Wind Load Modelling on Industrial Structures through CFD Analysis

Industrial process units are open steel frames without cladding that carry vessels, pipework and equipment, and they stand among other structures that shield them or accelerate the wind around them. Design codes provide force coefficients for enclosed prisms and for lattice frames; an equipment-filled open frame belongs to neither class, and no code procedure represents the interference of the surrounding buildings. The wind load on such a unit is therefore the least certain input of any wind-risk assessment of an industrial facility, and it is the input on which every subsequent structural, reliability and risk result depends. This dissertation develops a directional wind-load model for an existing multilevel braced steel process frame in an industrial estate in northern Italy. The site wind hazard is characterised by direction from thirty years of hourly reanalysis data, fitted sector by sector with the Gumbel distribution, calibrated to the reference wind speed of the Italian code, checked against a nearby station, and extended to a projected climate through explicit change factors from a regional climate-model ensemble. The aerodynamic action is computed by steady Reynolds-averaged simulation in OpenFOAM, with an equilibrium atmospheric boundary-layer inlet and the geometry of the frame, vessels and equipment resolved, for twelve wind sectors and for two configurations: the unit standing alone and the unit shielded by its neighbours. The two models are combined so that the aerodynamic action of each sector is evaluated at the wind speed of that sector, and the computed actions are compared with the three readings the code permits for the same structure on a common mean basis. The contribution of the work is the quantification, for an equipment-filled open process frame inside its estate, of the direction-dependent interference of the surrounding structures, of its effect on the elevation and height distribution of the wind action, and of the difference between the computed action and the code-based action, together with the demonstration that the governing wind direction follows from the combination of the site hazard and the aerodynamic response rather than from either alone. A final chapter sets out the procedure by which the computed loads are carried into a structural, reliability and risk assessment.

Le unità di processo industriali sono strutture aperte in acciaio, prive di rivestimento, che sostengono recipienti, tubazioni e apparecchiature e che sorgono in prossimità di altre strutture, le quali possono schermarle oppure accelerare il vento intorno a esse. Le norme di progettazione forniscono coefficienti di forza per prismi chiusi e strutture reticolari; un telaio aperto occupato da apparecchiature non appartiene a nessuna delle due categorie e nessuna procedura normativa rappresenta l’interferenza degli edifici circostanti. Il carico del vento su un’unità di questo tipo costituisce pertanto il carico di progetto più incerto, nonché il dato da cui dipendono tutti i successivi risultati delle analisi strutturali, di affidabilità e di rischio. La presente tesi sviluppa un modello direzionale del carico del vento per un telaio di processo esistente in acciaio controventato, articolato su più livelli e situato in un’area industriale dell’Italia settentrionale. La pericolosità al vento del sito viene caratterizzata in funzione della direzione mediante trent’anni di dati orari di rianalisi, adattando la distribuzione di Gumbel separatamente a ciascun settore direzionale. Il modello viene calibrato rispetto alla velocità di riferimento del vento prevista dalla normativa italiana, verificato mediante il confronto con una stazione meteorologica vicina ed esteso a uno scenario climatico futuro attraverso fattori di variazione espliciti ricavati da un insieme di modelli climatici regionali. L’azione aerodinamica viene calcolata mediante simulazioni stazionarie basate sulle equazioni di Reynolds mediate (RANS) in OpenFOAM, adottando in ingresso uno strato limite atmosferico in equilibrio e rappresentando esplicitamente la geometria del telaio, dei recipienti e delle apparecchiature. Le simulazioni sono condotte per dodici settori di provenienza del vento e per due configurazioni: l’unità isolata e l’unità schermata dalle strutture circostanti. I due modelli vengono combinati in modo che, per ciascun settore, l’azione aerodinamica sia valutata alla corrispondente velocità del vento. Le azioni così calcolate vengono quindi confrontate, su una comune base di velocità media, con le tre interpretazioni consentite dalla normativa per la medesima struttura. Il contributo del lavoro consiste nella quantificazione, per un telaio di processo aperto e occupato da apparecchiature all’interno del proprio complesso industriale, dell’interferenza esercitata dalle strutture circostanti in funzione della direzione, dei suoi effetti sulla distribuzione dell’azione del vento lungo la quota e l’altezza e della differenza tra l’azione calcolata e quella determinata secondo la normativa. Il lavoro dimostra inoltre che la direzione del vento più gravosa deriva dalla combinazione tra la pericolosità del sito e la risposta aerodinamica, anziché dall’una o dall’altra considerate separatamente. Il capitolo finale illustra la procedura mediante la quale i carichi calcolati vengono integrati nelle successive valutazioni strutturali, di affidabilità e di rischio.