Studio CFD delle azioni del vento sulla Torre Cascades a Caen : velocità, pressioni di facciata e comfort delle terrazze in quota.
L'essenziale. Nell'ambito della costruzione della Torre Cascades a Caen, EOLIOS ha condotto uno studio CFD multidirezionale (otto orientamenti) delle azioni del vento su questo grattacielo in un ambiente urbano denso. Velocità di vento estreme calcolate su un periodo di ritorno di 50 anni secondo l'Eurocodice NF EN 1991-1-4, pressioni di facciata su tutte le pareti (facciate, vetrate, mosaici, pali) e comfort al vento delle terrazze interpretato con la scala di Beaufort. I risultati mettono in sicurezza il dimensionamento degli elementi esposti e guidano i dispositivi di comfort in quota.
Un grattacielo modifica profondamente il flusso del vento: crea sovravelocità al suolo, incanala l'aria tra gli edifici vicini e subisce pressioni di facciata che crescono fortemente con l'altezza. Anticipare questi fenomeni fin dalla progettazione condiziona sia la resistenza delle facciate sia il comfort degli spazi esterni — due questioni che le sole formule regolamentari, volutamente cautelative, faticano a localizzare con precisione.
EOLIOS è leader nella simulazione CFD esterna dei problemi legati al vento. I nostri studi si basano sul riscontro di campagne di misura in condizioni reali e su un centinaio di siti simulati in tutto il mondo.
La Torre Cascades è un grattacielo situato a Caen (Calvados). Nell'ambito della sua costruzione, è apparso essenziale analizzare con precisione l'influenza del vento sull'opera e sul suo ambiente immediato. I risultati di questo studio costituiscono una tappa chiave per garantire la prestazione, la sicurezza e la durabilità dell'opera rispetto alle azioni del vento.
Un grattacielo (in Francia « IGH », immeuble de grande hauteur) è un edificio il cui pavimento più basso dell'ultimo livello supera un'altezza regolamentare (28 m per la residenza, 50 m per gli altri usi). La sua altezza lo espone a velocità di vento superiori e a marcati effetti di sito, il che rende l'analisi delle azioni del vento determinante fin dalla progettazione.
Gli obiettivi principali della missione erano:
Individuare le condizioni di vento più sfavorevoli a cui il sito può essere soggetto.
Caratterizzare gli effetti di sito generati dalla forma dell'edificio e dalle costruzioni vicine.
Mappare le velocità dell'aria attorno alla torre per otto direzioni principali.
Determinare le pressioni esercitate su tutte le pareti della torre (facciate, vetrate, mosaici, pali).
Individuare le zone a rischio e le pressioni massime raggiunte.
Valutare il comfort al vento sulle terrazze in condizioni di vento medio.
La fluidodinamica computazionale (CFD) risolve numericamente le equazioni alle derivate parziali che governano i flussi di fluido. Applicata agli edifici, fornisce informazioni accurate sulle velocità dell'aria, sulle pressioni e sui fenomeni aerodinamici che si producono attorno e all'interno delle strutture, anche complesse, e tenendo conto dell'ambiente.
Un modello 3D specificamente adattato alla risoluzione numerica è stato costruito a partire dalle planimetrie fornite dal cliente e da immagini satellitari. La geometria integra la Torre Cascades e l'insieme degli edifici circostanti suscettibili di generare maschere aerauliche significative. I dettagli geometrici a basso impatto aerodinamico sono volutamente semplificati per concentrare la potenza di calcolo sulle zone di interesse.
Scopri di più: che cos'è la simulazione CFD?Il vento osservato al livello del suolo è fortemente influenzato dalla struttura verticale dello strato limite atmosferico, che si suddivide in tre sotto-strati distinti: il sotto-strato rugoso (alcuni metri), lo strato limite superficiale (da 10 a 100 m), sede di forti gradienti di velocità, e lo strato esterno o sotto-strato inerziale (fino a ~1 km), poco perturbato dalla topografia. La velocità del vento aumenta con l'altezza secondo un profilo logaritmico — fenomeno detto gradiente verticale — che è al cuore di ogni modellazione CFD dei siti urbani.
È la fascia di atmosfera in cui l'attrito del suolo frena il vento. La sua altezza e la forma del suo profilo di velocità dipendono dalla rugosità del terreno (mare, campagna, città): più il suolo è ingombro, più il vento è rallentato in prossimità del suolo e sottoposto a gradiente in quota. È questa firma locale che la simulazione deve riprodurre in ingresso per dimensionare un grattacielo su basi realistiche.
La determinazione delle velocità di vento estreme su un periodo di ritorno di 50 anni è stata effettuata conformemente alla norma Eurocodice NF EN 1991-1-4, riferimento regolamentare per il calcolo delle azioni del vento sulle strutture. Questo approccio si basa sulle velocità di vento di riferimento definite a scala nazionale, corrette in funzione delle caratteristiche locali del sito: rugosità del terreno, topografia, altitudine e categoria di terreno circostante. I calcoli permettono di ottenere le velocità di vento di dimensionamento associate a un evento meteorologico raro ma statisticamente rappresentativo della vita utile dell'opera. Queste velocità estreme costituiscono i dati di ingresso delle simulazioni CFD e servono a dimensionare le facciate, gli elementi di copertura e le attrezzature esposte per garantire la stabilità e la sicurezza della torre rispetto alle sollecitazioni aerodinamiche più severe.
L'analisi multidirezionale ha rivelato diversi fenomeni aerodinamici significativi attorno alla torre:
Accelerazioni agli spigoli: gli spigoli verticali della torre generano sovravelocità localizzate e vortici turbolenti per tutti gli orientamenti del vento.
Effetto Venturi: a ovest, un corridoio formato dagli edifici a monte incanala il flusso, amplificando notevolmente le velocità e generando la pressione massima osservata sui mosaici di facciata.
Esposizione diretta: a est, l'assenza di edifici a monte espone direttamente la torre al vento incidente, portando alle pressioni più elevate sui pali.
Zone riparate: per alcuni orientamenti, la presenza di edifici circostanti genera zone di ricircolo che proteggono parzialmente la torre dalle sollecitazioni massime.
Quando il vento è incanalato in un corridoio stretto formato da edifici ravvicinati, la sua velocità aumenta per conservazione della portata: è l'effetto Venturi. Al piede della torre genera sovravelocità e pressioni localmente massime, da individuare con precisione per mettere in sicurezza gli elementi di facciata esposti.
La parte bassa della torre beneficia di un effetto di riparo legato alle costruzioni circostanti ; al contrario, i livelli alti — che si elevano sopra il tessuto urbano — sono direttamente esposti al vento incidente, generando i carichi massimi su facciate ed elementi di copertura.
Le simulazioni CFD hanno determinato i campi di pressione esercitati dal vento su tutte le superfici della torre per le diverse direzioni studiate. Per ogni elemento di facciata sono state calcolate le pressioni minime e massime per individuare le sollecitazioni estreme suscettibili di verificarsi in esercizio o durante episodi ventosi severi. Questo approccio permette di disporre di un inviluppo completo dei carichi aerodinamici applicati alla struttura e agli elementi riportati.
I risultati evidenziano la coesistenza di pressioni positive e negative in funzione dell'orientamento delle facciate e della dinamica locale del flusso:
Pressioni positive — zone di impatto diretto del vento: il flusso comprime le superfici e applica una forza diretta verso l'interno dell'edificio.
Pressioni negative — un fenomeno di aspirazione generato dalle separazioni del flusso e dalle zone di ricircolo: le forze sono allora dirette verso l'esterno della struttura.
Questa distinzione è particolarmente importante per il dimensionamento degli elementi di facciata e dei sistemi di fissaggio, poiché alcuni componenti sono più sensibili allo strappo che agli sforzi di compressione.
Così, un lavoro di zoom locale è stato condotto sulle zone considerate sensibili del progetto per ottenere una lettura fine delle sollecitazioni aerodinamiche. Analisi specifiche sono state condotte in particolare sui pali di illuminazione, i mosaici di facciata, le vetrate e i parapetti, per caratterizzare con precisione i livelli di pressione raggiunti e orientare il dimensionamento degli elementi esposti.
Il confronto tra i risultati CFD e i valori analitici della norma Eurocodice (NF EN 1991-1-4) in un caso semplificato (senza edifici circostanti, vento frontale) conferma una buona coerenza tra i due approcci. Le pressioni ottenute per simulazione numerica rientrano nell'intervallo di pressione calcolato secondo la norma, che resta più cautelativa — il che valida la rilevanza del dimensionamento regolamentare per la resistenza ai carichi di vento degli elementi di facciata.
Lo studio del comfort è condotto per il vento dominante alla velocità media annua — lo scenario più rappresentativo delle condizioni d'uso delle terrazze (estate, mezza stagione).
Sicurezza e comfort degli utenti. Al di là del dimensionamento strutturale, velocità in terrazza che superano la soglia di Beaufort 5 possono rendere gli spazi esterni scomodi, persino pericolosi (arredi spostati, oggetti non fissati). Lo studio localizza queste zone di accelerazione per orientare parapetti, frangivento e configurazione degli usi.
I campi di velocità per ogni livello di terrazza permettono di individuare:
Le zone di comfort ottimale, riparate dagli elementi architettonici.
Le zone di accelerazione locale da trattare in fase di progettazione (parapetti, frangivento).
Le terrazze esposte che richiedono raccomandazioni specifiche.
L'analisi delle velocità del vento sulle diverse terrazze è interpretata con la scala di Beaufort, riferimento internazionale che mette in relazione le velocità del flusso con gli effetti percepiti dagli utenti. Questa scala, composta da 0 a 12 livelli, permette di qualificare in modo qualitativo e quantitativo l'intensità del vento, da condizioni totalmente calme a situazioni di vento forte che possono limitare o addirittura vietare alcune attività all'aperto.
Nel contesto di un grattacielo, questa lettura è particolarmente pertinente perché traduce i risultati CFD in criteri di comfort direttamente utilizzabili dai team di progettazione e architettura. Le zone identificate come al di sotto delle soglie di disagio corrispondono generalmente a spazi favorevoli all'appropriazione da parte degli utenti, mentre i livelli superiori della scala (Beaufort 5 e oltre) indicano condizioni potenzialmente scomode che richiedono dispositivi di protezione o una riconfigurazione degli usi.
Oltre alla semplice identificazione delle zone di comfort, lo studio CFD permette di orientare principi di allestimento e di mitigazione volti a migliorare il comportamento aeraulico delle terrazze. L'analisi dei campi di velocità evidenzia le zone di accelerazione legate agli effetti di sbalzo in copertura, agli angoli della torre e alle discontinuità geometriche. Queste mappe di velocità richiamano l'approccio descritto nel nostro dossier sui criteri e la mappatura del comfort al vento.
Per migliorare il comfort degli utenti, diverse leve progettuali possono essere previste: installazione di parapetti pieni o semipermeabili, aggiunta di frangivento architettonici, creazione di volumi cuscinetto o ottimizzazione della disposizione degli arredi e dei percorsi. Questi dispositivi riducono localmente le velocità del vento e limitano i fenomeni di turbolenza, migliorando così notevolmente il comfort d'uso delle terrazze in condizioni di vento medio annuo. Questo approccio integrato tra simulazione numerica e raccomandazioni architettoniche permette di assicurare un equilibrio tra prestazione aeraulica, sicurezza degli utenti e qualità degli usi esterni in quota.
Lo studio CFD condotto sulla Torre Cascades ha permesso di evidenziare i principali comportamenti aerodinamici del sito, in particolare le accelerazioni locali, gli effetti di incanalamento, le zone di ricircolo e le forti esposizioni nella parte alta dell'opera. Questo approccio numerico fornisce un'analisi dettagliata, spazializzata e multidirezionale delle velocità e delle pressioni, molto più fine di un approccio puramente analitico.
A differenza dei metodi derivati dall'Eurocodice, volutamente cautelativi e semplificati, la CFD integra la geometria reale del progetto e il suo ambiente costruito, il che permette di rappresentare meglio gli effetti di sito e le concentrazioni locali di sollecitazioni. Costituisce così uno strumento complementare essenziale, che offre una comprensione più realistica e operativa delle azioni del vento sul grattacielo.
Gli studi CFD di questo tipo rientrano nelle pratiche attuali applicate ai grattacieli e agli ambienti urbani complessi, dove sono utilizzati per il dimensionamento delle facciate, l'ottimizzazione degli elementi esposti e l'analisi del comfort esterno. Sono particolarmente pertinenti quando gli approcci analitici raggiungono i loro limiti a causa della complessità geometrica e delle interazioni urbane, offrendo una rappresentazione tridimensionale più fedele dei flussi. In prospettiva, questi strumenti possono essere estesi ad altre questioni come il comfort termico esterno, la dispersione degli inquinanti o l'ottimizzazione energetica a scala urbana, confermando il loro ruolo crescente nella progettazione integrata dei progetti architettonici e urbani.
Expertise: la pressione del vento sugli edifici — Eurocodice 1 Expertise: simulazione numerica del comfort aeraulicoAzioni del vento sui grattacieli, Eurocodice e simulazione CFD in ambiente urbano denso.
Un grattacielo si eleva sopra il tessuto urbano circostante ed è direttamente esposto al vento incidente. La CFD riproduce la geometria reale della torre e del suo ambiente costruito e calcola velocità e pressioni per tutte le direzioni del vento — molto più finemente di un approccio analitico cautelativo. Evidenzia gli effetti di sito (accelerazioni agli spigoli, effetto Venturi, zone riparate) che condizionano il dimensionamento delle facciate e il comfort delle terrazze.
L'effetto Venturi è l'accelerazione del vento quando è incanalato in un corridoio formato da edifici ravvicinati. Sulla Torre Cascades, un corridoio a monte a ovest amplifica notevolmente le velocità e genera la pressione massima osservata sui mosaici di facciata. È un fenomeno tipico degli ambienti urbani densi, che la CFD localizza e quantifica.
L'Eurocodice NF EN 1991-1-4 è il riferimento regolamentare per il calcolo delle azioni del vento sulle strutture. Fornisce le velocità di vento di riferimento nazionali, corrette per le caratteristiche locali (rugosità, topografia, altitudine, categoria di terreno), per un periodo di ritorno di 50 anni. Queste velocità servono come dati di ingresso delle simulazioni CFD e per il dimensionamento delle facciate e delle attrezzature esposte.
I campi di velocità sono simulati per livello di terrazza per il vento dominante alla velocità media annua, poi i risultati sono interpretati con la scala di Beaufort, che mette in relazione le velocità con gli effetti percepiti. Al di sotto delle soglie di disagio, gli spazi sono favorevoli all'uso ; oltre Beaufort 5, le condizioni diventano scomode e richiedono dispositivi di protezione (parapetti, frangivento).
La CFD è un'alternativa numerica alle prove in galleria del vento, con il vantaggio di testare rapidamente molteplici scenari (direzioni del vento, configurazioni) sulla geometria reale del progetto. Confrontata con i valori analitici dell'Eurocodice in un caso semplificato, mostra una buona coerenza, restando la norma più cautelativa. Offre una lettura spazializzata e multidirezionale inaccessibile ai soli metodi regolamentari. Maggiori dettagli nel nostro dossier La CFD: un'alternativa alla galleria del vento.
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Studio CFD delle azioni del vento sulla Torre Cascades a Caen : modello 3D della torre e del suo ambiente costruito, venti estremi cinquantennali secondo l'Eurocodice NF EN 1991-1-4, analisi multidirezionale delle velocità e delle pressioni di facciata, effetti di sito (effetto Venturi, accelerazioni agli spigoli, zone riparate) e valutazione del comfort al vento delle terrazze con la scala di Beaufort.
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