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 נומריות החלו להתפתח עוד בשלהי שנות ה- 60 של המאה הקודמת בתעשיית הרכב והתעופה. מגמה זו גברה ככל שכלי העבודה הממוחשבים השתכללו. 
 
כך נוצרה ההזדמנות לשלב אנליזות זרימה דינאמיות ממוחשבות, CFD - Computational Fluid Dynamic.
 
אנליזות זרימה מיוצגות על ידי משוואות נווייה-סטוקס. אין פתרון סגור - מחייב פתרונות נומריים.
 
 
 
 
גישת הפתרון לאנליזות זרימה שונה מהגישה לפתרון אנליזות מבנה:
  • 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.

 

מבנה גמיש - אוהל מוזיאון הסובלנות
 
פרויקט מוזיאון הסובלנות בירושלים תוכנן על ידי משרד ירון-שמעוני-שחם.
 
הפרויקט כולל אוהל בגאומטרייה משתנה בממדים כלליים של 35x30 מ' במתחם.
 
מטרת האנליזות "לבחון את הכוחות המתפתחים בעוגני הממברנה כתלות בעומסי הרוח בלבד".
 
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:

  • P = qb*Ce*Cd*Cf
  • qb - לחץ הייחוס של הרוח. בהנחת מהירות רוח של 36 [מ'\שנ']: qb = (v^2/16) = 81 [kg\m^2] qb
  • Ce - מקדם החשיפה. בהנחת דרגת חספוס של IV נקבל Ce = 1.2.
  • Cd - בהזנחת תופעות דנאמיות, Cd = 1.0. 
  • Cf - מקדם הכוח האווירודינאמי המורכב מהלחץ החיצוני Cpe והלחץ הפנימי Cpi. במקרה הנדון נניח מבנה דו שיפועי עם שיפוע של 30 מעלות.

 

 

 
 
 

תוצאות – רוח מכיוון רח' אבא הלל

ת"י 414

 

תוצאות – רוח מכיוון רח' אבא הלל

CFD

 
 
מסקנות
 
התקן אינו מתאר נכונה את המקרה, והכוחות המתקבלים בכבלים שונים בגודלם ואף בכיוונם.
ניתן לייחס זאת לשלושה היבטים:
  1. התקן אינו מתאר בדיוק את המקרה האמור.
  2. כיווני זרימת הרוח במציאות אינם תואמים את התקן במלואם.
  3. התקן אינו מתייחס לעובדה שהממברנה קרובה לקיר חזית המוזאון ובתוך כך נוצרת אינטראקציה בזרימה בין שני הגופים.

 

 
בחינת רמת התנודה האופקית של מבנה - מגדל עזריאלי שרונה
 
בניין עזריאלי דרום הקרייה ביזמות חב' עזריאלי תוכנן על ידי משרד י. דוד מהנדסים בע"מ.
 
חברת סטרט-אפ מתמקמת במפלס 48 בבניין ומייעדת שטח למעבדה הכוללת ציוד רגיש לתנועה אופקית בדגש על פעילות שכיחה יומיומית כגון פעילות זרימת רוח.
 
עלה החשש כי תזוזות ומהירויות אופקיות של מפלסי המבנה שמקורם בעומסי רוח ישבשו את תפקוד הציוד הרגיש.
 
משרדנו התבקש לשקף ולאפיין את תנועת הבניין במפלס האמור תחת פעילות זרימת רוח אשר הוגדרה על ידי הלקוח כ"רוח קריטית".
 
 
 
תוכנית הפעולה
 
שלב א' - ניתוח מהירויות רוח אופייניות באזור.
שלב ב' - ביצוע מדידות באזור לאפיון תדירות המבנה, מהירות ותזוזה האופקית במפלס האמור וכן איפיון של משבי רוח באזור האמור.
שלב ג' - בניית שני מודלים מתמטיים, הראשון מודל זרימה למטרת אפיון פילוגי הלחצים המתפתחים במבנה כתלות במהירות הרוח. השני מודל מבני לצורך חישוב התגובה הדינאמית של המבנה הכוללת במקרה זה את המהירות האופקית כתלות בתוצאות מודל הזרימה.
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.
 
 
 
 
 
 
אפיון מהירות הרוח באזור: V = 6 m/s. 
 
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.

 
 
 
 
 
 
לתמונות נוספות של אפיון מהירויות הרוח, ניטור התגובה הדינאמית ואפיון משבי רוח במבנה, המודל המתמטי, מהירויות, לחצים, ניתוח תגובת המבנה - מודל מתמטי, תדרים עצמיים, עומסים, תזוזות ומהירויות היכנסו: לחצו כאן
 
 
 
התנהגות מקומית בסמוך לקירות מסך - מתחם מגורים נאות אריאל שרון
 
פרויקט "נאות אריאל שרון" ביזמות של חב' קרסו נדל"ן כולל 6 מגדלים בכ 35 מפלסים. מתוכנן על ידי אדריכלים יסקי-מור-סיוון.
 
קונסטרוקציה - משרד דורון שלו הנדסה.
 
כרגיל - נערך תכנון מערכות תומכות לקירות מסך, חלונות ודלתות זכוכית על ידי יועץ האלומיניום.
 
בדרך כלל על פי פילוגי לחצים על בסיס ת"י 414.
 
היות ומדובר במבנה בעל גאומטריה לא שגרתית, ת"י 414 אינו מפרט כראוי את פילוגי הלחצים בחזיתות המבנה.
 
הרכיבים המייחדים את חתך המבנה ואשר אין להם מענה מדויק בתקינה כוללים: צורת משולש בעל קודקודים מעוגלים אשר מקיפים שטחי מרפסות, חלקן מרוצפות וחלקן כוללות חללים וכל זאת מאחורי קורות שפה.
 
במבנה גיאומטרי שכזה צפויה להיווצר זרימה טורבולנטית הן גלובלית סביב התכנית המשולשת והן לוקאלית באזורי הקורות ההיקפיות והמרפסות החלקיות.
 
 
מטרות העבודה
  • לאפיין נכונה את פילוגי הלחצים הפועלים על המבנהכתלות בעומסי הרוח.
  • בחירת מערכת אופטימלית עבור תמיכת קיר המסך, כתלותבעומסי הרוח.

 

בתמונות הבאות ניתן לראות את המודל המתמטי:

 

 
 
 
לתמונות נוספות של הגדרת עומסי רוח, ותוצאות המהירויות היכנסו: לחצו כאן
 
 
סיכום
 
מתוך מפל הלחצים שהתקבל מהאנליזות שבוצעו, אופיין המבנה התומך לקירות המסך.
מהשוואה לעומסים המקוריים אשר חושבו על ידי יועץ האלומיניום על פי ת"י 414 , נמצא כי התקבל חיסכון של עשרות אחוזים אשר משמעותו עבור פרויקט בסדר גודל שכזה – רבה מאוד !
 
 
 
סיכום
בהרצאה זו הוצגו אנליזות זרימה למספר מבנים שאינם מקבלים מענה בת"י 414.
 
מתוך הדוגמאות שהוצגו ניכר כי לביצוע אנליזות זרימה במבנה יתרונות רבים, בינהם:
  • 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.

הוסף תגובה
צור קשר