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In der Bauwerksaerodynamik liegt der Schwerpunkt auf der Bestimmung von Windlasten auf Tragwerke und Fassaden von Gebäuden und Bauwerken. Es kann aber auch um den Windkomfort von Personen gehen. Eine weitere Anwendung ist die Ausbreitung von Rauch, Schadstoffen oder Gerüchen. Für Versuche stehen zwei Grenzschichtwindkanäle und ein Akustikwindkanal zur Verfügung.

Analyse von Windmessdaten

Zur wirtschaftlichen Bemessung von Bauwerken bietet sich als erster Schritt die extremwertstatistische Analyse lokaler langjähriger Windmessdaten an. Diese können in Deutschland vom Deutschen Wetterdienst (DWD) für standortnahe Wetterstationen bezogen werden. Oftmals lässt sich hierauf basierend bereits eine 10-30%ige Abminderung des Spitzengeschwindigkeitsstaudrucks qp nach DIN EN 1991-1-4/NA:2010-12 begründen. Für Ostwinde ergeben sich häufig deutlich größere Einsparungen, die besonders bei der Kombination mit windrichtungsabhängigen Druck- oder Kraftbeiwerten effektiv ausgenutzt werden können. Die Windrose zeigt qp nach Norm (blaue durchgezogene Linie), 50% von qp (gestrichelte blaue Linie) und qpbasierend auf Windgeschwindigkeitsdaten einer Wetterstation (rote durchgezogene Linie).

Analyse von Windmessdaten

Windlasten auf Tragwerke (globale Windlasten)

Die Windlasten auf Tragwerke (globalen Windlasten) werden üblicherweise unter Verwendung von zeitabhängigen, extremwertstatistischen Methoden für relevante Lasteffekte bestimmt. Beispielsweise sind für die Fundamentbemessung von Hochhäusern die maximalen Biegemomente und das Torsionsmoment maßgebend. Mittels geeigneter Methoden, z.B. der LRC-Methode, lassen sich die den jeweiligen Lasteffekt verursachenden Druckfelder rekonstruieren und pro Stockwerk für die kritischen Windrichtungen angeben. Dynamische Lastanteile, sofern aufgrund von Resonanzeffekten aus Böenerregung vorhanden, sind in dieser Berechnung inbegriffen. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von effektiven oder äquivalenten statischen Windlasten. Das Bild zeigt ein Windkanalmodell von drei Hochhäusern samt Umgebungsbebauung.

Windlasten auf Tragwerke (globale Windlasten)

Windlasten auf Fassaden und Dächer (lokale Windlasten)

Für die Bestimmung der Fassadenwindlasten winddichter Außenbauteile sowie der Dachwindlasten ist die Einflussfläche der teils lokal sehr begrenzten Spitzensogwirkungen von entscheidender Bedeutung. Diese wird aus den Zeitreihen der Druckmessungen sowie ggfs. der Korrelation mit benachbarten Messpunkten durch Extremwertanalyse bestimmt (Cook/Mayne-Methode).

Die lokalen Windlasten werden dann als 1- und 10-m²-Lasten oder -Druckbeiwerte ausgewertet und üblicherweise über alle Windrichtungen maximiert in Lastkarten angegeben. Dies erlaubt die einfache Übernahme in die Ausschreibung und in die statischen Nachweise. Grundsätzlich können auch einzelne Bauteile, wie zum Beispiel Fassadenelemente aufgrund von  Anström- oder Nachlaufturbulenz zu Resonanzschwingungen angeregt werden. Bei Fassaden- und Dachelementen sollte die niedrigste Eigenfrequenz größer als 5 Hz sein, um von einem quasistatischen Tragverhalten auszugehen. Das Bild zeigt Dachwindlasten für Lasteinflussflächen von 1m2 und 10 m2, die zugehörige Zonierung und die Dachaufsicht.

Windlasten auf Fassaden und Dächer (lokale Windlasten)

Windlasten auf doppelschalige Fassaden

Bei hinterlüfteten Bauteilen der Fassadenbekleidungen ebenso wie bei Prallscheiben oder doppelschaligen Fassaden können durch Druckausgleich Windlastreduktionen um bis zu 2/3 für diese Außenschalen im Vergleich zu den winddicht ausgeführten Innenschalen begründet sein. Maßgebend für die Differenz zwischen der äußeren und der inneren Druckverteilung sind der Durchströmungs- und der Hinterströmungswiderstand. Die Strömung im Spalt erfolgt von hohem zu niedrigem Druck. Hierbei ist der Druck im Hinterlüftungsspalt wesentlich konstanter als der Außendruck, welcher in der Nähe von Gebäudekanten hohe Gradienten aufweist. Aus diesem Grund sollte das Eck in einer realen Fassade geschottet oder stark verblockt werden, um die Kurzschlussströmung in diesem Bereich zu unterbinden oder stark zu drosseln. Die Zeichnung zeigt den suboptimalen Fall eines nicht geschotteten Ecks mit der resultierenden Spaltströmung.

Windlasten auf doppelschalige Fassaden

Windlasten auf Gebäudeanbauteile

Zur Bestimmung der Windlasten auf Gebäudeanbauteile wie beispielsweise Attiken, Solarpaneele, Balkone, Sonnenschutzbehänge, vorstehende Lamellen, Schilder oder Dachaufbauten stehen verschiedene Methoden zur Verfügung: sie können entweder basierend auf einem Windkanalversuch ermittelt oder anhand von Fachliteratur, die über den Eurocode EN 1991-1-4 hinausgeht, gutachtlich abgeschätzt werden. Entscheidend ist hierfür die konkrete Fragestellung.

Lagesicherheit von Dachbelägen

Bei der Beurteilung der Windeinwirkung auf Dachsysteme ist zwischen flächigen und körnigen winddurchlässigen Dachbelägen zu unterscheiden. Dazu zählen Granulate von Gründächern, Kies, Splitt sowie Plattenbeläge. Dachbeläge wie Substrate und Kies sind roll- oder sogar verwehgefährdet, während Gehwegplatten unter Windeinwirkung abheben oder kippen können. Oftmals steht daher die Frage im Raum, bei welchen Korngrößen und ggfs. zusätzlichen Maßnahmen Roll- und Verwehsicherheit herrscht, bzw. wie dick Plattenbeläge in Abhängigkeit der Dachzone, der Gebäudeabmessungen und des Druckausgleichs dimensioniert werden müssen, um lagesicher zu sein. Dies kann oftmals aufgrund von einschlägiger Fachliteratur ohne gesonderten Windkanalversuch beurteilt und sicher ausgelegt werden.

Windkomfort

Eine Windkomfortstudie analysiert und quantifiziert die Veränderungen der bodennahen Windgeschwindigkeiten durch die Verdrängungs- und Leitwirkung vorhandener und geplanter Bebauung unter Berücksichtigung der Auftretenswahrscheinlichkeit standortspezifischer Windrichtungen und Windgeschwindigkeiten. Im Ergebnis ergeben sich Aussagen zur lokalen Windberuhigung oder auch -beschleunigung, welche eine wichtige Grundlage für die Bewertung der späteren Nutzbarkeit der verschiedenen Außenflächen, z. B. für Cafés (sitzender Aufenthalt), Schaufensterflächen (stehender Aufenthalt) oder auch normale Flächen für den Fußgängerverkehr (ohne Beeinträchtigung der Begehbarkeit), darstellen.

In einigen Städten werden diese Aussagen auch im Rahmen von Umweltverträglichkeitsprüfungen ausgewertet.  

Durch Analyse der Bereiche mit erhöhten Windgeschwindigkeiten können zudem Maßnahmen bestimmt werden, wie durch kleine Geometrieänderungen an den Gebäuden, Ergänzung von Bepflanzung oder Vordächern, lokal unerwünschte Effekte gegebenenfalls verhindert oder zumindest reduziert werden können.

Die Windkomfortstudie wird maßstäblich verkleinert in einem I.F.I.-Grenzschichtwindkanal anhand eines Ausschnittsmodells der Stadtumgebung durchgeführt. Sie gliedert sich normalerweise in drei Teile, die Sanderosionsuntersuchung, die Messungen der lokalen Windgeschwindigkeiten und -turbulenzen und die Überprüfung von Verbesserungsmaßnahmen.

Bei der Sanderosionsuntersuchung können durch zeitlich versetzte Aufnahmen des Abtrags einer zuvor aufgebrachten Sandschicht auf der Grundplatte des Modells Rückschlüsse auf die lokalen Windintensitäten gezogen werden. Diese Untersuchung erfolgt für verschiedene Windrichtungen in 30°-Schritten.

Für die bei der Sanderosionsuntersuchung festgestellten Stellen erhöhter Windexposition werden ergänzend Messungen der lokalen Windgeschwindigkeiten und Windturbulenzen für kritische Windrichtungen durchgeführt.

Werden lokal kritische Windverhältnisse festgestellt, so werden in Rücksprache mit dem Auftraggeber kompensierende Maßnahmen im fraglichen Gebiet untersucht.

Nutzerbehaglichkeit in den oberen Geschossen

Um die Behaglichkeit und damit die Nutzbarkeit eines Hochhauses zu gewährleisten, müssen die auftretenden Spitzenbeschleunigungen berechnet und anhand eines geeigneten Kriteriums bewertet werden. Weltweit existiert eine Vielzahl verschiedener Normen und Kriterien zur Berechnung und Bewertung der akzeptablen Beschleunigungen und damit der Behaglichkeit. Grundsätzlich spielen die Amplitude und die Frequenz, mit der die Bewegung auftritt, für die menschliche Wahrnehmung eine große Rolle.

Auf der Grundlage einer Kombination von lokalen Wetterdaten inklusive der Starkwindereignisse, empirischen Ansätzen nach einschlägigen Normen sowie von im Windkanal gewonnen Messdaten lässt sich für das obere Geschoss eines Hochhauses die Kopfbeschleunigung errechnen, die ihren Ursprung in böenerregten Bauwerksschwingungen hat und sowohl Komponenten parallel als auch senkrecht zur Anströmung beinhaltet. Die so ermittelte Beschleunigung kann u.a. anhand des 1-Jahres-Kriteriums der ISO 10137:2007 hinsichtlich der Behaglichkeit für Nutzungen als Bürogebäude und als Wohngebäude beurteilt werden.

Sonnenschutzsteuerung

•          Eine zentrale Steuerung der Sonnenschutzanlagen erfasst den Wind an exponierter Stelle, z.B. auf dem Dach. Die Windsensoren für Stärke und Richtungen werden hierbei meist in zwei Außenecken auf dem Dach platziert. Aus einem Windkanalversuch kann die Konzeption einer solchen Steuerung nach Fassadenbereichen dann relativ einfach abgeleitet werden. Dies erfolgt üblicherweise in Form von sogenannten Speed-Up-Faktoren, die ein Maß für die lokale Beschleunigung oder Verlangsamung der Windanströmung sind. Hiermit können dann die vom Hersteller angegebenen Gewährleistungsgrenzwerte der Sonnenschutzanlagen, z.B. von Markisen oder Jalousien, umgerechnet werden auf die tatsächliche lokale Exposition und ihre kritischen Grenzwerte. Mithilfe der Messung der Exposition der Windwächter auf den Dächern kann die Übertragungsfunktion der gesamten Mess-Steuer-Kette pro Windrichtung bestimmt und für jede Behanggruppe bestmöglich korrigiert werden, was zu optimierten und damit überwiegend stark reduzierten Auffahrwahrscheinlichkeiten infolge Wind führt.

•          Eine dezentrale Steuerung der Sonnenschutzanlagen basiert auf einer geeigneten Zonierung der Behangbereiche nach unterschiedlichen Windexpositionen und jeweils den Zonen zugeordneten dezentralen Windmessgeräten. Der Vorteil ist, dass zwar in einer größeren Anzahl über die Fassaden aber nur mit einfachen Sensoren der Wind erfasst werden muss, dieser direkt gemessen werden kann und keiner weiteren Umrechnung bedarf. Auch wird sich eine dezentrale Steuerung auf veränderte Umgebungsbedingungen stets automatisch anpassen, was für eine zentrale Steuerung nicht gilt.

Dichtheitsuntersuchungen

Aufgabe

Dichtheitsuntersuchungen können an Gebäuden zur Feststellung der Qualität der Gebäudehülle durchgeführt werden sowie an Bauteilen, z.B. Kanälen oder abgehängten Decken zum Nachweis eines unkritischen Leckageverhaltens.

Verfahren

Ersteres erfolgt nach der als DIN-Norm veröffentlichten ISO 9972 „Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden - Bestimmung der Luftdurchlässigkeit von Gebäuden - Differenzdruckverfahren“, als sogenannte Blower-Door-Messung, wobei über einen Türeinsatz mit Ventilator das Gebäude oder der Gebäudeteil gezielt auf Über- oder Unterdruck gesetzt werden kann. Letzteres erfordert oft angepasste Prüfstandsaufbauten.

Dichtheitsuntersuchungen

Lösung

Unsere Spezialität ist es, Vor-Ort-Prüfungen auch an großen industriellen Baukörpern, wie z.B. Hochregallagern, Kühl- und Tiefkühllagern sowie Lagern mit Permanent-Inertisierung oder anderem Spezialklima durchzuführen. Hierbei werden naturgemäß besonders hohe Anforderungen an die Dichtigkeit gestellt. Auch sehr große Lager mit bis zu 400.000 m³ Rauminhalt wurden von uns bereits erfolgreich geprüft und konnten auf dieser Basis dann unkompliziert abgenommen werden.

Ebenso kompetent sind wir in der Prüfung von (Sonder-) Bauteilen und dichter Verarbeitung z.B. von Bauplatten. Hier wird oftmals nicht nur die Dichtigkeit, sondern auch die Versagenslast als Prüfgröße abgefragt. Wir haben dafür stets den passenden Prüfaufbau und Ventilator!

Vorteil

Wir sind Spezialisten nicht nur für die Leckageströmung, sondern auch für die Bauphysik und Konstruktion der Hülle sowie oft mitspielende innere oder äußere Druckdifferenzen. So können wir auch die Ursachen von Druck- und Feuchteeffekten effizient beurteilen und zuordnen oder ausscheiden.
 

Unsere Ansprechpartner

Dr.-Ing. Thorsten Kray

Leiter der Abteilung für Bauwerksaerodynamik

Ihr Ansprechpartner für:
Windlasten auf Bauwerke und Solaranlagen

Sprache:
Deutsch, Englisch, Französisch
+49.241.879708-12 | +49.241.879708-10 | kray@ifi-ac.com

Daniel Markus, M.Sc.

Stellv. Leiter der Abteilung für Bauwerksaerodynamik

Ihr Ansprechpartner für:
Windlasten auf Bauwerke und Solaranlagen

Sprache:
Deutsch, Englisch
+49.241.879708-18 | +49.241.879708-10 | markus@ifi-ac.com

Referenzen

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Wegbeschreibung

I.F.I. Hauptgebäude

Arbeitszeit

Montag - Freitag: 08:00–17:00
Samstag - Sonntag: geschlossen

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