אנליזות זרימה לצורך ניתוח עומסי רוח הפועלים על מבנים - ד"ר דורון שלו

מבוא

מגמת הבנייה לגובה של בניינים מעל 100 מ' הולכת וגוברת. 

בד בבד- כמות המבנים הלא רגולריים המתוכננים בארץ עולה משמעותית. 

התקן הישראלי לרוח, ת"י 414 , אינו נותן מענה הולם ואמין למבנים אלו בהיבט העומסים האופקיים הפועלים עליהם.

הניסיונות להכיל את הנחיות התקן על מבנים אלו יגרור בדרך כלל פילוגי לחצים גבוהים ומוטעים ביחס למציאות.

יתרה מזו מנחה התקן כי במקרים אלו, יש לפנות לגורמים נוספים בכדי לקבל פילוג לחצים מהימן כתוצאה מעומסי רוח:

• ניסויים, מנהרת רוח.
• שיטות אנליטיות - CFD – Computational Fluid Dynamic.

להלן האיזכור מת"י 414 (סעיף 1.1 – חלות התקן):

מנהרת רוח

• מדובר על ביצוע ניסוי על דגם מוקטן של המבנה, נהוג לכלול בדגם גם חלקים מהסביבה.
• הניסוי מבוצע במתקן ניסוי על ידי חברה המתמחה בתחום.
• היתרון בשיטה זו הוא הדיוק, ואילו החסרונות בשיטה זו הן העלויות והזמן הדרוש לביצוע הניסוי הכולל בניית מודל מוקטן וקשיח אינסופית של המבנה והסביבה, חוסר היכולת לנתח אזורים מקומיים שלא הוגדרו מראש, וחוסר היכולת להתחשב בגמישות המבנה הנבחן.

שיטות אנליטיות

• מדובר על בניית מודל מתמטי הן של המבנה והן של התווך (האוויר).
• פתרון משוואות הזרימה באופן נומרי.
• יחסי גומלין בין תווך האוויר לבין התווך המוצק המייצג את המבנה.
• ביצוע אנליזות לקבלת תגובת המבנה לעומסי הרוח הפועלים עליו.

שימוש בשיטה זו מאפשר בין היתר:

• ניתוח התנהגות גלובאלית של המבנה תחת פילוג לחצים מדויק.
• התנהגות מקומית בהיבט: קירות מסך, מרפסות, מעקות ופרגולות.
• טיפול במבנים גמישים.
• מתן מענה לתופעות דינאמיות תוך התחשבות באינטראקציה בין גמישות המבנה לרוח (FSI - Fluid Structure Interaction), תופעות כגון: VIV - Vortex Induced Vibration, השלת מערבולות, מבני תרנים.
• הצורך לחשב את רמת התנודה האופקית של מבנים ייחודיים, לדוגמא: כאלה הכוללים מעבדות וציוד רגיש לתנודת המבנה.
• אנליזות מקדימות לניסויים יקרים במנהרת רוח.

 

אנליזות זרימה מיוצגות על ידי משוואות נווייה-סטוקס. אין פתרון סגור - מחייב פתרונות נומריים.

 

 

• באנליזות מבנה אנו פותרים את המשוואות הדיפרנצאליות ברמת החלקיק (Lagrange), מבט מראשית הצירים.
• באנליזות זרימה פותרים את המשוואות ברמת התווך (Euler), המערכת מונחת ונעה על החלקיק.

במאמר זה נציג מספר מקרים בהם בוצעו אנליזות זרימה לניתוח במבנים שונים, כגון:

1. מבנה גמיש - אוהל מוזיאון הסובלנות בירושלים.
2. בחינת רמת התנודה האופקית של מבנה תחת זרימת רוח קריטית - מגדל עזריאלי שרונה.
3. התנהגות של אזורים מקומיים בהיבט קירות מסך, מתחם מגדלי מגורים נאות אריאל שרון. מעל 30 מפלסים.

 

לצורך ניתוח כוחות אלו בוצעה אנליזה מקיפה שחולקה לשני שלבים:

 

בשלב הראשון, בוצעה אנליזת זרימה תלת מימדית לצורך קבלת פילוג הלחצים המתפתחים בממברנה כתלות בעומס הרוח.

 

בשלב השני, נותחו הכוחות המתפתחים בעוגנים כתלות בפילוג הלחצים שהתקבלו בשלב הראשון.

 

כמו כן בוצעה השוואה עם עומסי רוח מחושבים על פי ת"י 414.

 

 

 

לתמונות נוספות של גיאומטריית המבנה, המודל המתמטי, תוצאות וקטור המהירות וגרדיאנט הלחץ היכנסו : לחצו כאן

להלן חישוב עומסי הרוח בגישת ת"י 414 עבור רוח בניצב לרחוב אבא הילל בלבד:

שלב ד' – כיול המודלים המתמטיים לתוצאות המדידה ולמנהרת רוח שבוצעו למבנה.

שלב ה' – ניתוח המהירות האופקית המתפתחת במבנה כך שתייצג את אופיין המהירויות במפלס האמור.

 

 

 

 

 

המדידות כללו שישה מדידי תאוצה ומדיד מהירות רוח אחד, האיור הבא מציג את מיקום המדידים.

 

 

לצורך איפיון משבי הרוח הפועלי על המבנה נותחו שלושה מקטעי זמן שונים, האיור הבא מציג את איפיון משבי הרוח הפועלים על המבנה.

• התייחסות לאזורים לוקאליים כגון קירות מסך.
• בחינת התזוזות האופקיות של המבנה למשבי רוח.
• היכולת להוזיל עלויות כתלות בניתוח מפל הלחצים המדוייק על מבנה לא רגולרי.

דורון שלו הנדסה 

משרד דורון שלו הנדסה בע"מ מציע מומחיות רב-תחומית ייחודית בתחומי ההנדסה האזרחית, ההנדסה האווירונאוטית ואנליזות המבנה.

החברה הוקמה בשנת 1992 על ידי ד"ר דורון שלו. ד"ר שלו בעל תואר Ph.D במכניקה שימושית, וכן מחזיק בתואר M.Sc ו- B.Sc בהנדסה אזרחית מטעם הטכניון בחיפה.

ד"ר שלו עובד במשרד התכנון משנת 1977, והוא שימש כחבר בוועדות תקינה ובוועדות מקצועיות במגוון תחומים של הנדסה אזרחית, לרבות תקינה בתחומי עמידות ברעידות אדמה.

המשרד אחראי על תכנון מבנים רבים שמיועדים למגורים, לתעשייה ולמסחר, והוא ביצע פרויקטים מוצלחים הן בארץ והן בחו"ל.

בנוסף, המשרד מספק שלל שירותים בתחומי ההנדסה האווירונאוטית והתעשייה. שירותי המשרד נשענים על ידע רב, עם ניסיון נרחב ועל מקצועיות גבוהה ללא פשרות. כעת מועסקים במשרד 12 עובדים מקצועיים, שדואגים לאתר את צורכי הלקוח ולהעניק לו את השירותים הנכונים והאיכותיים ביותר.