Wie kann man einen für die Zulassung von CFD-Analysen zuständigen Ingenieur davon überzeugen, diese bei der Bestimmung von Windlasten anzuwenden

Einführung

Angesichts zunehmend komplexer Gebäudegeometrien und einer steigenden Nachfrage nach präzisen Windlastdaten hat sich die numerische Strömungsmechanik (CFD) als leistungsstarkes Tool zur Ermittlung von Windlasten etabliert. Dennoch stehen viele Ingenieure und Konstrukteure vor der gemeinsamen Herausforderung, Prüfingenieure von CFD-basierten Windsimulationen zu überzeugen. In diesem Artikel gehen wir auf die typischen Bedenken von Prüfingenieuren ein und bieten Strategien, Argumente und Referenzen, um die Verwendung von CFD für die Tragwerksplanung gemäß der anerkannten Normen zu rechtfertigen. Ein wichtiger Vorteil der CFD-Verwendung ist, dass sich ein vollständiges Bild der durch Wind verursachten Belastungen, einschließlich Druck- und Sogkräften, erhalten lässt. Häufig wird gefragt, ob das Programm neben den Druckkräften auf der Windseite auch die entsprechenden Sogkräfte auf der Leeseite berechnet. CFD-Simulationen machen dies transparent und ermöglichen eine detaillierte Bewertung der Lastverteilung über die gesamte Struktur. Diese Erkenntnis ist mit herkömmlichen Methoden nicht immer so leicht zu erreichen.

1. Verstehen Sie die Bedenken des Prüfingenieurs

Bevor Sie Ihre CFD-Ergebnisse präsentieren, ist es wichtig zu verstehen, warum einige Prüfingenieure vorsichtig bleiben:

• CFD ist empfindlich gegenüber den Eingabeannahmen (z. B. Turbulenzmodell, Anströmprofil, Netzqualität usw.).

• Verifizierung und Validierung sind nicht immer transparent.

• Im Gegensatz zu Windkanaltests gibt es für CFD keine etablierte Vertrauenskette für jedes Szenario.

• Viele nationale Vorschriften legen nach wie vor den Schwerpunkt auf physikalische Prüfungen oder code-basierte Lastmodelle als Standard.

Indem Sie ihre Bedenken verstehen, können Sie Erklärungen geben, die echte Probleme lösen, anstatt nur über die Technologie selbst zu sprechen.

2. Referenzieren Sie die Standards: CFD ist erlaubt

CFD ist nicht nur eine futuristische Idee, sondern in mehreren Normen ausdrücklich erlaubt. Zum Beispiel:

• EN 1991-1-4: Gemäß Abschnitt 1.5 der EN 1991-1-4 können numerische Simulationen als Ergänzung zu Berechnungen und physikalischen Windkanaltests verwendet werden, sofern sie "nachgewiesen und/oder ordnungsgemäß validiert" sind.

• ASCE 7-22: In ASCE 7-22 wird unter Bezugnahme auf ASCE 49 anerkannt, dass CFD zwar zunehmend in der Windtechnik eingesetzt wird, seine Verwendung jedoch sorgfältig kontrolliert werden muss. Da es derzeit keine spezielle Norm gibt, die die vollständigen Verfahren für CFD in diesem Zusammenhang detailliert beschreibt, betont ASCE, dass jede Anwendung von CFD zur Bestimmung der Windlasten auf dem Hauptwindkraft-Widerstandssystem (MWFRS), auf Komponenten und Verkleidungen (C&C) oder auf anderen Strukturen einer Begutachtung durch Fachkollegen sowie einer "Verifizierung und Validierung (V&V)"-Studie unterzogen werden muss, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Ergebnisse sicherzustellen.

✅ Die Kernbotschaft lautet: Eine CFD-Analyse ist normgerecht, wenn sie auf validierten Modellen basiert und die tatsächlichen Windverhältnisse widerspiegelt.

• Vertrauen in CFD aufbauen: Validierung, Verifizierung und Kalibrierung zur Akzeptanz von Windsimulationen

• RWIND - Durchführung eines Validierungsbeispiels

3. Nachweise der Validierung vorlegen

Die Glaubwürdigkeit eines CFD-Modells hängt von der Validierung ab.

• Vergleichen Sie Ihre CFD-Ergebnisse mit experimentellen Windkanaldaten (z. B. aus Tokyo Polytechnic University (TPU) ).

• Zeigen Sie Übereinstimmung in den Ausgabewerten wie Druckkoeffizienten, Kraftkoeffizienten oder Lagerreaktionen.

• Dokumentieren Sie Ihr Turbulenzmodell, die Randbedingungen und die Netzempfindlichkeit-Analyse.

• Die Präsentation von Artikeln, die in begutachteten und validierten Fachzeitschriften veröffentlicht wurden, kann die Glaubwürdigkeit Ihrer Arbeit erheblich steigern:

• Einachsige FSI-Kopplung mit stationärer und instationärer CFD-Analyse für die Schirmform einer Spannmembrankonstruktion (EN)

• Analyse der progressiven Schäden an der Zugmembran des Millennium Dome, die während des Orkans Zeynep entstanden sind.

📌 Tipp: Verwenden Sie Beispiele, bei denen die CFD-Ergebnisse bereits von Prüfingenieuren akzeptiert wurden oder in abgeschlossenen Projekten zum Einsatz kamen. Wenn möglich, legen Sie formelle Annahmeschreiben oder Projektreferenzen vor.

4. Praktische Vorteile hervorheben

Erläutern Sie, warum CFD in Ihrem speziellen Fall die beste Wahl war:

• CFD zeigt sowohl Druck- als auch Saugkräfte deutlich an und vermittelt den Anwendern so ein umfassendes Verständnis der Auswirkungen des Windes auf die gesamte Konstruktion.

• Genauere Ergebnisse für komplexe Geometrien, bei denen Vereinfachungen des Eurocodes nicht zutreffen.

• Bessere räumliche Auflösung der Druckverteilung (insbesondere für die Fassaden- und Verkleidungsgestaltung).

• Fähigkeit zur Simulation lokaler Effekte wie Eckwirbel, Ablösungszonen oder Abschirmungseffekte.

• Kostengünstig und zeitsparend im Vergleich zu Windkanaltests, insbesondere in frühen Bemessungszuständen.

• Die CFD-FEM-Integration ermöglicht eine genaue Anwendung der Windlast, unterstützt die Eurocode- und LRFD-Konstruktionsnormen und reduzierte den Bedarf an Windkanaltests, was zu sichereren und effizienteren Tragwerksplanungen führt.

5. Übersichtliches Dokumentationspaket bereitstellen

Prüfingenieure legen Wert auf Transparenz und Rückverfolgbarkeit. Erstellen Sie daher einen Bericht, der die folgenden Punkte enthält:

1. Ziele der CFD-Studie
2. Beschreibung des numerischen Gebiets und der Randbedingungen
3. Begründung des gewählten Turbulenzmodells
4. Konvergenzstudie des Netzes
5. Validierung anhand von Experimenten oder Standards
6. Interpretation der Ergebnisse im Kontext der Tragwerksplanung (z. B. Lastkombinationen in RFEM)

📁 Fügen Sie Anhangsmaterialien wie Screenshots, Koeffizientendiagramme und Übersichtstabellen für Druck- und Kraftergebnisse bei.

6. Gemeinsame Diskussion anbieten

Falls erforderlich, schlagen Sie ein Treffen mit dem zuständigen Ingenieur vor, um Folgendes zu besprechen:

• Der Simulationsansatz und die Annahmen

• Bereits akzeptierte Anwendungsfälle

• Bereiche, in denen konventionelle Methoden versagen

Ingenieure akzeptieren CFD eher, wenn es ihnen transparent und dialogorientiert präsentiert wird – und nicht dogmatisch.

7. Verwendung zugelassener Software und Referenzprojekte

Verwenden Sie renommierte CFD-Tools, die in der Branche bekannt sind, beispielsweise RWIND oder OpenFOAM, und betonen Sie, dass diese parallel zu FEM-Tools für die Lastübertragung und Konstruktionsüberprüfung eingesetzt werden. Wenn die Software bereits in öffentlichen Infrastruktur-, Turm- oder Antennenprojekten zum Einsatz kam, erwähnen Sie dies.

• Referenzen - Projekte

Fazit

Um Ihren Prüfingenieur vom Wert der CFD bei der Ermittlung der Windlast zu überzeugen, geht es nicht darum, traditionelle Methoden zu ersetzen, sondern sie verantwortungsbewusst zu ergänzen. Durch den Verweis auf die entsprechenden Normen, den Nachweis der Validierung und die Bereitstellung einer klaren Dokumentation können Sie zeigen, dass die CFD nicht nur präzise, sondern auch ein zuverlässiges und in der modernen Windingenieurstechnik anerkanntes Tool darstellt.