Auswirkungen von Wind auf Hochhäuser: Tours Olympiades in Paris
Auswirkungen von Wind auf Hochhäuser: CFD-Studie über die Olympiades-Türme in Paris
Im Rahmen eines Renovierungsprojekts wurde EOLIOS gebeten, eine Analyse der Windverhältnisse vorzunehmen. die Auswirkungen des Windes auf zwei Wohntürme, die als IGH klassifiziert sind (Hochhäuser) im Stadtteil Olympiades im 13. Arrondissement von Paris. Die Studie ist in einem dichten städtischen Kontext angesiedelt, mit strukturellen und operativen Herausforderungen, die mit der großen Höhe der Gebäude verbunden sind.
Das Hauptziel der Mission bestand darin, die Standorteffekte durch eine numerische aerodynamische Studie zu charakterisieren. Mit Hilfe der CFD-Simulation wurde die Verteilung der Windgeschwindigkeiten und des Winddrucks um die Gebäude für acht Windrichtungen bewertet.
Die Analyse konzentrierte sich auf mehrere kritische Punkte:
– Identifizierung von Rezirkulations-, Überwindungs- oder Schutzzonen, die durch die Konfiguration der Türme und der angrenzenden Gebäude induziert werden;
– Bewertung der Auswirkungen von Standorteffekten auf die Nutzung von Wartungsgondeln, insbesondere in Bezug auf die in verschiedenen Höhen erreichten Böengeschwindigkeiten;
– Messung des Drucks auf die Fassaden, sowohl mit CFD als auch mit den Berechnungsmethoden des Eurocodes, um die Bemessungsannahmen zu überprüfen.
Auswirkungen von Wind auf Hochhäuser: Tours Olympiades in Paris
Jahr
2025
Kunde
EIFFAGE
Lokalisierung
Frankreich
Typologie
Luft & Wind
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Windcharakterisierung in städtischer Umgebung
Struktur der atmosphärischen Grenzschicht
Die Analyse des Windes in bebauten Gebieten basiert auf einem guten Verständnis der vertikalen Struktur der Atmosphäre und der Effekte, die mit der Topographie und der Bebauung verbunden sind. In der CFD-Simulation ermöglicht diese Modellierung eine genaue Reproduktion der Geschwindigkeitsprofile und der Phänomene der Wind-Gebäude-Interaktion.
Der in Bodennähe beobachtete Wind wird stark von den Eigenschaften der atmosphärischen Grenzschicht beeinflußt, die aus drei Unterschichten besteht:
– Die raue, bodennahe Unterschicht, in der Hindernisse eine unorganisierte Turbulenz erzeugen.
– Die Oberflächenschicht, zwischen 10 und 100 m Höhe, in der sich ein ausgeprägter Geschwindigkeits- und Temperaturgradient einstellt.
– Die äußere Schicht oder träge Unterschicht, die höher liegt, wenig gestört ist und den geostrophischen Wind reflektiert.
In dieser Schichtung ändert sich die Windgeschwindigkeit in einem logarithmischen Profil mit der Höhe, ein Phänomen, das als vertikale Scherung bezeichnet wird.
Einfluss der Bodenrauhigkeit auf Windprofile
Die Rauheit des Bodens oder der städtischen Struktur verändert die Windprofile stark. Eine dichte Umgebung (enge Bebauung, Vegetation) verlangsamt den Wind am Boden und verstärkt den vertikalen Gradienten. Im Gegensatz dazu lässt ein offenes Gelände (Ebene, Meer) den Wind sich freier entwickeln. Diese Effekte werden in die CFD-Modellierung über einen Rauhigkeitskoeffizienten einbezogen, der aus den Eigenschaften des Geländes gemäß den Empfehlungen desEurocodes abgeleitet wird.
Aerodynamische Effekte in dichten Stadtgebieten
Lokale Beschleunigungsphänomene
Hohe Gebäude und ein komplexes Stadtgefüge führen zu zahlreichen Windstörungen. Diese Effekte müssen identifiziert werden, um die Sicherheit und den Komfort der Nutzer zu gewährleisten, insbesondere im Falle von Arbeiten in großer Höhe.
Bestimmte architektonische Konfigurationen führen zu lokalen Windbeschleunigungen:
– Venturi-Effekt: Kompression und Beschleunigung der Strömung zwischen zwei nahe gelegenen Gebäuden.
– Kanalisierungseffekt: Konzentration des Windes in Straßen, die entlang der Hauptwindachse ausgerichtet sind.
– Ecken-Effekt: Auftreten von Turbulenzen und Böen an scharfen Gebäudeecken.
Diese Phänomene können zu hohen Windgeschwindigkeiten führen, die Unannehmlichkeiten oder Risiken verursachen.
Auswirkungen von Hochhäusern auf die städtische Luftqualität
Hochhäuser führen zu ausgeprägten Fallwindeffekten: Die Strömung, die auf die obere Fassade trifft, wird zum Boden hin umgeleitet und erhöht die Geschwindigkeiten am Fuß des Gebäudes. Dies ist oft ein Problem in der Nähe von Zugängen, Terrassen oder Fußgängerzonen. Mit Hilfe von CFD können diese Effekte quantifiziert werden, um Überwindungen zu antizipieren und geeignete Schutzmaßnahmen zu dimensionieren. In der nebenstehenden Abbildung sind die Keileffekte gut erkennbar.
Standorteffekt auf den Wind in der Umgebung eines Hochhauses
Druck auf Fassaden und strukturelle Auswirkungen
Druckverteilung - Wachsamkeitsbereiche
Hohe Gebäude sind großen aerodynamischen Belastungen ausgesetzt. Diese Belastungen müssen genau bewertet werden, um die Robustheit der Gebäudehülle zu gewährleisten.
Der Wind übt dynamischen Druck auf die exponierten Wände und Unterdruck auf die gegenüberliegenden Seiten aus. Diese Kräfte konzentrieren sich insbesondere auf
– An den vertikalen Kanten, wo der Fluss stagniert und sich ablöst;
– Auf Flächen, die dem vorherrschenden Wind ausgesetzt sind, wo die Belastungsamplituden maximal sind.
Die Form des Turms, seine Ausrichtung und die Rauheit des Standorts sind entscheidende Parameter für die Verteilung der Lasten.
Einfluss der Druckverteilung an der Fassade auf das Design
Fassadenelemente (Vorhangfassaden, Verglasungen, Befestigungen) müssen so gestaltet werden, dass sie dem örtlichen Druck ohne übermäßige Verformung standhalten. Die CFD-Modellierung ermöglicht es, die am stärksten belasteten Bereiche genau zu lokalisieren und die Auswirkungen von Designvarianten vor der Ausführung zu testen.
Integration der Eurocode-Norm durch CFD-Simulation
Eingabeparameter in das CFD-Modell
Um die Gültigkeit der Simulationen und die Übereinstimmung mit der regulatorischen Praxis der nachfolgend vorgestellten Studie zu gewährleisten, berücksichtigen die CFD-Modelle die Anforderungen von EN 1991-1-4 (Wind Eurocode) sowie die Ergebnisse einer umfangreichen meteorologischen Studie.
Die Simulationen verwenden :
– Die Basiswindgeschwindigkeit (
), die in Abhängigkeit vom Standort und der Topographie des Ortes bestimmt wird.
– Die Koeffizienten für Rauheit () und Orographie (
), die für die untersuchte Geländekategorie geeignet sind. Diese Koeffizienten berücksichtigen die Struktur des Bodens oder der Umgebung, insbesondere ihren Einfluss auf das vertikale Profil der Windgeschwindigkeit und die Auswirkungen der Topographie (Relief) auf die Windströmungen.
– Ein logarithmisches vertikales Geschwindigkeitsprofil(Vm(z)), das aus diesen Parametern definiert und an die Besonderheiten des Standorts angepasst wird.
Dieser Rahmen ermöglicht es, repräsentative Windgeschwindigkeiten in verschiedenen Höhen zu simulieren und sie mit den festgelegten Sicherheitsschwellen zu vergleichen.
Nutzung eines speziellen CFD-Modells für eine multidirektionale Analyse
Das durchschnittliche Standard-Windgeschwindigkeitsprofil am Eingang des Gebiets wurde wie folgt berechnet:
Das verwendete spezifische Modell ermöglicht die Simulation verschiedener Windrichtungen (z.B. 8 Hauptwindrichtungen). Ausgehend von einem Referenzprofil werden die Standorteffekte für jede Richtung analysiert, wobei lokale Beschleunigungen, Rezirkulationszonen oder Ablenkungseffekte hervorgehoben werden.
Das Geschwindigkeitsprofil am Eingang des Gebiets, das einer einheitlichen Basisgeschwindigkeit und den Rauheitsparametern eines bestimmten Geländes entspricht, wird gemäßEurocode mit der folgenden Formel berechnet:
Sicherung von Arbeiten in der Höhe - Die CFD unterstützt die Sicherheit
Sicherheitsnormen für Gondeln
Bei Arbeiten mit Gondeln an Fassaden ermöglicht die CFD-Simulation die Antizipation von Windrisikenund ergänzt die Sicherheitsempfehlungen.
Gemäß der Norm NF EN 280 dürfen Gondeln nicht schneller als 12,5 m/s betrieben werden. In einem komplexen städtischen Umfeld können Standorteffekte diese Geschwindigkeit lokal verstärken, so dass eine genaue Bewertung durch Simulation erforderlich ist.
Vorteile der CFD-Analyse - Bewertung der Einhaltung von Standards
Mit Hilfe von CFD werden Übergeschwindigkeitsbereiche identifiziert, die die Stabilität der Gondel beeinträchtigen können. Zonen mit Windschatten oder geringer Turbulenz werden ebenfalls lokalisiert, um sichere Interventionsbereiche zu definieren. Die Ergebnisse werden mit den Wetterdaten verglichen, um Empfehlungen für den Einsatz vor Ort zu formulieren.
Arbeiten an der Fassade
Die Verwendung von CFD für die Analyse von Hochsicherheitsgebäuden
Architektonische Konfiguration der Türme von Olympiades
Das Untersuchungsgebiet umfasst zwei Wohntürme im Olympiades-Viertel, die sich in einer dichten städtischen Umgebung befinden. Einer der Türme, der Tokyo Tower, hat eine rechteckige Geometrie mit 29 Stockwerken, einer flachen Fassade und Balkonen. Der zweite Turm, der Osaka-Turm, hat 35 Stockwerke und eine Fassade mit abwechselnd massiven und verglasten Teilen, ebenfalls mit Balkonen.
Die beiden Gebäude stehen parallel zueinander und haben eine ähnliche Ausrichtung. Die Höhe und die Lage der Gebäude führen zu einem komplexen lufttechnischen Kontext, der zu starken Standorteffekten wie Windkanalisierung, lokalen Beschleunigungen und Verwirbelungen führt.
Eine multidirektionale CFD-Analyse
Es wurden mehrere Szenarien analysiert, um die Variabilität der Windrichtung widerzuspiegeln:
- Nordwind
- Nordostwind
- Östlicher Wind
- Südostwind
- Südwind
- Südwestwind
- Westlicher Wind
- Nordwestlicher Wind
Diese Simulationen ermöglichten es, die Dynamik des Luftstroms zu beobachten und die Geschwindigkeit und Richtung des Luftstroms in der Umgebung der beiden Türme zu bewerten.
CFD-Studie zu Standorteffekten, Windböen und Druck auf Hochhäuser - Tours Olympiades
Nachweis von Standorteffekten durch CFD-Simulation
Die Studie identifizierte eindeutig die Standorteffekte, die mit der Lage der Gebäude in ihrer städtischen Umgebung zusammenhängen. Durch die Modellierung der acht Hauptrichtungen der Windrose zeigte die numerische Simulation spezifische Phänomene in Abhängigkeit von der Windrichtung:
– Bei Nordwind profitiert der südliche Turm von einer Rezirkulationszone, die vom nördlichen Turm erzeugt wird, was zu einer deutlichen Abschwächung der Windgeschwindigkeiten an seiner Fassade führt.
– Umgekehrt wird der Nordturm bei Südwestwind durch den Südturm geschützt.
– Bei Ost- und Südostwinden ist ein ausgeprägter Venturi-Effekt zwischen den beiden Türmen zu beobachten, mit einer starken Beschleunigung der Windgeschwindigkeiten in der Lücke.
In allen Konfigurationen erzeugen die freiliegenden Kanten Wirbel, die lokal hohe Geschwindigkeiten induzieren, aber auch Zonen relativer Ruhe an den Wänden selbst schaffen. Diese Effekte sind entscheidend für die sichere Nutzung von Fassadenzugängen.
80m-Geschwindigkeitspläne für die 8 Untersuchungsrichtungen
Erhöhte Geschwindigkeit an den Gebäudekanten
Venturi-Effekt bei Westwind
CFD-Bewertung von Böengeschwindigkeiten und deren Auswirkungen auf die Nutzung von Gondeln in großen Höhen
Mit Hilfe der CFD-Ergebnisse konnten die durchschnittlichen Windgeschwindigkeiten in Böengeschwindigkeiten in verschiedenen Höhen umgerechnet werden, wobei Standardformeln verwendet wurden, die dieturbulente Intensität und den dynamischen Druck mit einbeziehen. Auf diese Weise konnte für jede Windrichtung ein standortbedingter Geschwindigkeitsverstärkungsfaktor berechnet werden.
Beispiel: Bei einem Wind aus Nordwest :
– Bei 20 m: +26% Verstärkung,
– Bei 50 m: +48%,
– Bei 80 m: +77%.
Durch den Abgleich dieser Daten mit den meteorologischen Aufzeichnungen war es möglich, die Dauer der Nichtverfügbarkeit der Gondeln aufgrund lokaler Geschwindigkeiten, die den normierten Grenzwert von 12,5 m/s überschritten, zu schätzen. Diese Dauer beträgt etwa 250 Stunden pro Jahr.
Diese Daten sind für die Planung von Renovierungsarbeiten und die Gewährleistung der Sicherheit bei Arbeiten in der Höhe unerlässlich.
Winddruck auf Fassaden: CFD-Validierung für die Bemessung nach Eurocode
Die Simulationen ermöglichten es auch, den Druck auf die Fassaden in den verschiedenen Windrichtungen zu bestimmen. Die stärkste Belastung wurde bei Ostwind festgestellt, mit maximalen Druckwerten an der Westfassade und auf dem Dach eines Turms.
Die am stärksten belasteten Bereiche sind die oberen Kanten der direkt exponierten Seiten. Diese Daten wurden dann mit den Werten aus dem analytischen Ansatz des Eurocodes verglichen, wobei eine gute Übereinstimmung erzielt wurde.
Diese Kohärenz zwischen numerischer und analytischer Methode bestätigt die Relevanz der CFD-Simulation als zusätzliches Bemessungswerkzeug, insbesondere für kleine Befestigungselemente, die den härtesten Belastungen ausgesetzt sind.
Druck an den Wänden - Ostwind
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Die CFD-Studie an den Olympiade-Türmen ergab signifikante Standorteffekte, die mit der dichten städtischen Konfiguration und der Interaktion der Winde mit den umliegenden Gebäuden zusammenhängen. Mit Hilfe der numerischen Simulation war es möglich, die Überwindungs-, Rezirkulations- und Schutzzonen in Abhängigkeit von der Windrichtung genau zu kartographieren und daraus relevante Ergebnisse für die Winddimensionierung abzuleiten.
Die Ergebnisse ermöglichten es, die kritischen Höhen und Windrichtungen zu identifizieren, die für den Einsatz von Wartungsgondeln am schwierigsten sind, indem die lokalen Böengeschwindigkeiten mit den Wetterdaten verglichen wurden. Dieser Ansatz ermöglichte es, die Anzahl der Stunden pro Jahr, in denen die Windbedingungen die Sicherheitsschwellen überschreiten, genau zu schätzen.
Diese Studie zeigt, wie wichtig die Luftmodellierung in der Planungs- und Sanierungsphase ist, da sie ein genaues Verständnis der Interaktionen zwischen Wind und der baulichen Umgebung liefert. Dadurch können Eingriffe sicherer gemacht,technische Entscheidungen optimiert und die Widerstandsfähigkeit von Hochhäusern gegenüber klimatischen Belastungen erhöht werden.
Studie über die Auswirkungen des Windes in La Défense
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Videozusammenfassung der Studie
Zusammenfassung der Studie
Im Rahmen einer Renovierung führte EOLIOS eine CFD-Studie an den Olympiade-Türmen (IGH) in Paris durch, um die Auswirkungen von Wind in einem dichten städtischen Umfeld zu analysieren. Die Simulation identifizierte Übergeschwindigkeits-, Rezirkulations- und Schutzzonen für acht Windrichtungen. Ziel war es, die Auswirkungen auf die Sicherheit der Wartungsgondeln, den Druck auf die Fassaden und die Einhaltung der Eurocode-Normen zu bewerten.
Die Ergebnisse zeigten Venturi-Effekte zwischen den Türmen, lokale Verstärkungen von Böen und kritische Bereiche für Arbeiten in der Höhe. Die Studie ermöglichte auch die Kartierung des statischen Drucks auf die Fassaden, die Identifizierung von Bereichen, die starken Belastungen ausgesetzt sind, und die Identifizierung von Bereichen mit Unterdruck, die das Verhalten der Öffnungen beeinflussen können. Diese Analyse ermöglichte es, Risiken zu antizipieren, die Dimensionierung der Fassadenelemente zu optimieren und die technischen Lösungen an den lokalen aerodynamischen Kontext anzupassen.
Video-Zusammenfassung der Mission
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