15.12.2020 | Ausgabe Bauen 2021

Windsimulation und Berechnung von Ersatzbelastungen

Software-gestützte Tragwerksplanung

Windströmung (links) auf das Headquarter der China Central Television / Bild: Dlubal

Die Computertechnologie hat die digitale Tragwerksplanung fest im Griff. Jede neue Entwicklung erlaubt es den beteiligten Planern, die Grenze des Machbaren weiter nach oben zu schieben. Diese Veränderung zeigt sich unter anderem an den immer gewagteren Gebäudeformen. Es gleicht einem Wettkampf, mit welcher Schlankheit ein Hochhaus dem Himmel entgegenwächst oder mit welcher noch so komplexen Kurvenfunktion die Gebäudehülle ausgebildet wird.

Alle diese Projekte haben jedoch gemein, dass vor der Ausführung eine Tragwerksplanung zur sicheren Abtragung aller Lasten erstellt werden muss. Diese Aufgabe ist, je nach Gebäudegeometrie und Nutzung, ein komplexer Prozess. Vor allem die neuartigen Gebäudeformen bringen eine weitere Schwierigkeit hinsichtlich der Windbelastung ins Spiel. Wo man für eine standardisierte Gebäudeform die Windbelastung aus einem Regelwerk entnehmen kann, bleibt die Windlast für eine neuartige Freiformgeometrie jedoch unbekannt. Zur Lösung kann man das Gebäude verkleinert in einem Windkanal analysieren und entsprechende Windbelastungen ermitteln. Alternativ kann man das Gebäude mithilfe der numerischen Simulationstechnik in einem Windstrom simulieren und Rückschlüsse auf die Ersatzwindbelastung treffen. Die numerische Lösungsvariante hat neben einer aufwendigeren Ergebnisinterpretation aufgrund entfallender Aufwände für die Erstellung eines verkleinerten Gebäudemodells und der Windkanalnutzung gegenüber der versuchsbasierten Lösung einen gewissen Vorteil. Dieser Vorteil ist speziell bei der Vorauslegung und Festlegung der Gebäudeform interessant. Genau an diesem Punkt hat Dlubal Software in Zusammenarbeit mit PC-Progress und CFD Support angesetzt und für die Tragwerksplaner „RWIND Simulation“ entwickelt. Dieses Programm simuliert die Windströmung um beliebige Objekte in einem numerischen Windkanal und ermittelt daraus Ersatzbelastungen für die Tragwerksplanung. RWIND Simulation ist speziell für die Windlastermittlung an Bauwerken ausgerichtet und fordert vom Anwender neben dem 3D-Modell nur eine Beschreibung der Windlast. Alle anderen Parameter zur Durchführung der komplexen Strömungssimulation hinsichtlich der Basisannahme werden automatisch vom Programm selbst festgelegt. Damit wird dem Anwender die aufwendige Definition des Strömungsmechanikproblems erspart und auf Knopfdruck die Analyse der Ergebnisse geliefert.

Windeinwirkung auf PV-Tracker-Anlage
Windeinwirkung auf PV-Tracker-Anlage / Bild: Dlubal

Programmkonstellation und Modellbildung

Das Programm existiert eigenständige neben den Strukturanalyseprogrammen „RFEM“ und „RSTAB“. Aufgrund der Basisannahme hinsichtlich der Ermittlung der Windlasten für Gebäude mit Übernahme der Kräfte in das Strukturmodell gibt es eine native Verbindung zwischen RFEM beziehungsweise RSTAB und RWIND Simulation. Diese Beziehung erlaubt es, dass man jedes RFEM- oder RSTAB-Modell über eine Schnittstellenanwendung mit Definition der Windbelastung in RWIND Simulation exportieren kann und nach der Berechnung Windbelastungen auf die Oberflächen der Elemente zurückbekommt. Gleichzeitig kann RWIND Simulation auch ohne RFEM oder RSTAB genutzt werden.
RWIND Simulation ist in Projekten organisiert. Jedes Projekt beschreibt die auf den Windstrom ausgerichtete Körpergeometrie in einem numerischen Windkanal mit definierter Eingangswindbelastung inklusive aller Strömungsfeldergebnisse im Windkanalraum und Oberflächenergebnisse auf den Körpern. Die Eingangswindbelastung beschreibt hierbei am Eingang des Windkanals das Windgeschwindigkeits- und Turbulenzintensitätsprofil über die Höhe. Solch eine Projektdefinition kann grundsätzlich über zwei Wege vorgenommen werden:

1. Für eine Windbelastungsanalyse nur in RWIND Simulation kann in den numerischen Windkanal des Projekts die umströmte Geometrie über ein 3D-Datenmodell eingelesen, im Windkanal ausgerichtet und die Eingangswindbelastung über eine Dialogeingabe definiert werden. Dabei erlaubt das Programm, das Modell als triangularisierte Modellgeometrie über das STL-Format oder als ParaView-Modellgeometrie über das VTP-Format einzulesen.

2. Für eine Windbelastungsanalyse mit Nutzung der Windlasten in den Strukturanalyseprogrammen RFEM und RSTAB ist für die Aufrechterhaltung aller Beziehungen das Primärmodell als Strukturmodell in RFEM beziehungsweise RSTAB vorzugeben. In diesem Fall kann über eine Schnittstellenanwendung in RFEM und RSTAB die Windbelastung (manuell oder nach Norm) für verschiedene Windrichtungen vorgegeben und automatisiert für die verschiedenen Windrichtungen das Strukturmodell mit allen Stäben, Flächen, Volumen und 3D-Objekten in die Windkanalprojekte von RWIND Simulation übergeben werden.

Im Zuge des Modellimports setzt RWIND Simulation keine weiteren Einschränkungen. Unabhängig davon, ob der umströmte Körper eine organische Form oder einen scharfkantigen Block darstellt, importieren die verfügbaren Schnittstellen die Geometriedaten mit Ausrichtungsoption in den numerischen Windkanal und definieren auf den Oberflächen entsprechende Randbedingung für die numerische Strömungsanalyse.

Strömungsfeldergebnisse im Volumenraum
Strömungsfeldergebnisse im Volumenraum / Bild: Dlubal

Berechnung

Die Simulation der Windströmung um die definierten Körper im Windkanal von RWIND Simulation wird über ein numerisches CFD-Modell erledigt. Dabei durchläuft der Simulationsprozess folgende Schritte:

1. Erzeugung eines flächigen Hüllnetzes auf der Oberfläche der umströmten Körper. Dieses Hüllnetz vereinfacht die umströmte Geometrie und stellt eine Luftdichtheit aller simulierten Körper sicher.

2. Volumen-Element-Diskretisierung des Raums zwischen den Windkanalaußenseiten und der Netzhülle mit dem OpenFOAM-Netzgenerator (SnappyHexMesh). Die Größe der Volumenelemente wird dabei fließend festgelegt und gehorcht einer globalen Netzdichte-Vorgabe mit einer homogenen Verdichtung hin zum Nahbereich der Körperoberflächen.

3. Iterative Simulation der Windströmung im diskretisierten Volumenraum anhand der Finite-Volumen-Methode mit einem OpenFOAM-Gleichungslöser aus der SIMPLE-Solverfamilie (Semi-Implicite Method for Pressure Linked Enquations) für stationäre inkompressible turbulente Strömungen.

4. Extraktion der resultierenden Winddrücke aus der Windströmung um die Körper auf die Netzhülle der Körper.

5. Transformation der Winddrücke von der Netzhülle zurück auf die ursprüngliche Modellgeometrie.

Strömungsergebnisse auf Modellkörper
Strömungsergebnisse auf Modellkörper / Bild: Dlubal

Ergebnisse

Mit dem Erreichen des Konvergenzkriteriumsdes iterativen Simulationsprozesses gibt dasProgramm zwei grundsätzliche Ergebnistypenzur Beschreibung der Windströmung um dieKörper und deren Wirkung auf die Körper aus:
Zum einen zeigen die schichtweisen darstellbarendreidimensionalen Strömungsfelder mit Ausgabe der

  • Windgeschwindigkeiten,
  • Windrichtungen,
  • Drücke,
  • Turbulenzeigenschaften und
  • Stromlinien (animierbar) den Verlauf der Windströmung um den Körper im Raum.

Zum anderen zeigen die skalaren Flächenergebnisse mit Ausgabe der

  • Winddrücke inklusive Ausgabe der vektoriellen Windwiderstandskraft und
  • aerodynamischen Beiwerten der Oberflächen die Wirkung der Windströmung auf die Körper.

Transformation

In der Variante, dass das RWIND-Simulation-Projekt auf Basis einer RFEM- oder RSTAB-Eingabeerstellt worden ist, wird mit Fertigstellung der Strömungsanalyse das Winddruckergebnis aus RWIND Simulation auf das ursprüngliche Modell als eigenständiger Windlastfall im zugehörigen RFEM- oder RSTAB-Modell angelegt.
Dieser Lastfall – oder das Lastfall-Set bei der Analyse von mehreren Windrichtungen– beinhaltet die resultierenden Netto-Winddrucklasten auf die FE-Knoten der eingesetzten Stäbe, Flächen und Volumen. Eine RFEM- oder RSTAB-Berechnung der RWIND-Simulation-Lastfälle ergibt die inneren Kräfte und Verformungen der eingesetzten Strukturelemente aufgrund der simulierten Windstromeinwirkung. Neben der reinen Berechnung der Windeinwirkung selbst können diese Lastfälle natürlich auch in Lastkombinationen und Ergebniskombinationen mit anderen Einwirkungen kombiniert und deren Ergebnisse in den verfügbaren Bemessungszusatzmodulen angesetzt werden.

Fazit

RWIND Simulation ist in Verbindung mit der Schnittstelle zu RFEM und RSTAB ein geeignetes Werkzeug zur Erfassung von Windeinwirkungen auf komplexe Gebäudegeometrien. Die intuitive Programmierung erlaubt es dem Anwender, unter Berücksichtigung der eingesetzten Berechnungstheorie schnell und einfach die Windeinwirkung für seine Tragwerksanalyse zu ermitteln. Diese Verfahrensweise ist in der Automobil- und Flugzeugtechnik bereits üblich und bietet in der Tragwerksplanung noch ein großes Potenzial hinsichtlich einer genaueren Erfassung der Windeinwirkung und zeitlich schnelleren Bearbeitung der Tragwerksplanung.


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