Simulation Wie Multiphysik für Sicherheit im Fußballstadion sorgt

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Das Estádio Nacional Mané Garrincha, ein Fußballstadion mit 70.000 Sitzplätzen in Brasilia, wurde 2013 grundlegend renoviert. Bei der Fußball-WM 2014 war es Austragungsort mehrerer Spiele. Die Validierung einer Stadionkonstruktion dieser Größe für Windlasten erfordert normalerweise Windkanaltests; in diesem Fall wurde jedoch CFD-Simulation eingesetzt, die lediglich ein Drittel der Windkanaltests kostete und nur ein Zehntel der Zeit benötigte.

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Auf Sieg programmierte Analyse eines Fußball-Weltmeisterschaftsstadions.
Auf Sieg programmierte Analyse eines Fußball-Weltmeisterschaftsstadions.
(Bild: Ansys)

Windkanaltests an Gebäuden dieser Größe sind zeit- und kostenintensiv und bergen das Risiko von Skalierungsfehlern: Ein maßstabsgerechtes Modell zeigt nicht exakt das gleiche Verhalten wie ein extrem großes Gebäude. Mit Unterstützung von CFD-Simulationsspezialisten nutzte der technische Berater für das Projekt die Multiphysics-Simulationsfunktionen von Ansys, um die Sicherheit des Stadions nachzuweisen.

CFD-Tools sagen Strömung und Druck vorher

Verwendet wurden CFD-Tools, um die Luftströmung um das Stadion herum und den Druck auf das Stadiondach vorherzubestimmen. Anschließend führte der Ingenieur eine Strukturuntersuchung durch, um die kombinierten Effekte von Wind, Stadion-Infrastruktur und Zuschauern zu ermitteln. Die Analytiker empfahlen mehrere Änderungen, unter anderem eine Erhöhung der Anzahl der Seile und der Seilspannung. Dies war wohl das erste Mal, dass die CFD-Analyse bei der Konstruktion eines großen Stadions in Brasilien als Ersatz für Windkanaltests eingesetzt wurde. Die Analyse dauerte nur zwei Wochen, war deutlich günstiger und schneller als Windkanaltests.

Validierung in 15 Tagen

Üblicherweise erfolgt die Sicherheitsüberprüfung, indem ein maßstabsgetreues Modell gebaut und dieses im Windkanal getestet wird, wobei die Belastungen am Modell gemessen werden. In letzter Zeit wurden vermehrt Projekte durchgeführt, bei denen die Belastungen der Struktur mit Hilfe von CFD vorhergesagt und anschließend die CFD-Simulation im Windkanal validiert wurde. Inzwischen ist die Entwicklung der CFD-Simulation eines Stadions jedoch an einem Punkt angekommen, an dem die Validierung im Windkanal nicht mehr obligatorisch ist, was Zeit und Kosten enorm spart. In Falle des Stadions in Brasilia musste die Validierung in nur 15 Tagen erfolgen, d.h. in wesentlich kürzerer Zeit, als der Bau eines maßstabsgerechten Modells und die Durchführung der Windkanaltests gedauert hätte.

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