Simulation auch im Fußball

Bei der Renovierung des Fußballstadions von Brasilia 2013 war die Winddruckfestigkeit des Stadiondaches zu prüfen. Der Test wurde mit Ansys CFD statt im Windkanal durchgeführt, was erheblich Zeit und Kosten sparte.

21. Dezember 2015

Das Estádio Nacional Mané Garrincha, ein Fußballstadion mit 70.000 Sitzplätzen in Brasilia, wurde 2013 grundlegend renoviert. Bei der Fußball-Weltmeisterschaft 2014 in Brasilien war es Austragungsort von sieben Spielen, darunter einem Viertelfinale. Die Prüfung einer Stadionkonstruktion dieser Größe für Windlasten erfordert normalerweise Windkanaltests, wobei die auftretenden Belastungen am Modell gemessen werden. Dieses Verfahren ist zeit- und kostenintensiv und birgt das Risiko von Skalierungsfehlern. Denn ein Modell, das in einen Windkanal passt, verhält sich nicht ganz genauso wie das Gebäude in voller Größe.

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 verifiziert wurde. Inzwischen ist die Entwicklung der CFD-Simulation eines Stadions jedoch an einem Punkt angekommen, an dem die Prüfung im Windkanal nicht mehr obligatorisch ist, was Zeit und Kosten spart. In Falle des Stadions in Brasilia musste die Prüfung in nur 15 Tagen erfolgen, also in wesentlich kürzerer Zeit, als der Bau eines maßstabsgerechten Modells und die Durchführung der Windkanaltests gedauert hätte.

Mit Hilfe von CFD-Software wurden die Luftströmung um das Stadion herum und der Druck auf das Stadiondach vorherbestimmt. 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 ist wahrscheinlich das erste Mal, dass CFD-Analyse bei der Konstruktion eines großen Stadions in Brasilien als Ersatz für Windkanaltests verwendet wurde. Die Analyse dauerte nur zwei Wochen. Die Simulation kostete lediglich ein Drittel der Windkanaltests und benötigte nur ein Zehntel der Zeit.

Die Simulation mit der CFD-Software von Ansys dauerte etwa vier Stunden auf einem 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 Hertz, was akzeptabel war. Der Ingenieur bestimmte den Verstärkungsfaktor der Konstruktion durch manuelle Berechnungen.

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 wurde erstmals genutzt beim Eröffnungsspiel des Confederations Cup, das Brasilien gegen Japan gewann. Das Estádio Nacional Mané Garrincha soll 2016 auch Veranstaltungsort für einige Fußballspiele der Olympischen Sommerspiele sein, die in Rio de Janeiro stattfinden.