Analiza CFD wpływu wiatru na dwa wysokościowce w dzielnicy Olympiades w 13. dzielnicy Paryża, w ramach projektu modernizacji.
W ramach projektu modernizacji EOLIOS otrzymał zlecenie przeanalizowania wpływu wiatru na dwa budynki zakwalifikowane jako wysokościowce położone w dzielnicy Olympiades, w 13. dzielnicy Paryża. Analiza prowadzona jest w gęstej tkance miejskiej, a jej zagadnienia są zarazem konstrukcyjne i eksploatacyjne, związane z dużą wysokością budynków.
Głównym celem zlecenia było scharakteryzowanie efekty lokalizacji w numerycznej analizie aerodynamicznej. Symulacja CFD pozwoliła ocenić rozkład prędkości i ciśnień wokół budynków dla ośmiu kierunków wiatru.
Analiza skupiła się na trzech kwestiach krytycznych: wskazaniu strefy recyrkulacji, nadmiernych prędkości i osłony; wpływie efektów lokalizacji na użytkowanie gondoli serwisowych; oraz na pomiarze ciśnienia na elewacji metodą CFD i według Eurokodu.
Najważniejsze. Modernizacja (EIFFAGE) dwóch mieszkalnych wysokościowców w dzielnicy Olympiades, Paryż 13. dzielnica: wieże Tokyo i Osaka. Analiza CFD dla 8 kierunków wiatru: efekty lokalizacji (Venturi między wieżami, zbicie strugi ku ziemi, efekty narożnikowe), porywy wzmocnione do +77% na 80 m, bezpieczeństwo gondoli (próg NF EN 280 wynoszący 12,5 m/s → ok. 250 h/rok niedostępności) oraz ciśnienia na elewacji potwierdzone względem Eurokodu.
Analiza wiatru w terenie zabudowanym opiera się na dobrym zrozumieniu pionowej struktury atmosfery oraz wpływu ukształtowania terenu i urbanizacji. Atmosferyczna warstwa graniczna dzieli się na trzy podwarstwy: podwarstwę szorstką (przy gruncie, turbulencja nieuporządkowana), warstwę przyziemną (od 10 do 100 m, silny gradient prędkości) oraz warstwę zewnętrzną (wyżej, odzwierciedlającą wiatr geostroficzny). Prędkość zmienia się w nich zgodnie z profilem logarytmicznym — to pionowy uskok wiatru.
Szorstkość podłoża i tkanki miejskiej silnie zmienia profile wiatru. Środowisko gęste (zwarta zabudowa, zieleń) hamuje wiatr przy gruncie i wzmacnia gradient pionowy; przeciwnie, teren otwarty (równina, morze) pozwala wiatrowi rozwijać się swobodniej. Efekty te uwzględnia modelowanie CFD przez współczynnik szorstkości wyznaczany z cech terenu według zaleceń Eurokodu.
Obecność wysokiej zabudowy i złożonej tkanki miejskiej wywołuje licznie zaburzenia wiatru. Zjawiska te trzeba rozpoznać, aby zapewnić bezpieczeństwo i komfort użytkowników, zwłaszcza przy pracach na wysokości.
Obecność wysokiej zabudowy i złożonej tkanki miejskiej wywołuje wiele zaburzeń: Efekt Venturiego (przyspieszenie między dwoma bliskimi budynkami), Efekt kanalizowania (koncentracja w ulicach ustawionych zgodnie z wiatrem dominującym) oraz efekt narożnika (turbulencje i porywy przy ostrych narożnikach). Zjawiska te mogą wywoływać wysokie prędkości, będące źródłem dyskomfortu lub zagrożenia.
Wysokościowce wywołują wyraźne zbicie strugi ku ziemi (downwash): strumień uderzający w wysoką część elewacji jest kierowany do gruntu, zwiększając prędkości u podnóża budynku. Taki układ bywa problematyczny przy wejściach, tarasach i strefach dla pieszych. CFD określa te efekty ilościowo, pozwalając przewidzieć nadmierne prędkości i zaprojektować właściwe osłony. Na ilustracji efekty narożnikowe są wyraźnie widoczne.
W wysokościowcu wiatr uderzający w górną część elewacji zostaje skierowany do gruntu, silnie zwiększając prędkości u podnóża budynku, typowo przy wejściach i w przestrzeniach dla pieszych.
Wysokościowce podlegają znacznym obciążeniom aerodynamicznym, które trzeba dokładnie ocenić, aby zapewnić trwałość przegrody zewnętrznej. Wiatr wywiera ciśnienia dynamiczne na przegrody nawietrzne oraz podciśnienia na powierzchniach przeciwnych, skupione przy krawędziach pionowych (spiętrzenie i oderwanie) oraz na powierzchniach wystawionych na wiatr dominujący.
Elementy elewacji (ściany osłonowe, przeszklenia, mocowania) muszą przenieść te lokalne ciśnienia bez nadmiernych odkształceń. CFD wskazuje strefy najbardziej obciążone i pozwala przetestować warianty projektowe przed realizacją.
Aby zapewnić wiarygodność symulacji i zgodność z praktyką normową, modelowanie CFD uwzględnia wymagania normy EN 1991-1-4 (Eurokod: oddziaływania wiatru) oraz wyniki pogłębionej analizy meteorologicznej. Symulacje opierają się na:
Bazowej prędkości wiatru, wyznaczonej według położenia i ukształtowania terenu.
Współczynnikach szorstkości i orografii, dobranych do kategorii terenu: opisują wpływ podłoża i rzeźby terenu na pionowy profil prędkości wiatru.
Pionowym profilu prędkości Vm(z) o charakterze logarytmicznym, określonym na podstawie tych parametrów i dopasowanym do specyfiki lokalizacji.
Takie ramy pozwalają symulować reprezentatywne prędkości wiatru na różnych wysokościach i zestawiać je z ustalonymi progami bezpieczeństwa.
Profil prędkości na wlocie obszaru obliczeniowego — jednorodna prędkość bazowa i parametry szorstkości właściwe dla terenu — obliczany jest zgodnie z Eurokodu. Zastosowany model symuluje osiem głównych kierunków: na podstawie tego profilu odniesienia efekty lokalizacji analizuje się dla każdego kierunku, uwidaczniając lokalne przyspieszenia, strefy recyrkulacji i efekty odchylenia strumienia.
Zgodnie z normą NF EN 280 gondoli nie wolno używać powyżej 12,5 m/s. W złożonym środowisku miejskim efekty lokalizacji mogą lokalnie zwiększać tę prędkość, stąd potrzeba dokładnej oceny w symulacji.
Norma NF EN 280 zabrania używania podnośników koszowych przy wiatrze powyżej 12,5 m/s. CFD podaje prędkość średnią dla każdego kierunku; po przeliczeniu na prędkość porywu, z uwzględnieniem intensywności turbulencji i ciśnienia dynamicznego, porównuje się ją z tym progiem, aby oszacować liczbę godzin niedostępności.
Dzięki CFD wskazywane są strefy nadmiernych prędkości mogące wpływać na stabilność gondoli. Lokalizowane są również strefy osłonięte lub o niskiej turbulencji, co pozwala określić bezpieczne okna interwencji. Wyniki zestawia się z danymi meteorologicznymi, aby sformułować zalecenia wprost użyteczne na budowie.
Na terenie stoją dwie wieże mieszkalne: wieża Tokyo (geometria prostokątna, 29 kondygnacji, płaska elewacja, nachylone balkony) oraz wieża Osaka (35 kondygnacji, elewacja z naprzemiennymi pełnymi płaszczyznami i przeszkleniami, zwężające się balkony). Równoległe i o tej samej orientacji, przez swoją wysokość i rozmieszczenie tworzą złożone warunki przepływowe, sprzyjające kanalizowaniu, lokalnym przyspieszeniom i wirom.
Aby odwzorować zmienność kierunku wiatru, przeanalizowano osiem scenariuszy obejmujących całą różę wiatrów:
Dla każdego kierunku symulacja odwzorowuje dynamikę strumieni powietrza oraz prędkość i kierunek przepływu wokół obu wież, uwidaczniając lokalne przyspieszenia, strefy recyrkulacji i efekty odchylenia strumienia.
Modelowanie 8 kierunków uwidoczniło zjawiska szczególne: przy wiatrze północnym wieża południowa korzysta z recyrkulacji wywołanej przez wieżę północną (osłabienie prędkości); przeciwnie, przy wiatrze południowo-zachodnim wieża północna jest osłonięta przez wieżę południową; przy wiatrze wschodnim i południowo-wschodnim między wieżami występuje wyraźny Efekt Venturiego. We wszystkich układach narażone krawędzie wywołują wiry o wysokich prędkościach lokalnych, ale tworzą też strefy względnego zacisza na przegrodach.
Prędkości średnie przeliczono na prędkości porywów na różnych wysokościach (intensywność turbulencji i ciśnienie dynamiczne), uzyskując współczynnik wzmocnienia dla każdego kierunku. Przy wiatrze północno-zachodnim: +26% na 20 m, +48% na 50 m, +77% na 80 m. Zestawienie z danymi meteorologicznymi pozwoliło oszacować niedostępność gondoli z powodu przekroczenia progu 12,5 m/s: około 250 godzin w roku — dana kluczowa dla planowania prac modernizacyjnych.
Warto zapamiętać. W gęstej tkance miejskiej lokalny poryw może przekraczać prędkość średnią na 80 m o 77%. To właśnie to wzmocnienie, a nie surowy wiatr meteorologiczny, decyduje o bezpieczeństwie gondoli: CFD odwzorowuje je kierunek po kierunku.
Symulacje wyznaczyły ciśnienia na elewacjach dla poszczególnych kierunków. Kierunkiem najbardziej niekorzystnym jest wiatr wschodni, z maksymalnymi ciśnieniami na elewacji zachodniej i dachu jednej z wież oraz strefami najbardziej obciążonymi na górnych krawędziach powierzchni nawietrznych. Porównanie z analitycznym podejściem Eurokodu wykazuje dobrą zgodność, co potwierdza CFD jako uzupełniające narzędzie wymiarowania, zwłaszcza dla drobnych mocowań narażonych na najostrzejsze obciążenia.
Kompetencje: ciśnienie wiatru na budynki — Eurokod 1Analiza CFD wież Olympiades uwidoczniła istotne efekty lokalizacji związane z gęstym układem miejskim i oddziaływaniem wiatru z otaczającą zabudową. Symulacja numeryczna pozwoliła dokładnie zmapować strefy nadmiernych prędkości, recyrkulacji i osłony według kierunków wiatru oraz wyprowadzić z nich wyniki wprost użyteczne przy wymiarowaniu na obciążenie wiatrem.
Wyniki pozwoliły w szczególności wskazać wysokości krytyczne oraz kierunki najbardziej niekorzystne dla użytkowania gondoli serwisowych, zestawiając lokalne prędkości porywów z danymi meteorologicznymi. Podejście to pozwoliło precyzyjnie oszacować liczbę godzin w roku, w których warunki wiatrowe przekraczają progi bezpieczeństwa — to cenna wskazówka przy planowaniu prac serwisowych na wysokości.
Analiza ta pokazuje wartość modelowania przepływowego zarówno na etapie projektowania, jak i modernizacji: dokładne zrozumienie oddziaływań między wiatrem a zabudowanym otoczeniem pozwala zabezpieczyć prace, zoptymalizować decyzje techniczne i wzmocnić odporność budynków wysokich na oddziaływania klimatyczne.
Kompetencje: ciśnienie wiatru na budynki — Eurokod 1Pracujesz nad wysokościowcem albo w gęstej zabudowie? Skorzystaj z naszych kompetencji CFD, aby zabezpieczyć decyzje i zoptymalizować prace już na etapie analiz.
Efekty lokalizacji, bezpieczeństwo gondoli i ciśnienia na elewacji dwóch paryskich wysokościowców.
To sposób, w jaki forma i położenie budynków lokalnie zmieniają wiatr: przyspieszenia (Venturi, kanalizowanie), efekty narożnikowe i zbicie strugi ku ziemi. Zjawiska te mogą podwoić prędkości w stosunku do wiatru swobodnego. Zobacz nasze opracowanie jakie są skutki wiatru w mieście.
Wiatr się obraca: zależnie od kierunku jedna wieża osłania drugą albo, przeciwnie, między nimi powstaje efekt Venturiego. Objęcie 8 kierunków róży wiatrów pozwala wskazać scenariusz najbardziej niekorzystny dla każdego zagadnienia.
Strumień uderzający w górną część elewacji wysokościowca jest kierowany do gruntu, silnie zwiększając prędkości u podnóża budynku, co bywa uciążliwe przy wejściach, tarasach i w strefach dla pieszych.
Norma NF EN 280 ustala granicę 12,5 m/s. Wzmacniając lokalnie wiatr, efekty lokalizacji podnoszą szacowaną niedostępność do około 250 godzin w roku — to dana kluczowa przy planowaniu prac.
Tak: profil wiatru na wlocie obliczany jest według Eurokodu EN 1991-1-4, a ciśnienia na elewacji zgadzają się z podejściem analitycznym. CFD pozostaje przy tym alternatywą dla badań w tunelu aerodynamicznym.
Poznaj nasze kompetencje, projekty i opracowania techniczne, aby wyjść poza FAQ.
Analiza CFD skutków wiatru dla wież Olympiades (wysokościowce) w Paryżu: wskazanie strefy nadmiernych prędkości, recyrkulacji i osłony dla 8 kierunków, efekty Venturiego między wieżami, wzmocnienia porywów, bezpieczeństwo gondoli serwisowych i ciśnienia na elewacji potwierdzone według Eurokodu.
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
WysokościowiecWpływ wiatru — wysokościowiec — Caen
Jakość powietrzaJakość powietrza — dworzec RER Issy
BezpieczeństwoZabezpieczenie obiektu handlowego — ryzyko wiatrowe
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.