1. Einführung
Die Windrichtung spielt bei CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics - Numerische Strömungsmechanik) und der statischen Bemessung von Gebäuden, Brücken, Fahrzeugen und anderen Objekten, die aerodynamischen Kräften ausgesetzt sind, eine entscheidende Rolle. Wenn Bauingenieure und Statiker an der Entwicklung eines Tragwerks arbeiten, ist es von entscheidender Bedeutung zu verstehen, wie die Windrichtung die Struktur beeinflusst, um Stabilität, Sicherheit und Leistung zu gewährleisten (Bild 1).
Bei CFD-Simulationen bestimmt die Windrichtung, wie die Luft um eine Struktur herum strömt, und beeinflusst somit Druckverteilung, Strömungswiderstand, Auftrieb und andere aerodynamische Kräfte. Mithilfe dieser Simulationen können Tragwerksplaner vorhersagen, wie die Änderung der Windrichtung zu unterschiedlichen Reaktionen des Tragwerks führen kann, sodass auf seine Gestaltung Einfluss genommen werden kann, damit es unterschiedlichen Windbedingungen standhält. Zum Beispiel kann die Form eines Gebäudes optimiert werden, um Windlasten bei gewöhnlichen Windverhältnissen zu minimieren, oder eine Brücke könnte so entworfen werden, dass eine mögliche Resonanz mit den vorherrschenden Winden vermieden wird.
Aus der Sicht der Tragwerksplanung ist die Auswirkung der Windrichtung ein entscheidender Faktor bei der Bestimmung von Lastpfaden und der Festigkeitsanforderungen für die verschiedenen tragenden Bauteile. Tragwerke werden oft so ausgelegt, dass sie auch den schwersten Windlasten standhalten, die während ihrer Lebensdauer zu erwarten sind. Dazu gehört, die vorherrschenden Wind- bzw. Luftdruckverhältnisse einschließlich Richtung, Geschwindigkeit und Frequenz zu verstehen, um Ausrichtung, Form und Tragwerksverstärkungen danach ausrichten zu können.
Darüber hinaus kann sich die Windrichtung sowohl auf die Lüftung als auch auf die Energieeffizienz und sogar auf das Behaglichkeitsniveau im Inneren von Gebäuden auswirken, was wiederum die architektonischen Aspekte der Tragwerksplanung beeinflusst. In einigen Fällen kann sie auch Auswirkungen auf die Bodenerosion um das Bauwerk herum haben und dessen Fundament und Stabilität beeinträchtigen. Im Folgenden sind einige der wichtigsten Auswirkungen der Windrichtung auf die Windsimulation aufgelistet:
2. CFD-Simulationen
- Aerodynamische Analyse: CFD-Simulationen ermöglichen die Analyse von Luftströmungen um Strukturen. Das Ändern der Windrichtungen wirkt sich auf die Druckverteilung um ein Gebäude oder Baukörper aus.
- Modellierung von turbulenten Strömungen: Unterschiedliche Windrichtungen können verschiedene Wirbeleffekte hervorrufen, die mit CFD untersucht und modelliert werden können.
- Nachlauf: Die Nachlaufströmung ist ein Bereich mit gestörter Strömung, die hinter dem Bauwerk strömungsabwärts verläuft, und sehr empfindlich auf die Windrichtung reagieren kann. Dies hat Auswirkungen auf nachgelagert liegende Strukturen bzw. auf die Bemessung von Gebäudegruppen, bei denen die Luftströmung zwischen den Bauwerken berücksichtigt werden muss.
- Lüftung und Luftqualität: Die Windrichtung beeinflusst die natürliche Lüftung und die Verteilung der Verschmutzung um die Gebäude herum, und CFD kann bei der Analyse dieser Einflüsse helfen.
- Validierung und Kalibrierung: Damit sich CFD-Simulationen als effektiv erweisen, müssen sie durch Messungen unter realen Bedingungen validiert und kalibriert werden. Dafür ist das Verständnis der vorherrschenden Windrichtungen entscheidend.
3. Statik
- Lastberechnung: Die Windrichtung beeinflusst die Windlast, die auf Baukörper einwirkt. Statiker müssen Worst-Case-Szenarien mit unterschiedlichen Windrichtungen berücksichtigen, damit die Tragwerke den höchstmöglichen Lasten standhalten.
- Dynamisches Verhalten: Bauwerke reagieren unterschiedlich auf Windlasten aus verschiedenen Richtungen, was sich auf ihre dynamische Antwort auswirkt. Diese Antworten zu verstehen ist entscheidend für die Bemessung stabiler Strukturen.
- Wirbelablösung: Je nach Windrichtung kann es zu Wirbelablösung kommen, die insbesondere bei schlanken Strukturen wie Schornsteinen und Türmen zu Schwingungen führt.
- Aeroelastische Phänomene: Bei Bauwerken wie Brücken kann die Windrichtung zu aeroelastischen Phänomenen wie Flattern führen, die sich als katastrophal erweisen können, wenn sie bei der Tragwerksgestaltung nicht abgeschwächt werden.
4. Zusammenspiel zwischen Windrichtung, CFD und Tragwerksentwurf
- Interdisziplinärer Ansatz: Architekten, Statiker und CFD-Analytiker arbeiten oft zusammen und nutzen die CFD-Ergebnisse zur Entscheidungsfindung bei statischen Berechnungen.
- Entwurfsoptimierung: CFD-Simulationen können dabei helfen, die Form und Ausrichtung von Gebäuden zu optimieren, um Windlasten auf ein Minimum herabzusetzen und die aerodynamische Leistung zu verbessern.
- Fassadengestaltung: Informationen zur Windrichtung und Druckverteilung werden genutzt, um Fassaden derart zu gestalten, dass sie verschiedenen Windlasten standhalten.
- Komfort für Fußgänger: Die Studien zeigen auch, dass die Windbedingungen in Bodennähe für Fußgänger angenehm und sicher bleiben.
5. Fallstudie
Als Beispiel wird eine einfache Gebäudeform (Bild 2) ausgewählt, um die Auswirkung der Windrichtung auf dieses Gebäude zu bewerten. Die Werte von Fd, Fx, Fy und Fz beziehen sich auf die Gesamtströmungswiderstandskräfte, die Richtungskräfte x, y, und z, außerdem beziehen sich Cp,max,pos und Cp,min,neg auf den maximalen positiven Winddruck und den minimalen Winddruck (Bild 3 und Tabelle 1).
| Windrichtungen (θ) | Fd (kN) | Fx (kN) | Fy (kN) | Fz (kN) | Cp,max,pos | Cp,min,neg |
| θ=0 | 199,39 | 195,12 | -14,43 | 38,40 | 0,97 | -1,29 |
| θ=15 | 184,28 | 180,34 | 10,88 | 36,30 | 0,97 | -2,07 |
| θ=30 | 236,40 | 230,56 | -33,69 | 39,91 | 0,99 | -4,39 |
| θ=45 | 240,63 | 237,00 | 0,912 | 41,63 | 1,00 | -3,84 |
| θ=60 | 236,71 | 230,62 | 35,72 | 39,62 | 0,99 | -4,48 |
| θ=75 | 178,40 | 172,40 | -28,80 | 35,74 | 0,98 | -1,99 |
6. Fazit
Die Windrichtung spielt eine entscheidende Rolle bei der Berechnung und Bemessung von Tragwerken. Mithilfe von CFD-Simulationen können Ingenieure die Auswirkungen von Wind nicht nur vorhersagen sondern auch abmindern, indem sie ihre Konstruktionen so anpassen, dass sie unterschiedlichsten Windverhältnissen, denen natürlicherweise eine gewisse Instabilität innewohnt, standhalten. Während wir die Grenzen von Architektur und Bauwesen erweitern, wird die Abstimmung der Struktur an die Windrichtung durch die fortschrittliche Simulation zu einem Beweis dafür, dass wir mit der Zeit immer mehr die Kräfte kontrollieren können, die unsere bebaute Umwelt formen. Im aktuellen Fallbeispiel wurde gezeigt, dass ein Winkel von 45° das kritischste Szenario in Bezug auf die Strömungswiderstandskräfte darstellt.
Der Einfluss der Windrichtung beschränkt sich nicht nur auf den Außendruck; er wirkt sich auch auf das aerodynamische Verhalten einschließlich potentieller Wirbelablösung und Nachlaufbereiche aus, was zu Schwingungslasten führen kann. Ein gründliches Verständnis dieser dynamischen Effekte ist unabdingbar, um die Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit von Gebäuden, Brücken und anderen Infrastrukturen sicherzustellen. Durch Integration der Variabilität von Windrichtungen in CFD-Simulationen können Ingenieure daher mögliche Szenarien, denen ein Tragwerk im Laufe seiner Lebensdauer ausgesetzt sein kann, vorhersagen. Dies führt zu robusteren und effizienter gestalteten Konstruktionen, die der launischen Natur des Windes standhalten und Sicherheit, Leistungsfähigkeit und lange Lebensdauer gewährleisten.
