CFD Windbelastinganalyse van een Magazijndak Naast een Hoog Gebouw

De Uitdaging

Een groot magazijn in de haven van Gent, België, bevindt zich direct naast een hoog terminalgebouw van circa vier keer zijn hoogte. Dit aanzienlijke hoogteverschil creëert complexe aerodynamische interacties: wind versnelt over de hogere structuur en genereert zones van verhoogde zuiging op het lagere magazijndak die standaard analytische methoden conform EN 1991-1-4 niet nauwkeurig kunnen voorspellen.

Het magazijndak bevat 25 bedienbare dakramen. De gebouweigenaar moest de winddruk en windzuiging op elk van deze ramen bepalen bij ontwerpwindcondities, rekening houdend met de aerodynamische interferentie van het aangrenzende hoge gebouw. Deze waarden waren nodig om te verifiëren of de constructieve capaciteit van de ramen voldoende is en om de horizontale en verticale windkrachten op elk raam te bepalen voor drie kritische windrichtingen.

Onze Aanpak

We bouwden een gedetailleerd CFD-model van het magazijn, het hoge terminalgebouw en de omliggende bebouwde omgeving. Het rekendomein strekte zich 2.300 m uit in de windrichting, 1.145 m in de breedte en 295 m in de hoogte, zodat de binnenkomende uniforme stroming zich kon ontwikkelen tot een realistisch snelheidsprofiel, gevormd door het stroomopwaartse terrein en de gebouwen, voordat het de bestudeerde constructies bereikt.

Mesh en turbulentiemodellering

Het domein werd gediscretiseerd met circa 78 miljoen polyedrische cellen, met verfijnde zones rond het magazijndak, de 25 dakramen en de interface tussen de twee gebouwen waar de sterkste aerodynamische interactie optreedt. De simulaties werden uitgevoerd als stationaire RANS-analyses met het k-ω SST turbulentiemodel in Ansys Fluent, waarbij de tijdsgemiddelde druk- en snelheidsvelden werden berekend.

Drie windrichtingen

Er werden drie afzonderlijke simulaties uitgevoerd voor een ontwerpwindsnelheid van 26 m/s, overeenkomend met de windrichtingen zuid, zuidwest en west. Deze richtingen werden geselecteerd omdat ze de meest kritische oriëntaties vertegenwoordigen voor deze specifieke site-geometrie, waarbij het hoge gebouw de luchtstroom ofwel rechtstreeks op het magazijndak afbuigt, ofwel sterke wervelafscheidingen genereert aan zijn randen.

Piekdrukcorrectie conform EN 1991-1-4

Aangezien een standaard RANS-simulatie tijdsgemiddelde drukken berekent en geen kortstondige windstoten oplost, pasten we correctiefactoren conform EN 1991-1-4 toe om gemiddelde drukcoëfficiënten om te zetten naar piekdrukcoëfficiënten. Een vlaagfactor werd afgeleid uit de turbulentie-intensiteit op de hoogte van het magazijndak, en een terreinruwheidsfactor werd berekend voor de toepasselijke terreincategorie. Samen garanderen deze correctiefactoren dat de gerapporteerde piekdrukken en piekkrachten conservatief zijn en direct vergelijkbaar met de ontwerpwaarden waarmee constructie-ingenieurs werken.

Resultaten

De CFD-analyse onthulde duidelijk verschillende drukverdelingen op het magazijndak afhankelijk van de windrichting. Bij zuidenwind stond het dak overwegend onder zuiging, met piekzuiging nabij de zuidelijke rand waar de luchtstroom loslaat na afbuiging door het hoge gebouw. De zuidwestelijke windrichting produceerde de zwaarste belasting overall: de combinatie van directe windblootstelling en stromingsversnelling rond de hoek van het hoge gebouw genereerde piekzuigdrukken die circa drie keer hoger lagen dan bij zuidenwind.

Bij westenwind bevindt het magazijn zich volledig in de aerodynamische schaduw van het hoge terminalgebouw. Dit beschermende effect resulteerde in relatief uniforme maar gematigde zuiging over het gehele dak. Hoewel de zuigwaarden lager waren dan bij de zuidwestelijke windrichting, betekent de uniformiteit dat alle 25 dakramen gelijktijdig aan vergelijkbare belastingen worden blootgesteld.

Voor alle drie de windrichtingen werd elk van de 25 dakramen gekarakteriseerd op basis van gemiddelde statische druk, piek statische druk, piekdrukcoëfficiënten en horizontale en verticale krachten. Deze resultaten werden per raam en per windrichting in tabelvorm samengevat, waardoor de constructeur over een volledige dataset beschikt voor de raamverificatie.

De hoogste piekzuiging op het totale dakoppervlak trad op bij de zuidwestelijke windrichting, met een piekdrukcoëfficiënt van −3,64 en een bijbehorende piekdruk van −1.537 Pa. Dit was aanzienlijk zwaarder dan bij zuidenwind (−549 Pa) en westenwind (−891 Pa), wat bevestigt dat de zuidwestelijke richting maatgevend is voor het ontwerp van de dakconstructie. Op individueel raamniveau bereikte de hoogste verticale kracht op een enkel raam circa 3.880 N bij zuidwestenwind — een waarde die niet nauwkeurig voorspeld had kunnen worden met enkel vereenvoudigde normmethoden, gezien de complexe aerodynamische interferentie van het aangrenzende hoge gebouw.

Opgeleverde Waarde

Door CFD-simulatie in te zetten in plaats van uitsluitend te vertrouwen op de vereenvoudigde drukcoëfficiënttabellen in EN 1991-1-4, legden we de werkelijke aerodynamische interactie vast tussen het hoge terminalgebouw en het lagere magazijn — een interactie waarvoor standaard normmethoden niet ontworpen zijn. De getabuleerde druk- en krachtresultaten per raam en per windrichting gaven de constructeur exact de invoergegevens die nodig zijn voor de raamverificatie en voor de beoordeling van het dakbevestigingssysteem.

De contourplots van gemiddelde en piekdrukcoëfficiënten over het gehele dak verschaften ook een duidelijke visuele kaart van de kritische zones, waardoor de ontwerper versterkingen kan prioriteren daar waar ze het meest nodig zijn. Naast de directe raamverificatie dienen deze resultaten als referentie voor eventuele toekomstige wijzigingen aan het magazijndak, zoals het plaatsen van zonnepanelen of nieuwe dakdoorvoeren.