Fußgängerkomfort — La Défense.

Die Herausforderungen des Windkomforts

CFD-Studie des Windkomforts im urbanen Umfeld

Der Windkomfort bezeichnet das Wohlbefinden, das Personen empfinden, die windigen Bedingungen ausgesetzt sind. Ziel ist es, ein Gleichgewicht zwischen ausreichender Belüftung und übermäßigen Windgeschwindigkeiten zu finden, um eine angenehme und sichere Umgebung zu schaffen. Die Studie zielt darauf ab, die Windmerkmale — Geschwindigkeit und Richtung — sowie den Einfluss der umgebenden Hindernisse auf die Strömungen zu verstehen, um optimale Außen- (oder Innen-)räume zu gestalten.

Die Untersuchung des Windkomforts ist bei der Gebäudeplanung von wesentlicher Bedeutung, insbesondere in dichten städtischen Zonen wie La Défense in Courbevoie. Das Bauen in solchen Umgebungen erfordert das Verständnis des Einflusses der Hindernisse (Nachbargebäude) auf die Strömungen und auf den Komfort der auf dem Gelände anwesenden Personen.

Untersuchung des Windpotenzials — La Défense

Das Windpotenzial eines Standorts zu bewerten und den Windkomfort zu untersuchen sind zwei komplementäre Aspekte. Die Bewertung des Windpotenzials erfordert das Verständnis der Windmerkmale: die Häufigkeit der verschiedenen Geschwindigkeitsklassen zu analysieren und die Windverfügbarkeit zu bestimmen ermöglicht es, die Machbarkeit eines Windprojekts zu bewerten.

Die Untersuchung des Windkomforts bewertet ihrerseits den Einfluss des Windes auf das Wohlbefinden und die Sicherheit der anwesenden Personen. Eines der Ziele der EOLIOS-Studie war es, die täglichen Windmerkmale über dem Projektgebiet zu verstehen. Die Daten einer für die Region repräsentativen Wetterstation ermöglichten es, die jährlichen Durchschnittsgeschwindigkeiten, die dominierenden Richtungen, die Böenperioden und die Häufigkeiten von Geschwindigkeiten und Richtungen zu bestimmen.

Geländerauigkeit und Venturi-Effekt

Die Windmerkmale definieren

Für numerische Windkomfortstudien ist es unerlässlich, die Randbedingungen präzise zu definieren: das Simulationsgebiet unter Berücksichtigung der geografischen und städtischen Merkmale abgrenzen, die Bodenrauigkeit angeben, die Wetterdaten integrieren, die Eigenschaften der Gebäude und Hindernisse definieren und die Luftaustrittszonen festlegen. Die Berücksichtigung der Wettervariabilität und präziser Details ermöglicht realistische Simulationen und zuverlässigere Ergebnisse.

Die atmosphärische Grenzschicht

Um die richtigen Randbedingungen anzuwenden, muss man das Windgeschwindigkeitsprofil in Bodennähe verstehen. Der Wind wird durch den Begriff der atmosphärischen Grenzschicht beschrieben, die in drei Unterschichten unterteilt ist. Die äußere Schicht (inertiale Unterschicht) ist etwa einen Kilometer dick. Darunter weist die bodennahe Grenzschicht (10 bis 100 m) einen starken Geschwindigkeits- und Temperaturgradienten auf. Schließlich ist die raue Unterschicht von einigen Metern von den Oberflächenhindernissen betroffen.

Am Boden wird der Wind durch die Rauigkeit und die Hindernisse gebremst. Oberhalb der rauen Schicht, in den ungestörten Luftschichten des geostrophischen Windes, wird der Wind nicht mehr von der Erdoberfläche beeinflusst. Zwischen beiden entwickelt sich die Geschwindigkeit mit der Höhe nach einem logarithmischen Profil, das als vertikale Windscherung bezeichnet wird.

Die Rauigkeitsparameter definieren

Die Geländerauigkeit spielt eine entscheidende Rolle in der Untersuchung des Windkomforts. Sie wird durch die Gesamtheit der Hindernisse — Gebäude, Bäume und andere Elemente — definiert, die die Windströmung an der Oberfläche beeinflussen. Je höher die Rauigkeit, desto stärker wird der Wind gebremst. Sie beeinflusst die Form des vertikalen Geschwindigkeitsprofils, das mit dem Abstand zum Boden zunimmt. Es ist daher wichtig, sie zu berücksichtigen, um das realistischste mögliche Windprofil zu erhalten.

Der Anhang des „Wind-Eurocode" schlägt Rauigkeitswerte je nach Beschaffenheit der Umgebung vor.

Die Venturi-Effekte auf städtischer Ebene identifizieren

In stark urbanisierten Zonen mit hoher Gebäudekonzentration spielt der Venturi-Effekt eine wichtige Rolle: Das Vorhandensein der Gebäude verringert den Durchtrittsquerschnitt des Windes, was seine Strömung beschleunigt. Diese Übergeschwindigkeitszonen müssen bei der Bewertung des Komforts und der Sicherheit der Nutzer berücksichtigt werden.

Untersuchung der Windsicherheit der Nutzer

Windstudien spielen eine entscheidende Rolle für die Sicherheit von Anlagen und Bauwerken. Das Verständnis der Windmerkmale — Geschwindigkeit, Richtung und Einfluss auf die umgebenden Hindernisse — ermöglicht es, die mit windigen Bedingungen verbundenen Risiken zu bewerten. Durch die Identifizierung der hohen Geschwindigkeiten ausgesetzten Zonen können geeignete Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden, um Personen und Sachwerte zu schützen.

Windstudien ermöglichen es außerdem, gegen Windlasten beständige Bauwerke zu entwerfen und die Risiken von Schäden oder Versagen zu verringern. Eine gründliche Analyse ab der Planungsphase gewährleistet die Sicherheit der Nutzer und legt geeignete Baustandards fest. Im Rahmen dieses Projekts ist die Gewährleistung der Sicherheit der Nutzer, insbesondere der Kinder, von größter Bedeutung.

Numerische Simulation des Windkomforts

CFD-Simulation um das 3D-Modell des Projekts und des Viertels

EOLIOS Ingenieurbüro modellierte die Windströmungen in der Umgebung des Projekts mithilfe eines Modells der numerischen Strömungsmechanik (CFD). Dieses Modell ermöglichte es, die grundlegenden Gleichungen der Fluiddynamik zu lösen und eine präzise Simulation der Luftströmungen zu erhalten, um den Windkomfort zu untersuchen.

Durch die getreue Wiedergabe der 3D-Geometrie des Viertels — bestehende Gebäude und Projektgebäude — erhielt EOLIOS detaillierte Ergebnisse zum Windkomfort. Dies ermöglichte es, den Einfluss des Projekts zu quantifizieren und die am stärksten exponierten Zonen zu identifizieren. Die Ergebnisse zeigten, dass einige Zonen stark von den Südwestwinden betroffen waren.

Umgekehrt erwiesen sich die Terrassen als relativ geschützt vor dem dominierenden Wind, und die Nordzone des Standorts profitiert dank der Projektgebäude ebenfalls von einem gewissen Schutz.

Vorgeschlagene Lösungen zur Verbesserung des Komforts

Simulationen mit Lösungen zur Verbesserung des Nutzerkomforts

Für die den Südwestwinden am stärksten ausgesetzten Zonen empfahl EOLIOS ergänzende Schutzmaßnahmen. In Form von Windschutz oder landschaftsbaulichen Anlagen verringern sie die Windgeschwindigkeit und schaffen komfortablere Zonen. Durch die Veränderung der Strömungen und die Minimierung der Turbulenzen machen diese Lösungen Außenaktivitäten sicherer und angenehmer.

Für die dem Wind ausgesetzten Terrassen und Außenräume empfahl EOLIOS Ingenieurbüro eine angepasste Gestaltung: Verwendung von Wänden zur Schaffung geschützter Zonen und von begrünten Flächen, die eine natürliche Barriere bilden. Diese Anlagen schaffen Umgebungen, die für Außenaktivitäten geeignet sind, selbst bei anhaltendem Wind.

Diese Lösungen verbessern den Nutzerkomfort und optimieren zugleich die Nutzung der Außenräume in der Umgebung des Projekts — geselligere und attraktivere Orte. Unter Berücksichtigung der Windexposition und der Bodenrauigkeit und mit dem Vorschlag ergänzender Schutzmaßnahmen gewährleistet EOLIOS angenehme und sichere Räume, die den Anforderungen des Lastenhefts entsprechen.