بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسي پايداري واثر تداخل آيروديناميکي سيال و يک ساختمان بلند
چکيده
به خوبي ثابت شده است که باد را نميتوان يک پديده ي پايا در نظر گرفت و فشارها بر روي ساختمان هم در بعد مکان و هـم در بعـد زمان به طور وسيعي در حال نوسان هستند. امروزه با پيشرفت هاي حاصل از ساخت مصالح سبک با مقاومت هاي بالا، سازه ها رفته رفتـه بلند و لاغر شده اند. چنين سازه هايي بر کنش باد حساسند. تمام جنبه هاي مورد بحث پيرامون اثرات باد بر سازه را آئروديناميـک سـازه اي مورد بررسي قرار ميدهد. بسياري از سيستم هاي مکانيکي در مهندسي، توسط تعاملات سيال و سازه تاثير مي پذيرنـد. بـه خصـوص اگـر تعامل سازه و سيال منجر به رفتار کاملا متفاوت سيستم گردد، نبايد از اين کوپل شدن در شبيه سازي صرف نظر کرد. بنـابراين لازم اسـت طراحان ، اثرات متقابل باد و سازه را به دقت بررسي و نيروهاي حاصله را به درستي محاسبه نمايند.
هدف از اين تحقيق ، مطالعه رفتار سازه هاي بلند با در نظر گرفتن اثرات برهم کنش سازه -سيال ميباشد. نتايج حاصل از اين تحقيق که روي ساختمان استاندارد بلند CAARC١ به وسيله ي نرم افزار انسيس ٢ شبيه سازي شده ، با کارهاي عددي و نتايج تجربي به دست آمده از تونل باد، مورد مقايسه قرار گرفته است .
کلمات کليدي: آئروديناميک ، برهم کنش سازه -سيال ، ساختمان بلند، اثر باد، تلاطم
فهرست علائم
Cp ضريب فشار
E مدول يانگ
f فرکانس
H ارتفاع
L طول
W عرض
علائم يوناني
μ لزجت ديناميکي
υ ضريب پواسون
ρ چگالي
١. مقدمه
امروزه رقابتي براي طراحي و ساخت ساختمان هاي بلند ميان مهندسان و معماران برقرار است . برآورد دقيق بارهاي طراحي از ملزومات و زيربناي اساسي در طرح هر سازه اي به شمار مي رود. در بحث مهندسي سازه ، دو بعد جريان متلاطم بيشتر مطرح مي باشد: (حالت متلاطم باد طبيعي نزديک شونده به سازه – ايجاد تلاطم موضعي در باد به وسيله خود سازه ). از وظايف طراحان آن است که عملکرد سازه هايي را که تحت اثر نيروي باد قرار دارند، در طول عمر پيش بيني شده ، از نقطه نظر سلامت و سرويس دهي تضمين نمايند. براي دستيابي به اين مهم طراحان نيازمند به اطلاعات محيط باد، رابطه اين محيط و نيروهاي حاصل از آن بر سازه و نيز رفتار سازه تحت اثر اين نيروها مي باشند.[٣] بررسي ميدان جريان باد در اطراف ساختمان ها خصوصا ساختمان هاي بلند از اهميت بسزايي برخوردار است زيرا از يک طرف مي توان به اين طريق مقدار نيروي وارده بر ساختمان را به دست آورد و از طرف ديگر اثر وجود يک ساختمان بر ميدان جريان باد در اطراف ساختمان هاي مجاور را نيز بررسي نمود. با توجه به اين که نيروهاي ناشي از باد بر اساس شرايط ويژه موردنظر استاندارد برآورد مي شوند، ممکن است اين شرايط با شرايط ساختماني که در مورد آن تحقيق مي شود مطابقت نداشته باشد، لذا در چنين حالتي طراح بايد آزمايش هاي پرهزينه تونل باد را براي پيش بيني نيروهاي آيروديناميکي وارده به ساختمان انجام دهد و يا اين که از مدل سازي هاي کامپيوتري بهره بگيرد. انجام مدل سازي هاي کامپيوتري به دليل اينکه هزينه هاي انجام آن کمتر، زمان مورد نياز براي رسيدن به حل کوتاه تر است ، بهينه سازي با پرداخت هزينه ناچيز امکان پذير است و جزئيات ميدان جريان باد در تمام نقاط نسبت به آزمايش هاي تونل باد در اختيار است ، در اولويت قرار دارد.[١] حرکت سازه هاي بلند در سه مود عمل مي کند: حرکت در امتداد وزش باد، حرکت عمود بر امتداد وزش باد و حرکت پيچشي . ناپايداري آئروديناميک به پديده هايي مانند تلاطم جريان ، تشکيل گردابه و غيره در ناحيه پشت جريان و در اثر قرار گرفتن يک جسم هوابند در داخل سيال ، ايجاد مي گردد، گفته مي شود. ناپايداري آئروالاستيک به پديده اي گفته مي شود که در جسم يا سازه واقع در مسير جريان به وقوع مي پيوندد به طوري که جسم مذکور تحت نيروهاي آئروديناميک به گونه اي تغيير شکل مي دهد که تغيير شکل هاي اوليه ، باعث افزايش تغيير شکل هاي نوساني بعدي مي گردد اين پديده همواره به همراه نيروهاي آئروديناميکي است که در اثر حرکت خود جسم به حالت تحريک مي رسد که به اين نيروها، نيروهاي خود ارتعاش گفته مي شود. ناپايداري آئروديناميک خالص مي تواند باعث تغيير شکل سازه اي گردد و يا مي تواند باعث ناپايداري آئروالاستيک گردد. [٢]
پديده هاي آئروالاستيک ، پديده هاي مهمي هستند که بايستي در طراحي سازه هاي خاصي مورد بررسي و مدنظر قرار گيرند. زماني که جريان در نزديکي جسم هوابند فشرده مي شود، نيروهاي اينرسي باعث کاهش سرعت ذرات سيال در لايه مرزي مي شود. اثر اين کاهش به صورت گراديان فشار مخالف (منفي) ظاهر مي شود. اگر اين گراديان هاي فشار معکوس ، شديد باشند، براي مثال زماني که جريان برروي گوشه هاي يک جسم هوابند حرکت کند، باعث جداشدگي جريان مي شود.
در حالت کلي نقطه هايي که جدايي جريان درآنجا رخ مي دهد بستگي به فاکتور شکل پلان مقطع جسم و نيز بستگي به طبيعت وزش باد در عرض لايه مرزي جريان دارد. اگر جريان باد به صورت جريان آرام باشد، جدايي جريان زودتر (در نزديکي نقطه سکون ) اتفاق خواهد افتاد و اگر جريان آشفته باشد، جدايي جريان در نقطه پشت به باد رخ خواهد داد.
در برخي از روش ها فرض اساسي بر اين است که تلاطم جريان با ارتفاع تغيير نمي کند. اما در برنامه کامپيوتري مي توان اين تغييرات را در نظر گرفت که نهايتا به جواب هاي دقيق تري منجر خواهد شد.
١.١. تاريخچه کارهاي انجام شده بر روي ساختمان CAARC
براي اولين بار در سال ١٩٧٠ نتايج آزمايش هاي تونل باد روي آئروديناميک ساختمان CAARC که سازه ساده و استانداردي بود توسط Wardlaw و Moss ارائه شد. Whitbread در سال ١٩٧٥ ضرايب نيروهاي آئروديناميکي و ممان هاي واژگوني پايه ٣ براي مدل صلب ساختمان CAARC را به دست آورد و Blackmore در سال ١٩٨٥ مدل آئروالاستيک براي تخمين پاسخ هاي ديناميک سازه ها، تحت بادهاي پر شدت را مورد بررسي قرار داد. Tanaka و Lawen ١٩٨٦ تحقيقاتي روي فشار و آئروالاستيک ساختمان CAARC با استفاده از مدل بسيار کوچک (١:١٠٠٠) انجام دادند. Goliger و Mildford آزمايش هاي متعددي براي بررسي تاثير خطاهاي ناشي از آزمايشات تونل باد روي آئروديناميک ساختمان بلند را انجام دادند. Kwok اثرات پاسخ سازه ناشي از باد ، وقتي که گوشه هاي تيز ساختمان برداشته شود را بررسي کرد.
Obasaju، در سال ١٩٩٢ نتايج اندازه گيري نيرو و ممان هاي واژگوني پايه روي مدل ساختمان CAARC براي زواياي مختلف باد در جريان هاي لايه مرزي آرام و اتمسفري ارائه نمود. Thepmongkorn و همکارانش و Thepmongkorn و Kowk، پاسخ ناشي از باد روي ساختمان هاي بلند را با استفاده از مدل آئروالاستيک تهيه کردند. آنان مکانيزم هاي تحريک باد و اثرات ناشي از همسايگي ساختمان ها و بي قاعدگي هاي سازه ها را ارزيابي کردند. Tang و Kwok مطالعات اثرات داخلي را از طريق يک سري تست هاي تونل باد روي ساختمان CAARC با استفاده از مدل آئروالاستيک سه درجه آزادي 4 جديد با حرکات کوپل انتقالي-چرخشي انجام دادند. تحقيقاتي در مورد عکس العمل ساختمان بلند در مقابل تندباد در آزمايشگاه و در تونل باد توسط Letchford و Chen در سال ٢٠٠٤ ارائه شد Balendra و همکارانش مدل آئروالاستيک نيمه صلب ساختمان CAARC را به کار گرفتند و تکنيک هاي آزمايشگاهي جديد براي اندازه گيري هاي مستقيم جابه جايي هاي راس ساختمان هاي بلند را اعتبارسنجي نمودند. [٤]
بسياري از مقالات مربوط به شبيه سازي عددي روي آئروديناميک ساختمان به بررسي درباره ي مدل توربولانس اختصاص داده شده است در حالي که اثرات توربولانس نزديک گوشه هاي تيز به خوبي شناسايي شده و به عنوان يک ويژگي بسيار مهم با روش عددي توصيف شده است . آقاي Braun توانسته است با استفاده از مدل LES، براي توربولانس با توجه به حجم محاسباتي بيشتر، به دقت بالاتري نسبت به مدل هاي k-ɛ دست يابد. اخيرا Huang و همکارانش آناليزهاي آئروديناميکي روي مدل ساختمان CAARC را با استفاده از شبيه سازي هاي عددي انجام دادند. ضرايب آئروديناميک و شکل جريان حول ساختمان ، توسط نرم افزار تجاري CFD محاسبه شده است . [٤]
هرچند آناليز عددي روي مدل هاي ساختمان صلب در مهندسي باد بسيار متداول است ، مشاهده مي شود که مدل هاي ساختمان آئروالاستيک به ندرت توسط روش هاي عددي تحليل مي شود. به عنوان مثال Khan و Swaddiwudhipong از يک مدل بسيار ساده ي تداخل سازه -سيال استفاده کردند. روش هاي تداخل سازه -سيال در آناليزهاي آئروالاستيک ، به منظور لحاظ کردن اثر کوپل ميان نيروهاي مکانيکي و آئروديناميکي روي رابط سازه و سيال به کار برده مي شوند ولي شبيه سازي تداخل سازه -سيال بسيار زمان بر مي باشد، چراکه محاسبات جريان هاي پيچيده ي سه بعدي با حرکت مش را شامل مي شود. ارزيابي بار سيال روي سطح بدنه و حل زير سيستم سازه ، معمولا با استفاده از روش ضمني انجام مي شود. براي اطلاعات بيشتر درباره ي آناليز تداخل سازه -سيال ، بايد به کار انجام شده توسط Bathe و Zhang و همينطور Rugonyi و Bathe مراجعه شود. [٤]
١.٢. مشخصات ساختمان شبيه سازي شده
در اين مقاله تاثير بار باد روي ساختمان بلند CAARC و در نتيجه ي آن ، ارتعاش ساختمان و تاثير متقابل ارتعاش ساختمان روي باد را مورد بررسي قرار داده ايم .
ساختمان مورد نظر بدنه منشوري با راس تخت و سطح مقطع مستطيلي به طول [m] ٤٥ و عرض [m] ٣٠ و ارتفاع [m] ١٨٠ و داراي ديوارهاي مسطح ميباشد که تحت اثر باد با سرعت [m.s] ١٠٠ قرار گرفته است .
سازه ساختمان هاي با ارتفاع کم را معمولا مي توان به صورت جسم صلب تقريب زد، چراکه اثرات تقويت ديناميکي در اين مورد حائز اهميت نيست . ولي از آنجايي که سازه مورد بررسي يک ساختمان بلند و لاغر است و فرکانس طبيعي ارتعاشي آن کم است (معمولا کمتر از يک هرتز)، در اين سازه ، جابجايي هاي در طول باد به اندازه جابجايي هاي عمود بر امتداد باد مهم هستند، بنابراين جسم را انعطاف پذير مدل کرديم و اثرات غير خطي را در نظر گرفتيم .
فرضيات به کار رفته در مدل ساختمان عبارتند از:
• مواد مرکب تشکيل دهنده ساختمان از جنس الاستيک خطي هستند.
• تبادل گرمايي بسيار ناچيز است (ايزوترمال ).
• ساختمان جابجايي هاي بزرگ و پيچش را تحمل مي کند. [٤]
ويژگي هاي مکانيکي اين ساختمان عبارتند از:
١.٣. مشخصات جريان سيال شبيه سازي شده
در زمينه مهندسي باد، اغلب فرضيات زير براي شبيه سازي باد حاکم است :
• خطوط جريان باد طبيعي در محدوده جريان تراکم ناپذير در نظر گرفته مي شود.
• خطوط جريان باد طبيعي در محدوده جريان متلاطم در نظر گرفته مي شود.
• باد همواره با دماي ثابت در جريان است . (ايزوترمال )
• از جاذبه زمين براي مولکول هاي هوا صرف نظر مي شود.
• هوا را سيال نيوتني فرض مي کنند. [٤]
معادلات حاکم براي يک جريان سيال تک فاز ،غير قابل تراکم و نيوتني بدون وجود انتقال حرارت در حالت سه بعدي شامل معادلات مومنتم ، بقاي جرم و شرايط مرزي مربوطه مي باشد. اين معادلات بر حسب ترم هاي سرعت ، فشار جريان و زمان بيان مي شوند.
براي مدل کردن باد از پروفيل لايه مرزي براي جريان متلاطم (پروفيل تلاطم با شدت کم ) استفاده کرديم که با معادله قانون تواني مطابق است . پروفيل لايه مرزي متناسب با ناهمواري هاي زمين مورد بررسي از معادله ١ پيروي مي کند.
در معادله ١، V0 سرعت [m.s] ١٠٠ و n برابر ٠.١٩ ميباشد.
ويژگي هاي فيزيکي سيال در رينولدز ٨٠٠٠٠، عبارتند از:
١.٤. مشخصات دامنه سازه -سيال
آناليز برهم کنش سازه -سيال ، از جمله جريان هاي پيچيده اي که به وسيله معادلات ناويه -استوکس توصيف مي شوند، ممکن است با استراتژي هاي حل مجزا و يا همزمان انجام شوند. کوپلينگ نقش بسيار مهمي در مسائل شبيه سازي برهم کنش سازه -سيال بازي مي کند. در تحليل برهم کنش سازه -سيال ، بايد تعادل مکانيکي و پيوستگي جنبشي روي مرز مشترک بين سازه و سيال ارضا شود. در مسئله ي پيش رو که تحليل آئروديناميکي ساختمان هاي بلند تحت اثر بار ديناميکي باد است ، شبکه ي توليدشده براي جريان متلاطم به صورت غيريکنواخت است و در کنار ديواره ها و روي سقف ساختمان که جريان جدا ميشود، گراديان فشار و سرعت زياد است و بيشينه ي جابجايي شبکه در همين قسمت رخ ميدهد، شبکه ريزتر است . فاصله ي نقاط شبکه با دورتر شدن از ساختمان بيشتر ميشود. با توجه به پيچيدگيهاي جريان سه بعدي نياز شديدي به تراکم شبکه اطراف مرزهايي که داراي تغييرات زيادي بر پارامترهاي موثر در طول حل دارند، است .
دامنه محاسباتي سازه -سيال مورد نظر در شکل (١) آورده شده است و شرايط مرزي در هر مرز سيال نيز در جدول (١) گنجانده شده است . همينطور چگونگي مش بندي فضاي سازه و سيال نيز به ترتيب در شکل هاي (٢) و (٣) آمده اند. پس از انجام مرحله ي بررسي استقلال حل از شبکه به اين نتيجه رسيده شد که دامنه مش سيال ، مرکب از ٦٤٠٥٠٠ المان شش وجهي و ٦٦٠٠٤١ نود مي باشد که کوچکترين ارتفاع المان آن حدود ٠.١متر است که چسبيده به ديوارهاي ساختمان ميباشد.
از طرف ديگر ترتيب مش بندي سازه ساختمان به صورت المان هاي شش وجهي ٥ × ٨ × ٢٥ ميباشد و در تمام سطوح مشترک کاملا بر هم منطبق هستند.
١.٥. معادلات حاکم
از آنجايي که سرعت سيال هوا در اکثر شرايط طبيعي داراي ماخ کمتر از ٠.٣ است لذا جريان را مي توان غيرقابل تراکم فرض نموده و به اين ترتيب معادلات پيوستگي و ناويه -استوکس حاکم بر جريان با توجه به شرايط گفته شده در بخش قبل ساده تر مي گردد. معادلات حاکم براي يک جريان سيال تک فاز، غير قابل تراکم و نيوتني بدون وجود انتقال حرارت در حالت سه بعدي شامل معادلات مومنتم ، بقاي جرم و شرايط مرزي مربوطه مي باشد. اين معادلات بر حسب ترم هاي سرعت ، فشار جريان و زمان بيان مي شوند.
١.٥.١. معادله پيوستگي براي جريان تراکم ناپذير:
١.٥.٢. معادلات بقاي مومنتوم خطي:
