Design tools for the virtual wind tunnel

Abstract

Momenteel kan de windbelasting op gebouwen op twee manieren worden bepaald: met behulp van de norm (NEN 6702, Eurocode) of door middel van windtunnelproeven. De norm is echter alleen bruikbaar voor eenvoudige vormen; complexe gebouwvormen vereisen windtunnelonderzoek. Dit onderzoek is echter erg duur en zeer tijdrovend, waardoor het nauwelijks gebruikt wordt in het vroege ontwerpproces. Toch is het juist deze fase waarin belangrijke ontwerpbeslissingen worden genomen en meer inzicht in de effecten als gevolg van wind is dan ook wenselijk. Numerieke methoden zijn geïntroduceerd om de windeffecten te bepalen middels Computational Fluid Dynamics (CFD). In recent afstudeeronderzoek aan het Structural Design Lab is een Virtuele Windtunnel voorgesteld waarmee constructieve ingenieurs de windbelasting in een vroeg stadium van het ontwerpproces kunnen bepalen door gebruik te maken van CFD. Dit onderzoek heeft geleid tot een algemene aanpak voor het uitvoeren van CFD berekeningen en een domein waarin de berekeningen kunnen worden uitgevoerd. Het zogenoemde Van Nalta domein geeft veelbelovende resultaten voor eenvoudige vormen, zoals kubussen en cilinders. De eisen aan de geometrie voor CFD berekeningen zijn echter zeer hoog en het genereren van bruikbare modellen van met name complexe gebouwvormen blijkt zeer lastig. Tijdens dit afstudeeronderzoek zijn verschillende ontwerptools ontwikkeld waarmee de geometrie voor CFD berekeningen kan worden gegenereerd. Met deze toolbox kan de windbelasting op een gebouw of constructie worden bepaald en verschillende ontwerpen worden vergeleken in een relatief korte tijd zonder veel tussenkomst van de gebruiker. Optimalisatie van vorm en constructie wordt hiermee mogelijk. Om de windbelasting te bepalen op een gebouw dat is geplaatst in een bebouwde omgeving, is een ontwerptool ontwikkeld waarmee een 3D model van de omgeving kan worden gecreëerd, gebruik makend van GIS technologie. Een andere tool is ontwikkeld waarmee het centrale gebouw-model kan worden vereenvoudigd door het verwijderen van niet-relevante elementen en kleine details. De rekentijd van de CFD software kan hiermee aanzienlijk worden verkort. Omdat de afmetingen van het domein waarin de berekeningen worden uitgevoerd afhangen van de dimensies van het onderzoeksgebied, is een laatste tool ontwikkeld waarmee het domein kan worden gegenereerd, afhankelijk van de afmetingen van het onderzoeksgebied. Er is geconcludeerd dat de ontwerptools goed werken voor CFD toepassingen. In de meeste gevallen worden veelbelovende resultaten verkregen en de gegenereerde geometrie blijkt zeer goed bruikbaar voor CFD simulaties. Voor enkele test cases zijn berekeningen uitgevoerd in het Van Nalta domein. Het blijkt momenteel erg lastig om nauwkeurige resultaten te verkrijgen van de berekeningen, mede door de geringe capaciteit van de huidige computers. Echter, rekening houdend met de continue ontwikkeling van de computer hardware, is het de verwachting dat het in de nabije toekomst mogelijk zal zijn de windeffecten op complexe gebouwmodellen, die zijn geplaatst in een bebouwde omgeving, nauwkeurig te voorspellen.