Windeinwirkung — Hochhaus — Caen.

Windbeanspruchungsstudie: Rahmen und Werkzeuge der Simulation

Kontext und Ziel einer numerischen Studie extremer Winde

Der Tour Cascades ist ein Hochhaus in Caen (Calvados). Im Rahmen seines Baus erwies es sich als wesentlich, den Einfluss des Windes auf das Bauwerk und seine unmittelbare Umgebung genau zu analysieren. Die Ergebnisse dieser Studie stellen einen Schlüsselschritt dar, um die Leistung, die Sicherheit und die Dauerhaftigkeit des Bauwerks gegenüber den Windeinwirkungen zu gewährleisten.

Die Hauptziele des Auftrags waren:

• Die ungünstigsten Windbedingungen identifizieren, denen der Standort ausgesetzt sein kann.

• Die Standorteffekte charakterisieren, die durch die Form des Gebäudes und die Nachbarbauten erzeugt werden.

• Die Luftgeschwindigkeiten rund um den Turm für acht Hauptrichtungen kartieren.

• Die ausgeübten Drücke auf allen Wänden des Turms bestimmen (Fassaden, Fenster, Mosaiken, Masten).

• Die Risikozonen und die maximal erreichten Drücke identifizieren.

• Den Windkomfort auf den Terrassen bei mittleren Windbedingungen bewerten.

Warum die CFD zur Untersuchung der Windeinwirkung auf einen Turm einsetzen

Die numerische Strömungsmechanik (CFD) löst die partiellen Differentialgleichungen, die die Fluidströmungen bestimmen, numerisch. Auf Gebäude angewandt, liefert sie präzise Informationen über die Luftgeschwindigkeiten, die Drücke und die aerodynamischen Phänomene, die rund um und im Inneren der Strukturen auftreten, selbst bei komplexen, und unter Berücksichtigung der Umgebung.

Ein 3D-Modell, speziell an die numerische Auflösung angepasst, wurde aus den vom Kunden bereitgestellten Plänen und aus Satellitenbildern erstellt. Die Geometrie integriert den Tour Cascades sowie sämtliche umgebenden Gebäude, die erhebliche aeraulische Abschirmungen erzeugen können. Geometriedetails mit geringer aerodynamischer Auswirkung werden bewusst vereinfacht, um die Rechenleistung auf die Zonen von Interesse zu konzentrieren.

Ursprünge und Charakterisierung der Winde am Standort

Für die Simulationen verwendetes Windprofil

Der am Boden beobachtete Wind wird stark von der vertikalen Struktur der atmosphärischen Grenzschicht beeinflusst, die sich in drei unterschiedliche Teilschichten gliedert: die raue Teilschicht (einige Meter), die oberflächennahe Grenzschicht (10 bis 100 m), Sitz starker Geschwindigkeitsgradienten, und die äußere oder inertiale Teilschicht (bis ~1 km), kaum von der Topografie gestört. Die Windgeschwindigkeit wächst mit der Höhe gemäß einem logarithmischen Profil — dem Phänomen der vertikalen Scherung —, das im Zentrum jeder CFD-Modellierung städtischer Standorte steht.

Berechnung der extremen Windgeschwindigkeiten über 50 Jahre mithilfe der Eurocode-Norm

Die Bestimmung der extremen Windgeschwindigkeiten über eine Wiederkehrperiode von 50 Jahren erfolgte gemäß der Norm Eurocode EN 1991-1-4, der regulatorischen Referenz für die Berechnung der Windeinwirkungen auf Strukturen. Dieser Ansatz beruht auf den national definierten Bezugswindgeschwindigkeiten, korrigiert um die lokalen Merkmale des Standorts: Geländerauheit, Topografie, Höhe und umgebende Geländekategorie. Die Berechnungen liefern die Bemessungswindgeschwindigkeiten, die einem seltenen, aber über die Lebensdauer des Bauwerks statistisch repräsentativen meteorologischen Ereignis zugeordnet sind. Diese Extremgeschwindigkeiten bilden die Eingangsdaten der CFD-Simulationen und dienen der Bemessung der Fassaden, Dachelemente und exponierten Anlagen, um die Stabilität und Sicherheit des Turms gegenüber den schwersten aerodynamischen Beanspruchungen zu gewährleisten.

Ergebnisse der numerischen Extremwindstudien: Drücke und Geschwindigkeiten

Windgeschwindigkeiten, Böen und Standorteffekte

Die multidirektionale Analyse hat mehrere signifikante aerodynamische Phänomene rund um den Turm aufgezeigt:

• Beschleunigungen an den Kanten: Die vertikalen Kanten des Turms erzeugen lokalisierte Übergeschwindigkeiten und turbulente Vortices für alle Windausrichtungen.

• Venturi-Effekt: Im Westen kanalisiert ein durch die stromaufwärtigen Gebäude gebildeter Korridor die Strömung, verstärkt die Geschwindigkeiten deutlich und erzeugt den maximalen auf den Fassadenmosaiken beobachteten Druck.

• Direkte Exposition: Im Osten setzt das Fehlen stromaufwärtiger Gebäude den Turm dem einfallenden Wind direkt aus und führt zu den höchsten Drücken auf den Masten.

• Geschützte Zonen: Bei bestimmten Ausrichtungen erzeugt das Vorhandensein umgebender Gebäude Rezirkulationszonen, die den Turm teilweise schützen vor den maximalen Beanspruchungen.

Der untere Teil des Turms profitiert von einem Abschirmeffekt durch die umgebenden Bauten; umgekehrt sind die oberen Geschosse — die das städtische Gefüge überragen — dem einfallenden Wind direkt ausgesetzt und erzeugen die maximalen Beanspruchungen auf den Fassaden und den Dachelementen.

Wanddruckstudie und empfindliche Zonen

Die CFD-Simulationen bestimmten die Druckfelder, die der Wind auf allen Oberflächen des Turms für die verschiedenen untersuchten Richtungen ausübt. Für jedes Fassadenelement wurden die minimalen und maximalen Drücke berechnet, um die extremen Beanspruchungen zu identifizieren, die im Betrieb oder bei schweren Windereignissen auftreten können. Dieser Ansatz liefert eine vollständige Hüllkurve der auf die Struktur und die angebauten Elemente wirkenden aerodynamischen Lasten.

Die Ergebnisse zeigen die Koexistenz positiver und negativer Drücke je nach Ausrichtung der Fassaden und der lokalen Strömungsdynamik:

• +

  Positive Drücke — Zonen direkten Windaufpralls: Die Strömung komprimiert die Oberflächen und übt eine nach innen gerichtete Kraft aus.

• −

  Negative Drücke — ein Sogphänomen, erzeugt durch Strömungsablösung und Rezirkulationszonen: Die Kräfte sind dann nach außen gerichtet.

Diese Unterscheidung ist besonders wichtig für die Bemessung der Fassadenelemente und der Befestigungssysteme, da bestimmte Komponenten anfälliger für das Abreißen als für Druckkräfte sind.

So wurde eine lokale Zoom-Arbeit an den als empfindlich betrachteten Zonen des Projekts durchgeführt, um eine feine Ablesung der aerodynamischen Beanspruchungen zu erhalten. Spezifische Analysen wurden insbesondere an den Lichtmasten, den Fassadenmosaiken, den Fenstern sowie den Geländern durchgeführt, um die erreichten Druckniveaus präzise zu charakterisieren und die Bemessung der exponierten Elemente zu lenken.

Abgleich der numerischen Ergebnisse mit belegten Werten

Der Abgleich zwischen den CFD-Ergebnissen und den analytischen Werten der Eurocode-Norm (EN 1991-1-4) in einem vereinfachten Fall (keine umgebenden Gebäude, Frontalwind) bestätigt eine gute Übereinstimmung zwischen den beiden Ansätzen. Die durch numerische Simulation erhaltenen Drücke liegen im nach der Norm berechneten Druckintervall, wobei diese konservativer bleibt — was die Relevanz der regelkonformen Bemessung für die Windlastbeständigkeit der Fassadenelemente bestätigt.

Wind in der Höhe: Komfort der Terrassen

Den Komfort der Nutzer in der Höhe gewährleisten

Die Komfortstudie wird für den dominanten Wind in jährlicher mittlerer Geschwindigkeit durchgeführt — das für die Nutzungsbedingungen der Terrassen repräsentativste Szenario (Sommer, Übergangszeit).

Die Geschwindigkeitsfelder für jede Terrassenebene ermöglichen es zu identifizieren:

• Die Zonen optimalen Komforts, geschützt durch die architektonischen Elemente.

• Die lokalen Beschleunigungszonen, die in der Konzeption zu behandeln sind (Geländer, Windschutz).

• Die exponierten Terrassen, die spezifische Empfehlungen erfordern.

Interpretation des Windkomforts nach der Beaufort-Skala

Die Analyse der Windgeschwindigkeiten auf den verschiedenen Terrassen wird mithilfe der Beaufort-Skala interpretiert, einer internationalen Referenz, die die Strömungsgeschwindigkeiten mit den von den Nutzern empfundenen Effekten verknüpft. Diese Skala, aus 0 bis 12 Stufen bestehend, ermöglicht es, die Intensität des Windes qualitativ und quantitativ zu bewerten, von völlig ruhigen Bedingungen bis zu starken Windsituationen, die bestimmte Außenaktivitäten einschränken oder sogar verbieten können.

Im Kontext eines Hochhauses ist diese Lesart besonders relevant, da sie die CFD-Ergebnisse in Komfortkriterien übersetzt, die von den Entwurfs- und Architekturteams direkt nutzbar sind. Die als unterhalb der Störschwellen identifizierten Zonen entsprechen im Allgemeinen Räumen, die für die Aneignung durch die Nutzer günstig sind, während die oberen Stufen der Skala (Beaufort 5 und darüber) potenziell unkomfortable Bedingungen anzeigen, die Schutzvorrichtungen oder eine Neukonfiguration der Nutzungen erfordern.

Optimierung des aeraulischen Komforts und Gestaltungsempfehlungen für Hochhausterrassen

Über die bloße Identifizierung der Komfortzonen hinaus ermöglicht die CFD-Studie, Gestaltungs- und Minderungsprinzipien zu lenken, die das aeraulische Verhalten der Terrassen verbessern sollen. Die Analyse der Geschwindigkeitsfelder hebt die Beschleunigungszonen hervor, die mit den Dachüberstandseffekten, den Ecken des Turms sowie den geometrischen Unstetigkeiten zusammenhängen. Diese Geschwindigkeitskarten knüpfen an den in unserem Dossier über Kriterien und Kartografie des Windkomforts beschriebenen Ansatz an.

Um den Komfort der Nutzer zu verbessern, können mehrere Gestaltungshebel in Betracht gezogen werden: Einbau voller oder halbdurchlässiger Geländer, Hinzufügen architektonischer Windschutzelemente, Schaffung von Puffervolumina oder Optimierung der Anordnung des Mobiliars und der Wege. Diese Vorrichtungen verringern lokal die Windgeschwindigkeiten und begrenzen die Turbulenzphänomene, was den Nutzungskomfort der Terrassen bei jährlichen mittleren Windbedingungen deutlich verbessert. Dieser integrierte Ansatz zwischen numerischer Simulation und architektonischen Empfehlungen gewährleistet ein Gleichgewicht zwischen aeraulischer Leistung, Sicherheit der Nutzer und Qualität der Außennutzungen in der Höhe.

CFD-Analyse des Windes in der Höhe: Synthese der Ergebnisse und Nutzen

Die Windeffekte auf ein Hochhaus mithilfe der CFD verstehen

Die auf dem Tour Cascades durchgeführte CFD-Studie hat die wichtigsten aerodynamischen Verhaltensweisen des Standorts aufgezeigt, insbesondere die lokalen Beschleunigungen, die Kanalisierungseffekte, die Rezirkulationszonen und die starken Expositionen im oberen Bereich des Bauwerks. Dieser numerische Ansatz liefert eine detaillierte, räumlich aufgelöste und multidirektionale Analyse der Geschwindigkeiten und Drücke, weitaus feiner als ein rein analytischer Ansatz.

Anders als die aus dem Eurocode abgeleiteten, bewusst einhüllenden und vereinfachten Methoden bezieht die CFD die reale Geometrie des Projekts sowie seine bebaute Umgebung ein, was es ermöglicht, die Standorteffekte und die lokalen Beanspruchungskonzentrationen besser abzubilden. Sie stellt damit ein wesentliches ergänzendes Werkzeug dar, das ein realistischeres und operativeres Verständnis der Windeinwirkungen auf das Hochhaus liefert.

Windbelästigungen an Gebäuden reduzieren: Nutzen der CFD und Anwendungen

CFD-Studien dieser Art fügen sich in die aktuell auf Hochhäuser und komplexe städtische Umgebungen angewandten Praktiken ein, wo sie für die Bemessung der Fassaden, die Optimierung der exponierten Elemente und die Analyse des Außenkomforts eingesetzt werden. Sie sind besonders relevant, wenn die analytischen Ansätze aufgrund der geometrischen Komplexität und der urbanen Wechselwirkungen an ihre Grenzen stoßen, indem sie eine getreuere dreidimensionale Darstellung der Strömungen bieten. Perspektivisch können diese Werkzeuge auf weitere Fragestellungen ausgeweitet werden, wie den äußeren thermischen Komfort, die Schadstoffausbreitung oder die Energieoptimierung im städtischen Maßstab, was ihre wachsende Rolle in der integrierten Gestaltung architektonischer und urbaner Projekte bestätigt.