Větrná pohoda v místech pohybu chodců a v okolí budov

  • Databáze znalostí

Odborný článek

Budovy jsou tělesa obtékaná větrem. Při obtékání vznikají na povrchu specifická zatížení, která se musí zohlednit při navrhování a statickém posouzení konstrukce.

Kromě toho ale také dochází v okolí budov při obtékání k jinému chování větru než při proudění vzduchu nezastavěnou krajinou. Toto chování větru ovlivňuje v závislosti na vlastnostech větru a budovy mikroklima u budovy a osoby v blízkém okolí. V nejhorším případě se pobývání v okolí budovy stává nepříjemným s částečně skrytými nebezpečími pro chodce a cyklisty.

Obrázek 01 - Proudění větru v městské zástavbě

Proto se analýza chování větru ve stavebnictví nevěnuje pouze určování zatížení větrem obtékaných konstrukcí, ale také větrnou pohodou chodců a cyklistů v okolí budov.

Možné jevy při proudění mezi budovami

Nejen, že budovy čelí větru přímo, ale také jeho proudění ovlivňují svým tvarem [1]. Průtok v tomto blízkém okolí se může vyvíjet zcela odlišně v závislosti na směru větru, tvaru budovy a vlastnostech větru. Jednotlivé typické jevy jsou uvedeny níže.

Obrázek 02 - Vznik vírů za překážkou

Obrázek 03 - Vznik vírů před překážkou

Obrázek 04 - Kanálový efekt

Obrázek 05 - Venturiho efekt

Obrázek 06 - Efekt závětří

Obrázek 07 - Efekt průtoku

Souhra všech těchto jevů má vliv na městské mikroklima [1]. Výsledný tok větru přenáší vzduch, znečištění, sníh, pachy a teplo městskou krajinou v závislosti na globálně vanoucím větru, jeho lokálních zrychleních a časovém rozdělení.

Větrná pohoda

Lokálně zrychlené proudění větru a víry způsobené interakcí budov a vlastního proudění vzduchu jsou typickým znakem proudění větru v zastavěných oblastech. Turbulence a vysoké rychlosti větru způsobené kanálovým a Venturiho efektem mezi budovami a v jejich okolí pak vytvářejí nepohodu pro lidi, kteří se tam zdržují. Nepříjemný pocit vyvolává především pole proudění ve výšce hlav chodců (1,5 až 2 metry nad zemí). Ve zvláště extrémních případech vzniká navíc s výskytem vyšších rychlostí větru nebezpečí, že vítr neočekávaně strhne chodce nebo cyklistu.

Aby se zamezilo nebezpečí vyplývajícímu z účinků větru a jeho působení se stalo snesitelným, vznikla v průběhu času různá kritéria. Nejznámějšími kritérii jsou mezní hodnoty podle Lawsona, Davenporta a normy NEN 8100 [2]. Posledně jmenovaná norma uvádí kromě důležitých kritérií pohody také bezpečnostní kritéria.

Větrnou pohodu v určitém místě lze odhadnout pomocí těchto kritérií spolu se znalostí meteorologických dat a lokálních větrných poměrů. Meteorologická data udávají v posuzované oblasti četnost rychlostí větru pro každý směr. Takové datové soubory se často zobrazují v takzvaných větrných růžicích.

Obrázek 08 - Větrná růžice

Globální proudění větru vytváří v dané čtvrti města či komplexu budov na základě různých efektů obtékání nekonstantní pole rychlostí proudění někdy se značnými zrychleními. Větrná pohoda chodců se pak získá vyladěním lokálních rychlostí větru s příslušnými meteorologickými četnostmi globálního proudění větru [2]. Například nizozemská norma NEN 8100 stanovuje kategorizaci pro určení pohody a bezpečnosti.

 Kategorie
pohody
Střední
rychlost větru
[m/s]
Pravděpodobnost
výskytu
[%]
Aktivita
 A5<2,5Dlouhodobé sezení
 B5<5Krátkodobé sezení
 C5<10Volná chůze
 D5<20Rychlá chůze
 E5≥ 20Nepohoda
 Bezpečnostní
kategorie
Střední
rychlost větru
[m/s]
Pravděpodobnost
výskytu
[%]
Nebezpečí
 A15<0,05Žádné nebezpečí
 B15<0,30Omezené nebezpečí
 C15≥ 0,30Nebezpečí

Novostavby mění větrné poměry

Z minulosti známe různé příklady, kdy nové budovy drasticky změnily mikroklima města a s ním související pole proudění větru. Jako nejznámější představitel nepříjemného prostředí v minulosti poslouží Flatiron Building v New Yorku nebo novější příklad výškové budovy na Fenchurch Street 20 v Londýně, které se také kvůli jejímu tvaru přezdívá Walkie-Talkie nebo Pinta. Tyto a další případy ukázaly, že při výstavbě nové budovy ve stávající městské zástavbě je nutné zabývat se nejen samotnou budovou, ale také jejím okolím. Zejména výškové budovy vyšší než 25 metrů mohou díky nově vznikajícímu svislému proudění větru na fasádě výrazně změnit větrnou pohodu v okolí. Větrnou situaci okolo těchto problematických staveb lze následně vylepšit pouze ve velmi omezené míře. Někdy ji vylepší optimálně umístěné stromy, které zpomalují a odklánějí nepříjemné proudění větru.

Abychom se těmto problémům vyhnuli, je lepší znát změny větrné situace v okolí již ve fázi navrhování nové budovy nebo komplexu budov. Na základě těchto informací je možné již před výstavbou rozpoznat oblasti špatné větrné pohody a odpovídajícím způsobem změnit tvar budovy. Vzhledem k tomu, že tyto optimalizace tvaru se musí zpravidla provádět iterativně, nabízí se logicky numerická simulace proudění. Tato digitální metoda umožňuje přesně vytvořit varianty tvarů budovy, které se mají zkoumat, aniž by došlo ke ztrátě zdrojů, a může stanovit lokální rychlosti větru, které zohledňují globální situaci větru v městské části. Tento způsob může být úspornější ve srovnání se zkouškami ve skutečném větrném tunelu na zmenšeném modelu města, protože odpadne pracné vytváření modelů.

Analýza proudění větru pomocí programu RWIND Simulation

Program RWIND Simulation umožňuje provést numerickou simulaci proudění pro takové modely zástavby. Program může importovat někdy členitý, velmi detailní model města 1:1 do numerického větrného tunelu bez změny měřítka pomocí rozhraní VTP (ParaView Poly Data) nebo STL (stereolitografie). Globální větrnou situaci v zástavbě je třeba definovat pro větrný tunel pomocí pole rychlosti větru a turbulence proměnlivého s výškou. Alternativně lze importovat přímo do numerického větrného tunelu programu RWIND Simulation model pro statickou analýzu s definovanými globálními vlastnostmi větru z programu RFEM. Program RWIND Simulation následně zasíťuje volný prostor konečnými objemy a určí lokální pole proudění okolo modelu pomocí stacionárního řešiče pro nestlačitelné turbulentní proudění algoritmem SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations).

Referenční příklad E „Komplexy budov s jednoduchým tvarem budov v reálné městské zástavbě (Niigata)“ zveřejněný v „Příručce pro CFD predikci větrné situace v zástavbě“ [3] Japonského institutu architektury (AIJ) názorně ukazuje, jak nová výstavba výškových budov ovlivňuje lokální pole proudění větru v oblasti pohybu chodců.

Obrázek 09 - Lokální rychlosti větru před výstavbou pomocí RWIND Simulation

Obrázek 10 - Lokální rychlosti větru po výstavbě pomocí RWIND Simulation

Lokální rychlost větru se zvyšuje pro zatěžovací stav Západní vítr s globální rychlostí 3,93 m/s v referenční výšce 15,9 m nad úrovní města za budovou z 1,3 m/s před výstavbou na 4,43 m/s po výstavbě. To znamená přibližně 3,4násobné zvýšení rychlosti větru s doprovodným snížením větrné pohody chodců na náměstí před budovou.

Tato velmi vypovídající sada výsledků byla stanovena v programu RWIND Simulation na standardním počítači bez nutnosti rozsáhlého zadávání dat a vytváření sítě. Díky takovýmto výsledkům mohou urbanisté, projektanti, architekti a inženýři odvodit podmínky větrné pohody v okolí navrhované budovy.

Autor

Dipl.-Ing. (BA) Andreas Niemeier, M.Eng.

Dipl.-Ing. (BA) Andreas Niemeier, M.Eng.

Vývoj produktů a péče o zákazníky

Ing. Niemeier je zodpovědný za vývoj hlavních programů RFEM a RSTAB a přídavných modulů pro membránové konstrukce. Zároveň má na starosti řízení jakosti a podporu zákazníkům.

Klíčová slova

Větrná pohoda Analýza větrné pohody Vyhodnocení větrné pohody Vír Oddělování vírů Mrakodrap Územní plánování Burnham Aerodynamika budov Rychlosti proudění Analýza proudění větru Oblast pohybu chodců

Literatura

[1]   NEN 8100:2006, Wind Comfort and Wind Danger in the Built Environment
[2]   Architectural Institute of Japan: AIJ Benchmarks for Validation of CFD Simulations Applied to Pedestrian Wind Environment around Buildings. Tokio: AIJ, 2016
[3]   Ministerium für Verkehr und Infrastruktur Baden-Württemberg: Städtebauliche Klimafibel - Hinweise für die Bauleitplanung, Neuauflage. Stuttgart: Druckfrisch, 2012
[4]   Architectural Institute of Japan: Guidebook for CFD Predictionsof Urban Wind Environment. Tokio: AIJ, 2020

Ke stažení

Odkazy

Napište komentář...

Napište komentář...

  • Navštíveno 2015x
  • Aktualizováno 7. dubna 2021

Kontakt

Kontaktujte Dlubal Software

Máte dotazy nebo potřebujete poradit?
Kontaktujte prosím kdykoli naši bezplatnou technickou podporu e-mailem, na chatu nebo na fóru anebo se podívejte do sekce často kladených dotazů (FAQ).

+420 227 203 203

info@dlubal.cz

RFEM pro studenty | USA

Online školení 21. dubna 2021 13:00 - 16:00 CDT

Online školení | Anglicky

Eurokód 2 | Betonové konstrukce podle DIN EN 1992-1-1

Online školení 12. května 2021 8:30 - 12:30 CEST

Online školení | Anglicky

Eurokód 5 | Dřevěné konstrukce podle DIN EN 1995-1-1

Online školení 20. května 2021 8:30 - 12:30 CEST

Online školení | Anglicky

RFEM pro studenty | 3. část

Online školení 15. června 2021 14:00 - 16:30 CEST

Pozvání na konferenci

Statika stavieb 2021 - 25. konference statiků

Konference 14. října 2021 - 15. října 2021

Membránové konstrukce a \n CFD simulace zatížení větrem

Membránové konstrukce a CFD simulace zatížení větrem

Webinář 6. dubna 2021 13:00 - 14:00 CEST

Posouzení prutů podle ADM 2020 v programu RFEM

Posouzení prutů podle ADM 2020 v programu RFEM

Webinář 19. ledna 2021 14:00 - 15:00 CDT

Dlubal seminář

Dlubal online seminář | 15. prosince 2020

Webinář 15. prosince 2020 9:00 - 16:00 CET

Interakce konstrukce s podložím v programu RFEM

Interakce konstrukce s podložím v programu RFEM

Webinář 27. října 2020 14:00 - 14:45 CET

Posouzení betonu podle ACI 318-19 v RFEMu

Webinář 20. srpna 2020 14:00 - 15:00 CDT

Posouzení betonu podle CSA A23.3:19 v RFEMu

Posouzení betonu v programu RFEM podle CSA A23.3:19

Webinář 14. května 2020 14:00 - 15:00 CDT

Membránové konstrukce  \ n a CFD simulace zatížení větrem

Membránové konstrukce a CFD simulace zatížení větrem

Webinář 8. dubna 2020 14:00 - 15:00 CDT

Compatible Programs Program
RWIND Simulation 1.xx

Samostatný program

Samostatný program pro numerickou simulaci proudění vzduchu v digitálním větrném tunelu a export vygenerovaných zatížení větrem do programu RFEM nebo RSTAB.

Cena za první licenci
2 690,00 USD