Ruolo della simulazione CFD a supporto della progettazione edile

Cos’hanno in comune le forze del vento agenti sulle strutture, i flussi del vento su una piazza circondata da edifici, le masse di aria calda che si muovono in un’abitazione? Sono fenomeni fisici che possono essere simulati mediante il calcolo grazie a software che implementano l’analisi fluidodinamica (CFD). Queste tecnologie sino a ieri non erano a disposizione a causa di software ancora di uso complesso e di ardua comprensione.

 

Ci si rivolgeva solo in casi estremi alle simulazioni in scala all’interno delle gallerie del vento con costi dello studio piuttosto elevati. Oggi le tecnologie hanno permesso di abbattere alcune barriere dell’analisi CFD, in primis la difficoltà di creazione della griglia di calcolo (mesh). Karalit è il primo software CFD interamente pensato per le applicazioni dei settori dell’Architettura, dell’Ingegneria.

 

Ma quali sono le più frequenti applicazioni del CFD nel settore delle costruzioni?


Le azioni del vento

Si tratta del caso più popolare di applicazione del CFD, con il quale è possibile determinare le azioni del vento su strutture con volumi che si discostano dalle forme geometriche considerate dalle normative. Edifici di forma complessa, facciate vetrate dalle geometrie articolate, pannelli solari, tettoie, tralicci, antenne e tensostrutture sono solo alcuni esempi che indicano quanto frequente sia la necessità di determinare le forze su forme non convenzionali.

 

La simulazione numerica CFD può essere utilizzata per comprendere quanto i calcoli semplificati si discostano dalla realtà.

 

In alternativa ad una estesa indagine di ottimizzazione aerodinamica di forme, potrebbe essere sufficiente ricorrere alla galleria del vento per un primo modello, usato poi per calibrare un modello numerico che possa essere successivamente modificato e analizzato sino ad ottenere la forma obiettivo.


Il comfort in ambienti urbani

La costruzione di un edificio inevitabilmente cambia il microclima del vicinato. La velocità del vento, la sua direzione, l’inquinamento, la direzione della pioggia, la radiazione solare, sono tutti aspetti del microclima che si modificano con l’introduzione di un nuovo edificio.

 

Il cambiamento sfavorevole della velocità e direzione del vento può causare effetti indesiderati o addirittura pericolosi per le persone che fruiscono dello spazio urbano. Molte pubbliche amministrazioni ed alcuni Governi si stanno impegnando a prescrivere garanzie su questo.

 

In genere si richiede che la velocità del vento non superi alcuni limiti che dipendono dall’attività delle persone (sedute, in cammino). Le tabelle riportate in questo articolo riassumono alcune normative di riferimento.

Anche in questo caso, data la distribuzione del vento in un’area geografica, è possibile oggi analizzare le velocità del vento all’altezza prescritta dalle norme (generalmente ad una altezza di m 1,75) mediante l’analisi CFD. È possibile simulare come le forme causino il cambiamento della direzione del vento, verificare la possibilità di ventilare efficientemente un’area circondata da volumi, controllare l’efficacia di barriere naturali o artificiali a protezione di una autostrada.

 

Recenti studi (Blocken and Carmeliet, 2004) dimostrano che porre rimedio a effetti indesiderati del vento su edifici o luoghi, una volta finalizzata la progettazione o realizzata l’opera, risulta sempre di scarsa efficacia e che risulta diffusa in tutto il mondo una sottovalutazione dello studio di tali effetti da parte dei progettisti. In questo settore l’analisi CFD può diventare elemento determinante per il successo di una progettazione.

 

Campo di velocità per analisi di comfort su un piano vicino al terreno


Le Linee Guida AIJ per l’utilizzo di simulazioni CFD per il comfort urbano

Le Linee Guida AIJ (Architectural Institute of Japan), 2008, costituiscono il più interessante ed autorevole riferimento al corretto uso delle simulazioni CFD. Indicano suggerimenti circa le dimensioni del volume di calcolo, sulla modellazione degli edifici vicini, la modellazione di piccoli ostacoli come cartelloni e alberi, la dimensione della griglia di calcolo, il profilo delle velocità al contorno di ingresso e le condizioni al contorno in uscita del flusso, i parametri di modellazione della rugosità del piano e degli edifici, i modelli di turbolenza adottati, i criteri di convergenza dell’analisi, ecc.

 

Azioni del vento sulla facciata di un edificio alto con Karalit (Torre Garibaldi, Milano)

 

Questi elementi, che contribuivano ad un complesso setup della simulazione, sono oggi risolti in maniera automatica dalle App implementate in Karalit, con il vantaggio di velocizzare la creazione di simulazioni pur lasciando ai più esperti la libertà di settaggio dei parametri dell’analisi.

 

L’aspetto positivo di tali linee Guida AIJ è anche quello di proporre dei benchmark di validazione per casi semplici sui quali gli analisti CFD dovrebbero testare il software da loro utilizzato. Karalit riporta i casi di benchmark per i quali il software è stato testato.

 

Interazione outdoor tra due edifici con Karalit

 

La ventilazione naturale indoor

Le moderne tecnologie di climatizzazione richieste dalle esigenze di efficienza energetica considerano sempre più l’uso consapevole della ventilazione naturale. In ambienti racchiusi da geometrie e condizioni al contorno (aperture, finestre) semplici, ciò può essere fatto mediante regole empiriche, edifici complessi, grandi atrii, o situazioni particolari come le stazioni di metropolitane, possono essere agevolmente studiate con simulazioni CFD.

 

Le barriere che ostacolavano l’utilizzo di tecnologie CFD sono sempre state causate dalla necessità di ricorrere a mesh raffinate per discretizzare l’aria attorno ai volumi, dal complesso settaggio dei molti parametri che simulano il comportamento dell’aria quali densità, pressione, parametri di turbolenza, ecc.

 

Karalit annulla tutte queste barriere, permettendo un’analisi di fatto “mesh-less”, e incapsulando la scelta dei parametri in un’App dedicata lasciando così il progettista libero di concentrarsi sui risultati come velocità, direzione e temperatura delle masse d’aria. Questi risultati possono essere confrontati con le normative relative alle applicazioni suddette e presentati in maniera efficace con mappe di colore o animazioni di flussi, direzioni, velocità, filetti di fumo traccianti.

 

Il software CFD di Karalit permette di passare da un approccio di progettazione tradizionale, limitato ad una specifica disciplina, con campo di azione limitato ad una piccola parte della realtà, ad un approccio di “simulazione” con caratteristiche multidisciplinari, orientato al problema, in condizioni dinamiche, variando in maniera pressoché illimitata le condizioni di funzionamento del sistema.

 

Per informazioni sui prodotti Karalit, approfondimenti sui temi e riferimenti bibliografici citati nell’articolo: www.ingegneriadelvento.it; www.cspfea.net; www.karalit.com.


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