pola distribusi tekanan angin bantuan CFD

.

.

.

pada gedung dengan bentuk sederhana, peraturan pembebanan angin telah cukup jelas menunjukan koefisien tekanan angin ataupun hisap. namun terkadang didapat bentuk bangunan yg tidak sederhana seperti contoh diatas, untuk mengetahui pola distribusi tekanan angin tersebut saat ini dapat dengan cukup mudah dan waktu yg cepat menggunakan program bantu Computational Fluid Dynamic (CFD) seperti OpenFOAM.

(source : Jeong & Choi, 2008)

.

.

.

.

.

berikut saat ditinjau angin dari arah tegak lurusnya, model diputar 90 derajat.

.

.

.

.

berikut hasil keluaran untuk tinjauan arah angin model dengan diputar sebesar 45 derajat,

.

.

.

.

.

.

adapun data yg dibutuhkan hanya kecepatan angin pada titik referensi ketinggian 1.0 meter, yg biasanya diambil sekitar 10m/det ~ 20m/det. hal tersebut dapat dikalibrasi terlebih dahulu pada bentuk sederhana perbandingannya dengan hasil koefisien angin mengikuti rujukan peraturan pembebanan. hasil keluaran berupa distribusi tekanan dalam satuan Pascal ( 1000Pa ~ 100kgf/m2) dapat bertanda positif (tekan, pressure) atau negatif (hisap, suction) dan juga arah pergerakan dan kecepatan angin sekeliling bangunan.

berikut contoh lain gedung tidak beraturan, dimensi tunnel CFD adalah 160x60x60m dengen kecepatan angin pada titik referensi sebesar 15m/s ditinjau dari berbagai arah sumbu utama bangunan.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

kelebihan penggunaan program bantu CFD adalah mengetahui pola distribusi tekanan angin, arah vektor kecepatan dan mempelajari pengaruh akibat adanya gedung sekitar terdekatnya. juga dapat membuat banyak kondisi pembebanan berbagai tinjauan arah angin sudut tertentu.  jika mengikuti koefisen angin peraturan pembebanan maka hanya ditinjau 2 arah untuk sumbu utama gedung simetris sederhana namun dengan CFD akan  menjadikan setidaknya 8 arah tinjaun untuk gedung dengan bentuk sangat tidak beraturan. sehingga tentunya akan memberikan performance lebih karena sudah meninjau angin dari berbagai arah.

cukup praktis dan dapat mewakilkan uji fisik seperti Wind Tunnel walaupun tingkatan akurasi nilainya tidak sama persis namun secara pola cukup mendekati. selain itu uji fisik juga perlu biaya mahal dan masih mengandung kesalahan saat diterapkan dgn kondisi aktualnya adalah struktur lentur dan ringan seperti konstruksi baja, hal ini karena mengabaikannya pengaruh kekakuan struktur (fluid-structure interactions) walaupun pada keadaan umum adalah konservatif (aman).

*notes

meshing yg sya gunakan belum menentukan penghalusan, disini sya hanya merupakan permulaan saja.

• Solver Filters (OpenFOAM)
• Time : Steady State
• Flow : Incompressible
• Solver : SIMPLE
• Turbulence Modeling : RANS, Realizable k-e
• P-Type : Zero Gradient
• U-Type : Atmospheric Inlet, U-Ref 20m/s, Z-Ref 1.0m
• Number of Iterations : 500

.

.

yang perlu diperhatikan adalah grafik konvergensi solver pada residual pressure (p) perlu tambahan jumlah iterasi dan mungkin penghalusan mesh jika nilainnya dibawah 1e-4

berikut contoh kalibrasi dari model sederhana perbandingannya dengan peraturan pembebanan PPIUG-1983, dimensi tunnel CFD adalah 48x120x48m secara coba-coba didapat kecepatan angin titik rujukan pada inlet sebesar ~12.5m/s nilai tersebut lebih kecil dari kecepatan rencana sebesar 20m/s disebabkan dari dimensi tunnel yg digunakan, semakin besar dan jauh jaraknya dengan kondisi batas dimensi tersebut nilainya akan mendekati kecepatan rencana.

.

.

.

.

pola dan besarnya nilai tekanan angin atau hisapan sudah cukup mendekati dengan peraturan pembebanan, terkecuali pada sisi tegak lurus arah angin yg kemungkinan besar disebabkan penyederhanaan dari peraturan pembebanan dengan asumsi merata sedangkan analisa CFD memperhitungkan turbulensi. modifikasi model gedung dengan adanya bukaan sebagian, canopy, silos atau gedung bertingkat dibelakangnya dapat ditambahkan untuk kemudian running ulang dan mengetahui distribusi dan besaran nilai tekanan angin berdasarkan CFD.

.

.

.

.

contoh lain sebagai berikut, dimensi tunnel CFD adalah 120x48x36m. secara coba-coba didapat kecepatan angin pada titik referensi sebesar 12.5m/s terlihat secara menyeluruh hasilnya mendekati namun ada perbedaan pada asumsi beban merata peraturan pembebanan sedangkan hasil CFD menunjukan distribusi yg tidak merata, juga adanya gaya hisap angin pada sisi ketebalan dinding bagian atas dan samping.

.

.

.

.

.

juga diberikan contoh perbandingan lain berikut, dengan dimensi tunnel CFD sebesar 120x48x36m secara coba-coba didapat kecepatan angin titik rujukan sebesar 12.5m/s

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

dapat juga dilakukan perbandingan dengan atap bangunan terbuka, namun terlihat hasilnya agak cukup berbeda. secara coba-coba, kecapatan angin titik tujukan juga lebih besar dua kali lipat dari sebelumnya, karena adanya kondisi tekan dan hisap pada permukaan yg sama. selain itu residual pressure (p) masih cukup besar yg kemungkinan karena adanya turbulensi. 

.

.

.

.

.

Read More

spesifikasi komputer untuk simulasi mekanika

dulu pemilihan spesifikasi komputer untuk analisa struktur (simulasi) tidak begitu ketergantungan merek processor, VGA dan RAM, dalam artian masih sederhana mengandalkan kecepatan processor, kapasitas memory dan grafis bawaan Windows. kebutuhannya belum terlalu besar karena kebanyakan analisa yg dilakukan adalah untuk element, spring, truss, beam dan plane-stress/strain atau axisymmetric solid. analsia struktur simulasi nonlinear solid element beserta kontak dan plastisitas selalu dihindari model keseluruhan karena membutuhkan resource komputer kelas super yg hanya dimiliki instansi penting seperti militer atau departemen pemerintah lainnya dan perusahaan swasta kelas internasional. 

kisaran milenial (thn.2000an) sebagai contoh program AutoCAD v2000 masih dapat bekerja untuk menggambar layout, potongan dan detail 2D atau modeling 3D part bagian komponen. program SAP2000 (v7.x) juga sudah dapat menganalisa bangunan gedung tiga dimensi analisa statis dan dinamis, pile-slab mat foundation, dll, SketchUp versi awal juga masih dapat bekerja optimal pada model 3D yg tingkatan rumit menengah, begitupula juga untuk program MS Excel dan MathCad masih lancar digunakan. komputer pertama yg sya miliki mempunyai processor Cyrix MII dan RAM sebesear 64MB awalnya dan tambahan 32MB serta VGA Card. selain harga terjangkau lebih murah, cukup cepat, awet dan tahan panas juga walau hampir tiap hari dipakai sering lembur. besaran RAM yg didukung motherborad saat itu sampai 128MB, teman sya dn PC lain saat menggunakan RAM sebesar 128MB sampai 256MB itu sudah 'wah' sekali, apalagi sampai Pentium 4 pasti dibilang keren.

.

(source : Wikipedia)

.

dalam perjalanan dan perkembangannya sampai saat ini. spesifikasi komputer untuk simulasi sangat bergantung terhadap software FE yg digunakan, akan berbeda tiap lainnya. pengalaman sya duulu menggunakan software FE dari Computer and Structures (ETABS / SAP2000) terasa berat pada grafis saat melakukan modeling dan editing, dan juga menampilkan hasil keluaran diagram gaya internal balok/kolom. sedangkan pada saat running setelah model selesai dibuat tidak begitu terasa sulit dan lama. updates solver SAPfire yg advanced versi belakangan menggunakan bagian library TAUCS mungkin mirip atau sama halnya dengan solver Nastran yg versi lama (yg versi baru menggunakan MKL Pardiso).

pemilihan jenis spesifikasi yg dibutuhkan jarang ditemui pada website resmi tiap pengembang solver FE tersebut, apakah merekomendasi processor dari Intel atau AMD? cukup sensitif hal tersebut karena dikhawatirkan dinilai tidak netral lebih condong atau mendukung suatu vendor, terdengar mengandung unsur politik dan bisnis. sehingga bahasan tersebut biasanya datang dari pengalaman pengguna sendiri yg dibicarakan di sebuah forum.

berikut ada contoh cuplikan dari MSC Nastran (2021) pada sisi tanya-jawab mengenai spesifikasi komputer atau perangkat keras yg mungkin dapat bermanfaat sebagai perbandingan.

• Should I buy the newest Intel or AMD CPU?

MSC Nastran HPC team cannot make a recommendation on chips, but MSC Nastran uses MKL libraries which are tuned to the latest Intel chips so consider that fact in your purchases.

• Should I buy SSDs or RAM?

It is nearly always the recommendation to invest in newer, faster, and larger memory amounts than SSDs, but if memory amounts are maxed out and models are large enough that I/O will occur, then SSDs are a good investment for performance. However, it may be most beneficial to buy 4-8 15K HDDs setup in a RAID 0 configuration to get best performance per dollar. Please contact hardware vendors for details.

• What should I invest in for best performance if I want to upgrade my machine?

Focus first on maximizing the memory capacity of your current machine with the newest and fastest memory (i.e., DDR4 memory). Memory is inexpensive today as compared to CPUs and the reduction in wall clock time due to avoiding I/O can be significant. After that you should next consider adding faster hard drives or SSDs. 

• Does the performance of MSC Nastran behave differently on a Windows machine versus a Linux machine?

Windows may be up to 30% slower than Linux. It is highly analysis dependent.

• Do you recommend to use a Linux machine or a Windows machine for MSC Nastran? If so, why?

As stated in previous answer to the previous question., Linux generally has better performance than Windows and is the recommended HPC platform.

terlihat walau samar, Nastran lebih condong kepada chips atau processor dari Intel. ketergantungannya besar sekali karena menggunakan library solver MKL Pardiso. mengingatkan juga fakta yg dapat tidak bekerja optimal atau lambat jika pengguna bekerja dgn processor lain seperti AMD. kapasitas atau besarnya RAM lebih utama dibandingkan kecepatan SSD walau dapat membantu pada keadaan RAM tidak mencukupi. sistem operasi komputer Linux lebih cepat dan stabil dibanding Windows, hal tersebut direkomendasikan.

kesimpulannya pengguna Nastran akan memiliki performance kecepatan optimal tertinggi pada sistem operasi Linux dengan processor Intel dan RAM yg besar, kecepatan processor tidak terlalu dibahas mungkin karena saat ini semua rata-rata diantara nilai 3-4GHz. jumlah core dan thread juga tidak dibahas mungkin karena umumnya 4-8core, kecepatan SSD saja sedikit dibahas karena ada berbagai jenis (HDD, SSD, SAS, NVMe) yg merupakan nilai tambah walu tidak begitu banyak membantu secara langsung. 

contoh cuplikan untuk software Ansys dari sumber lain, Hardware Recommendations

Processor

• ANSYS Mechanical and ANSYS Fluent take full advantage of all available CPU cores. Therefore, the more cores the better. We recommend dual processor configurations for maximum performance. Ansys Mechanical, Ansys HFSS and Ansys LS-DYNA, make use of Intel Advanced Vector Extensions 512 (AVX512), and thus perform very well on Intel Xeon Gold 6200 series processors. Please note that ANSYS software is relegated to a specific number of cores, therefore you should choose a configuration that will maximize the performance of your core license.

Memory

• Selecting enough memory (RAM) is key for most Ansys applications to solve “in-core” and to avoid paging to a hard drive (“out-of-core”), which is usually slow. In general, for Mechanical you want about 15 GB of RAM per million degrees of freedom (DOF); for Ansys CFX, Fluent, HFSS and Maxwell you want 8 GB of RAM per core. For example, with Dual Intel Xeon Gold 6240R processors, you will have a total of 48 cores. 48 x 8 GB of RAM per core will demand 384 GB of RAM. There is a significant simulation performance decrease if all memory channels are not occupied. With Intel Xeon Gold 6200 series processors, it’s best to have 6 memory modules per processor. 1-2 million nodes = 192GB RAM (12x 16GB) w/ Dual CPUs. 3-5 million nodes = 384GB RAM (12x 32GB) w/ Dual CPUs

pada sumber lain (Kapelanczyk, 2019), untuk solver Ansys walau tidak menggunakan library MKL juga menunjukan kurang optimalnya bekerja pada chipset AMD namun belakangan (Ansys, 2021) melakukan kerjasama keduanya untuk itu. mengenai operating system untuk Linux juga didukung oleh Ansys, sya lihat begitupula dengan Abaqus. kelebihan Linux juga selain lebih baik dari segi performance, tidak dibatasi maksimal RAM yg boleh dipasang berdasarkan versi Windows yg digunakan (Home,Pro,Bussines,Server) 

rujukan lain dari Belanda sekitar sepuluh tahun yg lalu lebih (2011), yaitu program elemen hingga TNO Diana. solver MKL Pardiso gagal pada analisa material elastik dengan elemen linear hexahedral jumlah pias sebanyak 500.000 element. spesifikasi komputer yg digunakan adalah Intel Xeon® X5355 jumlah core 4 dengan RAM sebesar 24Gb berjalan pada sistem operasi Linux. pada percobaan lain dengan ditambahkannya RAM menjadi dua kali lipat (48Gb) elemen shell quadratic sebanyak 118.000 element ditunjukkan penambahan penggunaan jumlah core/threads dapat mempercepat proses sekitar 1/3 waktu penyelesaian. jumlah core 2 dibanding 4 buah tidak berbeda signifikan, namun saat 2 dibanding 8 cukup berbeda hampir separuhnya. disisi lain, hal ini jarang direkomendasikan karena jumlah threads yg ditentukan biasanya didasarkan jumlah core, perlu dicoba sendiri.

untuk komputer kelas super bukan desktop perorangan biasa yg mungkin hanya dimiliki oleh instansi atau perusahaan tertentu, perorangan khusus juga memungkinkan karena adanya pilihan tingkatan spesifikasi bawah-menengah-tinggi. terlihat masih ddidominasi produk Intel 

• DELL Precision 7810 : Intel Xeon E5-2650 v3  2.3GHz (10 Cores, 20 Threads), 8 slots@32Gb (DDR4-3200MHz - RDIMM)
• DELL Precision T5810 : Intel Xeon E5-1603 v3 2.8GHz (4 Cores, 4 Threads), 8 slots@32Gb (DDR4-3200MHz - RDIMM)
• LENOVO Thinkstation C30 : Intel Xeon E5-2620 v2  2.1GHz (6 Cores, 12 Threads), 8 slots@32Gb (DDR 3-1866MHz - UDIMM)
• HP Proliant ML10 : Intel Xeon E3-1225 v5 3.3GHz (4 Cores, 4 Threads), 4 slots@16 Gb (DDR4-3200MHz - UDIMM)
• HP Workstation Z640 : Intel Xeon E5-2620 v4 2.1GHz (8 Cores, 16 Threads), 8 slots@32 Gb (DDR4-3200MHz - RDIMM)
• HP Workstation Z840 : Intel Xeon E5-2687W v3 3.1GHz (10 Cores, 20 Threads), 16 slots@32 Gb (DDR4-3200MHz - RDIMM)
• HP Workstation Z4 G4 : Intel Xeon W2123 3.6GHz (4 Cores, 8 Threads), 6 slots@32Gb (DDR4-2666MHz - RDIMM)
• LENOVO Thinkstation P350 : Intel Xeon W1350 3.3GHz (6 Cores, 12 Threads), 4 slots@32Gb (DDR 4-3200MHz - UDIMM)
• DELL Precision T3640 : Intel Xeon W-1370 2.9GHz (8 Cores, 16 Threads), 4 slots@32Gb (DDR 4-3200MHz - UDIMM)

sedangkan AMD mengeluarkan jenis workstation sekitar tahun 2018 an, belum ada produk buildup seperti Dell, Lenovo & HP untuk jenis workstation dengan processor AMD seperti

• AMD Ryzen Threadripper PRO 2.7GHz (64 Cores, 128 Threads), 8 slots@32 Gb (DDR4-3200MHz - xDIMM)

*updates 

• Dell Precision 7865 : AMD Ryzen Threadripper PRO 5995WX 2.7GHz (64 cores, 128 Threads),  8 slots@256 Gb (DDR4-3200MHz - ECC DIMM)
• Lenovo ThinkStation P620 : AMD Ryzen Threadripper PRO 3995WX 2.7GHz (64 cores, 128 Threads)  8 slots@128 Gb (DDR4-3200MHz - ECC DIMM)

kelanjutan tulisan ini adalah kesesuaian rekomendasi dan kondisi diatas dengan solver FE yg saya gunakan yaitu CalculiX, karena selain dapat menggunakan solver library MKL Pardiso juga ada PaStiX yg dikenal lebih cepat.

Read More