Analiza CFD oddziaływania wiatru na wieżę Cascades w Caen: prędkości, ciśnienia na elewacji i komfort tarasów na wysokości.
Najważniejsze. W ramach budowy wieży Cascades w Caen EOLIOS przeprowadził wielokierunkową analizę CFD (osiem kierunków) oddziaływania wiatru na ten wysokościowiec w gęstej tkance miejskiej. Ekstremalne prędkości wiatru wyznaczono dla okresu powrotu 50 lat według Eurokodu NF EN 1991-1-4, ciśnienia na elewacji obliczono na wszystkich przegrodach (elewacje, okna, mozaiki, maszty), a komfort wiatrowy tarasów zinterpretowano według skali Beauforta. Wyniki zabezpieczają wymiarowanie elementów narażonych i ukierunkowują rozwiązania poprawiające komfort na wysokości.
Wysokościowiec głęboko zmienia przepływ wiatru: wywołuje nadmierne prędkości przy gruncie, kanalizuje powietrze między sąsiednimi budynkami i podlega ciśnieniom na elewacji, które silnie rosną z wysokością. Przewidzenie tych zjawisk już na etapie projektu decyduje zarówno o trwałości elewacji, jak i o komforcie przestrzeni zewnętrznych — dwóch kwestiach, których same wzory normowe, celowo obwiedniowe, nie potrafią dokładnie zlokalizować.
EOLIOS jest liderem zewnętrznych symulacji CFD w zagadnieniach wiatrowych. Nasze analizy opierają się na doświadczeniu z kampanii pomiarowych w warunkach rzeczywistych oraz z około stu zasymulowanych lokalizacji na całym świecie.
Wieża CASCADES to budynek wysokościowy położony w Caen (departament Calvados). W ramach jego budowy niezbędna okazała się dokładna analiza wpływu wiatru na obiekt i jego bezpośrednie otoczenie. Wyniki tej analizy to kluczowy etap zapewnienia trwałości, bezpieczeństwa i niezawodności obiektu wobec oddziaływania wiatru.
Wysokościowiec to budynek, w którym poziom posadzki najwyższej kondygnacji przekracza wysokość określoną przepisami (we Francji 28 m dla budynków mieszkalnych, 50 m dla pozostałych). Jego wysokość naraża go na wyższe prędkości wiatru i wyraźne efekty lokalizacji, przez co analiza oddziaływania wiatru ma znaczenie decydujące już na etapie projektu.
Główne cele zlecenia były następujące:
Wskazanie warunków wiatrowych najbardziej niekorzystnych dla lokalizacji.
Scharakteryzowanie efekty lokalizacji wywoływanych przez formę budynku i sąsiednią zabudowę.
Zmapowanie prędkości powietrza wokół wieży dla ośmiu głównych kierunków.
Wyznaczenie działających ciśnień na wszystkich przegrodach wieży (elewacje, okna, mozaiki, maszty).
Wskazanie stref ryzyka oraz maksymalnych osiąganych ciśnień.
Ocena komfort wiatrowy na tarasach przy wietrze średnim.
Numeryczna mechanika płynów (CFD — Computational Fluid Dynamics) rozwiązuje numerycznie równania różniczkowe cząstkowe opisujące przepływ płynów. Zastosowana do budynków, dostarcza dokładnych informacji o prędkościach powietrza, ciśnieniach i zjawiskach aerodynamicznych zachodzących wokół i wewnątrz konstrukcji, także dla obiektów złożonych i z uwzględnieniem otoczenia.
Model 3D przystosowany do obliczeń numerycznych opracowano na podstawie rysunków dostarczonych przez klienta i zdjęć satelitarnych. Geometria obejmuje wieżę CASCADES oraz wszystkie sąsiednie budynki mogące wywoływać istotne efekty zasłonięcia. Szczegóły geometrii o niewielkim znaczeniu aerodynamicznym zostały celowo uproszczone, aby skierować moc obliczeniową na strefy istotne.
Dowiedz się więcej: czym jest symulacja CFD?Wiatr obserwowany przy gruncie zależy w dużym stopniu od pionowej struktury atmosferycznej warstwy granicznej, która dzieli się na trzy podwarstwy: podwarstwę szorstką (kilka metrów), przyziemną warstwę graniczną (od 10 do 100 m) z silnymi gradientami prędkości oraz warstwę zewnętrzną, czyli podwarstwę inercyjną (do około 1 km), słabo zaburzoną przez ukształtowanie terenu. Prędkość wiatru rośnie z wysokością zgodnie z profilem logarytmicznym, czyli w wyniku pionowego uskoku wiatru, co stanowi podstawę każdego modelowania CFD terenów miejskich.
To warstwa atmosfery, w której tarcie o podłoże hamuje wiatr. Jej wysokość i kształt profilu prędkości zależą od szorstkości terenu (morze, tereny wiejskie, miasto): im bardziej zabudowane podłoże, tym silniej wiatr jest hamowany przy gruncie i ścinany na wysokości. To właśnie tę lokalną sygnaturę symulacja musi odtworzyć na wejściu, aby wysokościowiec wymiarować na realistycznych podstawach.
Ekstremalne prędkości wiatru dla okresu powrotu 50 lat wyznaczono zgodnie z normą Eurokod NF EN 1991-1-4, będącą podstawą normową obliczania oddziaływania wiatru na konstrukcje. Podejście to opiera się na bazowych prędkościach wiatru określonych na poziomie krajowym, skorygowanych o lokalne cechy terenu: szorstkość, ukształtowanie, wysokość i kategorię terenu w otoczeniu. Obliczenia dają obliczeniowe prędkości wiatru odpowiadające zdarzeniu rzadkiemu, lecz statystycznie reprezentatywnemu dla okresu użytkowania obiektu. Te ekstremalne prędkości stanowią dane wejściowe symulacji CFD i służą wymiarowaniu elewacji, elementów dachu i narażonych urządzeń, aby zapewnić stateczność i bezpieczeństwo wieży wobec najostrzejszych obciążeń aerodynamicznych.
Analiza wielokierunkowa wykazała kilka istotnych zjawisk aerodynamicznych wokół wieży:
Przyspieszenia na krawędziach: pionowe krawędzie wieży wywołują lokalne nadmierne prędkości i wiry turbulentne przy wszystkich kierunkach wiatru.
Efekt Venturiego: od zachodu korytarz utworzony przez budynki po stronie nawietrznej kanalizuje strumień, znacząco zwiększając prędkości i wywołując maksymalne ciśnienie zaobserwowane na mozaikach elewacji.
Ekspozycja bezpośrednia: od wschodu brak zabudowy po stronie nawietrznej wystawia wieżę wprost na napływający wiatr, co daje najwyższe ciśnienia na masztach.
Strefy osłonięte: przy niektórych kierunkach sąsiednia zabudowa tworzy strefy recyrkulacji częściowo osłaniające wieżę przed maksymalnymi obciążeniami.
Gdy wiatr zostaje skanalizowany w wąskim korytarzu utworzonym przez blisko stojące budynki, jego prędkość rośnie z zasady zachowania strumienia: to efekt Venturiego. U podnóża wieży wywołuje nadmierne prędkości i lokalnie maksymalne ciśnienia, które trzeba dokładnie zlokalizować, aby zabezpieczyć narażone elementy elewacji.
Dolna część wieży korzysta z osłony sąsiedniej zabudowy; przeciwnie, kondygnacje górne, wystające ponad tkankę miejską, są wprost wystawione na napływający wiatr, co daje maksymalne obciążenia elewacji i elementów dachowych.
Symulacje CFD pozwoliły wyznaczyć pola ciśnień wywierane przez wiatr na wszystkich powierzchniach wieży dla badanych kierunków. Dla każdego elementu elewacji obliczono ciśnienia minimalne i maksymalne, aby wskazać obciążenia skrajne mogące wystąpić w eksploatacji lub podczas silnych epizodów wiatrowych. Takie podejście daje pełną obwiednię obciążeń aerodynamicznych działających na konstrukcję i elementy do niej mocowane.
Wyniki pokazują współistnienie ciśnień dodatnich i ujemnych w zależności od orientacji elewacji i lokalnej dynamiki przepływu:
Ciśnienia dodatnie — strefy bezpośredniego naporu wiatru: przepływ dociska powierzchnie i wywołuje siłę skierowaną do wnętrza budynku.
Ciśnienia ujemne — ssanie wywołane oderwaniem przepływu i strefami recyrkulacji: siły są wtedy skierowane na zewnątrz konstrukcji.
To rozróżnienie ma szczególne znaczenie przy wymiarowaniu elementów elewacji i systemów mocowań, ponieważ część komponentów jest bardziej wrażliwa na zrywanie niż na ściskanie.
Wykonano zatem lokalne powiększenia w strefach uznanych za wrażliwe, aby dokładnie odczytać obciążenia aerodynamiczne. Szczegółowe analizy objęły w szczególności maszty oświetleniowe, mozaiki elewacyjne, okna oraz balustrady, aby precyzyjnie określić osiągane poziomy ciśnienia i ukierunkować wymiarowanie narażonych elementów.
Zestawienie wyników CFD z wartościami analitycznymi normy Eurokod (NF EN 1991-1-4) w przypadku uproszczonym (brak zabudowy w otoczeniu, wiatr czołowy) potwierdza dobrą zgodność obu podejść. Ciśnienia uzyskane z symulacji mieszczą się w przedziale obliczonym według normy, która pozostaje bardziej zachowawcza — co potwierdza zasadność wymiarowania normowego pod kątem odporności elementów elewacji na obciążenia wiatrem.
Analizę komfortu prowadzi się dla wiatru dominującego o średniej rocznej prędkości — scenariusza najbardziej reprezentatywnego dla użytkowania tarasów (lato, sezon przejściowy).
Bezpieczeństwo i komfort użytkowników. Poza wymiarowaniem konstrukcji prędkości na tarasie przekraczające próg 5 stopni Beauforta mogą czynić przestrzenie zewnętrzne niekomfortowymi, a nawet niebezpiecznymi (przesuwane meble, niezamocowane przedmioty). Analiza lokalizuje te strefy przyspieszeń, aby ukierunkować balustrady, wiatrochrony i sposób zagospodarowania.
Pola prędkości dla każdego poziomu tarasu pozwalają wskazać:
Strefy optymalnego komfortu, osłonięte elementami architektonicznymi.
Strefy lokalnych przyspieszeń do rozwiązania na etapie projektu (balustrady, wiatrochrony).
Tarasy narażone wymagające odrębnych zaleceń.
Analizę prędkości wiatru na poszczególnych tarasach interpretuje się za pomocą Skala Beauforta, międzynarodowego odniesienia wiążącego prędkości przepływu z odczuciami użytkowników. Skala ta, obejmująca stopnie od 0 do 12, pozwala jakościowo i ilościowo określić intensywność wiatru: od warunków całkowicie bezwietrznych po sytuacje silnego wiatru, które mogą ograniczać, a nawet uniemożliwiać niektóre aktywności na zewnątrz.
W przypadku wysokościowca taki odczyt jest szczególnie użyteczny, ponieważ pozwala przełożyć wyniki CFD na kryteria komfortu wprost stosowalne przez zespoły projektowe i architektoniczne. Strefy poniżej progów uciążliwości to zwykle przestrzenie sprzyjające użytkowaniu, natomiast wyższe stopnie skali (5 stopni Beauforta i więcej) oznaczają warunki potencjalnie niekomfortowe, wymagające osłon lub zmiany sposobu zagospodarowania.
Poza samym wskazaniem stref komfortu analiza CFD pozwala ukierunkować zasady zagospodarowania i łagodzenia, poprawiające zachowanie przepływowe tarasów. Analiza pól prędkości uwidacznia strefy przyspieszeń związane z okapami dachu, narożnikami wieży oraz nieciągłościami geometrii. Te mapy prędkości wpisują się w podejście opisane w naszym opracowaniu o kryteriach i mapowaniu komfortu wiatrowego.
Aby poprawić komfort użytkowników, można rozważyć kilka rozwiązań projektowych: zastosowanie balustrad pełnych lub półprzepuszczalnych, dodanie architektonicznych wiatrochronów, tworzenie stref buforowych czy optymalizację rozmieszczenia mebli i ciągów komunikacyjnych. Rozwiązania te zmniejszają lokalnie prędkości wiatru i ograniczają turbulencje, znacząco poprawiając komfort użytkowania tarasów przy średnim wietrze rocznym. Takie zintegrowane podejście, łączące symulację numeryczną z zaleceniami architektonicznymi, pozwala pogodzić skuteczność aerodynamiczną, bezpieczeństwo użytkowników i jakość przestrzeni zewnętrznych na wysokości.
Analiza CFD wieży CASCADES pozwoliła uwidocznić główne zachowania aerodynamiczne lokalizacji, w tym lokalne przyspieszenia, efekty kanalizowania, strefy recyrkulacji i silną ekspozycję górnej części obiektu. To podejście numeryczne daje szczegółową, przestrzenną i wielokierunkową analizę prędkości i ciśnień, znacznie dokładniejszą niż podejście wyłącznie analityczne.
W odróżnieniu od metod Eurokodu, celowo obwiedniowych i uproszczonych, CFD uwzględnia rzeczywistą geometrię inwestycji oraz jej otoczenie zabudowane, co pozwala lepiej odwzorować efekty lokalizacji i lokalne spiętrzenia obciążeń. Stanowi więc niezbędne narzędzie uzupełniające, dające bardziej realistyczne i praktyczne zrozumienie oddziaływania wiatru na wysokościowiec.
Analizy CFD tego typu wpisują się w bieżącą praktykę dla wysokościowców i złożonych środowisk miejskich, gdzie służą wymiarowaniu elewacji, optymalizacji narażonych elementów i ocenie komfortu na zewnątrz. Są szczególnie przydatne tam, gdzie podejścia analityczne napotykają granice z powodu złożonej geometrii i oddziaływań miejskich, oferując wierniejsze trójwymiarowe odwzorowanie przepływów. W dalszej perspektywie narzędzia te można rozszerzyć na inne zagadnienia, takie jak komfort termiczny na zewnątrz, rozprzestrzenianie zanieczyszczeń czy optymalizacja energetyczna w skali miasta, co potwierdza ich rosnącą rolę w zintegrowanym projektowaniu architektonicznym i urbanistycznym.
Kompetencja: analiza wpływu zanieczyszczenia powietrza Kompetencja: symulacja numeryczna komfortu przepływowegoOddziaływanie wiatru na wysokościowce, Eurokod i symulacja CFD w gęstej tkance miejskiej.
Wysokościowiec wystaje ponad otaczającą tkankę miejską i jest wprost wystawiony na napływający wiatr. CFD odtwarza rzeczywistą geometrię wieży i jej otoczenia oraz oblicza prędkości i ciśnienia dla wszystkich kierunków wiatru, znacznie dokładniej niż obwiedniowe podejście analityczne. Uwidacznia efekty lokalizacji (przyspieszenia na krawędziach, efekt Venturiego, strefy osłonięte), które decydują o wymiarowaniu elewacji i komforcie tarasów.
Efekt Venturiego to przyspieszenie wiatru skanalizowanego w korytarzu utworzonym przez blisko stojące budynki. Przy wieży Cascades korytarz nawietrzny od zachodu znacząco zwiększa prędkości i wywołuje maksymalne ciśnienie na mozaikach elewacji. To zjawisko typowe dla gęstych środowisk miejskich, które CFD lokalizuje i mierzy.
Eurokod NF EN 1991-1-4 to podstawa normowa obliczania oddziaływania wiatru na konstrukcje. Podaje krajowe bazowe prędkości wiatru, skorygowane o cechy lokalne (szorstkość, ukształtowanie terenu, wysokość, kategoria terenu), dla okresu powrotu 50 lat. Prędkości te stanowią dane wejściowe symulacji CFD oraz podstawę wymiarowania elewacji i narażonych urządzeń.
Symuluje się pola prędkości dla każdego poziomu tarasu przy wietrze dominującym o średniej rocznej prędkości, a następnie interpretuje wyniki według skali Beauforta, która wiąże prędkości z odczuwanymi skutkami. Poniżej progów uciążliwości przestrzenie sprzyjają użytkowaniu; powyżej 5 stopni Beauforta warunki stają się niekomfortowe i wymagają osłon (balustrady, wiatrochrony).
CFD to numeryczna alternatywa dla badań w tunelu aerodynamicznym, z tą zaletą, że pozwala szybko przetestować wiele scenariuszy (kierunki wiatru, warianty) na rzeczywistej geometrii inwestycji. Zestawiona z wartościami analitycznymi Eurokodu w przypadku uproszczonym wykazuje dobrą zgodność, przy czym norma pozostaje bardziej zachowawcza. Daje odczyt przestrzenny i wielokierunkowy, niedostępny dla samych metod normowych. Porównanie to opisujemy w opracowaniu CFD: alternatywa dla badań w tunelu aerodynamicznym.
Poznaj nasze kompetencje, projekty i opracowania techniczne, aby wyjść poza FAQ.
Analiza CFD oddziaływania wiatru na wieżę Cascades w Caen: model 3D wieży i jej otoczenia zabudowanego, wiatry ekstremalne o okresie powrotu 50 lat według Eurokodu NF EN 1991-1-4, wielokierunkowa analiza prędkości i ciśnień na elewacji, efekty lokalizacji (efekt Venturiego, przyspieszenia na krawędziach, strefy osłonięte) oraz ocena komfortu wiatrowego tarasów według skali Beauforta.
Komfort pieszychKomfort pieszych — La Défense
Energetyka słonecznaWpływ wiatru — farma fotowoltaiczna
DachDach hotelu — Casablanca
FotowoltaikaKontrola erozji wietrznej — farma fotowoltaiczna
Komfort pieszychKomfort termiczny — szkoła
DachKomfort wiatrowy — dach
Jakość powietrzaJakość powietrza — dworzec RER Issy
BezpieczeństwoZabezpieczenie obiektu handlowego — ryzyko wiatrowe
WysokościowiecWpływ wiatru — Tours Olympiades — Paryż
SportKomfort wiatrowy — centrum treningowe PSG
Potencjał wiatrowyAnaliza wiatru — La Défense
WysokościowiecWieża Liberté — La Défense
Jakość powietrzaWychwytywanie pyłu zawieszonego — metro
Potencjał wiatrowyBalenciaga — potencjał wiatrowy
Kompetencje CFD, zrealizowane projekty i opracowania techniczne: cała dziedzina Powietrze i wiatr w jednym miejscu.
Najprościej porozmawiać o tym razem. Nasi inżynierowie odpowiedzą, proponując pierwszą ocenę techniczną.