Wie Multiphysik für Sicherheit im Fußballstadion sorgt

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wortmarke-isg-rgb-03 (ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH)

Details der Simulation

Das Stadion wurde in zwei unabhängigen Strukturen konzipiert. Das Dach wird von Stützen getragen und ist unabhängig vom Stadion, das aus Sitzen, Treppen und Rampen besteht. Das Dach hat einen Durchmesser von 309 m und ist das größte Runddach der Welt. Der CFD-Designraum hat eine Ausdehnung von 6 km in horizontaler und vertikaler Richtung, etwa 20 Mal größer als das Stadion. Das Modell verwendet Hexaeder, Tetraeder und pyramidenförmige Elemente.

Das fertige Modell umfasst 20 Millionen Rechenzellen und 120 Millionen Freiheitsgrade. Das Simulationsteam entfernte in mehreren Durchgängen Details der Geometrie, die keinen Einfluss auf die Strömung haben, wodurch die Simulation ohne Einbußen bei der Genauigkeit beschleunigt wurde. Die Windgeschwindigkeiten sind der brasilianischen Bauordnung entnommen worden, die eine Geschwindigkeit von 35 Metern pro Sekunde vorsieht. Das Team definierte den Wind aus zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen als Randbedingung des Lösungsbereichs und verwendete ein Zweigleichungs-Turbulenzmodell.

Simulation in 4 Stunden dank HPC

Die Simulation mit der CFD-Lösung von Ansys dauerte etwa vier Stunden auf einem Hochleistungs-Rechencluster mit 12 Knoten, 24 Prozessoren und 96 Gigabyte RAM. Das Resultat der Analyse lieferte die (positiven und negativen) Drucklasten, die der Wind auf die verschiedenen Elemente der Struktur ausübt. Der Ingenieur wandelte das Design für die Strukturanalyse in ein Finite-Elemente-Modell mit 100.000 Stab- und Flächenelementen um. Die vom CFD-Modell berechneten Drücke wurden mit Hilfe der Ansys Workbench-Umgebung in Ansys Mechanical übertragen. Die durch die Zuschauer auf den Tribünen verursachten Gewichtsbelastungen wurden ebenfalls in das Modell übernommen.

Der Ingenieur führte zunächst eine lineare statische Analyse mit allen ausgeübten Belastungen durch. Eine dynamische Analyse berechnete die Eigenschwingungsformen und Schwingungsfrequenzen der Konstruktion. Die Modalanalyse wurde an der vorgespannten Konstruktion durchgeführt. Der niedrigste Frequenzmode war eine Drehschwingung bei unter 0,5 Hz. Diese Schwingungsart stellte ein Problem dar, da die ursprüngliche Konstruktion keine große Steifigkeit gegen Verdrehen besaß. Die niedrigste Biegeschwingung lag bei 0,8 Hz, was akzeptabel war. Der Ingenieur bestimmte den Verstärkungsfaktor der Konstruktion durch manuelle Berechnungen.

Modell ermöglicht Beurteilung von Designänderungen

Das CFD-Modell ermöglichte die Beurteilung verschiedener Designänderungen, mit denen das Problem der Drehschwingung gelöst werden sollte. Die Simulation zeigte, dass durch zusätzliche Seile und durch Erhöhen der Zugkraft in einigen der vorhandenen Seile die Drehsteifigkeit der Konstruktion verringert und die Frequenz der Drehschwingung auf über 0,8 Hz erhöht werden konnte. Diese Änderungen wurden beim Bau berücksichtigt und die Konstruktion 2013 fertiggestellt. Das Stadion kam erstmals beim Eröffnungsspiel des Confederations Cup zum Einsatz, das Brasilien gegen Japan gewann. Das Estádio Nacional Mané Garrincha wird 2016 auch Veranstaltungsort für einige Fußballspiele der Olympischen Sommerspiele sein, die in Rio de Janeiro stattfinden. (mz)

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