بخشی از مقاله
خلاصه
ساخت ساختمانهای بلند از ابتدای شکلگیری تمدنهای بشری و نیاز بشر به زندگی به صورت اجتماع در شهرها - خصوصاً شهرهای بزرگ - تاکنون توجه انسان را به خود معطوف داشته است. درساختمانها برآورد دقیق نیروهای وارد بر سازه از ملزومات و زیربنای اساسی در تحلیل هر سازهای به شمار میرود. در حالت کلی ساختمانهای بلند در مقابل نیروهای وارده از باد دارای سه نوع حرکت، حرکت در امتداد وزش باد، عمود بر امتداد وزش باد و حرکت پیچشی که بطور همزمان رخ میدهند، می باشند.
در این مطالعه، اثر نیروهای حاصل از وزش باد در جهتهای مختلف در یکی از ساختمانهای بلند مرتبه شهر مشهد با استفاده از نرمافزار متن باز اپنفم مورد بررسی قرار گرفت و نتایج بدست آمده با روشهای ارائه شده توسط محققین دیگر مقایسه شد. تاثیر پارامترهای متفاوت در جریان پایا که شامل عدد رینولدز و وزش جریان در جهتهای مختلف، مورد بررسی قرار گرفته است.
همچنین نتایج ضرایب آیرودینامیکی با نتایچ تجربی و دینامیک سیالات محاسباتی مقایسه شده است. نتایج شبیه سازی نشان میدهند که وزش باد در سازههای مرتفع باعث به وجود آمدن نیروهای عرضی و طولی قابل ملاحضهای میگردد. نتایج این شبیهسازی برای دستیابی به ضرایب آیرودینامیکی بهینه، طراحی شکل سازه و فاصله مناسب بین دو برج مورد استفاده قرارگرفت.
.1 مقدمه
تمامی سازههای عمرانی، پل ها و بخصوص ساختمانهایی با سقفهای عریض باید در مقابل بارهای خارجی که از طبیعت به آنها وارد میکند، مقاوم شده یا نیروهای مخرب وارد شده به خود را به مقدار قابل قبولی کاهش دهند.[1] نیروی باد یکی از عوامل مهم در ایجاد خسارتهای جانی و مالی می باشد. بنابراین محاسبه و تخمین دقیق بارهای وارد شده بر ساختمان به موجب جریان باد و کاهش این بارها بسیار مهم است تا اثر متقابل نیروهای وارد برساختمان خنثی شود.
پیشرفت تجهیزات سختافزاری و نرمافزاری موجب ایجاد شرایط مناسب برای استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی به منظور شبیه سازی جریانهای داخل و خارج ساختمان، در سال های اخیر شده است. بخش عمدهی کارهای عددی انجام شده در زمینه پیشبینی نیروی فشاری باد بر ساختمان، براساس هندسه مکعبی شکل است، با وجود سادگی هندسه مذکور، این هندسه تحلیلهای آیرودینامیکی پیچیدهای را شامل میشود و دادههای تجربی قابل توجهی در این زمینه موجود میباشد.[2] موراکامی [3] محسبات مطالعات عددی را در زمینه تخمین نیروی باد بر روی یک جسم حجیم با استفاده از مدل های توربولانسی کی- اپسیلون1 و مدل گردابههای بزرگ2 کار گرفت.
مشاهدات او حاکی از آن بود که اگرچه نتایج مدل کی-اپسیلون تفاوت چشمگیری با دادههای تجربی دارد ولی مدل گردابههای بزرگ تطابق خوبی را با نتایج آزمایشگاهی نشان میداد. دلانوی و میک کلسن [4] از مدل اصلاح شدهی کی-اپسیلون جهت پیشبینی فشار اشکال مختلف و مقایسه آن با نتایج آزمایشگاهی تونل باد استفاده کرد. او مشاهده کرد که در مورد جسم مکعبی شکل اختلاف نتایج در ناحیه جدایش جریان ایجاد میشود که موجب تخمین کمتر فشار در ناحیه پشت مکعب میگردد.
تامورا [5] از تکنیکهای مناسب محاسبات عددی جهت پیش بینی اثر باد استفاده کرد و پیشنهاد کرد که مدل اصلاح شدهی کی -اپسیلون میتواند در مورد مسایلی با هندسه ساده به کار گرفته شود و همچنین در مورد مسایل ناپایا مدل گردابههای بزرگ بایستی استفاده شود. از طرفی دیگر اندرکنش جریان باد با سطح زمین باعث همراه شدن گردابههایی با اندازههای مختلف همراه جریان باد می شود. این گردابهها باعث ایجاد حالت طوفانی و جریان توربولانسی در باد میشوند، که هرچه به سطح زمین نزدیک میشویم اثر آن افزایش پیدا می کند.
میانگین سرعت باد در یک بازه حدود ده دقیقه ای و بیشتر با افزایش ارتفاع افزایش پیدا میکند در حالی که خاصیت توربولانسی آن با افزایش ارتفاع کاهش می یابد.یکی از نتایج توربولانسی بار دینامیکی وارد بر سازه با اندازه گردابهها است . [6] تیلمن و همکاران [7] به صورت تحلیلی بار حداکثری ناشی از جریان باد را برآورد کردند. آنها با توجه به این نکته که ضرایب حداکثری فشار و نیروهای باد بهصورت نرمال توزیع شدهاند، به این نتیجه رسیدهاند که در ساختمانهای کوتاه توزیع ضرایب فشار و نیروهای باد به صورت گوسی نمیباشد و دارای یک توزیع غیر گوسی - توزیع گامبل - 3 می باشد.
.2 معادلات حاکم
به منظور این شبیه سازی، معادلات سه بعدی رینولدز ناویر استوکس برای جریان آشفته تراکم ناپذیر، به کار گرفته شده است. معادلات مذکور با استفاده از روش حجم محدود در کد متن باز اپنفم گسستهسازی شدهاند.
.3 شبکهبندی و دامنه حل
به منظور مدلسازی جریان اطراف برجها یک شبکه سه بعدی ساختار یافته به خدمت گرفته شده است. انتخاب شبکه ساختار یافته نسبت به انواع دیگر به دلیل مزیت آن در دقت و سرعت این نوع شبکه در جریانهای سهبعدی میباشد. زیرا دیگر انواع شبکه به دلیل عدم عمود بودن جریان بر وجه سلول دقت مناسبی را ارائه نمیدهند. طرح کلی شبکه ساختار یافته استفاده شده در پژوهش حاضر در شکل 1 نشان داده شده است. در شکل2 شرایط مرزی در ناحیه محاسباتی نشان داده شده است. شرط مرزی برای برجها غیر لغزشی3 به کار گرفته شد.
مرز سرعت ورودی در جلو دامنه به اندازه 3 برابر طول مشخصه برج - ارتفاع 94 متر - قرار داده شد تا اثرات گنبد فشار در نقطه سکون به مرز ورودی نرسد. شرط مرزی دیوارهای دامنه حل با فاصله 3 برابر طول مشخصه از مرکز دامنه و شرط مرزی فشار خروجی در انتهای دامنه با فاصله 15 برابر طول مشخصه در نظر گرفته شده تا اثرات نامطلوب شرط مرزی خروجی جریان بر جدایش گردابهها از پشت برجها به حداقل برسد. شرط مرزی سیمتری4 برای دیوارهای جانبی دامنه حل انتخاب شده است.
