O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eWindbelastingBij windtunnelonderzoek wordtde windbelasting op de hoofd-draagconstructie of op constructie-onderdelen van gebouwen om eenaantal redenen gemeten:? veel gebouwen vallen niet bin-nen toepassingsgebied van NEN6702 [1];? de invloed van de omgeving ofvan de ori?ntatie van het gebouwop windbelasting is rekenkundigmoeilijk te bepalen;? mogelijke besparing door opti-maliseren van de constructie;? onderzoek naar de oorzaak vandefecten.Zeker in het eerste geval is wind-tunnelonderzoek noodzakelijk,omdat een gebouw vaak niet opverantwoorde wijze is te schemati-seren in de eenvoudige vormenwaarvoor in NEN 6702 windvorm-factoren worden voorgeschreven.T e c h n i e kIn de op foto 1 weergegeven wind-tunnel, het zogenoemde `geslotentype' met een doorsnede van 3,2 x1,8 m2en een stromingslengtevan 40 m, kan een gemiddeldewindsnelheid worden opgewektvan ruim 25 m/s. Gemeten wordtaan modellen met een schaal dievarieert van 1:150 tot 1:500. Bijmetingen aan gevelonderdelen isde schaal meestal 1:150, omdat deafmeting van de kleinste wervelsin de kunstmatig opgewekte`atmosferische grenslaag' enkelemillimeters bedraagt. Het heeftdus geen zin kleinere details temodelleren.Gemeten wordt om de 15 , dus bij24 windrichtingen. In figuur 2 ishet verloop van de windsnelheidover de hoogte in de `atmosferi-sche grenslaag' schetsmatig aan-gegeven. De turbulentie hierinwordt opgewekt door de winddoor een rij `zwaarden' en overeen `voorland' van blokken te bla-zen.De winddrukken worden gemetenmet dynamische drukopnemersdie in de gevel van het schaalmo-del zijn ingebouwd (fig. 3). Eentypisch meetsignaal van 24 wind-richtingen is in figuur 4 weerge-geven. Bij elke windrichting isduidelijk te zien dat er een aantalextremen optreedt.De gemeten windbelasting moetvoldoen aan de in het Bouwbesluitvastgelegde voorschriften, geba-seerd op een probabilistischegrondslag. Een bepaalde betrouw-baarheid conform NEN 6700 [2],gekoppeld aan de ontwerplevens-duur van het gebouw, moet wor-den zekergesteld. Er dient dus eenwaarde te worden bepaald dierepresentatief is voor de windbe-lasting gedurende de ontwerple-vensduur: de zogenoemde repre-sentatieve waarde.cement 2004 374Windtunnelonderzoek aanwindbelasting op gebouwenir. K.W.M. van der Ven en ir. G.M. van Uffelen, Peutz & Associes, Zoeter-meer/MookDe windbelasting op gebouwen wordt steeds frequenter onderzocht in eenwindtunnel. In dit artikel wordt ingegaan op de techniek van dit soort onder-zoek en over de mogelijkheden ervan. Ook enkele uitgevoerde projecten pas-seren de revue, waarbij vooral wordt ingegaan op het bepalen van de repre-sentatieve windbelasting op de, vaak in beton uitgevoerde, hoofddraagcon-structie.2 | Opwekking atmosferi-sche grenslaag met`zwaarden' en `voorland'van blokken1 | Windtunnel Peutz BVO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eWindbelastingCook heeft hiervoor een probabi-listische methode ontwikkeld: deextreme-waardenanalyse [3].Allereerst dient de kansverdelingvan de gemeten extremen van defluctuerende windbelastingen teworden vastgelegd [4]. Dit blijkt dezogenoemde Fisher-Tippett Ikansverdeling te zijn. Bij elkemeting moeten vervolgens deparameters van deze kansverde-ling worden bepaald uit de verkre-gen extremenreeks. In figuur 5zijn voor ??n meetpunt en ??nwindrichting de gemeten extre-menreeks en de kansverdelingweergegeven.Ten slotte moet worden berekendwelke maximale windbelastinggemiddeld ??ns in de vijftig jaarzal worden overschreden.In de praktijk wordt gewerkt metde belastingsnorm NEN 6702. Eenwindtunnelonderzoek zal dusgelijkwaardig moeten zijn aan eenberekening volgens NEN 6702,hetgeen met de methode vanCook wordt gerealiseerd. Deze ligtoverigens ook ten grondslag aanNEN 6702 en vergelijkbare buiten-landse normen.Omdat alle meetpunten simultaanworden gemeten, kunnen er ook`real time' bewerkingen op wor-den uitgevoerd, zoals het bereke-nen van de netto-windbelasting opeen gevelonderdeel of een over-kapping.Een ander voorbeeld is het bereke-nen van de totale krachten enmomenten op de fundering vaneen gebouw. Als van elk meetpunthet geveloppervlak eromheen ende hoogte worden meegenomenen vervolgens alle meetsignalenworden opgeteld, wordt een nieuwsignaal verkregen dat er weer uit-ziet als figuur 4, maar nu in MNen MNm. Om voldoende nauw-keurige waarden te verkrijgen,worden op een enkel gebouw 60 ?120 drukopnemers aangebracht,afhankelijk van de complexiteit.Een interessant verschijnsel dat bijhet meten van de windbelasting ophoge gebouwen een rol speelt, isde tijdschaal van de windvlagen.Grote en langdurige windvlagenkunnen op het gehele gebouw aan-grijpen en, vanwege hun grote tijd-schaal, een forse uitwijking veroor-zaken. Kleine en kortdurendewindvlagen kunnen weliswaar zeerhevig zijn, maar vanwege de grotemassa van het gebouw en daardoorde relatief geringe versnelling(F = m ? a) zal de uitwijking rela-tief gering zijn binnen de kleinetijdschaal. Daarom zijn windbelas-tingen boven de laagste eigenfre-quentie van het gebouw doorgaansniet maatgevend bij onderzoeknaar de windbelasting op de hoofd-draagconstructie.De opslingering bij de eigenfre-quenties van het gebouw is overi-gens alleen met een zogenoemd`aero-elastisch' schaalmodel temeten, of te berekenen volgensNEN 6702.P r o j e c t e nWTC-toren Amsterdam-ZuidAan de Zuidas in Amsterdamwordt een nieuwe, ruim 100 mhoge toren voor het WTCgebouwd. Windtunnelonderzoekis verricht naar de representatievekrachten en momenten op debetonconstructie (fig. 6).Berekening volgens NEN 6702leverde een hoeveelheid extrawapening op, omdat de betonnenconstructiekern, ondanks het hogeeigen gewicht, op de onderste zesverdiepingen nogal sterk op trekzou worden belast. Daardoor zouvoor deze verdiepingen geen klim-bekisting kunnen worden ingezet,met als gevolg een langere bouw-tijd.Echter, de ori?ntatie van de torenis gunstig: niet naar het zuidwes-ten (de meest bepalende windrich-ting) gericht. Ook is er aan dezuidkant veel afscherming doorde stad. Die wordt in de windtun-nel gemodelleerd door een zoge-noemd `voorland' van blokken (ziefig. 2); de lengte van het voorlandhoudt verband met het aantal kilo-meters stad en de maximale hoog-te waarop de invloed van die stadnog zichtbaar is in de atmosferi-sche grenslaag. Bovendien heeftde toren gezien vanaf het zuideneen geringe hoogte-breedtever-houding, waardoor de windbelas-ting op grotere hoogte relatiefgunstig uitvalt ten opzichte van de`oneindig lange' toren uit NEN6702.E?n en ander resulteerde uiteinde-lijk in een gemeten reductie op derepresentatieve windbelasting vancirca 15% ten opzichte van NEN6702, waardoor geen extra wape-ning in de onderste verdiepingenbehoefde te worden toegepast.Daardoor kon de klimbekistingw?l voor alle verdiepingen wordengebruikt en de bouwtijd aanzien-lijk worden verkort.4 |Fluctuerende winddrukbij 24 windrichtingen3 | Drukopnemers00,40,30,20,10,50,60,70,80,910,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8vormfactorkansoponderschrijdingvolgenskansverdeling5 | Gemeten extremenreeksen cumulatieve kansver-deling FT Icement 2004 3 75O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eWindbelastingOok voor de projecten Mahler 4en Millennium Tower inAmsterdam, deGalgenwaardkantoren te Utrechten de Wijnhaventoren teRotterdam is dit soort windtun-nelonderzoek uitgevoerd. De tweelaatstgenoemde zijn mooie voor-beelden van projecten waar hetwindtunnelonderzoek veel nuttigeinformatie en inzicht opleverdevoor de constructeur.Galgenwaardkantoren UtrechtInteressant aan deze kantoren isde sterk asymmetrische vorm(foto 7). Aan de achterzijde steekthet gebouw ver uit ten opzichtevan de centrale kern. Dit heeftvooral gevolgen voor het torsiemo-ment: het gemeten moment bleekruim 20% hoger dan het volgensNEN 6702 berekende. Het maxi-male effect bleek op te treden bijwind uit westelijke richting; dat isde richting vanwaar foto 7 is geno-men. Dit toont aan dat bij eengebouw dat afwijkt van de recht-hoekige schematisering volgensNEN 6702, het uitvoeren van eenwindtunnelonderzoek essentieelis.De gemeten krachten en momen-ten in de richting oost-west vielenoverigens ruim 40% lager uit danberekend volgens NEN 6702.Belangrijkste redenen hiervoorzijn de gunstige ori?ntatie: nietnaar het zuidwesten, maar naarhet westen en de lichte wigvormvan het gebouw. Verder bevindtzich ten westen van het gebouwveel stedelijke bebouwing, wat eengunstige invloed heeft op hetwindprofiel ter plaatse van hetonderzochte gebouw.Wijnhaventoren RotterdamBij de Wijnhaventoren te Rot-terdam (fig. 8) speelt het torsie-moment ook een belangrijke rol.In figuur 9 is een momentopna-me van de winddrukco?ffici?ntenom de toren weergegeven. De ver-deling van de co?ffici?nten is veelasymmetrischer dan NEN 6702voorschrijft voor het berekenenvan het torsiemoment. De normverdeelt de toren namelijk in tweehelften; op de ene helft moet eenstuwdruk pwworden aangebrachten op de andere helft 1/2 pw. Dewerkelijke drukverdeling resul-teert in een gemeten torsiemo-ment dat ruim twee keer zo hoogis.Om inzichtelijk te maken in hoe-verre de windbelasting op deWijnhaventoren wordt bepaalddoor de gebouwen in de omge-ving, is tevens een variantmetinguitgevoerd waarbij deze gebouwenzijn afgeknot tot een hoogte van15 m. Het verschil tussen beidemetingen bedraagt ruim 10% bijde kracht zuidoost-noordwest.Hoe hiermee om te gaan is nogonderwerp van discussie; hieropwordt nog nader ingegaan.Ook is voor dit project een metingaan het te verwachten windkli-maat voor de belendingen uitge-voerd. Daarvoor is van dezelfdemaquette gebruikgemaakt.Vanwege de grote hoogte van detoren is in de rondom gelegenstraten bijvoorbeeld een aantalgrote luifels nodig, die op hunbeurt weer op een forse windbe-lasting gedimensioneerd moetenworden.AmstelstationVoor het Amstelstation inAmsterdam zijn metingen uitge-voerd om de invloed van mogelij-ke hoogbouw vlakbij deze gebou-wen te onderzoeken. Er zijnmetingen uitgevoerd voor de hui-dige situatie en de situatie methoogbouw. Bij dit station is eentoename van de windbelastingtengevolge van mogelijke hoog-bouw van tientallen procentengemeten. Een dergelijk windtun-nelonderzoek leidt dus niet altijdtot besparingen, maar wel totextra veiligheid.Stationsoverkapping IJSEIEen interessant voorbeeld vanwindtunnelmetingen aan eenbusstationsoverkapping betreft`IJSEI' te Amsterdam (fig. 10,[5]). Vanwege zijn bijzonderevorm valt de overkapping buitenhet toepassingsgebied van NEN6702. Daarom is in de windtun-nel zowel de representatievewindbelasting op de spanten alsop de afzonderlijke ruitenbepaald. Op de zuidwestelijkgelegen rand zijn representatievewaarden voor de opwaartsekracht tot maar liefst 3000 N/m2gemeten, onder meer omdat dewind ?nder de overkapping lokaalvoor forse overdrukken zorgt.cement 2004 3769 |Momentane winddruk-co?ffici?ntenWijnhaventoren6 |WTC AmsterdamOnderzoek in samenwer-king met Van RossumRaadgevende Ingenieurs7 | GalgenwaardkantorenUtrechtOnderzoek in samenwer-king met BartelsIngenieursbureau8 |WijnhaventorenRotterdamOnderzoek in samenwer-king met CorsmitRaadgevende IngenieursO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eWindbelastingTurbulentie gegenereerd door dein de nabijheid geplande uitbrei-ding van het IBIS-hotel speelthier ook een rol. In figuur 11 isde representatieve windbelastingter plaatse van de rand als functievan de windrichting weergege-ven.Tevens zijn de gemeten wind-drukken als randvoorwaarden ineen Computational FluidDynamics rekenmodel ingevoerd,dat is gebruikt om een eventuelebrand in het busstation te simu-leren. Ten slotte is voor dit pro-ject het windklimaat onderzocht.D i s c u s s i eBij de interpretatie van de resulta-ten resteert nog een aantal vragen.Tijdens de ontwerplevensduurmoeten alle mogelijke belastings-situaties worden afgedekt.Natuurlijk is niet duidelijk hoebijvoorbeeld de nabije omgevingvan het gebouw er in de komendevijftig jaar zal blijven uitzien. Alser nu sprake is van gunstigeafscherming, is dat over vijftigjaar ook nog zo? En als er eenensemble van torens wordtgebouwd, worden deze gelijktijdiggebouwd? Mag windrichtingsaf-hankelijkheid worden meegeno-men in het onderzoek of moet erconform NEN 6702 met een uni-forme windroos worden gere-kend? De fysische werkelijkheid isnatuurlijk windrichtingsafhanke-lijk.Probleem is dus eigenlijk dat er inNederland nog niet echt eisen zijnvastgelegd voor de wijze waarophet windtunnelonderzoek moetworden uitgevoerd en ge?nterpre-teerd. Hieraan wordt in CUR-ver-band gewerkt in de commissie`Windtunnelonderzoek aan dewindbelasting op gebouwen' [6]. L i t e r a t u u r1. NEN 6702:1991, TGB 1990 ?Belastingen en vervormingen.NEN, Delft.2. NEN 6700:1991, TGB 1990 ?Algemene basiseisen. NEN,Delft.3. Cook, N.J., The designer'sguide to wind loading of buil-ding structures, Part 2.Butterworths, London, 1989.4. Wieringa J. en P.J. Rijkoort,Windklimaat van Nederland.Staatsuitgeverij, Den Haag,1983.5. Vos, Joost, Compact Comfort.Cement 2004, nr. 2.6. Woudenberg, I.A.R. enJ.N.J.A. Vambersky,Windbelasting, hoogbouw enregelgeving. Cement 2003, nr.6.cement 2004 3 77K w a n t i t a t i e v e v e r g e l i j k i n gOm een kwantitatieve vergelijking van de meetmethode met een bepalingvolgens NEN 6702 mogelijk te maken, is op verzoek van BouwtoezichtAmsterdam een proefmeting uitgevoerd aan een vrijstaande, rechthoekigeen niet al te slanke toren (l x b x h = 30 x 30 x 100 m3, fig. 12). Opzet,uitvoering en gegevensverwerking van de meting zijn reeds zo veel mogelijkuitgevoerd overeenkomstig de concept-Aanbeveling van de CUR-commissie.De verhouding tussen de in de windtunnel bepaalde en de volgens de normberekende momenten bedraagt in dit specifieke geval 1,07. Verwacht magworden dat deze verhouding bij slankere rechthoekige en vrijstaande gebou-wen nog wat hoger zal zijn.-2000-1500-1000-50005001000360 345 330 315 300 285 270 255 240 225 210 195 180 165 150 135 120 105 90 75 60 45 30 15windrichting (graden)winddruk(Pa)maxima minima10 | `IJSEI' AmsterdamOnderzoek in samen-werking met HollandRailconsultvisualisatie: HR Visuals11 | Lokale windbelastingrand kap12 | Proefmodel op schaal1:400 van een rechthoe-kige vrijstaande toren