Wind Engineering

Wind Engineering - eines der wichtigsten Anwendungsfelder für Virtual Engineering in der Architektur und Quartiersplanung

Wind Engineering untersucht, wie der Wind gebaute Strukturen beeinflusst und welche Wechselwirkungen mit der unmittelbaren Umgebung an der Schnittstelle zum lokalen Mikroklima entstehen.

Die durch Bausubstanz veränderten städtischen Windfelder haben weitreichende Konsequenzen für die Luftqualität, für die Behaglichkeit und den Komfort in Außenbereichen und auf Freiflächen. Die Dynamik der Interaktionen von Wind und Strukturen rufen physikalische Risiken kritischer Belastungsbedingungen hervor, die die Verwundbarkeit eines Gebäudes und der dicht bebauten Umgebung ausweiten, bis hin zu signifikanten Gesundheitsgefährdungen für Passanten und Bewohner.

Mit klassischen Methoden lassen sich Belastungsmuster kaum vorhersagen

Die aus aerodynamischer Sicht meist unvorteilhaften Gestaltungsmerkmale typischer Gebäude und anderer Hochbaustrukturen rufen Windturbulenzen hervor oder verstärken diese, teilweise um ein Vielfaches. Diese Windszenarien sind gekennzeichnet von starken Auf- und Abwinden (Updrafts, Downdrafts). Luftmassen können aus großen Höhen bis auf das Bodenniveau transportiert werden.

Die oft aus ästhetischen Gründen komplexe Formgebung typischer Wohnhäuser und gewerblicher Gebäude bedingt, dass durch Umströmung und Turbulenz hervorgerufene Druck- und Sogwirkungen des Windes experimentell schwer zu lokalisieren sind. Entsprechende Messungen am Standort können nur an bestimmten Orten des Strömungsfelds durchgeführt werden. Sie erlauben daher keine räumlich zusammenhängenden Bestandsaufnahmen der zu erwartenden Belastungssituationen eines Projekts. Sie sind kostenintensiv und zeitaufwändig. Dies gilt gleichermaßen für Windkanaltests, in denen es zusätzlich notwendig ist, das zu untersuchende Objekt auf die Größe des Windkanals zu verkleinern. Dies ruft lang bekannte Skalierungsprobleme hervor und es gestaltet sich sehr schwierig, repräsentative Aussagen zu komplexen Belastungsmustern und ihren Umgebungsmerkmalen zu treffen.

Virtual Engineering ist eine praktikable und kostengünstige Alternative

Eine praktikable und kostengünstige Alternative ist Virtual Engineering, insbesondere die Methode Computational Fluid Dynamics (CFD), in denen jedwede Belastungssituation, bis hin zum Katastrophenfall, bereits in frühen Planungsphasen eines Projekts untersucht werden kann. Die numerische Modellierung erlaubt es Planungsobjekte jeder Größe im vollen Maßstab zu untersuchen, ausgehend vom einzelnen Gebäude bis hin zum Quartier oder einer ganzen Stadt.

Numerisch durchgeführte Experimente liefern praktisch zu jedem Zeitpunkt und an jedem Ort des Untersuchungsobjekts jede gewünschte Detailgenauigkeit der Analyse. Experimente und Resultate sind vollständig revisionierbar und können Stakeholdern schnell und transparent zur Verfügung gestellt werden, um weitere Anpassungsmaßnahmen zu beraten.

Die Einbeziehung strukturmechanischer Simulationen mit der Finite-Element-Analyse (FEA) gibt Aufschlüsse über weitere gefährdete Gebäudemerkmale innerhalb der Gebäudehülle. Durch kombinierte CFD-FEM-Simulationen werden realistische gesamtenergetische Bilanzierungen der Gebäudeperformance möglich, die standorttypische Wetterfaktoren, saisonale Klimaschwankungen und langfristigen Klimaprojektionen einbeziehen können.

Virtual Engineering hat sich zu einem unerläßlichen, vielseitig einsetzbaren und wirtschaftlichen Werkzeug im Wind Engineering entwickelt, das nahtlos an die Mikroklimamodellierung anknüpft und viele weitere interdisziplinäre Fragestellungen in der Gebäude- und Stadtplanung beantwortet.

Virtual Engineering hat sich zu einem unerläßlichen, vielseitig einsetzbaren und wirtschaftlichen Werkzeug im Wind Engineering entwickelt, das nahtlos an die Mikroklimamodellierung anknüpft und viele weitere interdisziplinäre Fragestellungen in der Gebäude und Stadtplanung beantwortet.

Anwendungsbeispiele

Virtual Engineering Einsatz in der klimaresilienten Bauplanung

CFD-Untersuchung des Windkomforts in der Planung der Neugestaltung des öffentlichen Raums im Stadtteil

Computational Fluid Dynamics (CFD) ermöglicht sehr detaillierte instationäre Strömungsfeldanalysen an einzelnen Gebäuden bis hin zu ganzen Stadtteilen.

Die Abbildung zeigt ein Planbeispiel eines Projekts der innerstädtischen Begrünung. Stromlinien kennzeichnen die Windgeschwindigkeit oberhalb der bebauten Umgebung.

Starke Windeinwirkungen finden sich in den Außenbereichen der Dachgeschoßflächen und im Bereich des Gebäudes mit L-förmigem Grundriss. Auf der Wind abgewandten Seite (leeseitig) werden starke turbulente Wirbel induziert. In diesen sind die Windgeschwindigkeiten lokal stark erhöht und es lassen sich intensive auf- und abwärtsgerichtete Luftmassenströme beobachten (Up- und Downdrafts), die sich zeitlich schnell verändern.

Durch gezielt eingesetzte Begrünung können entsprechende Effekte auf dem Fußgängerniveau positiv beeinflusst und in ihrer Gesamteinwirkung abmildert werden. Dadurch werden komfortable Aufenthaltsbedingungen geschaffen.

Pedestrian Wind Comfort

CFD-Untersuchung des Windkomforts auf Fußgängerniveau (Pedestrian Wind Comfort) für unterschiedliche Planvarianten der Bepflanzung mit Bäumen verschiedener Größe. Farbkonturen in der unteren Abbildungsreihe kennzeichnen Komfortbedingungen nach dem Kriterium Lawson LDDC.

Eine Verdichtung des Baumbestands verbessert die Aufenthaltsbedingungen in den für die Außengastronomie wichtigen Bereichen deutlich. Hinzu kommen evotranspirative Eigenschaften der Begrünung, die sich positiv auf die Gesamtheit der Wohlfühlfaktoren auswirken.

Virtual Engineering Einsatz für komplexe Mikroklima Untersuchungen
Virtual Engineering Einsatz für komplexe Mikroklima Untersuchungen

Pedestrian Wind Comfort

CFD-Untersuchung des Windkomforts auf Fußgängerniveau (Pedestrian Wind Comfort) für unterschiedliche Planvarianten der Bepflanzung mit Bäumen verschiedener Größe. Farbkonturen in der unteren Abbildungsreihe kennzeichnen Komfortbedingungen nach dem Kriterium Lawson LDDC.

Eine Verdichtung des Baumbestands verbessert die Aufenthaltsbedingungen in den für die Außengastronomie wichtigen Bereichen deutlich. Hinzu kommen evotranspirative Eigenschaften der Begrünung, die sich positiv auf die Gesamtheit der Wohlfühlfaktoren auswirken.

Wind Engineering beurteilt die Aufenthaltsqualität im öffentlichen Raum

Standortspezifische Windverhältnisse

Hochhäuser und vor allem dichte Bebauung können die Windgeschwindigkeit auf Fußgängerebene erheblich erhöhen. Daher ist die Kenntnis der Strömungseigenschaften von Gebäuden in Abhängigkeit der standortspezifischen Windverhältnisse auf Fußgängerebene (Pedestrian Wind Comfort) bereits in frühen Planungsphasen zwingend erforderlich.

Sehr starke lokale Erhöhungen der Windgeschwindigkeit werden nicht nur an isoliert stehenden, hohen und schlanken gebauten Strukturen verursacht. Sehr ungünstige bauwerksaerodynamische Besonderheiten treten an vielen Orten des innerstädtischen Raums auf, da durch Wind hervorgerufene Belastungen in Restrukturierungsmaßnahmen des öffentlichen Raums oft keine entsprechende Berücksichtigung finden.

Detaillierte Turbulenzuntersuchungen

Kohärente turbulente Wirbelstrukturen induzieren Wechsellasten an Tragwerken, beeinflussen das Mikroklima in Fassadennähe und den Energiehaushalt des Gebäudes. Sie spielen eine maßgebliche Rolle bei der Gestaltung komfortabler Aufenthaltsbedingungen in Außenbereichen, vor allem in exponierten Höhen.

Entsprechende Parameter werden von heutigen Gebäudestandards nur unzureichend berücksichtigt, da ihnen gemittelten Annahmen zugrundeliegen. Spitzenwerte der dynamischen Beeinflussung bestimmen jedoch maßgeblich den Komfort und die Sicherheit in Außenbereichen (Balkone, Terrassen, sonstige Freiflächen). Sie spielen zudem eine entscheidende Rolle für robuste und langlebige Dach- und Fassadenbegrünungen.

Das Beispiel zeigt CFD-Untersuchungen der standortspezifischen Strömungsbedingungen an einem 60 Meter hohen Gebäude im innerstädtischen Raum. Die geplante Aufstockung um die oberhalb der ersten Plattform liegenden Geschossflächen ruft starke turbulente Wirbelstrukturen hervor, die ein großes Risiko für die geplante Begrünung der oberen Plattformen darstellen sowie für die öffentliche Begehbarkeit der zahlreichen geplanten Dachgeschossflächen.

Komfortable Aufenthaltsbedingungen im öffentlichen Raum
Komfortable Aufenthaltsbedingungen im öffentlichen Raum

Detaillierte Turbulenzuntersuchungen

Kohärente turbulente Wirbelstrukturen induzieren Wechsellasten an Tragwerken, beeinflussen das Mikroklima in Fassadennähe und den Energiehaushalt des Gebäudes. Sie spielen eine maßgebliche Rolle bei der Gestaltung komfortabler Aufenthaltsbedingungen in Außenbereichen, vor allem in exponierten Höhen.

Entsprechende Parameter werden von heutigen Gebäudestandards nur unzureichend berücksichtigt, da ihnen gemittelten Annahmen zugrundeliegen. Spitzenwerte der dynamischen Beeinflussung bestimmen jedoch maßgeblich den Komfort und die Sicherheit in Außenbereichen (Balkone, Terrassen, sonstige Freiflächen). Sie spielen zudem eine entscheidende Rolle für robuste und langlebige Dach- und Fassadenbegrünungen.

Das Beispiel zeigt CFD-Untersuchungen der standortspezifischen Strömungsbedingungen an einem 60 Meter hohen Gebäude im innerstädtischen Raum. Die geplante Aufstockung um die oberhalb der ersten Plattform liegenden Geschossflächen ruft starke turbulente Wirbelstrukturen hervor, die ein großes Risiko für die geplante Begrünung der oberen Plattformen darstellen sowie für die öffentliche Begehbarkeit der zahlreichen geplanten Dachgeschossflächen.

Virtual Engineering Einsatz für komplexe Mikroklima Untersuchungen

Virtueller Windkanal​

Im virtuellen Windkanal können sehr detaillierte Untersuchungen an der vollständigen und unskalierten Gebäudestruktur durchgeführt werden. Von der Reynoldszahl abhängige Skalierungseffekte teten hier nicht auf, die im physischen Windkanal oft ein limitierender Faktor für die Übertragbarkeit erzielter Ergebnisse sind.

Wind Engineering Simulationen im virtuellen Windkanal sind insbesondere für Untersuchungen turbulenter Effekte geeignet, wie die Dynamik von Nachlaufströmungen und den sich daraus ergebenden wechselseiten Lasten. Diese spielen nicht nur für die Stabilität und Sicherheit der Gebäudestruktur eine entscheidende Rolle, sondern auch für die des baulichen Kontexts. 

Genaue Druckbeiwerte cP

Ermittlung des für die Energiemodellierung wichtigen Druckbeiwerts cP für ein 220 Meter hohes Gebäude im virtuellen Windkanal. Die Nichtberücksichtigung der bebauten Umgebung in der Analyse induziert hohe Fehler und ist nicht repräsentativ (grüne Kurve im Diagramm). In den Vergleich einbezogen wurden cP-Werte aus einer DTM Modellierung, die bis zu über 100 Prozent abweichen (Symbole im Diagramm). DTM verwenden standardmäßig nur abgeschätzte bzw. von idealisierten Geometrien abgeleitete Druckbeiwerte, die bei komplexer Formgebung keine Gültigkeit besitzen. Unsere Virtual Engineering Systeme bestimmen Druckverteilungen und Lasten mit hoher Genauigkeit, räumlich und zeitlich aufgelöst. Die typischen Strömungseigenschaften hoher schlanker Strukturen in ihrem baulichen Kontext werden von der Stromlinien-Visualisierung besonders gut wiedergegeben. Die Einfärbung kennzeichnet die vertikale Windgeschwindigkeit. Starke Abwinde werden vom luv-seitigen Tower B (zweithöchstes Gebäude der Planvariante) verursacht, in denen Luftmassen aus über 150 Meter Höhe das Fussgängerniveau erreichen können und dort zu einer starken Beeinträchtigung der Aufenthaltsbedingungen in unmittelbarer Nähe des Towers A (höchstes Gebäude) führen. Dieser wiederum induziert große kohärente turbulente Wirbelstrukturen im Nachlauf, die bodennahe Luftmassen bis in große Höhen transportieren.
Virtual Engineering für die Optimierung der Aufenthaltsbedingungen
Virtual Engineering für die Optimierung der Aufenthaltsbedingungen

Genaue Druckbeiwerte cP

Ermittlung des für die Energiemodellierung wichtigen Druckbeiwerts cP für ein 220 Meter hohes Gebäude im virtuellen Windkanal. Die Nichtberücksichtigung der bebauten Umgebung in der Analyse induziert hohe Fehler und ist nicht repräsentativ (grüne Kurve im Diagramm). In den Vergleich einbezogen wurden cP-Werte aus einer DTM Modellierung, die bis zu über 100 Prozent abweichen (Symbole im Diagramm). DTM verwenden standardmäßig nur abgeschätzte bzw. von idealisierten Geometrien abgeleitete Druckbeiwerte, die bei komplexer Formgebung keine Gültigkeit besitzen. Unsere Virtual Engineering Systeme bestimmen Druckverteilungen und Lasten mit hoher Genauigkeit, räumlich und zeitlich aufgelöst.

Die typischen Strömungseigenschaften hoher schlanker Strukturen in ihrem baulichen Kontext werden von der Stromlinien-Visualisierung besonders gut wiedergegeben. Die Einfärbung repräsentiert die vertikale Windgeschwindigkeit. Starke Abwinde werden vom luv-seitigen Tower B (zweithöchstes Gebäude der Planvariante) verursacht, in denen Luftmassen aus über 150 Meter Höhe das Fussgängerniveau erreichen können und dort zu einer starken Beeinträchtigung der Aufenthaltsbedingungen in unmittelbarer Nähe des Towers A (höchstes Gebäude) führen. Dieser wiederum induziert große kohärente turbulente Wirbelstrukturen im Nachlauf, die bodennahe Luftmassen bis in große Höhen transportieren.

Leistungsumfang - Wind engineering

Windverhältnisse an Gebäuden

Frühzeitige Klärung und Behebung von windtechnischen Problemen

Zugluft, Böen, Turbulenzen

Windfeldstudien bis hin zur City-Skale

Bewertung und Sicherstellung der Qualität des öffentlichen Raums

Optimieren des Windkomforts in Außenbereichen

Pedestrian Wind Comfort

Ermitteln der Lasten auf Gebäude und Strukturen

Wind, Eis, Schnee

Unsere Leistungen im Wind Engineering sind umfangreich. Wir begleiten Sie, klimagerechte und nachhaltige Innovationen zu ermöglichen, um bessere Gebäude und Infrastrukturen zu realisieren und Ihren Wettbewerbsvorteil dauerhaft zu sichern. Wir beantworten Ihre Fragen gern.

Winddruck auf Fassaden und Tragwerke

Ermittlung des Winddruckkoeffizienten cP in hochaufgelöster Verteilung an der vollständigen Hochbaustruktur

Statische und dynamische Lasten auf Bauwerke

Fluid-Struktur-Interaktion (FSI)

Eignungsprüfung parametrischer und generativer Designs

Allgemein

Beurteilung von Gesundheit und Wohlbefinden

thermisch, dynamisch, chemisch, biologisch

Luftqualität

Kontaminationsausbreitung und -Kontrolle

Feuchtigkeit, Rauch, Gase, CO2

Schwebstoffe, Staub, Aerosol, Pollen, Bakterien, Viren, Pathogene

Rauchausbreitung und -Extraktion

Einbeziehung regenerativer Energieerzeugung

Prototyp-Design

Micrositing

Optimierung Energieertrag

Ganzheitliche Gebäudeevaluierung

Gleichzeitige Einbeziehung energetischer Kenngrößen und Prozesse innerhalb und ausserhalb von Gebäuden

Materialwahl und Optimierung der Gestaltung von Bauteilen, Konstruktionselementen und Strukturen

Einbeziehung von Geoinformationen wie Terrain, Oberflächenbeschaffenheiten und Austauschprozesse

Physikalische Einbeziehung des standortspezifischen Wettergeschehens und klimatologischer Faktoren

Anpassung an langfristige Klimaprojektionen bis 2050 oder 2100

RPC, CORDEX, u.a.

Abwehr von Naturgefahren

Leistungsumfang

Unsere Leistungen im Wind Engineering sind umfangreich. Wir begleiten Sie, klimagerechte und nachhaltige Innovationen zu ermöglichen, um bessere Gebäude und Infrastrukturen zu realisieren und Ihren Wettbewerbsvorteil dauerhaft zu sichern. Wir beantworten Ihre Fragen gern.

Windverhältnisse an Gebäuden

Frühzeitige Klärung und Behebung von windtechnischen Problemen

Zugluft, Böen, Turbulenzen

Windfeldstudien bis hin zur City-Skale

Bewertung und Sicherstellung der Qualität des öffentlichen Raums

Optimieren des Windkomforts in Außenbereichen

Pedestrian Wind Comfort

Ermitteln der Lasten auf Gebäude und Strukturen

Wind, Eis, Schnee

Winddruck auf Fassaden und Tragwerke

Ermittlung des Winddruckkoeffizienten cP in hochaufgelöster Verteilung an der vollständigen Hochbaustruktur

Statische und dynamische Lasten auf Bauwerke

Fluid-Struktur-Interaktion (FSI)

Eignungsprüfung parametrischer und generativer Designs

Allgemein

Beurteilung von Gesundheit und Wohlbefinden

thermisch, dynamisch, chemisch, biologisch

Luftqualität

Kontaminationsausbreitung und -Kontrolle

Feuchtigkeit, Rauch, Gase, CO2

Schwebstoffe, Staub, Aerosol, Pollen, Bakterien, Viren, Pathogene

Rauchausbreitung und -Extraktion

Einbeziehung regenerativer Energieerzeugung

Prototyp-Design

Micrositing

Optimierung Energieertrag

Ganzheitliche Gebäudeevaluierung

Gleichzeitige Einbeziehung energetischer Kenngrößen und Prozesse innerhalb und ausserhalb von Gebäuden

Materialwahl und Optimierung der Gestaltung von Bauteilen, Konstruktionselementen und Strukturen

Einbeziehung von Geoinformationen wie Terrain, Oberflächenbeschaffenheiten und Austauschprozesse

Physikalische Einbeziehung des standortspezifischen Wettergeschehens und klimatologischer Faktoren

Anpassung an langfristige Klimaprojektionen bis 2050 oder 2100

RPC, CORDEX, u.a.

Abwehr von Naturgefahren

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Tel: +49-(0)40-28 41 67 82

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