Windlasten auf ein hohes Gebäude

Fachbeitrag

Diese Studie vergleicht den Winddruck auf ein hohes Gebäude aus der RWIND-Simulation-Berechnung mit den Ergebnissen von Dagnew et al., die auf der 11th Americas Conference on Wind Engineering im Juni 2009 veröffentlicht worden sind. In diesem Artikel werden die Windergebnisse auf das Commonwealth Advisory Aeronautical Council (CAARC) Gebäude nach verschiedenen numerischen Methoden mit den experimentellen Daten auf Basis von Windkanalversuchen miteinander verglichen.

RWIND Simulation ist in erster Linie auf eine schnelle Ergebnisermittlung für relativ komplexe und große Modelle ausgelegt. In diesem Programm ist die Standardeinstellung so gewählt, dass konsequent mit einem Standardrechner innerhalb von fünf Minuten ein Ergebnis ermittelt werden kann. Die so ermittelten Ergebnisse stimmen relativ gut mit den veröffentlichten Ergebnissen aus dem oben erwähnten Artikel [1] überein und werden im Nachgang entsprechend erörtert.

Berechnungsbereich und Vernetzung

Das CAARC-Gebäude hat eine rechteckig-prismatische Form mit den Abmessungen 150 x 100 x 600 ft. Der umschreibende Windkanal mit einer Gesamthöhe von 1.200 ft ist in Strömungsrichtung 4.950 ft lang und senkrecht dazu 3.000 ft breit.

Bild 01 - Modell und Berechnungsbereich

Das Finite-Volumen-Netz mit 540.180 Netzzellen wurde in der Nähe des Gebäudemodells lokal verfeinert. Dieses relativ grobe Netz garantiert eine schnelle Berechnung. Optional könnte RWIND Simulation den Berechnungsbereich auch mit bis zu 50 Millionen Netzelementen vernetzen.

Konfiguration der Simulation

Die allgemeinen Simulationsparameter und das Einlass-Windgeschwindigkeitsprofil sind nach Dagnew et al. [1] wie folgt festgelegt.

Bild 02 - Allgemeine Simulationsparameter und Einlass-Windgeschwindigkeitsprofil

Die Modell-Randbedingungen sind wie folgt.

ParameterObere, linke und rechte WindkanalseiteEinlassAuslassModelloberflächen und Boden
GeschwindigkeitSchlupfWindgeschwindigkeitsprofilZero Gradient0 m/s
DruckZero Gradient0 PaZero GradientZero Gradient
Turbulenzintensität-0,15 %--

Die Turbulenzwirkung ist über ein k-ε-Modell mit einer Turbulenzintensität von 0,15 % wie folgt definiert.

Bild 03 - Turbulenzmodell

Berechnung

Die Berechnung wurde mit dem zur OpenFOAM-SIMPLE-Gleichungslöserfamilie relativen RWIND-Simulation-Gleichungslöser durchgeführt. Dieser Löser ist ein stationärer Gleichungslöser für inkompressible, turbulente Strömungen. Der Berechnungsprozess, einschließlich der Netzgenerierung und Ergebnisvorbereitung, hat auf einem PC mit acht Kernen (Intel i9-9900K) rund fünf Minuten benötigt. Dabei hat der Prozess nach etwa 350 Iterationen die im Standard voreingestellte Konvergenzschranke mit einer verbleibenden Druckdifferenz von 0,001 erreicht. Für eine verbleibende Druckdifferenz von 0,0001 findet das Programm nach 700 Iterationen eine Lösung. Diese Ergebnisse unterscheiden sich jedoch nicht signifikant von den Ergebnissen mit der größeren Druckdifferenz.

Bild 04 - Konvergenzdiagramm

Ergebnisse

Die Bilder 05 bis 07 zeigen die Druckverteilung auf der Gebäudeoberfläche und das Geschwindigkeitsfeld um das Gebäude. Zu Validierungs- und Vergleichszwecken wird der berechnete Druckkoeffizient cp mit den aus [1] gegebenen Daten in den Bildern 09 bis 11 verglichen. Der cp Druckkoeffizient ist wie folgt definiert.

${\mathrm c}_{\mathrm p}\;=\;\frac{\mathrm p\;-\;{\mathrm p}_\infty}{\displaystyle\frac12\;\cdot\;\mathrm\rho\;\cdot\;\mathrm v_{\mathrm H}^2}$
mit
p ... statischer Druck am Auswertungspunkt
p ... statischer Druck in der ungestörten Anströmung (hier: p = 0 Pa)
ρ ... Luftdichte (hier: ρ = 1,2 kg/m³)
vH ... ungestörte Windgeschwindigkeit in der Höhe des Daches (hier: vH = 12,7 m/s)

Auf der Luvfläche decken sich die Ergebnisse von RWIND Simulation sehr gut mit den experimentellen Windkanalversuchsdaten von Dagnew et al. [1]. An den Seiten- und Leeflächen weichen die Werte 10 bis 20 % von den gemessenen Daten und errechneten Ergebnissen ab. Diese Unterschiede basieren auf dem verwendeten k-ε-Turbulenzmodell und der relativ groben Vernetzung. Die Ergebnisgenauigkeit kann durch Verwendung eines genaueren Turbulenzmodells (LES) erhöht werden. Dieses Turbulenzmodell wird derzeit in RWIND Simulation implementiert und wird in den zukünftigen Versionen verfügbar sein.

RWIND Simulation Ergebnisse:

Bild 05 - Druckverteilung auf der Gebäudeoberfläche

Bild 06 - Windfeld im Vertikalschnitt

Bild 07 - Windfeld im Horizontalschnitt bei 2/3 der Gebäudehöhe

Vergleich mit Daten und Ergebnissen aus [1]:

Bild 08 - Auswertungspfad

Bild 09 - Gemittelte Druckkoeffizienten cp über den Umfang des Gebäudes in der Höhe z = 2/3 H. Vergleich mit den in [1] veröffentlichten Ergebnissen nach anderen numerischen Methoden

Bild 10 - Grafische Verteilung der Druckkoeffizienten cp über die Luvfläche

Bild 11 - Grafische Verteilung der Druckkoeffizienten cp über die Leefläche

Schlüsselwörter

Luvseite Leeseite ungestört Windstrom k-Epsilon LES Windlast Validierung

Literatur

[1]   Dagnew, A. K.; Bitsuamalk, G. T.; Merrick, R.: Computational evaluation of wind pressures on tall buildings. 11th Americas Conference on Wind Engineering | International Association for Wind Engineering, 2009

Downloads

Links

Kontakt

Kontakt zu Dlubal

Haben Sie Fragen oder brauchen Sie einen Rat? Kontaktieren Sie uns über unseren kostenlosen E-Mail-, Chat- bzw. Forum-Support oder nutzen Sie die häufig gestellten Fragen (FAQs) rund um die Uhr.

+49 9673 9203 0

info@dlubal.com

Compatible Programs Program
RWIND Simulation 1.xx

Eigenständiges Programm

Eigenständiges Programm zur CFD-Simulation von Windströmungen um Gebäude oder andere Objekte. Die generierten Windlasten, die auf diese Objekte wirken, können in das Statikprogramm RFEM oder RSTAB importiert werden.

Erstlizenzpreis
2.690,00 USD