Numerical simulation of multi-span greenhouse structures

Abstract

Los invernaderos deben diseñarse para soportar las cargas permanentes de mantenimiento y cultivo, así como las condiciones climáticas específicas del lugar, siendo el viento la más perjudicial. Sin embargo, tanto la estructura como la cimentación suelen calcularse empíricamente, lo que podría dar lugar a insuficiencias estructurales o a la ineficacia de los costes. Por ello, en este trabajo se llevó a cabo la evaluación estructural de un invernadero multitúnel. En primer lugar, se evaluaron las cargas de viento mediante dinámica de fluidos computacional (CFD). A continuación, se evaluó el modo de fallo por pandeo cuando se contemplaban las cargas de viento de la norma europea (EN) o de CFD mediante un método de elementos finitos (FEM). A diferencia de la norma EN 13031-1, las cargas de viento CFD generaron una succión en la región 0-55° del primer túnel y no se detectó una reducción del 60% de los coeficientes de presión externa en el tercer túnel. Además, se redujeron los valores propios de pandeo de primer orden (32-57%), lo que hizo necesario un método de cálculo diferente (es decir, un análisis elastoplástico), y se detectaron modos de pandeo globales similares a la forma de pandeo local. Por último, la cimentación se estudió mediante el FEM y un método matricial basado en el modelo de Wrinkler. Las tensiones y deformaciones derivadas del método matricial propuesto resultaron conservadoras en comparación con las obtenidas mediante el FEM.

Greenhouses had to be designed to sustain permanent maintenance and crop loads as well as the site-specific climatic conditions, with wind being the most damaging. However, both the structure and foundation are regularly empirically calculated, which could lead to structural inadequacies or cost ineffectiveness. Thus, in this paper, the structural assessment of a multi-tunnel greenhouse was carried out. Firstly, wind loads were assessed through computational fluid dynamics (CFD). Then, the buckling failure mode when either the European Standard (EN) or the CFD wind loads were contemplated was assessed by a finite element method (FEM). Conversely to the EN 13031-1, CFD wind loads generated a suction in the 0–55° region of the first tunnel and a 60% reduction of the external pressure coefficients in the third tunnel was not detected. Moreover, the first-order buckling eigenvalues were reduced (32–57%), which resulted in the need for a different calculation method (i.e., elastoplastic analysis), and global buckling modes similar to local buckling shape were detected. Finally, the foundation was studied by the FEM and a matrix method based on the Wrinkler model. The stresses and deformations arising from the proposed matrix method were conservative compared to those obtained by the FEM.