07. 200806 Windstudie IJdoornschoollocatie.pdf

IJdoornschool locatie te Amsterdam

Auteur(s): ir. Samy Iousef

AFR - 7959

Windstudie in het kader van de ruimtelijke onderbouwing

Controlleur s): ir. Tom Fahner

Versie 1.0

Datum: 06/08/2020

©2020 Actiflow BV

Inhoudsopgave

1

Introductie

2

Normstelling

3

Opzet van de berekening 3.1 Software 3.2 Geometrie en rekenrooster 3.3 Aannames en randvoorwaarden

4

Resultaten 4.1 Windhinder en heersende stromingsfenomenen 4.2 Windgevaar

5

Conclusie

A

Inlegvel NEN 8100:2006

B

Overschrijdingskans 5 m/s drempelsnelheid voor individuele windrichtingen

IJdoornschool locatie te Amsterdam - Windstudie in het kader van de ruimtelijke onderbouwing

i

1 Introductie Voorliggende rapportage omschrijft een windstudie, uitgevoerd door Actiflow in opdracht van Gemeente Amsterdam. Het onderwerp van het rapport is het nieuwbouwproject op de IJdoornschool locatie te Amsterdam.

Figuur 1.1 Impressie van de positie van het nieuwbouwproject (bron: Google Maps)

De IJdoornschool locatie betreft een bestaande school gelegen aan de Werengouw en Volendammerweg te Amsterdam (zie figuur 1.1). De bestaande school betreft laagbouw tot twee bouwlagen, welke vervangen zal worden door nieuwbouw. De nieuwbouw is getrapt in hoogte en kan een maximale hoogte van 27 m verkrijgen. Actiflow is gevraagd om voor de ontwikkeling van de nieuwbouw het windklimaat inzichtelijk te maken met behulp van berekeningen op basis van Computational Fluid Dynamics (CFD). Bij deze studie is gebruik gemaakt van de normstelling omtrent windhinder en windgevaar, de Nederlandse norm NEN 8100:2006 ’windhinder en windgevaar in de gebouwomgeving’. Onderhavige rapportage beschrijft deze studie en de resultaten hiervan. Hoofdstuk 2 gaat in op de gebruikte normstelling waaraan getoetst is. De gebruikte geometrie van het gebouw, de omgeving, het rekendomein en de bijbehorende randvoorwaarden zijn weergegeven in hoofdstuk 3. De resultaten van de berekeningen worden besproken in hoofdstuk 4, waarna de conclusies volgen in hoofdstuk 5.

IJdoornschool locatie te Amsterdam - Windstudie in het kader van de ruimtelijke onderbouwing

N

1

2 Normstelling In onderhavige windstudie wordt het windklimaat ter plaatse van de openbare buitenruimte in kaart gebracht. De toetsing hiervan vindt plaats aan de hand van de normstelling uit NEN 8100:2006. In de norm wordt onderscheid gemaakt tussen windhinder en windgevaar. De definitie van windhinder is het ondervinden van hinder door wind. Dit zal bij een gemiddeld persoon gebeuren wanneer de lokale uurgemiddelde windsnelheid meer dan 5 m/s bedraagt.

p≤0.05 acceptabel is. Een gevaarlijk windklimaat (overschrijdingskans > 0.30%) moet te allen tijde worden vermeden. Toetsing vindt plaats op een hoogte van 1,75 m boven het grondoppervlak. Tabel 2.1: Eisen voor de beoordeling van het lokale windklimaat voor windhinder

Windgevaar is het optreden van een dergelijk hoge windsnelheid waarbij in ernstige mate problemen optreden bij het lopen, zoals evenwichtsverlies, waardoor het onmogelijk wordt zich staande te houden of zich lopend voort te bewegen. Windgevaar vindt vooral tijdens vlagen plaats. Dit fenomeen wordt vanwege de benodigde rekenkracht en conform de norm niet gemodelleerd in een tijdsafhankelijke berekening, maar in een aanvulling op de statistische windhinderanalyse. Hier wordt aangenomen dat windgevaar optreedt als de uurgemiddelde lokale windsnelheid meer dan 15 m/s bedraagt. NEN 8100:2006 geeft een indeling voor windhinder naar kwaliteitsklassen. Deze indeling is terug te vinden in tabel 2.1. Aan de hand van de kans op overschrijding van de grenswaarde voor windhinder wordt bepaald in welke klasse een locatie valt. Afhankelijk van het gebruiksdoel van de locatie wordt een bepaalde klasse gekarakteriseerd als goed, matig of slecht.

Tabel 2.2: Eisen voor de beoordeling van het lokale windklimaat voor windgevaar

Tabel 2.2 toont de indeling en kwalificatie voor de kans op windgevaar op vergelijkbare wijze als voor windhinder wordt gedaan. Hierbij dient te worden opgemerkt dat voor activiteitsklassen ‘Slenteren’ en ‘Langdurig zitten’ zelfs een beperkt risico al onacceptabel is. Voor deze activiteitsklassen geldt dat enkel

IJdoornschool locatie te Amsterdam - Windstudie in het kader van de ruimtelijke onderbouwing

2

3 Opzet van de berekening Figuur 3.1: Impressie van het model

Voor een overzicht van de instellingen bij de berekening wordt verwezen naar het inlegvel uit de NEN 8100:2006, welke is toegevoegd in bijlage A.

3.1 Software

De berekening is uitgevoerd met behulp van OpenFOAM v1812, een softwarepakket dat bedoeld is voor het oplossen van problemen in de continuüm mechanica en thermodynamica. Voor dit project is “simpleFoam” gebruikt. Deze solver is gebaseerd op de incompressibile Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) vergelijkingen en houdt rekening met turbulentie. Turbulentie is gemodelleerd gebruik makend van het k-ω SST model.

(a) De bestaande situatie

3.2 Geometrie en rekenrooster

De geometrie van het model is gebaseerd op de verkregen tekeningen en modellen van de opdrachtgever. Het 3D-model is weergegeven figuren 3.1 en 3.2. Het model omvat alle gebouwen binnen een straal van minimaal 300 meter. De omliggende bebouwing is als eenvoudige massa’s weergegeven. Rond dit gebied is een cilindervormig domein geplaatst met een doorsnede van 3000 m en een hoogte van 500 m. Het plangebied is centraal in dit domein geplaatst, zodat hier verschillende windrichtingen op kunnen worden toegepast zonder dat het voor- of achtergebied te klein wordt. De ruwheid van het voorland is afgestemd op de werkelijke situatie.

(b) De toekomstige situatie

IJdoornschool locatie te Amsterdam - Windstudie in het kader van de ruimtelijke onderbouwing

3

Het luchtvolume in de hierboven omschreven geometrie is vervolgens opgedeeld in een groot aantal kleine volumecellen (figuur 3.3). Deze cellen tezamen vormen het rekenrooster voor onderhavige situatie. Dit rooster bestaat uit 22 021 895 cellen voor de bestaande situatie en 23 246 387 cellen voor de toekomstige situatie. Over het grondoppervlak en de bebouwing zijn vijf lagen prisma’s geplaatst. Deze prismalaag zorgt voor een betere berekening van de snelheidsgradiënt in de atmosferische grenslaag.

Figuur 3.2: Gedetailleerde weergave van het model

(a) De bestaande situatie

(b) De toekomstige situatie

IJdoornschool locatie te Amsterdam - Windstudie in het kader van de ruimtelijke onderbouwing

4

Figuur 3.3: Impressie rekengrid

3000 m 500 m

(a) Doorsnede van het rekengrid - De toekomstige situatie

3.3 Aannames en randvoorwaarden Om inzicht te krijgen in het windklimaat is de gehele windroos doorgerekend, te weten 12 windrichtingen. Er is aangenomen dat de atmosferische grenslaag een snelheidsprofiel heeft volgens vergelijking 3.1 en 3.2. Hierin is Un de horizontale windsnelheid, z de hoogte vanaf het maaiveld (zground), en z 0 een ruwheidslengte. De ruwheidslengte is een maat voor de ruwheid van het terrein. Verder geldt dat κ = 0,41. Ook de turbulente grootheden k en ω verlopen volgens een voorgeschreven profiel, zoals aangegeven in vergelijking 3.3 en vergelijking 3.4. Hierin heeft Cμ de waarde 0,09. Deze empirische constante komt voort uit het gebruikte turbulente model (k-ω SST).

(b) Doorsnede over het rekengrid (close-up) - De toekomstige situatie

IJdoornschool locatie te Amsterdam - Windstudie in het kader van de ruimtelijke onderbouwing

5

Voor de berekeningen is een windsnelheid van 5 m/s op een hoogte van 60 m opgegeven. Hierbij is een atmosferisch grenslaagprofiel toegepast. Voor de 12 windrichtingen die in beschouwing zijn genomen wordt een resulterend snelheidsveld bepaald. Hiermee is voor elke locatie per windrichting de versterkingsfactor ten opzichte van de opgelegde windsnelheid vastgelegd. Vervolgens wordt de windstatistiek gecombineerd met de berekende versterkingsfactor, zodat voor elke windsnelheid op een locatie een overschrijdingskans kan worden bepaald van verschillende windsnelheden. Deze overschrijdingskans wordt vervolgens getoetst aan de gewenste kwaliteitsklasse om te bepalen of er een comfortabel windklimaat kan zijn. Een visualisatie van de lokale windstatistiek als windroos en als frequentieverdeling van de windsnelheid op 60 m hoogte is weergegeven in figuur 3.4.

Figuur 3.4: Visualisatie van de windstatistiek conform NPR 6097:2006 welke is gebruikt bij de bepaling van windhinder en windgevaar

Windroos: relatieve wind verdeling 330° (NNW)

0° (N)

30° (NNO)

20 18

20% 300° (WNW)

15% 5%

16 14 12

270° (W)

90° (O)

10 8

240° (WZW)

120° (OZO) 210° (ZZW)

IJdoornschool locatie te Amsterdam - Windstudie in het kader van de ruimtelijke onderbouwing

180° (Z)

150° (ZZO)

6

wind snelheid [m/s]

10%

60° (ONO)

4 2 0

6

4 Resultaten In deze sectie worden de resultaten voor windhinder en windgevaar ter plaatse van de openbare buitenruimte weergegeven conform NEN 8100:2006. De resultaten van de openbare buitenruimte worden weergegeven op horizontale doorsneden op 1,75 m boven maaiveld. Figuren 4.1 tot en met 4.5 tonen de resultaten van de openbare buitenruimte.

a)

X

a)

b)

(a) De bestaande situatie en (b) toekomstige situatie

1 2

• Op locaties met voor voetgangers louter een verkeersfunctie en geen verblijfsfunctie dient windhinder bij voorkeur klasse A, B of C te zijn. Klasse D biedt een matig niveau. Klasse E biedt een slecht niveau en dient vermeden te worden. • Op locaties die gezien kunnen worden als verblijfsgebied voor voetgangers dient windhinder bij voorkeur klasse A of B te zijn. Klasse C biedt een matig niveau en klassen D en E bieden een slecht niveau. Deze twee hoogste klassen dienen op deze locaties vermeden te worden. Figuur 4.1: Windhinder op voetgangersniveau - overzicht

Figuur 4.2: Windhinder op voetgangersniveau - close-up

b)

(a) De bestaande situatie en (b) toekomstige situatie

X 1a 2a

N

IJdoornschool locatie te Amsterdam - Windstudie in het kader van de ruimtelijke onderbouwing

N

7

• Ter plaatse van gebouwentrees dient bij voorkeur klasse A behaald te worden. Klasse B biedt een matig niveau. Klassen C, D en E bieden een slecht niveau en dienen vermeden te worden op deze locaties. • Windgevaar dient bij voorkeur voorkomen te worden. Een beperkt risico kan lokaal geaccepteerd worden.

a)

Figuur 4.3: Stroomlijen nabij locatie 1/1a conform figuur 4.2 voor:

b)

(a en b) De bestaande situatie (c en d) De toekomstige situatie

4.1 Windhinder en heersende stromingsfenomenen

De resultaten in figuren 4.1 en 4.2 laten zien dat windhinderklassen A en B op kunnen treden in de nabijheid van de bouwproject, voor zowel de bestaande als de toekomstige situatie. In de binnentuin voor de toekomstige situatie, is het windklimaat luw met meestal windhinderklasse A zones. De impact van de nieuwbouw op het windklimaat op de omliggende gebouwen is met name positief. Dit is met name het geval voor de hoogbouw ten noordoosten van de nieuwbouw (aangegeven met ‘X’ in figuur 4.2), waar zones met windhinderklasse C en D (genummerd met ‘1’ en ‘2’ in figuur 4.2a) klasse B en C worden (genummerd met ‘1a’ en ‘2a’ in figuur 4.2b). De niuewbouw in de toekomstige situatie blokkeert de aankomende windstroming voor gebouw X waardoor er een wijziging in de lokale drukverdeling ontstaat. Hierdoor wordt een verandering van de windstroming bewerkstelligd zoals kan worden gezien in figuur 4.3.

Wind uit WZW richting

c)

d)

laag

IJdoornschool locatie te Amsterdam - Windstudie in het kader van de ruimtelijke onderbouwing

hoog

8

4.2 Windgevaar - openbare buitenruimten

In figuren 4.4 en 4.5 wordt de windgevaar analyse gepresenteerd. In alle situaties wordt er in het beschouwde gebied geen (beperkt) risico op windgevaar waargenomen.

a)

Figuur 4.5: Windhinder op voetgangersniveau - close-up (a) De bestaande situatie en (b) toekomstige situatie

a)

b)

Figuur 4.4: Windgevaar op voetgangersniveau - overzicht

b)

(a) De bestaande situatie en (b) toekomstige situatie

N

IJdoornschool locatie te Amsterdam - Windstudie in het kader van de ruimtelijke onderbouwing

N

9

5 Conclusie Dit rapport presenteert een onderzoek naar het windklimaat rondom de nieuwbouw ‘IJdoornschool locatie te Amsterdam’. Het onderzoek is uitgevoerd door Actiflow. Voor de analyse is de Nederlandse norm “NEN 8100:2006: Windhinder en windgevaar in de gebouwde omgeving” gebruikt. Hierbij is een geometrisch model van het gebouw en zijn omgeving opgesteld. Een rekengrid met hoge resolutie is rond deze geometrie opgetrokken als basis voor Computational Fluid Dynamics (CFD)-simulaties van de windstroming. In totaal zijn 24 simulaties uitgevoerd voor 12 corresponderende windrichtingen en 2 situaties. De resultaten hebben laten zien dat het windklimaat nabij de nieuwbouw als ‘luw’ is te omschrijven met overwegend windhinderklassen A en B. Dit biedt een goed windklimaat in de binnentuin. Ook wordt opgemerkt, dat het gebouw als een scherm werkt voor de gebouwen ten noordoosten van de nieuwbouw gelegen zodat het windklimaat aldaar wordt verbeterd. Hierbij is er nergens (beperkt risico op) windgevaar aanwezig.

IJdoornschool locatie te Amsterdam - Windstudie in het kader van de ruimtelijke onderbouwing

10

Programmatuur

A Inlegvel NEN 8100:2006

Algemeen

Rekenrooster NEN 8100:2005

Turbulentiemodellering

Technisch inlegvel numerieke simulatie

Convectieve differentieschema's

Project Projectnaam Opdrachtgever Projectleider Datum Model Omvang gemodelleerd gebied Kerngebied Omgeving Afmetingen model Blokkeringsgraad Gemodelleerd groen Onderzochte windrichtingen (minimaal 12 over de windroos) Onderzochte configuraties Computeropstelling Programmatuur

Algemeen

Rekenrooster Turbulentiemodellering Convectieve differentieschema's Randvoorwaarden Instroomprofiel Uitlaat Boven-/Zijwanden Vloer/bodem Overige Gegevensverwerking en beoordeling

Projectgegevens IJdoornschool locatie te Amsterdam Gemeente Amsterdam ir. Samy Iousef 06-08-20 Algemene gegevens van het model Bebouwing binnen 300 m rond kerngebied Nieuwe gebouwen Omgeving in massa's, gedetailleerd nabij het kerngebied Rond met straal 1500 m en hoogte 500 m maximaal 3% geen

Randvoorwaarden Instroomprofiel Uitlaat Boven-/Zijwanden Vloer/bodem Overige Gegevensverwerking en beoordeling Amersfoortse coördinaten van de locatie

12

Opmerkingen en eventuele conclusies van proefoverschrijdend belang

Windhinder en windgevaar Specifieke gegevens van gebruikte programmatuur FVM (eindige volume methode) FEM (eindige elementen methode) anders Programmatuur: OpenFOAM Versie: v1812 drie-dimensionaal tijd-onafhankelijk isothermisch passieve scalars twee-dimensionaal tijd-afhankelijk thermisch actieve scalars Overige: Hybride ongestructureerd: tetraëders met prismalaag Bestaand:22 021 895; Toekomstig: 23 246 387 cellen k-omega-SST Snelheidscomponenten: linearUpwindV cellLimited leastSquares 1 Turbulente grootheden: limitedLinear 1 Scalaire variabelen: n.v.t. Gebruikte randvoorwaarden Logaritmische atmosferische grenslaag Druk-uitlaat Slip-wanden No-slip, lokale ruwheid No-slip, lokale ruwheid

Gepresenteerde resultaten

FVM (eindige volume methode) FEM (eindige elementen methode) anders Programmatuur: OpenFOAM Versie: v1812 drie-dimensionaal tijd-onafhankelijk isothermisch passieve scalars twee-dimensionaal tijd-afhankelijk thermisch actieve scalars Overige: Hybride ongestructureerd: tetraëders met prismalaag Bestaand:22 021 895; Toekomstig: 23 246 387 cellen k-omega-SST Snelheidscomponenten: linearUpwindV cellLimited leastSquares 1 Turbulente grootheden: limitedLinear 1 Scalaire variabelen: n.v.t. Gebruikte randvoorwaarden Logaritmische atmosferische grenslaag Druk-uitlaat Slip-wanden No-slip, lokale ruwheid No-slip, lokale ruwheid informatie voor locatie en berekening windklimaat X: 125466

Windhindercontouren, klassenindeling en windgevaarcontouren

IJdoornschool locatie te Amsterdam - Windstudie in het kader van de ruimtelijke onderbouwing

informatie voor locatie en berekening windklimaat

Y: 489287

11

B Overschrijdingskans 5 m/s drempelsnelheid voor individuele windrichtingen Bestaande bebouwing Wind

Geplande nieuwbouw Wind

↑

↑

IJdoornschool locatie te Amsterdam - Windstudie in het kader van de ruimtelijke onderbouwing

N

12

B Overschrijdingskans 5 m/s drempelsnelheid voor individuele windrichtingen Bestaande bebouwing Wind

Geplande nieuwbouw Wind

↑

↑ IJdoornschool locatie te Amsterdam - Windstudie in het kader van de ruimtelijke onderbouwing

N

13

B Overschrijdingskans 5 m/s drempelsnelheid voor individuele windrichtingen ↑

Geplande nieuwbouw Wind

↑

Bestaande bebouwing Wind

IJdoornschool locatie te Amsterdam - Windstudie in het kader van de ruimtelijke onderbouwing

N

14

B Overschrijdingskans 5 m/s drempelsnelheid voor individuele windrichtingen ↑

Geplande nieuwbouw Wind

↑

Bestaande bebouwing Wind

IJdoornschool locatie te Amsterdam - Windstudie in het kader van de ruimtelijke onderbouwing

N

15

B Overschrijdingskans 5 m/s drempelsnelheid voor individuele windrichtingen

↑

Geplande nieuwbouw Wind

↑

Bestaande bebouwing Wind

IJdoornschool locatie te Amsterdam - Windstudie in het kader van de ruimtelijke onderbouwing

N

16

B Overschrijdingskans 5 m/s drempelsnelheid voor individuele windrichtingen Bestaande bebouwing Wind

Geplande nieuwbouw Wind

↑

↑

IJdoornschool locatie te Amsterdam - Windstudie in het kader van de ruimtelijke onderbouwing

N

17

B Overschrijdingskans 5 m/s drempelsnelheid voor individuele windrichtingen Bestaande bebouwing Wind

Geplande nieuwbouw Wind

↑

↑

IJdoornschool locatie te Amsterdam - Windstudie in het kader van de ruimtelijke onderbouwing

N

18

B Overschrijdingskans 5 m/s drempelsnelheid voor individuele windrichtingen Bestaande bebouwing Wind

Geplande nieuwbouw Wind

↑

↑

IJdoornschool locatie te Amsterdam - Windstudie in het kader van de ruimtelijke onderbouwing

N

19

B Overschrijdingskans 5 m/s drempelsnelheid voor individuele windrichtingen Bestaande bebouwing Wind

Geplande nieuwbouw Wind

↑

↑ IJdoornschool locatie te Amsterdam - Windstudie in het kader van de ruimtelijke onderbouwing

N

20

B Overschrijdingskans 5 m/s drempelsnelheid voor individuele windrichtingen Bestaande bebouwing Wind

Geplande nieuwbouw Wind

↑

↑ IJdoornschool locatie te Amsterdam - Windstudie in het kader van de ruimtelijke onderbouwing

N

21

B Overschrijdingskans 5 m/s drempelsnelheid voor individuele windrichtingen ↑

Geplande nieuwbouw Wind

↑

Bestaande bebouwing Wind

IJdoornschool locatie te Amsterdam - Windstudie in het kader van de ruimtelijke onderbouwing

N

22

B Overschrijdingskans 5 m/s drempelsnelheid voor individuele windrichtingen Bestaande bebouwing Wind

Geplande nieuwbouw Wind

↑

↑

IJdoornschool locatie te Amsterdam - Windstudie in het kader van de ruimtelijke onderbouwing

N

23

Actiflow BV Tramsingel 1 4814 AB Breda +31 (0)76 5422 220 contact@actiflow.com www.actiflow.nl