Windlast

Erläuterungen zum Thema Windlast

Die Windlast an einem Bauwerk schwankt zeitlich und räumlich. Sie wirkt direkt auf die Außenflächen geschlossener Gebäude und indirekt über Öffnungen auch auf innenliegende Wände. Eine windgerechte Auslegung einer Tragstruktur - hier ausschließlich bezogen auf die gebäudeaerodynamische Problemstellung - erfordert eine Beurteilung der folgenden Aspekte:
Extremwindklima Das Spektrum des natürlichen Windes weist in der Regel drei charakteristische, energiereiche Frequenzbereiche auf, welche von den Jahreszeiten, den Großwetterzyklen (makrometeorologisch, Stürme) herrühren und durch Bodenreibung in der Grenzschicht erzeugt werden (mikrometeorologisch, Böigkeit). Bei der Beschreibung des Extremwindklimas eines betrachteten Standortes gilt es, die von der bodennnahen Windströmung unabhängigen, klimatischen Extremwindereignisse zu prognostizieren (im Bild oben ist dies der Bereich links von der Energielücke). Die Maximalwerte der Windgeschwindigkeit werden als Referenzwind spezifizierter Dauer und Häufigkeit definiert. Energie der Wirbelströmungen in der der Atmosphäre für verschiedene Frequenzbereiche, Jahresgang spekulativ, nach Davenport, 1963, Daten nach v. d. Hoven, 1957. Unterschiedliche 10-Min.-Mittelwerte (oben) und 5s-Böenspitzenwerte (unten) der Windgeschwindigkeit für verschiedene Windrichtungen an einem mitteldeutschen Stabndort für eine Wiederkehrperiode von 50 Jahren, Datenquelle: DWD.

Je nach Beschaffenheit des umgebenden Geländes oder der umgebenden Bebauung lassen sich zur Bemessung der Windlast unterschiedliche Windprofile heranziehen, Sockel, 1984.	Grenzschichtströmung Die Erdoberfläche verzögert den ungestörten atmosphärischen Wind bis zum Stillstand am Boden. Einflußfaktoren sind die lokale Topographie sowie die natürliche oder künstliche Bodenrauhigkeit. Für die Windlastberechnung sind Höhenprofile von Windgeschwindigkeit und Turbulenzintensität bereitzustellen.

Gebäudeumströmung Das Gebäude verdrängt die Grenzschichtströmung und erzeugt ein geometriespezifisches, bereichsweise instationäres Druckfeld. Von besonderem Interesse sind jene Bereiche des im allgemeinen komplexen Strömungsfeldes, wo starke Krümmungen der Stromlinien und Ablösungen der Strömungen von der Gebäudekontur auftreten. Je nach Art des Gebäudes ist mit echten Wechselwirkungen zwischen Druckschwankungen und Strukturverformungen bzw. Strukturbewegungen zu rechnen. Es wird grundsätzlich zwischen vier verschiedenen Wechselwirkungen von Grenzschichtströmung und Tragstruktur unterschieden: die statische Antwort und die statische Stabilität sowie die dyamische Antwort und die dynamische Stabilität. Die Begriffe statisch und dynamisch beziehen sich dabei stets auf das Verhalten der Tragstruktur und dürfen nicht mit der im allgemeinen instationären Grenzschichtströmung verwechselt werden. Als statisch wird die Wechselwirkung bezeichnet, wenn die Struktur als starr aufgefaßt werden darf, als dynamisch, wenn durch Windwirkung wesentliche Trägheitskräfte innerhalb der Struktur wirksam werden. Beispiele der vier genannten Wechselwirkungen sind etwa das Druckfeld über einer Fassadenhaut (statische Antwort), die Torsionsdivergenz von Türmen (statische Stabilität), die Böenbeanspruchung eines weitgespannten Hallendaches (dynamische Antwort) oder die Lateralschwingung benachbarter Kühltürme (dynamische Stabilität). Bei Antwortphänomenen geht es darum, die entsprechenden statischen Lasten oder dynamischen Beanspruchungen abzuschätzen und die Tragstruktur lastgerecht auszulegen. Im einfachsten Fall erschöpft sich diese Aufgabe in der Definition von aerodymischen Druck- und Kraftkoeffizienten. Instabilitäten sucht man in der Regel gänzlich zu vermeiden, sei dies durch entsprechende modale Eigenschaften der Tragstruktur oder durch Beeinflussung der Strömungserregung. Die Nachweisführung erstreckt sich im allgemeinen auf den Zustand des Versagens der Struktur (Tragfähigkeit), den Gebrauchszustand (Gebrauchsfähigkeit) sowie auf die wiederholte Nutzung (Ermüdungsfestigkeit). Für Auslegungszwecke werden alle an Gebäuden oder Bauteilen auftretenden Belastungen auf einen, dem Quadrat einer Windgeschwindigkeit proportionalen Vergleichsdruck, den Staudruck, bezogen. Der Staudruck dient als Referenz für den Druckbeiwert *c_p*, positive Beiwerte entsprechen einem Überdruck, negative Beiwerte bedeuten Unterdruck gegenüber der Umgebung. Zur Ermittlung der, innerhalb der Gebäudestandzeit maximal zu erwartenden Lasten benötigt man den standortabhängigen Bemessungsstaudruck, d.h. den maximal innerhalb dieser Zeit zu erwartenden Staudruck, z.B. den, der statistisch gesehen einmal in 50 Jahren in einer Bö auftreten kann oder der innerhalb von 50 Jahren als Maximalwert des 10-Minuten Mittelwertes gemessen würde. Dieser Wert ist von der Höhe über Grund, der Mittelungszeit (z.B. 5s o. 10 min), und der angenommenen Wiederkehrperiode (z.B. 10, 50 oder 100 Jahre) abhängig und wird entweder den Normen entnommen oder z.B. aus örtlich verfügbaren Winddaten meteorologischer Institute nach den Methoden der Extremwertstatistik berechnet.	Die statische Windlast auf ein Fassadenelement ergibt sich aus der Summe aller wirksamen Druck- und Reibungskräfte. In den meisten Fällen sind die Reibungskräfte vernachlässigbar. Zu beachten ist dabei, daß sich die Definitionen des Bezugstaudrucks, je nach verwendetem Windlastkonzept oder zugrundegelegter Richtlinie unterscheiden können. Die an einer Bauteiloberfläche wirkenden örtlichen Über- und Unterdrücke errechnen sich als das Produkt aus örtlichem Druckbeiwert und dem Bezugsstaudruck. Die Kraft auf ein einzelnes Bauteil läßt sich bestimmen, indem man die an allen (auch innenliegenden) Teilflächen wirkenden Teildrücke mit den entsprechenden Flächen multipliziert und die sich daraus ergebenden Druckkräfte unter Berücksichtigung ihrer Richtung aufsummiert. Nicht unerheblich ist dabei, daß auch im Innern der Gebäude Über- oder Unterdruck wirksam wird und für manche Bauteile (z.B. hinterlüftete Fassadenelemente oder an Doppelfassaden) die Differenz der an den gegenüberliegenden Seiten anliegenden Drücke maßgebend ist. Für die praktische Bemessung lassen sich für eine Vielzahl von Gebäudeformen die charakteristischen Beiwerte den geltenden Windlastnormen oder der Literatur entnehmen. Für dort nicht enthaltene Sonderfälle ist es sinnvoll, die benötigten Beiwerte in einem Modellversuch im Windkanal zu ermitteln. Geschoßlasten und Fundamentlasten können bei genügend dichter Meßstellendichte durch flächengewichtete Integration aus den externen Druckbeiwerten berechnet werden.
Druckbeiwerte In Experimenten werden die Beiwerte für den Winddruck an der Gebäudehülle unter realistischen Bedingungen gemessen, Abb.: Modell 1:200 im Grenzschichtwindkanal der ETH Zürich, 1997. Klicken Sie auf die Abbildung um mehr Informationen zum Grenzschichtwindkanal zu erhalten.

Sonderprobleme Windinduzierte Schwingungen können zu einem Versagen der Struktur führen, wenn ihre Amplituden groß genug werden. Allerdings treten besonders bei Hochhäusern unter dem Einfluss von Wind weitere Schwingungsformen auf, die zwar aufgrund ihrer geringen Amplituden und Beschleunigungên keine Gefahr für die Struktur darstellen, das Wohlbefinden der Nutzer im Hochhaus unter ungünstigen Umständen aber erheblich einschränken können. Als Grundlage für eine dynamische Analyse der Gebäudestruktur unter realistischen Bedingungen werden instationäre Messungen der Druckschwankungen an der Gebäudehülle im Grenzschichtwindkanal vorgenommen. Um Details der gebäudeinduzierten, periodischen Wirbelablösungen isoliert untersuchen zu können, bieten sich darüber hinaus Experimente in einem turbulenzarmen, aeronautischen Windkanal an. Mit geeigneten Waagen können dort auch die so entstehenden, anregenden Windkräfte von den Wirkungen der turbulenten Grenzschicht isoliert und zeitabhängig gemessen und aufgezeichnet werden.