopo una diversa post-elaborazione
Figura 5. Carichi superficiali del vento generati in Consteel e analisi conseguente
In conclusione, si può facilmente intuire il potenziale della nuova funzione, principalmente derivante dalla sua versatilità.
Tuttavia, sebbene la CFD possa essere utilizzata per eseguire simulazioni molto accurate, l’esperienza dimostra che la sua affidabilità dipende in larga misura dalla qualità dei parametri di input. Rimane quindi necessaria una minima competenza di fluidodinamica, ma lo stato attuale dello sviluppo offre già una soluzione utilizzabile per gli ingegneri strutturali, al fine di creare queste simulazioni in modo relativamente semplice.
Il servizio sarà implementato su più canali, utilizzando le piattaforme di ConSteel Solutions Ltd esistenti: Consteel (utilizzo diretto nei modelli Consteel compatibili), Steelspace (utilizzo basato su cloud per modelli compatibili) e Grasshopper (utilizzo su qualsiasi modello definito nell’ambiente GH, ad esempio con Pangolin) per renderlo disponibile al maggior numero possibile di ingegneri.
Figura 6. Simulazione sulla struttura di forma libera
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Ing. Federico Francia
