Fagið

Vindafar í byggð

Straumfræði, Vindur, Vindgreining, CFD

júl. 16, 2019 Fagið

Höfundar

Hermanir á vindflæði með tölvuvæddri straumfræði

Til að herma vindflæði í kringum byggingar er hægt að notast við tölvuvædda straumfræði (e. Computational Fluid Dynamics (CFD)) eða við tilraunir í vindgöngum. CFD notar tölulegar aðferðir til að reikna nálganir á lausnum grundvallarjafna fyrir varma- og straumfræði, sem lýsa flæði gass, vökva og varma. CFD er notað í margs konar iðnaði og í fjölbreyttum verkefnum þar sem flæði er afgerandi. Til dæmis við hönnun bíla, flugvéla og skipa er CFD mikið notað til að minnka vind- og vatnsmótstöðu hönnunar og til að herma innivist. Í byggingariðnaðinum hefur notkun á CFD aukist til muna á síðustu árum. CFD er meðal annars notað við hermun á innivist; til að skoða loftun og hitadreifingu í innrýmum bygginga, í loftun á bílakjöllurum og fyrir greiningu á staðbundnum vindi við byggingar. Mikil aukning hefur orðið í notkun á CFD á síðustu árum sem einna helst er að þakka aðgengi að aukinni reiknigetu og þar af leiðandi ódýrari og fljótari hermunum.

Í greiningum á vindþægindum er verið að meta áhrif vinds á útisvæðum á notendur.


CFD er notað til að skoða áhrif mannvirkja á staðbundið vindafar og fyrir greiningar á vindþægindum á útisvæðum (e. Pedestrian wind comfort). Til þess eru notuð viðmiðunar skilyrði vindþæginda (e. comfort criteria) sem segja til um hvernig notendur upplifa vindinn í ákveðnum aðstæðum. Fyrir þessar greiningar er almennt notaður meðaltals vindhraði með tilliti til tíma. Aðferðir til að greina vindþægindi eru vel þróaðar og hafa verið notaðar lengi. Margar rannsóknir hafa sýnt að niðurstöður CFD líkana geta verið fullnægjandi samanborið við niðurstöður í vindgöngum séu notuð rétt iðustreymislíkön, reiknisvæðin og jaðarskilyrðin séu vel skilgreind, og vindgögnin séu rétt unnin.

Á síðustu áratugum hefur tíðkast að skoða vindflæði í kringum byggingar með prófunum í vindgöngum. Í dag eru prófanir í vindgöngum einnig ráðandi aðferð þegar skoða á vindálög á flókin mannvirki þar sem gildi úr stöðlum Eurocode (EN1991-1-4) eiga ekki við. Á síðasta áratugi er CFD þó orðið ráðandi aðferðin fyrir þessar vindþæginda greiningar vegna einfaldara verkferlis og góðu aðgengi að CFD hugbúnaði. Einnig er CFD öflugt þegar það þarf að greina og skoða niðurstöður í þrívídd.

Vindflæði í kringum byggingar og mannvirki

Á undanförnum árum hefur verið aukin áhersla á góðar vindaðstæður í þéttbýlum og borgarrýmum. Þegar vindur streymir í kringum byggð getur myndast óæskileg staðbundin vindhröðun, vindstrengir og hvirflar geta verið óþægilegir fyrir notendur eða jafnvel myndað hættulegar aðstæður. Í Leeds á Englandi við „Bridgewater place“ lést maður árið 2011 af völdum sterkra vindstrengja sem mynduðust í kringum nýbyggðan turn. Í framhaldi hafa verið útfærðar mótvægisaðgerðir þar sem skjólvirki hafa verið settir upp kringum turninn til að draga úr vindhraða við jörðu.

Meiri kröfur eru nú gerðar um þægindi því fólk sækist eftir því í meira mæli að geta verið úti við og eru því hönnuðir borgarskipulags farnir að leggja meiri áherslu á góð útisvæði fyrir notendur. Hönnuðir útisvæða vilja lengja tímann sem hægt er að nýta svæðin og teygja notkunartímann inn í vorið og haustin með því að gera svæðin aðlaðandi hvað varðar t.d. vind- og sólaraðstæður. Í Ósló er verið að skipuleggja háar byggingar í miðbænum þar sem hönnuðir hafa lagt áherslu á að byggingarnar muni ekki valda óæskilegum vindaðstæðum. Einkum þar sem skipulagið í kringum byggingarnar er ætlað notendum með útisvæðum og kaffihúsum. Sambærileg aukning á hönnun aðlaðandi útisvæða hefur orðið síðustu árin í Kaupmannahöfn (t.d. Papiröen, Ofelia Plads og Nordhavn). Á vorin, sumrin og haustin eru þessi svæði mjög mikið notuð og hafa þar með aukið lífsgæði íbúa og notenda svæðisins verulega.

Á Íslandi er fólk ef til vill vanara vindasamari og kaldari aðstæðum en í mörgum öðrum borgum á Norðurlöndum. Þó er hægt að sjá sömu þróun hér, þar sem aukin eftirsókn er á að nýta borgarrýmin yfir sumartímann. Mikil þétting byggðar á sér stað á höfuðborgarsvæðinu þar sem ný hverfi rísa og áhersla er á vel hönnuð borgarrými, göngu- og hjólastíga. Það er því afar mikilvægt að hanna nýbyggingarsvæði til að minnka óæskilegar vindaðstæður í kringum svæðið eða hanna mótvægisaðgerðir til að betrumbæta núverandi útisvæði. Einnig er mikilvægt að hönnun skapi ekki hættulega eða óþægilegar vindaðstæður fyrir vegfarendur. Vindaðstæður á Íslandi eru oft slæmar og ekki endilega alltaf hægt að mynda skjól á öllum svæðum fyrir allar vindáttir. Það er þó hægt að huga að vindi og tíðustu vindáttum við hönnun mannvirkja og reyna að skapa sem bestar aðstæður á þeim svæðum sem mikilvæg eru fyrir vegfarendur og notendur. Þekkt dæmi um slæmar vindaðstæður vegna mannvirkja á Íslandi er Höfðatorg. Í norðanhvassviðrum myndast háir vindhraðar við turninn. Meðalvindhraði sem reiknaður er með CFD í kringum turninn á Höfðatorgi er sýndur á mynd 1. Vindhraðinn er sýndur á tveimur plönum í gegnum turninn. Í CFD hermuninni er vindur frá norðri skoðaður með 15 m/s vindhraða á innstreyminu. Einnig eru sýndar tvær straumlínur sem sýna hvernig vindur lendir á norðanhlið turnsins og streymir niður til jarðar og í kringum horn hans. 

Höfðatorg - vindgreiningarMynd 1. Meðalvindhraði sýndur í láréttu og lóðréttu plani í gengum turninn á Höfðatorgi fyrir norðanvind. Vindur lendir á hlið turnsins og streymir í kringum hann og niður til jarðar. Við þetta myndast vindstrengur við norðaustanvert horn turnsins.

Það eru til ýmsar þumalputtareglur um vindflæði í kringum byggingar, sem hægt er að styðjast við á byrjunarstigum hönnunar skipulags


Hægt er að gera mat á aðstæðum með því að hafa bæði form bygginga og samspil þeirra og götuskipulags í huga samhliða tíðni vindátta. Mikilvægt er að greina áhrif bygginga á vindflæðið snemma í ferlinu og hægt er að skoða svæðin nánar með CFD. Vindhröðun á sér yfirleitt stað í kringum horn bygginga, í sundum milli bygginga eða við neðsta hluta hárra bygginga. Dæmi um helstu víðtæku áhrif bygginga á vind er sýnt á meðfylgjandi skissu. 

VindgreiningarMynd 2. Skissa sem sýnir vindflæði bygginga. 

CFD hermanir á staðbundnu vindafari í kringum byggingar notast vanalega við reiknilíkan af grundvallarjöfnunum sem kallast RANS. Í RANS er öllum breytum skipt upp í meðaltalsgildi og tímaháðgildi (flökt) og nýjar jöfnur leiddar út fyrir meðaltalsgildi sem eru nálgaðar og leystar með hermunum. Tekið er tillit til iðustreymis í RANS jöfnunum með frekari iðustreymislíkönum (e. turbulence models) en meginniðurstöður sem notaðar eru í greiningum á vindþægindum er meðalhraðinn.

Notuð eru þrívíddarlíkön af byggingunum í hermununum. Taka þarf tillit til svæðisins í kring og bygginga sem eru í grennd við svæðið sem á að greina í hermunum, þar sem þær hafa áhrif á vindflæðið. Í líkaninu eru byggingar einfaldaðar og þeir hlutir sem hafa ekki teljandi áhrif á flæðið eru fjarlægðir úr líkaninu. Þetta er gert til að minnka reiknikostnað fyrir líkanið. Svæðið sem er notað í hermunum er klippt út úr umhverfinu og þess vegna er mikilvægt að skilgreina rétt jaðarskilyrði fyrir innstreymið. Í mynd 3 (hægri) er sýnt dæmi um líkan fyrir vindgreiningu. Vanalega eru 12 til 18 vindáttir skoðaðar fyrir vindgreiningar. Til vinstri í mynd 3 sést hvernig svæðið sem notað er í hermununum er klippt út úr umhverfinu. Vindur sem fer inn í líkanið kemur t.d. frá svæði með sjó, eða með byggð, eða með landi þar sem er ekki byggð.

Þar sem hermanirnar eru fyrir meðaltalsgildi þarf að skilgreina eiginleika innstreymis á jaðarskilyrðum einnig sem meðalflæði. Meðal vindhraði sem flæðir yfir einsleitt hrjúft yfirborð er skilgreindur sem lógaritmískt fall m.t.t. til hæðar frá jörðu. Vegna núningsmótstöðu við jörðina er enginn vindhraðinn við yfirborðið en vindhraðinn eykst með hæð yfir jörðu. Fallið er háð hversu mikið hrýfi er á yfirborðinu. Ef hrýfið er lágt, t.d. vindur yfir sjó (vestanvindur á mynd 3) er vindhraði meiri við yfirborðið en þegar vindur fer yfir t.d. þéttbýli með hærra hrýfi. Vindflæðið byggist upp á löngum kafla og þess vegna er mikilvægt að skoða svæði í allt að 5 til 10 km í kringum líkanið þegar jaðarskilyrðin eru skilgreind. 

computational_domainMynd 3. Skýringarmynd sem sýnir umhverfin í kring (vinstri) og hermunarmódelið (hægri).

CFD hermanirnar sýndar hér eru RANS og þ.a.l. eru niðurstöðurnar meðalgildi. Dæmi um niðurstöður úr hermunum er sýndar á mynd 4 þegar vindur kemur frá austri. Til vinstri á mynd 4 er meðalvindhraði í kringum byggingar sýndur á plani í 1,7 m hæð yfir jörðu. Vindhraði á jaðri líkansins er 3,0 m/s í 1,7 m hæð yfir jörðu. Ef byggingarnar væru ekki til staðar og engar ójöfnur í landsvæðinu, væri vindhraðinn 3,0 m/s alls staðar í planinu. Rauð svæði, sem sýna hærri vindhraða, tákna því svæði þar sem byggingarnar valda vindhröðun og bláu svæðin eru þar sem byggingar mynda skjól. Niðurstöðurnar er því hægt að nota til að skoða áhrif bygginganna á staðbundið vindafar fyrir hverja hermda vindátt og sýna hversu útbreitt svæði byggingarnar hafa áhrif á. Almennt myndast vindstrengir við horn bygginga þegar vindur streymir í kringum byggingarnar og í sundum á milli bygginga. Skjól myndast á svæðum aftan við byggingarnar miðað við vindáttina. Einnig er hægt að nota straumlínur sem sýna vindflæðið í kringum byggingarnar, sýndar til hægri á mynd 4. Straumlínur eru öflug aðferð til að skoða flæðið í þrívídd og greina betur aðstæður á svæðum þar sem vindhröðun á sér stað.

StraumlínurMynd 4. Niðurstöður úr hermunum fyrir vind frá austri. Vinstri: Meðal vindhraði sýndur í plani 1,7 m yfir jörðu. Hægri: Straumlínur sem sýna vindstreymið í kringum byggingarnar.

Vindhraðinn sem reiknaður er í hermununum gefur upplýsingar um áhrif bygginganna á staðbundið vindafar, fyrir hverja vindátt. Hægt er að tengja niðurstöður hermana við almennt vindafar á svæðinu með því að meta niðurstöðurnar samhliða veðurgögnum fyrir svæðið. Veðurgögnin gefa upplýsingar um tíðni vindátta og vindhraða. Veðurstöðvar eru oft staðsettar á opnum svæðum í 10 m hæð yfir jörðu þar sem byggð hefur lítil áhrif á mælingarnar og sýna því hvernig almennt vindafar er á svæðinu. Staðbundinn meðalvindhraði reiknaður í hermununum er hlutfallslegur miðað við þann vindhraða sem mældur er í veðurstöðinni. Þar af leiðandi er hægt að nota sömu líkindadreifingu fyrir staðbundna vindhraðann og þá sem fæst fyrir gögnin frá veðurstöðinni. Þannig er hægt að reikna út hvernig staðbundnir meðal vindhraðar í kringum byggingarnar eru fyrir allt árið.

Vindþægindi

Til að meta vindaðstæður á tilteknu útisvæði eru oft notuð viðmið vindþæginda (e. pedestrian wind comfort criteria) sem eru byggð á reynslu og prófunum um hvernig fólk upplifir mismunandi vindhraða. Viðmiðin taka tillit til athafnar, þ.e.a.s. hvort fólk sé til dæmis sitjandi eða gangandi. Hærri vindhraði er þolanlegur á svæðum þar sem fólk er að ganga út á bílastæði en þegar fólk situr á kaffihúsi eða röltir niður verslunargötur. Niðurstöður vindþæginda eru því eru því kort yfir skipulagið þar sem búið er að skilgreina svæði sem eru hentug fyrir mismunandi athafnir með tilliti til vinds. Til eru mismunandi viðmið vindþæginda sem notuð eru í ólíkum löndum. Dæmi um viðmið eru; Davenports notað í Danska SBI 128, Lawsons viðmiðin sem notuð eru í Bretlandi og viðmiðin í Hollensku reglugerðinni NEN8100. Margir þættir hafa áhrif á hvernig við upplifum vindinn í mismunandi aðstæðum. Fyrir utan einstaklingsbundna og huglæga þætti, eins og hvernig við upplifum umhverfið, getur upplifunin líka verið háð kyni, þjóðerni, aldri og fleiru. Það er því erfitt að skilgreina nákvæm viðmið fyrir vindþægindi og einhver óvissa er alltaf bundin niðurstöðunum. Því er best að nota viðmiðin til leiðbeiningar um hvernig vindafar er á mismunandi svæðum og gefa upplýsingar um vindasömustu og mestu skjólsvæðin.

Viðmiðin sem almennt notuð eru til greininga á vindþægindum í Bretlandi eru sýnd í töflu 1. Hér eru notuð mismunandi viðmiðunarmörk fyrir vindhraðann, fyrir mismunandi athafnir. Árleg tíðni fyrir tiltekið viðmiðunargildi má ekki fara yfir 5%. Fyrir sitjandi, má vindhraði ekki fara yfir 4 m/s oftar en 5% árlega, til að svæðið teljist æskilegt með tilliti til vinds. Einnig eru til samsvarandi viðmið fyrir vindöryggi. Almennt er svæðið talið óöruggt ef vindhraði fer yfir 20 m/s oftar en 0,022% árlega.

Lawson-LDDC-tafla

Á mynd 5 er sýnt dæmi um hvernig hægt er að nota viðmið fyrir vindþægindi (Lawsons LDDC) til að flokka mismunandi svæði í kringum byggingarnar eftir vindaðstæðum. Fyrst er árleg tíðni fyrir vindhraða hærri en ákveðið viðmiðunargildi reiknað út fyrir allar vindáttir. Til dæmis er árleg tíðni fyrir vindhraða hærri en 4 m/s sýnd í myndinni til vinstri fyrir austanáttina. Planið er í 1,7 m hæð yfir jörðu sem samsvarar hæð vegfarenda. Árleg tíðni fyrir allar vindáttirnar er síðan lögð saman og svæði sem eru minni en 5 % eru sýnd með ákveðnum lit fyrir mismunandi viðmiðunargildi fyrir vindhraðann. Dæmi um þetta er sýnt á myndinni til hægri, á mynd 5. Þannig fæst kort fyrir allar vindáttir þar sem svæðin í kringum byggingarnar eru skilgreind sem góð fyrir mismunandi athafnir með tilliti til vinds. Hægt er að nota kortin til að skipuleggja og staðsetja ákveðin svæði eins og hvar er best að hafa kaffihús eða bílastæði. Einnig nýtast kortin vel þegar verið er að bera saman mismunandi hönnun eða til að kortleggja svæði þar sem áætla má að vindur eigi eftir að skapa óæskilegar aðstæður. 

Comfort plotMynd 6. Vinstri: Árleg tíðni fyrir vindhraða sem fer yfir 4 m/s sýnd á plani í 1,7 m yfir jörðu. Niðurstöður eru sýndar fyrir hermunina af austanátt. Hægri: Árleg tíðni minni en 5% fyrir allar vindáttir og fyrir gildi fyrir vindhraða samkvæmt Lawson vindþæginda viðmiðinu. Viðmiðunargildið fyrir vindhraðann, U, tilheyrir mismunandi athafnarflokkum, þar sem 4, 6, 8 og 10 m/s er notað fyrir sitjandi, standandi, gangandi og röskleg ganga.

Vindur, byggingar og skipulag

Með því að greina áhrif bygginga og byggðarskipulags á staðbundið vindafar snemma í skipulagi er hægt að takmarka vindhröðun og vindstrengi af völdum bygginganna sem mynda óæskilegar vindaðstæður fyrir notendur. Það getur verið kostnaðarsamt að þurfa að lagfæra aðstæður eftir framkvæmd eða ef svæði nýtast ekki eins og til var ætlast. Í byggingarreglugerð er tekið fram að byggingar skuli staðsettar með tilliti til vindátta til að mynda sem best skjól á leik- og dvalarsvæðum og í aðalskipulagi Reykjavíkur 2010-2030 er fjallað um gæði byggðar og aðlaðandi útisvæði þar sem áhersla er lögð á veðurfar. Annars eru ekki til skýrar kröfur eða aðferðir um hvernig og hvenær eigi að greina áhrif byggðar á vindafar. Ef horft er til annara Norðurlanda er staðan svipuð. Þar er stundum gerð krafa í umhverfismati um að gera grein fyrir áhrifunum nýbygginga á staðbundið vindafar. Einnig er þar orðin vakning á þessum málum og orðið algengara vindgreiningar séu hluti af skipulagi.

Í Bretlandi eru til leiðbeiningar um hvenær æskilegt er að skoða áhrif bygginga á vindafar (Heimild: Wind Effects and Tall Buildings - Guidelines and best practice for assessing wind effects and tall buildings in the City of London). Hér er mælt með að það verði gerðar greiningar á vindafari ef byggingar hafa ákveðna hæð, eru hærri en umhverfi, eða ef byggt er á svæðum sem eru berskjölduð fyrir vindi. Í Bretlandi er lögð áhersla á gott vindumhverfi milli bygginga og góð vindþægindi fyrir vegfarendur við hönnun, þar sem fyrri reynsla hefur sýnt að það geta myndast slæmar vindaðstæður ef þetta er ekki haft í huga við hönnun. Í Bretlandi hefur einnig skapast mikil þekking og eru stundaðar rannsóknir í bæði vindgöngum og með CFD hermunum á vindafari í kringum byggingar. Því er upplagt að horfa til þeirra reynslu þegar við skoðum staðbundið vindafar hér á Íslandi.

Holland er eitt af þeim löndum þar sem mikil þróun hefur átt sér stað á þessum greiningum á síðustu árum. Hollenska skipulagsstofnunin (e. Netherlands Normalisation Institute (NEN)), kom á fót vinnuhópi með arkitektum, skipulagsfræðingum, verkefnastjórum og öðrum fræðimönnum sem í samvinnu við borgir og stofnanir unnu að verkefni um leiðbeiningar að vindþægindagreiningum. Verkefnið var birt í Hollenska staðlinum NEN 8100 árið 2006. Staðallinn veitir skýrar og skilgreindar aðferðir um hvernig eigi að greina vindþægindi í skipulagi en þó er ekki lögbundin krafa um að nota staðalinn í byggingareglugerð. Þessar aðferðir eru svipaðar aðferðunum í bresku leiðbeiningunum og hafa einnig verið mikið notaðar í öðrum löndum. Þó eru viðmið vindþæginda og aðferðirnar oft aðlagaðar að þeim aðstæðum þar sem viðmiðin eru notuð.

Því er þörf að setja fram skýrari stefnu hér á Íslandi og yfirfæra erlenda staðla um vindgreiningu og vindþægindi á íslenskar aðstæður. Helst þyrfti að þróa íslenskan staðal fyrir vindþægindi með aðkomu helstu hagsmunaaðila. Þangað til mætti nýta þessar aðferðir og viðmið annarra landa til að tryggja að nýbyggingar skapi ekki verri vindaðstæður m.v. núverandi ástand og að dvalarsvæði innan skipulags nýrra hverfa sé í samræmi við þessi viðmið. 

Vantar þig aðstoð við vindgreiningar? Heyrðu endilega í okkur og við skoðum málið saman.

Hafa samband