Windbelastung auf Bauwerke - Lehrstuhl für Statik

Bachelorarbeit SS 2012
Sofie Ganslmeier
Windbelastung auf Bauwerke
Wind ist als komplexe Naturgewalt einzustufen, weshalb der Mensch die Auseinandersetzung mit der Beschaffenheit des Windes lange Zeit mied.
So umgingen auch die alten Baumeister eine Ermittlung der Windlasten, indem sie mit Hilfe des großen Eigengewichts der traditionellen Konstruktionen
sicherstellten, dass Verkehrslasten kaum ins Gewicht fielen.
Im Laufe der Zeit setzte sich jedoch der Wunsch des Menschen nach höheren und schlankeren Bauten durch. Filigranität bedeutet jedoch gleichzeitig
eine im Verhältnis zur Bauhöhe geringere Standfläche, sodass die Einwirkung Wind in der Folge an Wichtigkeit gewinnt. Mit zunehmenden
Anforderungen an die Wirtschaftlichkeit und dem sich daraus ergebendem Hang zum Leichtbau, wächst die Schwingungsanfälligkeit unserer Bauwerke.
Die Bemessung filigraner Bauten fordert eine realitätsnahe Abbildung des Belastungsfalles Wind, um mögliches Versagen infolge Materialermüdung,
Einschränkungen der Gebrauchstauglichkeit oder dynamischer Belastungen zu verhindern. Dies spiegelt sich in den Normenwerken wider, in welchen
eine Entwicklung von eher pauschalen hin zu differenzierten und realitätsnahen Windbeanspruchungen beobachtbar ist.
Einblick in die Charakteristik des Windes
Wind entspricht einer gerichteten Luftbewegung in der
Atmosphäre, wobei die Atmosphäre in folgende Schichten
einzuteilen ist:
Die atmosphärische/planetarische Grenzschicht
Windprofile über
Beschreibung des Windprofils
Umströmung
• Der Bereich des geostrophischen Windes:
unterschiedlich rauem Gelände
durch das Exponentialgesetz
eines Gebäudes
Charakteristisch ist, dass die Bewegung längs
geradliniger, paralleler Isobaren beschleunigungsfrei
erfolgt, da Druck- und Corioliskraft im Gleichgewicht
stehen. Der geostrophische Wind, auch
Gradientenwind genannt, ist oberhalb der
Reibungsschicht anzutreffen.
• Die atmosphärische/planetarische Grenzschicht:
In diesem turbulenten Bereich beeinflussen
Reibungskräfte die Windgeschwindigkeit. Die
Luftbewegung in Bodennähe ist ungeordnet und
wirbelartig. Diese Störungen im
Geschwindigkeitsablauf entstehen z.B. aufgrund von
wechselnden Rauigkeiten oder vertikalen
Temperaturunterschieden.
Windgeschwindigkeit in der Höhe z
Ungestörte Gradientenwindgeschwindigkeit
Gradientenhöhe
Höhe z
Parameter zur Berücksichtigung der
Bodenrauigkeit
Die Normenwerke DIN 1055-4 und DIN EN 1991-1-4 + NA
Die DIN EN 1991-1-4 wurde zum 01.07.2012 bauaufsichtlich eingeführt, wobei in Bayern und Hessen eine Übergangsregelung bis zum 31.12.2013
besteht. Bis Ende des Jahres 2013 darf somit in diesen beiden Bundesländern sowohl die alte DIN 1055-4, als auch die DIN EN 1991-1-4 angewandt
werden. Ein Vergleich der Normenwerke zeigt, dass die Ansätze zur Ermittlung der Windlasten nach DIN EN 1991-1-4 an verschiedenen Stellen
genauer und damit weniger konservativ sind. Beispielhaft seien hier die Berechnung von Reibungskräften und eine stärkere Differenzierung bei
Querschnitten genannt. Dies spiegelt die zu beobachtende Entwicklung - sprich den Wunsch nach Leichtigkeit und die daraus resultierende
Notwendigkeit einer realitätsnahen Abbildung unserer Bauten – wider.
Erstellung zweier Excel Tools zur Windlastermittlung
nach DIN 1055-4 und DIN EN 1991-1-4 + NA von
Überprüfung der Schwingungsanfälligkeit mit Hilfe der Excel Tabellen:
• Gebäuden mit rechteckigem Grundriss und
Flach-, Pult-, Sattel-, Trog-, Walm- oder Sheddach
• Freistehenden Dächern
• Freistehenden Wänden
• Bauteilen mit rechteckigem Querschnitt
• Bauteilen mit kantigem Querschnitt
• Bauteilen mit regelmäßigem, polygonalem Querschnitt
• Kreiszylinder
• Kugeln
Quellen:
• URL: http://www.bayika.de/de/aktuelles/kurznachrichten/recht/2012-06-19.php?navanchor=2110037. zuletzt aufgerufen am: 09.09.2012.
• URL: http://www.ifh.uni-karlsruhe.de/science/aerodyn/bilder_orginale/Filme/haus1_mini.gif. zuletzt aufgerufen am: 20.09.2012.
• RUSCHEWEYH, Hans: Dynamische Windwirkung an Bauwerken. Bauverlag, Wiesbaden Berlin, 1982
Betreuer: Dipl.-Ing. Rupert Fisch
Lehrstuhl für Statik, Prof. Dr.-Ing. Kai-Uwe Bletzinger
www.st.bv.tum.de