Die Simulation von Windlasten kann in der Tragwerksplanung eine entscheidende Rolle spielen, insbesondere bei der Planung von Hochhäusern, wo Windkräfte einen erheblichen Einfluss auf die Strukturstabilität, den Komfort der Nutzer und die Umgebung haben. Daher müssen komplexe Windmuster, die sich auf die Druckverteilung, Luftströmung und das lokale Mikroklima auswirken, visualisiert und vorhergesehen werden, damit diese Gebäude nicht nur den Anforderungen in Bezug auf Ästhetik und Optik, sondern auch in Bezug auf Sicherheit und Belastbarkeit entsprechen.
Um diese Faktoren in Ihre statischen Entwürfe einfließen zu lassen, bietet Dlubal Software mit RWIND 3 ein Programm an, das speziell zur Simulation von Luftströmungen um Objekte in einem virtuellen Windkanal entwickelt wurde. Mithilfe eines numerischen CFD-Modells (Computational Fluid Dynamics) erzeugt diese Simulation genaue Windlasten für die Anwendung in RFEM oder RSTAB. Daher kann RWIND 3 als eigenständiges Programm fungieren oder in RFEM und RSTAB integriert werden, um eine umfassende statische Berechnung und Bemessung zu ermöglichen.
Nachfolgend werden die Vorteile des Einsatzes von CFD, insbesondere im Gegensatz zu konventionellen Windkanalversuchen, aufgezeigt. Die Hauptunterschiede zwischen CFD-Prüfungen und Windkanalversuchen liegen in der Methodik, den Kosten, der Flexibilität und der Möglichkeit, komplexe Szenarien zu adressieren, was weiter erläutert wird. Vorerst ist es wichtig zu erkennen, dass CFD mathematische Algorithmen und numerische Methoden einsetzt, um das Verhalten von Flüssigkeiten digital zu modellieren, wobei Diskretisierungsverfahren zur Analyse von Luft- oder Flüssigkeitsbewegungen eingesetzt werden. Bei Windkanalversuchen hingegen werden physikalische Modelle in eine kontrollierte Windumgebung gestellt, in der reale Luftströmungsdaten durch Sensoren und Druckanzeiger gesammelt werden, und direkte experimentelle Ergebnisse liefern. In diesem Zusammenhang können wir nun die Unterschiede dieser beiden Methoden untersuchen und die Vorteile von CFD unterstreichen.
1. Wirtschaftlichkeit
Gerade bei komplexen Experimenten mit vielen Konfigurationen können CFD-Simulationen wirtschaftlicher sein als der Bau und die Wartung von Windkanälen. Obwohl die anfängliche Investition in CFD-Software und Rechenkapazitäten erheblich sein kann, kann eine Vielzahl von Simulationen durchgeführt werden, ohne dass weitere Material- und Personalkosten entstehen. Zudem werden für die Untersuchung einzelner Varianten weniger Ressourcen benötigt. Windkanalversuche hingegen sind kostspielig, insbesondere bei großen oder komplizierten Modellen, da jeder Test einen erheblichen Vorbereitungs- und Arbeitsaufwand erfordert.
2. Flexibilität und Modifikationsmöglichkeiten
CFD ermöglicht eine schnelle Bemessung, Iteration und Analyse und ermöglicht die einfache Anpassung von Parametern wie Windgeschwindigkeit, Dichte und Temperatur sowie die Berücksichtigung zusätzlicher Faktoren. Dies ermöglicht es, Simulationen schnell durchzuführen und zu ändern, ohne dass Änderungen am physikalischen Aufbau wie bei Windkanalversuchen erforderlich sind, bei denen Anpassungen häufig das Erstellen neuer Modelle oder die Änderung bestehender Modelle beinhalten. Das Durchführen mehrerer Szenarien in einem kurzen Zeitrahmen ist mit Windkanalversuchen weniger realisierbar, was CFD in dieser Hinsicht überlegen macht.
3. Zeiteffizienz
Dieser Vorteil ergibt sich direkt aus der zuvor erwähnten Flexibilität, die schnelle Parameteranpassungen ohne Änderungen des physischen Aufbaus ermöglicht. Wie bereits erwähnt, ermöglicht CFD das schnelle Durchführen mehrerer Szenarien, was einen klaren Vorteil in Bezug auf die Zeiteffizienz bietet.
4. Simulationsmöglichkeiten
CFD ermöglicht eine detaillierte Visualisierung von Strömungseigenschaften, Druckverteilungen und Temperaturverläufen mit einer bemerkenswerten Auflösung. Es ermöglicht die genaue Analyse von Szenarien, die in einem physikalischen Windkanal aufgrund von Größen- oder Geschwindigkeitsbeschränkungen nur schwer modelliert werden können, wie z. B. extrem hohe Geschwindigkeiten oder komplizierte Geometrien. CFD kann diese Bedingungen frei von physikalischen Einschränkungen simulieren. Während Windkanäle Luftströmungen physikalisch nachbilden und oft eine größere Genauigkeit bei der Simulation von Luft-Objekt-Interaktionen bieten, sind sie auf Daten von bestimmten Messpunkten beschränkt und liefern im Vergleich zu CFD weniger umfassende Details.
5. Zugänglichkeit
Fortschritte in der Softwareentwicklung und im Cloud-Computing haben die Numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics - CFD) weitaus zugänglicher gemacht und einem breiteren Publikum zugänglich gemacht. Open-Source-CFD-Tools wie OpenFOAM beispielsweise bieten kostenlosen Zugang zu leistungsfähigen Simulationsmöglichkeiten. Da CFD vollständig in einer virtuellen Umgebung durchgeführt werden kann, ermöglicht sie es Forschern, auch ohne Zugang zu Windkanälen, detaillierte Untersuchungen und Analysen durchzuführen.
6. Integration mit modernen Technologien
Ein weiterer Vorteil zugänglicher moderner CFD-Tools ist ihre Integration in andere Statiksoftware, was den Arbeitsablauf von der Bemessung bis zur Simulation rationalisiert und einen multidisziplinären Ansatz für Bemessung und Analyse ermöglicht. Ein besonderes Beispiel ist der Einsatz von CFD-Tools mit den Programmen RFEM und RSTAB von Dlubal, die eine Gesamtlösung für statische Berechnungen und Bemessungen bieten.
Abschließende Worte
CFD- und Windkanalversuche unterscheiden sich nicht nur in der Methodik, sondern auch in ihren Ressourcen- und Zeitanforderungen, der Flexibilität, der Kapazität zur Bewältigung komplexer Szenarien, der Zugänglichkeit für die Benutzer und der Integration in andere Software. In diesem Beitrag werden die Vorteile von CFD in diesen Bereichen hervorgehoben, und zwar die hohe Flexibilität und Detailgenauigkeit bei geringeren laufenden Kosten sowie die Möglichkeit, das Verhalten von Luft in komplexen Strukturen zu untersuchen. Es muss jedoch beachtet werden, dass Windkanalversuche trotz dieser Vorteile entscheidend für die Validierung von CFD-Modellen und die Erfassung von Phänomenen sind, deren genaue Simulation schwierig sein kann. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass CFD besonders wertvoll für Design-Studien, Prototypentests und die Analyse komplexer, dynamischer Szenarien ist, die in einem Windkanal nur schwer nachzuvollziehen sind, während Windkanalversuche als letzter Schritt zur Validierung von Modellen und genauen aerodynamischen Beurteilungen dienen. In den meisten Fällen bietet die Kombination von CFD mit Windkanalversuchen die beste beider Methoden, da ihre komplementären Stärken zum Tragen kommen.