Bau 20.10.2000, 17:26 Uhr

Bau-Forscher im Windschatten

Auf dem Kolloquium „Bluff Body Aerodynamics & Applications“ versuchten Meteorologen, Bauingenieure, Physiker und Mathematiker aus aller Welt vor kurzem in Bochum, neue Formeln zur Berechnung von Bauwerks-Beanspruchungen durch Wind zu finden.

Der Mensch lernt, damit zu leben“, kommentierte Prof. K.C.S. Kwok die Gelassenheit, mit der Fluglotsen in Sydney die Bewegungen ihres Arbeitsplatzes hinnehmen. Kwok und sein Team von der Fakultät Bauingenieurwesen der Universität in Sydney hatten die dynamischen Windreaktionen des Flughafen-Kontrollturms untersucht und keine beunruhigenden Abweichungen von den vorgegebenen Werten gefunden. Allerdings sind die Beschleunigungen wohl so beeindruckend, dass Uneingeweihte bei der Landung eines Flugzeugs an ein Erdbeben glauben und fluchtartig das windanfällige Bauwerk verlassen.
Dabei ist der Kontrollturm von Sydney mit seinen 43 m nur halb so hoch wie der neue Arlanda Airport Tower in Schweden. Hier tragen zwei Türme gleich schlanken Kaminen die tonnenschwere Last der Kontrolleinrichtungen. Eine Analyse über die dynamischen Erregungen aus Windböen und Wirbeln sollte sicher stellen, daß die Mannschaft im 83 m hoch gelegenen Kontrollraum konzentriert arbeiten kann. „Vorsichtshalber haben wir unterhalb der Kabine eine Wasserdämpfung vorgesehen, falls die Beschleunigungen als zu hoch empfunden werden“, berichtete Dr. Kamal Handa von der Patronat AB in Gothenburg.

Windkanal-Tests im Maßstab 1:1 liefern die exaktesten Daten

An den Türmen von Sydney und Arlanda geben Messungen ein reelles Bild über Kräfte aus Windböen und Wirbeln sowie die Reaktionen der Bauwerke. Um solche Werte bereits in der Planung zu ermitteln, sind Formeln bekannt. Allerdings gilt weiterhin, deren Korrekturfaktoren und Annahmen mit der Praxis besser in Einklang zu bringen. Wissenschaftler stützen sich dazu nicht nur auf Messungen im Maßstab 1:1, sondern Dank Reynold auch auf verkleinerte Modelle, die Stürmen und Wirbeln im Windkanal widerstehen.
Die Reaktion von zylinderförmigen Körpern wie Kamine auf turbulente Strömungen untersucht Jörg Sahlmen an der Ruhr-Universität Bochum (RUB). Besonders interessiert ihn die komplexe aeroelastische Interaktion zwischen den Eigenbewegungen der Körper und den ankommenden Wirbeln. Diese fehlen in den Formeln, findet der junge Ingenieur. Für seine Experimente hat er einen etwa 30 cm langen Zylinder im Windkanal horizontal an Federn aufgehängt. Unterschiede zum 200 m hohen Kamin sind mathematisch zu erfassen. Besser sei natürlich, den Zylinder im größeren Maßstab und vertikal zu testen, gibt er zu.

Für Gewächshäuser gibt es immer noch keine Normen

Viele Institute verfügen über Windkanäle unterschiedlicher Größe. Um die eigenen Versuche besser beurteilen zu können, hat das Team für Aerodynamik im Bauwesen um Prof. Hans-Jürgen Niemann von der RUB mit fünf weiteren Instituten aus verschiedenen Ländern Europas in dem EU-Projekt BEATRICE die jeweiligen Windkanäle getestet. Dabei ging es darum, Windangriffe und deren Auswirkungen an niedrigen Gebäuden zu ermitteln. Prof. M. Kasperski von der RUB und Leiter des Projektes, erinnert sich: „Wir haben unsere Ausrüstung ins Auto gepackt und die einzelnen Institute besucht, also nur deren Wind benutzt.“ Auf dem Kongress präsentierte er die Ergebnisse.
Eine der Teststationen war der Windkanal Jules Verne in Nantes, Frankreich. Seine Querschnitte von 26 m bis 135 m erlauben es, Objekte auch in großem Maßstab zu testen. Bei Versuchen an 4 m breiten und 1,65 m hohen Gewächshäusern mit Verkleidungen aus leichten Materialien wie Kunststoff ging es darum, gegen Wind- und Schneelast sichere Konstruktionen zu ermöglichen. Eine entsprechende Norm fehlt in Europa trotz 70 000 ha kommerziell genutzter Gewächshäuser, hatten die Forscher festgestellt. Zur realistischen Belastung ließen sie es im Windkanal sogar schneien.
Windströme um Häuser bilden ein weites Kapitel bei Versuchen im Windkanal, mathematischen Modellen und Computersimulationen. Der frontal angreifende Wind übt einen Druck aus, der mit positivem Vorzeichen in den Formeln erscheint. Doch spätestens an der nächsten Hauskante entstehen Wirbel mit negativen Drücken. Auch so ein Sog kann verheerend wirken. Die höchsten Belastungen daraus erfahren Flachdächer. Wo und wie Wirbel sich hier auflösen, ob Abrundungen, Brüstungen oder Vertiefungen dem Wind das Handwerk legen, sind wichtige Forschungsziele. Ein junger Windingenieur aus den USA schwört darauf, Windströme auf Dachkanten mit Spoilern zu entschärfen.
Bebauung ergibt rauere Erdoberflächen, die den Wind bremsen. „In dem Maß, wie eine Stadt wächst, sinkt die Sturmstärke“, hat Prof. Kasperski anhand der statistischen Daten von Hamburg-Fuhlsbüttel festgestellt. Interessante Messergebnisse erzielte auch die Technischen Universität Darmstadt in der Skyline von Frankfurt. Der Kran, der mit dem Bau des Main Towers in etwa 200 m Höhe stieg, trug eine Antenne. Ihr Counterpart befand sich in 275 m Höhe auf der benachbarten Commerzbank. Die Messungen zeigten, dass die dynamischen Eigenschaften des Windes sanken, während das Gebäude wuchs. Mit den Häuserreihen entstehen Straßenschluchten oder „Street Canyons“. Bleiben Luftverschmutzungen wie Emissionen von Autos nun darin hängen oder werden sie weggefegt? Für eine exakte Antwort müssen Richtung und Stärke des Windes, Höhen und Abstände der anliegenden Häuser, deren Dächer und andere Details bekannt sein. Aber wenn sich der Wind dreht, ist alles anders. Windingenieure können helfen, Fehler zu vermeiden. „Städteplaner und Architekten sollten sich an die Spezialisten wenden, um bessere Kompromisse zu finden“, wünscht nicht nur Domenico Olivari, Professor der angewandten Strömungsdynamik am Karman Institut in Rhode St. Genese, Belgien. A. KRULL/wip

Von Krull/Wip

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