/

 » Analysemethoden » Windkanal » Windkanaltechnik

Windlasten auf Bauwerke werden überwiegend in Windkanalversuchen bestimmt. Die aerodynamischen Beiwerte in den Normen stammen aus solchen Versuchen. Sie sind für die meisten Entwurfsaufgaben eine ausreichende, erprobte Grundlage der Windlastannahmen. In manchen Fällen ist es jedoch erforderlich, für ein Bauvorhaben einen speziellen Windkanalversuch durchzuführen, um die Windlast genauer zu ermitteln. Das ist zu erwägen, wenn die Windlast für ein Gesamttragwerk oder einzelne Tragwerksteile das Bemessungsergebnis wesentlich bestimmt, wenn die Eigenlast im Vergleich zur Windlast gering ist, wenn die Form des Bauwerks von den Standardformen der Norm erheblich abweicht und schließlich wenn sich das Bauwerk als schwingungsanfällig gegenüber einer Erregung durch dynamische Windkräfte erweist. In der Regel ergibt die genauere Untersuchung, dass die Last geringer ist als die Norm aussagt, weil deren Vorgaben im Zweifel konservativ abdeckend sein müssen. Die Last kann auf der Grundlage des Windkanalversuchs gegenüber dem Normwert daher abgemindert werden, wobei das planmäßige bautechnische Sicherheitsniveau dennoch eingehalten wird.

Zur Messung von Windlasten in Form von Drücken oder Kräften, werden starre Modelle benutzt, bei denen lediglich die Körperform im geometrischen Maßstab nachgebildet wird. Man kann auch die Strukturantwort selbst messen, statt sie aus den Lasten zu berechnen. Dazu sind elastische Modelle erforderlich, bei denen die Steifigkeit nach bestimmten Maßstabsgesetzen eingestellt werden muss. Sind merkliche Resonanzeffekte zu erwarten, so müssen zusätzlich auch Masse und Dämpfung ähnlich sein.  Ein Beispiel sind Kühltürme, bei denen die statische und vor allem die dynamische Windlast durch Nachbartürme stark gestört sein kann. Der Aufwand, der erforderlich wäre, um diese Interferenzeffekte rechnerisch zu verfolgen, wird schnell zu groß.

Man benutzt Windkanalwaagen, um bei Hochhäusern, Masten o.ä. die Fußeinspannmomente und die resultierenden Kräfte in Längs- und Querrichtung sowie die Torsion zu messen. Diese Messungen haben den Vorteil, dass die lokal angreifenden Windkräfte experimentell integriert werden und ihre Korrelation auf diese Weise direkt erfasst wird. Wenn es dabei um die dynamischen Wirkungen der Windkräfte geht, muss die dynamische Ähnlichkeit erfüllt sein. Das erfordert, dass die relative Dämpfung in Modell und Natur gleich ist.

In aeroelastischen Experimenten werden Kräfte untersucht, die durch die Schwingbewegungen hervorgerufen oder zumindest beeinflusst werden. Insbesondere geht es häufig um die Frage, ob die Bewegungsamplituden durch diese Kräfte instabil werden, d.h. unbegrenzt anwachsen. Diese Strömungs-Bauwerks-Wechselwirkungen können für leichte, schwach gedämpfte Bauwerke mit ungünstigen Querschnitten wie Hochhäuser, weitgespannte Brücken oder Tragluftbauten kritisch werden. Das Windkanalmodell muss das dynamische Verhalten des wirklichen Bauwerks maßstäblich wiedergeben. Die Größe der Schwingamplituden des Modells muss dem geometrischen Maßstab entsprechen, weil sie das Problem beherrscht. Man kann diese Forderung auf die maßgebenden Schwingungsmoden beschränken und gelangt damit zu Modellen, die nur wenige, gut kontrollierbare Freiheitsgrade aufweisen.

Für bauwerksaerodynamische Untersuchungen wurden bis in die Mitte der sechziger Jahre des 20sten Jahrhunderts aeronautische Windkanäle mit glatter, gleichförmiger Strömung benutzt. Die Mehrzahl der aerodynamischen Beiwerte der Normen stammt aus derartigen Experimenten. Der natürliche ist Wind in der Nähe der Erdoberfläche jedoch eine Grenzschichtströmung, d.h. die Geschwindigkeit nimmt mit wachsendem Abstand vom Boden zu (Grenzschichtprofil); gleichzeitig ist die Strömung hochturbulent.

In einem Grenzschichtwindkanal soll die atmosphärische Bodengrenzschicht, soweit es für ein bestimmtes Untersuchungsziel erforderlich ist, maßstäblich simuliert werden.

 

Die atmosphärischen Bodengrenzschicht erstreckt sich bis in eine Höhe von etwa 1000m über Grund. Sie besteht aus mehreren Schichten: unmittelbar am Boden gibt es eine laminare Unterschicht, die nur wenige Millimeter dick ist. Darüber liegt die turbulente Bodenschicht oder Prandtl Schicht, in der die Strömungseigenschaften durch den Impulsaustausch zwischen benachbarten, unterschiedlich schnellen Stromfäden bestimmt sind. Es folgt die Oberschicht oder Ekman Schicht, in der Corioliskräfte zusätzlich zum Impulsaustausch mit wachsender Höhe immer stärker die Strömung bestimmen.

Für niedrige Bauwerke würden sich dabei allerdings zu kleine Modelle ergeben. In solchen Fällen genügt es, die Bodenschicht zu simulieren oder sogar nur einen Teil davon, der etwa doppelt so hoch wie das Bauwerk, das zu untersuchen ist, sein sollte.

 

 

Die Dicke der Grenzschicht über der rauen Oberfläche des Windkanalbodens wächst in Strömungsrichtung mit wachsender Lauflänge langsam an. Ihr Wachstum hängt dabei von Größe und Verteilung der Bodenrauhigkeiten ab. Die Lauflänge, die bei gleichförmig verteilter Rauhigkeit benötigt wird, um eine Grenzschichtdicke d zu erzeugen, ist lang, etwa 30 d. Neben der Grenzschichtdicke muss auch die Form des Profils an die Naturvorgabe, die simuliert werden soll, angepasst werden. Dieses erreicht man, indem man Höhe, Abstand und Form der Rauhigkeitselemente optimiert.

Verschiedene Methoden sind in Gebrauch, um bei gegebener, kurzer Lauflänge eine möglichst dicke, die Höhe des Windkanals weitgehend ausfüllende Grenzschicht zu erzeugen. Sie verwenden Turbulenzgitter oder -generatoren am Beginn der Anlaufstrecke, mit denen das Strömungsprofil und die Turbulenz im niederfrequenten Bereich des Spektrums eingestellt werden. Eine Stolperleiste am Boden quer zur Windrichtung aufgestellt vergrößert die Längskomponente der bodennahen Turbulenz und gleichzeitig ihre Integrallänge. Durch gleichmäßige Bodenrauhigkeit entlang der Anlaufstrecke erreicht man schließlich den Turbulenzgrad der natürlichen Windströmung.

 

Ebenso wie die Nachbildung des natürlichen Windprofils muss die Struktur der Turbulenz im Windkanal - je nach Aufgabenstellung der Untersuchung mehr oder weniger vollständig - der Turbulenz des natürlichen Windes entsprechen. Sie bestimmt in der Regel den geometrischen Maßstab.