Bebauungsplanverfahren Kanzlerplatz Bonn Windklimatische Untersuchung mittels CFD

Peutz Consult GmbH • Martener Straße 525 • 44379 Dortmund AIRE Bundeskanzlerplatz Verwaltungs GmbH KölnTurm Im Mediaparkt 8 50670 Köln Peutz Consult...
Author: Leonard Schulze
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Peutz Consult GmbH • Martener Straße 525 • 44379 Dortmund

AIRE Bundeskanzlerplatz Verwaltungs GmbH KölnTurm Im Mediaparkt 8 50670 Köln

Peutz Consult GmbH Beratende Ingenieure VBI Messstelle nach § 26 BImSchG zur Ermittlung der Emissionen und Immissionen von Geräuschen und Erschütterungen VMPA anerkannte Schallschutzprüfstelle nach DIN 4109 Leitung: Dipl.-Phys. Axel Hübel

Betreff:

Bebauungsplanverfahren Kanzlerplatz Bonn Windklimatische Untersuchung mittels CFD

Dipl.-Ing. Heiko Kremer-Bertram Staatlich anerkannter Sachverständiger für Schall- und Wärmeschutz Dipl.-Ing. Mark Bless Anschriften:

Bericht-Nr.:

VL 7321-3

Datum:

02.02.2016 / Druckdatum: 07.04.2016

Niederlassung:

Dortmund

Ansprechpartner/in:

Herr Streuber

Kolberger Straße 19 40599 Düsseldorf Tel. +49 211 999 582 60 Fax +49 211 999 582 70 [email protected] Martener Straße 525 44379 Dortmund Tel. +49 231 725 499 10 Fax +49 231 725 499 19 [email protected] Carmerstraße 5 10623 Berlin Tel. +49 30 310 172 16 Fax +49 30 310 172 40 [email protected] Geschäftsführer: Dipl.-Ing. Gerard Perquin Dr. ir. Martijn Vercammen Dipl.-Ing. Ferry Koopmans AG Düsseldorf HRB Nr. 22586 Ust-IdNr.: DE 119424700 Steuer-Nr.: 106/5721/1489 Bankverbindungen: Stadt-Sparkasse Düsseldorf Konto-Nr.: 220 241 94 BLZ 300 501 10 DE79300501100022024194 BIC: DUSSDEDDXXX

Niederlassungen: Mook / Nimwegen, NL Zoetermeer / Den Haag, NL Groningen, NL Paris, F Lyon, F Leuven, B www.peutz.de

Z:\Projekte\VL\7321_VL_Kanzlerplatz_Bonn_AH\02_DOKU\Ber_03_D_Wind\7321_VL_Rap_03_20160202_D_20160407_Kanzlerplatz_AIRE_OS.odt

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Einleitung

Am Bundeskanzlerplatz in Bonn soll das vorhandene Bonn-Center abgebrochen werden und durch eine Neubebauung ersetzt werden. Hierzu ist das Windklima in Bodennähe im Umfeld der geplanten Bebauung mittels einer numerischen Simulation (Computational Fluid Dynamics; CFD) zu untersuchen. Grundlage für die Berechnungen ist ein dreidimensionales Simulationsmodell. Das Modellgebiet der Simulationsberechnungen hat eine Gitterauflösung von ca. 5,2 Millionen Zellen.

Bild 1.1: 3-D Ansicht des Rechenmodells

Bild 1.2: 3-D Ansicht des des Rechengitters

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Ziel der vorliegenden Untersuchung ist es, das lokale Windklima für den Planfall zu ermitteln und zu bewerten.

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Beurteilungsgrundlage und Durchführung der windklimatischen Untersuchung

2.1

NEN 8100

In Deutschland existiert zurzeit kein offizielles Regelwerk zur Beurteilung des Windklimas. Das Windklima wird daher im Folgenden gemäß einer niederländischen Norm beurteilt. In den Niederlanden werden die Anforderungen bezüglich Windkomfort und Windgefahren gemäß der Norm NEN 8100:2006 „Windhinder en windgevaar in de gebouwde omgeving“ (zu deutsch: Windkomfort und Windgefahren in der bebauten Umgebung) beurteilt. Die durchgeführten Simulationsberechnungen wurden dabei so weit wie möglich in Übereinstimmung mit den Anforderungen der NEN 8100:2006 durchgeführt und die Ergebnisse entsprechend beurteilt.

2.2

Windkomfort und Windgefahren gemäß NEN 8100

Gemäß der Norm NEN 8100:2006 werden unterschiedliche Beurteilungsmaßstäbe für die Bewertung des Windkomforts und der Windgefahr angewendet. 2.2.1

Windkomfort

Die Empfindlichkeit von Menschen gegenüber dem Windkomfort (mehr oder weniger stark beeinflusst) hängt von der gerade durchgeführten Aktivität ab. Bei einem geringen Aktivitätsgrad z.B. warten an einer Bushaltestelle, essen auf einer Terrasse oder Ähnliches, werden geringe Windgeschwindigkeiten als unangenehmer empfunden als bei einem höheren Aktivitätsgrad wie z.B: laufen mit normaler Geschwindigkeit. Die NEN 8100:2006 unterscheidet daher bei der Bewertung des Windkomforts nach verschiedenen Aktivitätsgraden. Schlechter Windkomfort kann nicht immer verhindert werden, da z.B: hohe Windgeschwindigkeiten bei Stürmen schlechten Windkomfort hervorrufen, unabhängig davon ob Maßnahmen zur Verbesserung des Windkomforts durchgeführt wurden oder nicht. Im Rahmen der Beurteilung des Windkomforts wird daher darauf abgezielt, dass schlechter Windkomfort nur im Rahmen der Anforderungen für die unterschiedlichen Aktivitätsgrade auftritt. Den Aktivitätsgraden werden Bereichstypen zugeordnet. Laufen mit normaler Geschwindig- VL 7321-3 keit findet z.B: auf Verkehrsflächen also Bürgersteigen oder Plätzen statt, welche nur durch- 02.02.2016 laufen werden (Bereichstyp I). Das Laufen in einer Fußgängerzone mit kurzen Unter- Druckdatum: 07.04.2016

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brechungen zum Betrachten von Schaufenstern erfordert einen höheren Windkomfort als das reine Durchlaufen einer Strecke. Diesem Aktivitätsgrad wird daher der Bereichstyp II zugeordnet. Der höchste Windkomfort ist für den Bereichstyp III (Verweilflächen) erforderlich. Verweilflächen sind z.B: Haltestellen, insbesondere aber Flächen der Außengastromie. Im Rahmen der Beurteilung des Windkomforts gemäß der NEN 8100:2006 wird für den Windkomfort ein Schwellenwert der Windgeschwindigkeit im Stundenmittel von 5 m/s angesetzt. Ab dieser Windgeschwindigkeit kann Staub aufgewirbelt werden oder können Türen durch den Windzug ungewollt geöffnet oder geschlossen werden und es liegt ein schlechter Windkomfort vor. Die Beurteilung des Windkomforts erfolgt gemäß der folgenden Tabelle 2.1 aus der NEN 8100:2006. Tabelle 2.1: Beurteilung des Windkomforts anhand der Überschreitungshäufigkeit mittlerer Stunden-Grenz-Windgeschwindigkeiten gemäß NEN 8100:2006 Prozent der Überschreitungsstunden pro Jahr des Komfortkriteriums (v > 5m/s)

Qualitätsstufe

< 2,5

Bereichstyp / Aktivitätsgrad Verkehrsflächen [I, Durchlaufen]

Bewegungsflächen [II, Schlendern]

Verweilflächen [III, Sitzen]

A

Gut

Gut

Gut

2,5 - 5

B

Gut

Gut

Mäßig

5 - 10

C

Gut

Mäßig

Schlecht

10 - 20

D

Mäßig

Schlecht

Schlecht

≥ 20

E

Schlecht

Schlecht

Schlecht

Bereichstyp / Aktivitätsgrad I: z.B. Parkplätze und Straßen Bereichstyp / Aktivitätsgrad II: z.B. Einkaufspassagen, Haupteingänge und Terrassen Bereichstyp / Aktivitätsgrad III: z.B. Terrassen und Bänke in Parks, Außengastronomie Zur inhaltlichen Bewertung des Komfortkriteriums gilt Folgendes: Gut:

In der Bewertungskategorie Gut ist mit einer Behinderung oder Belästigung durch zu häufig auftretende größere Windgeschwindigkeiten nicht zu rechnen. Der Windkomfort ist grundsätzlich als gut anzusehen.

Mäßig:

In die Kategorie Mäßig sind Bereiche einzuordnen, die hinsichtlich des gewünschten bzw. erforderlichen Komforts geringer als gut aber immer noch als ausreichend (mäßig) beurteilt werden. Sofern durch einfache Maßnahmen umsetzbar, sollten Verbesserungen des Windkomforts angestrebt VL 7321-3 werden.

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Schlecht:

2.2.2

Für die Kategorie Schlecht kann von "Komfort" nur noch sehr eingeschränkt gesprochen werden, da hier im Allgemeinen regelmäßig störende Windgeschwindigkeiten auftreten. An Messpunkten, die dieser Kategorie zugeordnet werden, sollten Verbesserungsmaßnahmen zur Herstellung eines günstigeren Windkomforts durchgeführt werden.

Windgefahr

Bei höheren Windgeschwindigkeiten können gefährliche Situationen auftreten, welche z.B: zum Verlust des Gleichgewichtes beim Passieren einer Gebäudeecke führen können. Zur Beurteilung von möglichen Windgefahren wird ein Schwellenwert der Windgeschwindigkeit im Stundenmittel von 15 m/s angesetzt. Bei solchen Windgeschwindigkeiten im Stundenmittel treten Böen mit Windgeschwindigkeiten von mehr als 20-25 m/s auf. In solchen Bereichen werden Minderungsmaßnahmen dringend empfohlen. Die Beurteilung möglicher Windgefahren erfolgt gemäß der folgenden Tabelle 2.2 aus der NEN 8100:2006. Tabelle 2.2: Beurteilung der Windgefahr anhand der Überschreitungshäufigkeit einer Windgeschwindigkeit von 15 m/s im Stundenmittel gemäß NEN 8100:2006 Prozent der Überschreitungsstunden p pro Jahr; Gefahrenkriterium (v > 15m/s)

Einstufung

0,05 < p < 0,30 %

Stufe 1: beschränktes Risiko

P ≥ 0,30 %

Stufe 2: gefährlich

Bereiche mit einer Überschreitungshäufigkeit größer 0,05 bis 0,30 %, entsprechend einer Windgefahr der Stufe 1, sind für den Bereichstyp I (Verkehrsflächen) noch akzeptabel. Für die Bereichstypen II (Bewegungsflächen) bzw. III (Verweilflächen) gilt die Anforderung bis maximal 0,05 % der Jahresstunden mit Windgeschwindigkeiten > 15 m/s. Treten an 0,3% der Jahresstunden oder mehr Windgeschwindigkeiten im Stundenmittel von 15 m/s auf (Stufe 2), so sind solche Bereiche unzugänglich zu gestalten oder durch Minderungsmaßnahmen zu schützen. In Rahmen der vorliegenden Untersuchung wurde das Auftreten möglicher Windgefahren aus den Ergebnissen der Simulationsberechnungen abgeleitet.

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2.3

Windklima im Untersuchungsgebiet

Zur Vergleichbarkeit der Ergebnisse der Simulationsberechnungen mit der Realität werden Windstatistiken verwendet, welche der lokalen Situation entsprechen. Das lokale Windklima wird vor alle durch die Häufigkeiten des Auftretens stundengemittelter Windgeschwindigkeiten und Windrichtungen bestimmt. Für die vorliegende Untersuchung wurde die Windstatistik der Wetterstation von Friesdorf verwendet. Die Messstation ist ca. 3 Kilometer vom Untersuchungsgebiet entfernt. Aufgrund dieser relativ geringen Entfernung sind die Winddaten dieser Messstation repräsentativ für das Untersuchungsgebiet. Die verwendete Windstatistik bildet einen langjährigen Mittelwert aus Daten der Jahre 1988 bis 1992 ab. Quelle der Winddaten ist die National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). Die Windrose (Bild 2.1) und Windstatistik (Tabelle 2.3) zeigen, dass vorherrschende Windrichtungen aus Südost (SO) und Nordwest (NW) vorliegen, wobei die südöstlichen Winde deutlich höhere mittlere Windgeschwindigkeiten als die nordwestlichen Winde aufweisen. Die über ein Jahr gemittelte Windgeschwindigkeit beträgt ca. 3,0 m/s.

Bild 2.1: Windrose der Messstation Friesdorf (Quelle: NOAA)

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Tabelle 2.3: Windstatistik der Messstation Friesdorf (Quelle: NOAA)

2.4

Ermittlung der Windgeschwindigkeiten mittels Simulationsberechnungen

Für Windklimauntersuchungen steht ein firmeneigener Windkanal zur Verfügung. Im Falle relativ einfacher Geometrien oder Planungen, bei denen keine relevanten Probleme zu erwarten sind, können Untersuchungen zum Windklima auch mittels Simulationsberechnungen (CFD) durchgeführt werden. Die vorliegende Windklimauntersuchung erfolgte mittels Simulationsberechnungen. Im Rahmen von Simulationsberechnungen wird das Windprofil mit einer neutralen Schichtung bezüglich des Temperaturgradienten an der Seite des Rechenmodells generiert, an der der simulierte Wind in das Untersuchungsgebiet einströmt. Einflüsse auf die Windgeschwindigkeiten und Turbulenzen auf das lokale Windfeld im Untersuchungsgebiet werden durch die Berücksichtigung von Gebäuden im Umfeld des Untersuchungsgebietes, relevanter Begrünung sowie des Geländes berücksichtigt. Hierdurch wird ein für das Untersuchungsgebiet repräsentatives Windfeld erzeugt. Auf der Seite des Rechenmodells an welcher der Wind aus dem Untersuchungsgebiet ausströmt wird eine konstante Druckgrenze angesetzt. Das für die Simulationsberechnungen verwendete Rechengitter besteht aus rund VL 7321-3 5,2 Millionen Zellen. Die Berechnungen wurden unter Anwendung eines stationären kε- 02.02.2016 RNG-Turbulenzmodells durchgeführt. Druckdatum: 07.04.2016

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Die lokale Windverteilung wird für 12 Windrichtungen in 30°-Schritten berechnet. Auf Grundlage der verwendeten Windstatistik und den berechneten Windgeschwindigkeiten je Windrichtung wird die Häufigkeit des Überschreitens der Schwellenwerte der Windgeschwindigkeit im Stundenmittel für das Untersuchungsgebiet ermittelt. Die Gesamthäufigkeit der Überschreitungen eines Schwellenwertes ergibt sich dann durch Summation der Einzelfälle gemäß der Windstatistik. Um den Windkomfort zu beurteilen, werden für die vorliegende Situation die Häufigkeiten der Überschreitungen des Schwellenwertes mit den Anforderungen für den Windkomfort verglichen und beurteilt (siehe Tabelle 2.1).

3 3.1

Ergebnisse Bestand

Die Beurteilung des Windklimas erfolgt auf Grundlage der Ergebnisse der CFDSimulationsberechnungen, der lokalen Windstatistik und den Schwellenwerten bezüglich Windkomfort und Windgefahren wie in Kapitel 2.2 erläutert.

Bild 3.1: Windklima für die Bestandssituation Im gesamten Untersuchungsgebiet liegt für den Bereichstyp I – Verkehrsflächen – mit Ausnahme der nord- und südwestlichen Ecke des Bestandshochhauses ein guter Windkomfort VL 7321-3 02.02.2016 vor. Druckdatum: 07.04.2016

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Für den Bereichstyp II – Bewegungsflächen – liegt entlang der entlang der Straße „Straßburger Weg“ ein mäßiger Windkomfort vor. Schlechter Windkomfort liegt im Bereich der nord- und südwestlichen Ecke des Bestandshochhauses vor. Im übrigen Plangebiet liegt für Bewegungsflächen ein guter Windkomfort vor.

Bild 3.2: Windgefahren für die Bestandssituation Mögliche Windgefahren liegen ab einer Überschreitungshäufigkeit der mittleren StundenGrenz-Windgeschwindigkeit von 15 m/s an 0,05 % der Jahresstunden vor. Diese Bereiche sind in Bild 3.2 farblich gekennzeichnet und liegen im Bereich der nord- und südwestlichen Ecke des Bestandshochhauses. Bis zu einer Überschreitungshäufigkeit von 0,3 % der Jahresstunden liegt ein beschränktes Risiko für Windgefahren vor. Eine Risikostufe 2, mit mehr als 0,3 % der Jahresstunden, liegt im Untersuchungsgebiet nicht vor.

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3.2

Planfall

In Bild 3.3 ist die Modellgeometrie der Planung dargestellt. Das resultierende Windklima in der Umgebung der Gebäude ist in Bild 3.4 als Falschfarbenbild dargestellt. Die verwendeten Farbskalen entsprechen dabei den Anforderungen der Norm NEN 8100:2006.

Bild 3.3: Modellgeometrie der aktuellen Planung

Bild 3.4: Windklima für die aktuell geplante Situation

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Im gesamten Untersuchungsgebiet liegt für den Bereichstyp I – Verkehrsflächen – mit Ausnahme der nordöstlichen Ecke des Hochhauses ein guter bis mäßiger Windkomfort vor. Eingangsbereiche werden als Bereichstyp II – Bewegungsflächen strenger beurteilt. Hier reicht der Bericht mit gutem bis mäßigem Windkomfort nur bis zu einer Überschreitungshäufigkeit von 10% (blaue und grüne Bereiche). Bild 3.4 zeigt, dass entlang der Fassaden der geplanten Gebäude überwiegend ein guter Windkomfort vorliegt. Im Bereich der Gebäudeecken liegt mäßiger bis schlechter Windkomfort für den Bereichstyp II – Bewegungsflächen vor. Da große Bereiche mit gutem Windkomfort vorliegen, sollten Eingänge in den blau gekennzeichneten Bereichen vorgesehen werden. Falls Verweilflächen – Bereichstyp III vorgesehen sind (z.B. Sitzgelegenheiten, Außengastronomie) sollten diese in den dunkelblau gekennzeichneten Bereichen geplant werden. Für den Bereichstyp III gelten die strengsten Anforderungen, bei denen ein guter Windkomfort nur für Überschreitungshäufigkeiten der mittleren Stunden-Grenz-Windgeschwindigkeit von 5 m/s bis zu einer Häufigkeit von 2,5% gegeben ist.

Bild 3.5: Windgefahren für die aktuell geplante Situation Mögliche Windgefahren liegen ab einer Überschreitungshäufigkeit der mittleren StundenGrenz-Windgeschwindigkeit von 15 m/s an 0,05 % der Jahresstunden vor. Diese Bereiche sind in Bild 3.5 farblich gekennzeichnet. Bis zu einer Überschreitungshäufigkeit von 0,3 % der Jahresstunden liegt ein beschränktes Risiko für Windgefahren vor. VL 7321-3 02.02.2016 Eine Risikostufe 2, mit mehr als 0,3 % der Jahresstunden, liegt im Untersuchungsgebiet Druckdatum: nicht vor. 07.04.2016

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