Auswirkungen des Windes auf einen Hochhausturm
Auswirkungen des Windes auf einen Hochhausturm
Jahr
2026
Kunde
LA CAENNAISE
Lokalisierung
Caen, Frankreich
Typologie
Luft & Wind
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Auswirkungen von Wind auf ein Hochhaus: CASCADES Tower in Caen
CFD: Ein Werkzeug zur Lösung von Winddimensionierungsproblemen
Im Rahmen des Baus eines neuen Hochhauses in Caen führte EOLIOS eine umfassende CFD-Studie durch, um die Auswirkungen von Wind in einem dichten städtischen Umfeld auf Geschwindigkeits- und Druckniveau zu analysieren. Der Ansatz kombiniert Eurocode-Wetteranalysen, ASHRAE-Daten und multidirektionale numerische Simulationen, um die Sicherheit und den Komfort der zukünftigen Nutzer zu gewährleisten.
EOLIOS ist führend in der externen CFD-Simulation von Windproblemen. Unsere Studien basieren auf der Erfahrung von Messkampagnen unter realen Bedingungen und von mehr als 100 simulierten Standorten weltweit.
Untersuchung von Windbelastungen: Rahmen und Simulationswerkzeuge
Hintergrund und Ziel einer numerischen Studie über extreme Windverhältnisse
Der CASCADES Tower ist ein Hochhaus in Caen (Département Calvados). Im Rahmen der Errichtung des Turms war es wichtig, den Einfluss von Wind auf das Gebäude und seine unmittelbare Umgebung genau zu analysieren. Die Ergebnisse dieser Studie sind ein wichtiger Schritt, um die Leistung, Sicherheit und Dauerhaftigkeit des Gebäudes in Bezug auf Windeinwirkungen zu gewährleisten.
Die Hauptziele der Mission waren folgende:
- Identifizieren Sie die ungünstigsten Windbedingungen, denen der Standort ausgesetzt sein kann.
- Charakterisieren Sie die Auswirkungen des Standorts, die durch die Form des Gebäudes und die benachbarten Gebäude hervorgerufen werden;
- Kartierung der Luftgeschwindigkeiten um den Turm für acht Hauptrichtungen
- Bestimmen Sie den Druck, der auf alle Wände des Turms (Fassaden, Fenster, Mosaike, Masten) ausgeübt wird.
- Ermittlung von Risikobereichen und des maximal erreichten Drucks
- Beurteilung des Windkomforts auf Terrassen bei mittleren Windverhältnissen
Warum CFD zur Untersuchung der Auswirkungen von Wind auf einen Turm eingesetzt werden sollte
Die numerische Strömungsmechanik (CFD – Computational Fluid Dynamics) löst numerisch die partiellen Differentialgleichungen für Flüssigkeitsströmungen. Bei der Anwendung auf Gebäude liefert sie genaue Informationen über Luftgeschwindigkeiten, Druck und aerodynamische Phänomene, die um und in Strukturen auftreten, selbst bei komplexen Strukturen und unter Berücksichtigung der Umgebung.
Anhand der vom Kunden gelieferten Pläne und Satellitenbilder wurde ein 3D-Modell erstellt, das speziell für die digitale Auflösung geeignet ist. Die Geometrie umfasst den CASCADES-Turm sowie alle umliegenden Gebäude, die signifikante Luftmasken erzeugen können. Geometrische Details mit geringer aerodynamischer Wirkung wurden absichtlich vereinfacht, um die Rechenleistung auf die interessanten Bereiche zu konzentrieren.
Herkunft und Charakterisierung der Winde am Standort
Windprofil, das für die Simulationen verwendet wurde
Der Wind in Bodennähe wird stark von der vertikalen Struktur der atmosphärischen Grenzschicht beeinflusst, die sich in drei verschiedene Unterschichten unterteilt: die raue Unterschicht (einige Meter), die Oberflächengrenzschicht (10 bis 100 m) mit starken Geschwindigkeitsgradienten und die äußere oder träge Unterschicht (bis zu ~1 km), die kaum von der Topographie gestört wird. Die Windgeschwindigkeit nimmt mit der Höhe in einem logarithmischen Profil zu – ein Phänomen, das als vertikale Scherung bezeichnet wird.
Berechnung der extremen Windgeschwindigkeiten über einen Zeitraum von 50 Jahren unter Verwendung des EUROCODE-Standards
Die Bestimmung der extremen Windgeschwindigkeiten über eine Wiederkehrperiode von 50 Jahren wurde gemäß der Eurocode-Norm NF EN 1991-1-4 durchgeführt, die als Referenz für die Berechnung von Windeinwirkungen auf Strukturen gilt. Dieser Ansatz beruht auf der Verwendung von national definierten Referenzwindgeschwindigkeiten, die entsprechend den lokalen Eigenschaften des Standorts korrigiert wurden: Rauheit des Geländes, Topographie, Höhe und Kategorie des umgebenden Geländes. Die Berechnungen ergeben die Bemessungswindgeschwindigkeiten, die mit einem seltenen, aber statistisch repräsentativen Wetterereignis während der Lebensdauer des Bauwerks verbunden sind. Diese extremen Windgeschwindigkeiten sind die Eingangsdaten für die CFD-Simulationen und werden für die Dimensionierung der Fassaden, Dachelemente und exponierten Ausrüstungen verwendet, um die Stabilität und Sicherheit des Turms auch unter den härtesten aerodynamischen Belastungen zu gewährleisten.
Ergebnisse der numerischen Studien zu extremen Windverhältnissen: Druck und Geschwindigkeiten
Windgeschwindigkeiten, Böen und Standorteffekte
Die multidirektionale Analyse ergab mehrere signifikante aerodynamische Phänomene um den Turm herum:
- Kantenbeschleunigung:Die vertikalen Kanten des Turms erzeugen lokale Aufwinde und turbulente Wirbel bei allen Windrichtungen.
- Venturi-Effekt:Im Westen erzeugt ein Korridor, der durch die vorgelagerten Gebäude gebildet wird, eine Kanalisierung der Strömung, die die Geschwindigkeiten deutlich verstärkt und den maximalen Druck erzeugt, der auf den Fassadenmosaiken zu beobachten ist.
- Direkte Exposition:Im Osten ist der Turm aufgrund der fehlenden vorgelagerten Gebäude dem einfallenden Wind direkt ausgesetzt, was zu den höchsten Drücken auf den Masten führt.
- Schutzzonen: Bei einigen Orientierungen erzeugt das Vorhandensein von Gebäuden in der Umgebung Rezirkulationszonen, die den Turm teilweise vor Höchstbelastungen schützen.
Der untere Teil des Turms profitiert von einem Schutz durch die umliegenden Gebäude, während die oberen Ebenen – die über das Stadtgefüge hinausgehen – direkt dem einfallenden Wind ausgesetzt sind, was zu einer maximalen Belastung der Fassaden und der Dachelemente führt.
Untersuchung des Drucks auf Wände und empfindliche Bereiche
Mit Hilfe von CFD-Simulationen wurden die Winddruckfelder auf allen Oberflächen des Turms für die verschiedenen untersuchten Richtungen ermittelt. Für jedes Fassadenelement wurden die minimalen und maximalen Druckwerte berechnet, um die extremen Belastungen zu ermitteln, die während der Betriebsphase oder bei starken Windepisoden auftreten können. Dieser Ansatz ermöglicht eine vollständige Erfassung der aerodynamischen Belastungen, die auf die Struktur und die Anbauteile einwirken.
Die Ergebnisse zeigen die Koexistenz von positivem und negativem Druck in Abhängigkeit von der Ausrichtung der Fassade und der lokalen Strömungsdynamik. Positive Druckwerte entsprechen den Bereichen, in denen der Wind direkt auf die Fassade trifft: Die Strömung drückt die Oberflächen zusammen und übt eine Kraft aus, die in das Innere des Gebäudes gerichtet ist. Negative Drücke hingegen sind Ausdruck eines Saugphänomens, das durch Strömungstrennungen und Rezirkulationszonen erzeugt wird, wobei die Kräfte nach außen gerichtet sind. Diese Unterscheidung ist besonders wichtig für die Bemessung von Fassadenelementen und Befestigungssystemen, da einige Komponenten empfindlicher auf Abriss- als auf Druckbelastungen reagieren.
Daher wurde ein lokaler Zoom auf die als sensibel eingestuften Bereiche des Projekts durchgeführt, um eine genaue Analyse der aerodynamischen Belastungen zu erhalten. Spezielle Analysen wurden an Lichtmasten, Fassadenmosaiken, Fenstern und Geländern durchgeführt, um die erreichten Druckniveaus genau zu charakterisieren und die Dimensionierung der exponierten Elemente zu leiten.
Vergleich von numerischen Ergebnissen mit Quellenwerten
Die Gegenüberstellung der CFD-Ergebnisse und der analytischen Werte des Eurocodes (NF EN 1991-1-4) in einem vereinfachten Fall (keine Gebäude in der Umgebung, Wind von vorne) bestätigt eine gute Übereinstimmung zwischen den beiden Ansätzen. Die durch die numerische Simulation ermittelten Drücke liegen innerhalb des Druckintervalls, das nach der Norm berechnet wurde, da diese konservativer ist – was die Relevanz der gesetzlichen Bemessung für den Widerstand gegen Windlasten auf Fassadenelemente bestätigt.
CFD-Analyse des Windes in der Höhe: Zusammenfassung der Ergebnisse und Beiträge
Sicherstellung des Komforts der Bewohner in der Höhe
Die Gegenüberstellung der CFD-Ergebnisse und der analytischen Werte des Eurocodes (NF EN 1991-1-4) in einem vereinfachten Fall (keine Gebäude in der Umgebung, Wind von vorne) bestätigt eine gute Übereinstimmung zwischen den beiden Ansätzen. Die durch die numerische Simulation ermittelten Drücke liegen innerhalb des Druckintervalls, das nach der Norm berechnet wurde, da diese konservativer ist – was die Relevanz der gesetzlichen Bemessung für den Widerstand gegen Windlasten auf Fassadenelemente bestätigt.
Die Komfortstudie wird für die vorherrschende Windgeschwindigkeit im Jahresdurchschnitt durchgeführt – das Szenario, das am repräsentativsten für die Nutzungsbedingungen der Terrassen ist (Sommer, Zwischensaison). Die Geschwindigkeitsfelder für jede Terrassenebene ermöglichen die Identifizierung von :
- Bereiche mit optimalem Komfort, die durch architektonische Elemente geschützt sind
- Lokale Beschleunigungszonen, die bei der Planung zu berücksichtigen sind (Geländer, Windschutz)
- Exponierte Terrassen, die besondere Empfehlungen erfordern
Interpretation des Windkomforts nach der Beaufort-Skala (IGH und Hochterrassen)
Die Analyse der Windgeschwindigkeiten auf den verschiedenen Terrassen wird mit Hilfe der Beaufort-Skala interpretiert, einer internationalen Referenz, die es ermöglicht, die Strömungsgeschwindigkeiten mit den von den Nutzern empfundenen Auswirkungen in Verbindung zu bringen. Diese Skala, die aus 0 bis 12 Stufen besteht, ermöglicht es, die Windintensität qualitativ und quantitativ zu bewerten, von völlig ruhigen Bedingungen bis hin zu starkem Wind, der bestimmte Aktivitäten im Freien einschränken oder sogar verbieten kann.
In einem Hochhaus ist diese Lesart besonders relevant, da sie es ermöglicht, die CFD-Ergebnisse in Komfortkriterien umzusetzen, die direkt von den Planungs- und Architekturteams genutzt werden können. Die Bereiche, die unterhalb der Belästigungsgrenzen liegen, sind in der Regel Räume, die von den Nutzern gut genutzt werden können, während die höheren Stufen der Skala (Beaufort 5 und höher) potenziell unangenehme Bedingungen darstellen, die Schutzvorrichtungen oder eine Neugestaltung der Nutzung erfordern.
Optimierung des lufttechnischen Komforts und Gestaltungsempfehlungen für Terrassen in Hochhäusern
Über die einfache Identifizierung von Komfortzonen hinaus ermöglicht die CFD-Studie die Orientierung von Gestaltungs- und Sanierungsprinzipien zur Verbesserung des lufttechnischen Verhaltens der Terrassen. Die Analyse der Geschwindigkeitsfelder zeigt die Beschleunigungszonen, die mit dem Dachüberstand, den Ecken des Turms und den geometrischen Unregelmäßigkeiten zusammenhängen.
Um den Nutzerkomfort zu verbessern, können verschiedene Gestaltungsmöglichkeiten in Betracht gezogen werden: Anbringen von massiven oder halbdurchlässigen Geländern, Hinzufügen von architektonischem Windschutz, Schaffung von Puffervolumen oder auch Optimierung der Anordnung von Möbeln und Wegen. Diese Maßnahmen reduzieren die Windgeschwindigkeiten und Turbulenzen auf lokaler Ebene, wodurch der Nutzungskomfort der Terrassen bei durchschnittlichen jährlichen Windverhältnissen deutlich verbessert wird. Dieser integrierte Ansatz zwischen numerischer Simulation und architektonischen Empfehlungen ermöglicht es, ein Gleichgewicht zwischen lufttechnischer Leistung, Sicherheit der Nutzer und Qualität der Nutzung von Außenbereichen in großen Höhen zu gewährleisten.
CFD-Analyse des Windes in der Höhe: Zusammenfassung der Ergebnisse und Beiträge
Die Auswirkungen von Wind auf ein Hochhaus mit Hilfe von CFD verstehen
Die CFD-Studie, die am CASCADES Tower durchgeführt wurde, hat die wichtigsten aerodynamischen Verhaltensweisen des Standorts aufgezeigt, insbesondere lokale Beschleunigungen, Kanalisierungseffekte, Rezirkulationszonen und starke Belastungen im oberen Teil des Gebäudes. Dieser numerische Ansatz liefert eine detaillierte, räumliche und multidirektionale Analyse der Geschwindigkeiten und Drücke, die weitaus feiner ist als ein rein analytischer Ansatz.
Im Gegensatz zu den Eurocode-Methoden, die bewusst umhüllend und vereinfacht sind, bezieht die CFD die tatsächliche Geometrie des Projekts sowie die bebaute Umgebung mit ein, wodurch Standorteffekte und lokale Belastungskonzentrationen besser dargestellt werden können. Die CFD ist somit ein wichtiges ergänzendes Werkzeug, das ein realistischeres und operationelleres Verständnis der Windeinwirkungen auf das Gebäude ermöglicht.
Reduzierung von Windbelastungen an Gebäuden: Vorteile von CFD und Anwendungen
CFD-Studien dieser Art sind Teil der aktuellen Praxis bei Hochhäusern und komplexen städtischen Umgebungen, wo sie für die Dimensionierung von Fassaden, die Optimierung exponierter Elemente und die Analyse des Außenkomforts eingesetzt werden. Sie sind besonders relevant, wenn analytische Ansätze aufgrund der geometrischen Komplexität und der städtischen Interaktionen an ihre Grenzen stoßen, da sie eine getreuere dreidimensionale Darstellung der Strömungen bieten. Perspektivisch können diese Werkzeuge auf andere Themen wie thermischer Komfort im Freien, Schadstoffausbreitung oder Energieoptimierung auf städtischer Ebene ausgeweitet werden.
Videozusammenfassung der Studie
Zusammenfassung der Studie
Im Rahmen des Baus eines neuen Hochhauses in Caen führte EOLIOS eine umfassende CFD-Studie durch, um die Auswirkungen von Wind in einem dichten städtischen Umfeld auf Geschwindigkeits- und Druckniveau zu analysieren. Der Ansatz kombiniert Eurocode-Wetteranalysen, ASHRAE-Daten und multidirektionale numerische Simulationen, um die Sicherheit und den Komfort der zukünftigen Nutzer zu gewährleisten.
Video-Zusammenfassung der Mission
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