CFD برای بهینه سازی سازه چادری تحت نیروی باد

روش CFD یا تونل باد

یکی از سوالات معماران و مهندسین نا آشنا با سازه چادری این است که، آیا این سازه­ ها قابلیت تحمل بار باد و برف را دارد؟ پاسخ به این پرسش قطعا مثبت است. ما سازه­ های چادری در مناطق پرباد و برف مانند کرمانشاه و گیلان با استفاده از روش  CFD (تونل باد) اجرا کرده ­ایم که در طول سال­ها عملکرد مناسبی از خود داشته­ اند.

یکی از دغدغه ­های طراحان سازه چادری ایجاد تعادل میان استفاده بهینه از متریال­ها (هزینه اقتصادی) و دوام سازه در برابر بارهای وارده است. که استفاده از روش CFD به ابن امر کمک خواهد کرد. فرآیند طراحی سازه پارچه­ای یک فرآیند سعی و خطا با هدف بهینه سازی در متریال­ها است. به نحوی که عملکرد سازه ­ای آن تحت شعاع قرار نگیرد. شاید بپرسید مهندسین چگونه از عملکرد سازه چادری در برابر باد اطمینان حاصل می­کنند؟ باد اکثرا به صورت نیروی مکش بر چادرها اعمال می­شوند. تقریبا همیشه نیروی باد تعیین کننده وزن پارچه و تنش های داخل کابل و سازه چادری است. محاسبه نیروی باد با شیوه ­های متفاوتی انجام می­پذیرد. که از متداولترین آنها می­توان به رویکرد نیمه­ استاتیک، تونل­ باد و مدل CFD اشاره کرد.

   ۱٫ رویکرد نیمه­ استاتیک (کدهای آیین­ نامه)

در رویکرد CFD تصور می­شود که ماهیت دینامیک باد تاثیر بزرگی بر روی سازه چادری نداشته باشد و قابل صرف نظر است. در نتیجه بار باد می تواند از نوع استاتیک مدل شود. با این فرض میزان بار باد بر اساس آیین نامه ­های مناسب سازه چادری شبیه سازی خواهد شد. این بار در شیوه نیمه ­استاتیک به صورت یک نیروی عمود بر سطح در نظر گرفته خواهد شد. برای محاسبه میزان فشار باد وارد بر سازه چادری از یک ضریب بی­ بعد (C_P)‌ استفاده می­شود (EN1991-1-4). این ضریب با توجه به شکل هندسی سطح چادر متغیر خواهد بود.

یکی از محدودیت ­های رویکرد نیمه ­استاتیک عدم کاربرد آن در سازه­ هایی است که شکل هندسی آن پیچیده باشد. برای مثال مطابق اسناد آیین نامه اشکال مستطیل و مثلث مقادیر C_P مشخصی دارند. اما برای اشکال پیچیده سازه چادری مانند زین­ اسبی و کونیک این مقادیر مشخص نیست. در این­گونه مواقع استفاده از نمونه­ های واقعی تونل باد برای محاسبه C_P پیشنهاد می­ گردد.

      ۲٫ نمونه سازی در تونل باد

یکی از متداول ترین شیوه­ های آزمایشگاهی برای اندازه­ گیری بار باد بر روی اعضای سازه­ ای با اشکال هندسی خاص تونل باد است. در اکثر آزمایش های تونل باد جنس چادر سازه چادری صلب فرض شده و با ماده ­های سخت جایگزین می­ شود. به عبارت دیگر فرض شده که چادر تحت تاثیر باد جابجایی بزرگ نخواهد داشت. اگرچه این فرض تا حدودی غیر واقعی است؛ اما هزینه­ های آزمایش را به شدت کاهش می­ دهد. سخت فرض کردن رویه چادرها نه تنها بر روی مسیر جریان باد تاثیر می­گ ذارد. بلکه بر روی تغییر شکل­های موضعی سازه های چادری نیز موثر است. که نتیجه آن انتقال غیر دقیق بارها به سازه­ ها خواهد بود.

بسیاری از استادیوم ­های جهان که از سازه چادری استفاده می کنند، پیش از ساخته شدن در ابعاد کوچکتر مدل سازی می­شوند و تست تونل باد بر روی آنها انجام می شود. یکی دیگر از محدودیت­ های این شیوه آزمایش، خطای حاصل از کوچک ­سازی نمونه­ ها است. بسیاری از رفتارهای سازه ­های چادری غیر خطی است و در صورت کوچک کردن ابعاد ضرایب موثر ثابت نخواهد ماند؛ در نتیجه این خطا دقت نتایج تونل باد را تا حدودی کاهش می­دهد. اگر چه استفاده از تونل باد یک روش نسبتا مطمئن و دقیق برای محاسبه مقادیر C_P و نیروهای باد وارد بر سازه چادری است اما هزینه بالای آن استفاده این شیوه را به شدت محدود کرده است.

   ۳٫ شبیه سازی تونل باد از طریق CFD (Computational Fluid Dynamics)

CFD یک شیوه طراحی و تحلیل سازه های چادری بر اساس محاسبات کامپیوتری است. نرم افزارهای CFD این امکان را ایجاد می­کند که جریان هر سیالی مانند باد را از مدل سازه ه­ای خود با فرضیات از پیش تعیین شده عبور دهید. نتایج آن را به صورت دقیق برداشت کنید. با استفاده از این نرم افزار کاربر قادر خواهد بود که مدل مجازی از سازه چادری خود ساخته . تصاویر و عکس العمل سازه در هر سناریوی عبور سیالات را مشاهده کند (Palmer et al. 2003).

CFD یکی از جایگزین­ های اقتصادی برای تست­ های تونل باد است. در پروژه­ های کوچک و متوسط که محدودیت­های زمانی و مالی پروژه مانع  از بکارگیری تونل باد هستند، استفاده از شبیه­ سازی­ های کامپیوتری بسیار متداول است. تهیه فرم نهایی چادری با در نظر گرفتن نتایج مدل CFD باعث بهینه­ سازی در متریال مصرفی و کاهش هزینه نهایی پروژه برای کارفرمایان می­گردد. با استفاده از CFD می ­توان با دقت قابل قبول توزیع فشار بر روی سطح چادر را بر اثر فشارهای داخلی و خارجی به خوبی شبیه­ سازی کرد. نتایج حاصل از نرم افزارهای CFD با تونل باد در تحقیقات متعددی مقایسه شده است و در اکثر آنها نتایج بدست آمده قابل قبول می­ باشد (Susila I G 2000).

۳-۱ چگونه سازه چادری را در نرم افزار CFD مدل کنیم ؟

شبیه سازی سازه چادری در نرم افزارهای CFD دارای چندین مرحله است.

گام اول:

در اولین گام می­بایست شرایط محیطی مانند ساختمان ها و محیط اطراف به صورت حدودی مدل شود. دقت این مدل سازی با توجه به دقت مورد نظر برای نتایج خروجی تعیین می­گردد.  اجسام محیطی تا جایی که تغییرات جریان و سرعت باد در مدل چادری موثر است ادامه می­یابد.

گام دوم:

گام دوم مدل سازی ۳ بعدی سازه و چادر است. در این شبیه­ سازی می­بایست شرایط محیطی چادر، مش بندی دقیق چادر مطابق با تار و پود آن و ابعاد سازه به دقت مدل شود. به دلیل محدودیت های نرم افزار CFD، به طور معمول طراحی فرم های چادر جداگانه انجام شده و با اتصال چندین نرم افزار مدل ۳ بعدی سازه چادری شبیه سازی می­گردد. در گام آخر می بایست سرعت باد و جریان باد با توجه به واقعیت های محل پروژه در نرم افزار به دقت تعریف شود. در این مرحله توابع رفتاری باد و نحوه و سرعت حرکت باد در محل پروژه شبیه سازی می­گردد.

در طول فرآیند طراحی سازه چادری نتایج حاصل از شبیه سازی نرم افزار CFD در قالب بارهای باد بر روی چادر بررسی می­گردد. مهندسین تلاش می کنند با تغییر فرم هندسی سازه توزیع بارها بر روی چادر را بهینه کنند. به ازای هر تغییر کوچک در شکل هندسی کلیه فرآیند مدل سازی در نرم افزار CFD مجدد انجام می ­شود و میزان بهینه سازی مدل توسط مهندسین ارزیابی می­گردد. در فرآیند طراحی، محورهای متفاوتی برای وزش باد در نظر گرفته می­شود که تمامی مراحل بیان شده برای هر محور به صورت جداگانه اتفاق می ­افتد. اگر چه مدل سازی و بهینه سازی سازه ­های پارچه­ ای تحت تاثیر بار باد در نرم افزارهای CFD فرآیندی زمان بر است؛ اما نتایج آن در میزان متریال مصرفی و اطمینان از عملکرد مناسب سازه غیر قابل انکار خواهد بود.

۳-۲ مزایای شبیه سازی CFD

در ده­های اخیر با پیشرفت تکنولوژی و افزایش توان محاسباتی کامپیوترها علم مهندسی دچار تغییرات گسترده ای شده. و هزینه محاسبات مهندسی به شدت کاهش یافته است. با پیشرفت علم، شبیه­ سازی­ های کامپیوتر جایگزین نمونه سازی های واقعی شده. امکان بکارگیری نتایج نسبتا واقعی برای همه مهندسین و اکثر پروژه ها به وجود آمده است. امکان بکارگیری شبیه سازی کامپیوتری مدل­ های تونل باد مزایای زیادی را برای مهندسین طراح سازه چادری به همراه داشته. که در ادامه مختصر بیان شده است:

1. سادگی کار:

مدل­های CFD این امکان را فراهم کرده ­اند. تا به سادگی تاثیر وزش باد در جهت­ های متفاوت بر روی سازه چادری را بررسی کنیم. علاوه بر آن امکان در نظر گرفتن شرایط محیطی و موانع طبیعی به سادگی در مدل میسر است.

۲٫ هزینه کمتر:

هزینه شبیه سازی CFD در مقایسه با تونل باد به شدت کاهش یافته.  علاوه بر آن خطاهای حاصل از تغییر ابعاد در مدل­های تونل باد در مدل­های CFD حذف شده است.

۳٫ افرایش سرعت:

زمان مورد نیاز برای یک شبیه سازی کامل در نرم افزار CFD در مقایسه با زمان مورد نیاز برای استفاده از تونل باد بسیار اندک است. ساخت یک مدل نمونه در ابعاد کوچک برای تونل باد به چندین هفته زمان نیاز دارد؛ در حالی که پیچیده ­ترین فرم های سازه چادری در طول چند ساعت در نرم افزارهای CFD مدل می­ شوند.

۴٫ امکان سعی و خطا:

کاهش زمان مدل سازی ۳ بعدی مجازی این قابلیت را به مهندسین می­ دهد که طی فرآیند سعی و خطا سازه چادری را طی چندین مرحله بهینه سازی کنند. زیرا تغییر در شکل سازه و فرم چادر در کامپیوتر به سرعت انجام می­ گردد. در نتیجه در پروژه ­هایی که از CFD برای بارگذاری بار باد استفاده می­ شود. انتظار می­رود نتایج بسیار بهینه و اقتصادی باشد.

منابع :

• Palmer G, Vazquez B, Knapp G, Wright M, Happold B (2003). “The practical application of CFD to wind engineering problems.” Eighth International IBPSA Conference pages 995 – ۹۹۹
• Susila I G (2000) “Wind load predicting; how could CFD replace Wind Tunnel Test?” pages 1-15