{"id":6251,"date":"2024-11-18T12:27:18","date_gmt":"2024-11-18T12:27:18","guid":{"rendered":"https:\/\/timglobaleng.com\/?p=6251"},"modified":"2024-11-18T16:11:21","modified_gmt":"2024-11-18T16:11:21","slug":"windlast-schluesselfaktoren-bei-der-planung-teil-1","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/timglobaleng.com\/de\/blog\/windlast-schluesselfaktoren-bei-der-planung-teil-1\/","title":{"rendered":"Windlast: Schl\u00fcsselfaktoren bei der planung \u2013 Teil 1"},"content":{"rendered":"

Die Windlast ist eine der Schl\u00fcsselkr\u00e4fte, die auf die Tragf\u00e4higkeit und Stabilit\u00e4t von Bauwerken einflie\u00dft, egal ob es sich um ein Geb\u00e4ude<\/a>, eine Br\u00fccke<\/a>, einen Turm<\/a> oder irgendein anderes im Offenen befindenden Bauwerk bzw. ein Bauwerk handelt, das klimatischen und atmosph\u00e4rischen Einfl\u00fcssen ausgesetzt ist. Diese Voraussetzung wird selbstverst\u00e4ndlich von den meisten Bauwerken erf\u00fcllt. Ausnahme davon sind z. B. Industrieplattformen in geschlossenen Geb\u00e4uden oder Hallen, die entsprechend von Windeinwirkungen gesch\u00fctzt sind. Wind wirkt vertikal auf die Oberfl\u00e4chen der Bauwerke (und parallel bei Windreibung), was meistens globale horizontale und abhebende Kr\u00e4fte verursacht, die zu einem Verlust des globalen Gleichgewichts des Bauwerks (Kippen, Verrutschen oder Abheben des Bauwerks), einer Erh\u00f6hung der inneren Kr\u00e4fte in den Elementen und Verbindungen, oder gar einer Besch\u00e4digung der Elemente und Verkleidungen f\u00fchren k\u00f6nnen, wenn die Konstruktion nicht fachgerecht geplant ist.<\/p>\n

Die Windeinwirkung auf Bauwerke ist von Natur aus eine dynamische Wirkung, wird aber in der Analyse von Bauwerken als statische Wirkung betrachtet. Die Intensit\u00e4t der Windkraft h\u00e4ngt vom Standort der Bauwerke (Windgeschwindigkeit, Luftdichte, Orographie und Unebenheit des Gel\u00e4ndes) sowie von der Form und Geometrie des Bauwerks selbst ab. Die von Ingenieuren zur Bestimmung dieser Belastung verwendeten Regeln sind in verschiedenen Normen wie z. B. Eurocode 1 (EN 1991-1-4), ASCE7 oder AS\/NZS 1170.2 festgelegt. Das Verst\u00e4ndnis der vom Wind auf und in den Bauwerken verursachten Wirkungen ist bei der Gew\u00e4hrleistung der Sicherheit der Bauwerke und ihrer Dauerhaftigkeit von bedeutender Hilfe, insbesondere in den Bedingungen immer h\u00e4ufiger auftretender klimatischer Extreme. Deshalb werden wir in diesem Text unterschiedliche Typen von Bauwerken, die vom Wind bei ihnen verursachten Besonderheiten und Wirkungen sowie die besonders zu beachtenden Punkte auff\u00fchren.<\/p>\n

Geb\u00e4ude<\/h2>\n

Wir fangen nat\u00fcrlich mit Geb\u00e4uden an. Egal ob es sich um ein Wohn- oder Gesch\u00e4ftsgeb\u00e4ude oder eine Industriehalle handelt<\/a>, die Natur der Windlast wird von der Form dieses Bauwerktyps selbst diktiert. Beziehungsweise, dieser Typ des Bauwerks wird im Sinne der Windlast als Bauwerk mit Dach definiert, das von allen Seiten mit W\u00e4nden oder Fassadenverkleidung geschlossen und mit \u00d6ffnungen in der Verkleidung in einem kleinen Prozentsatz versehen ist (die Beschr\u00e4nkungen hinsichtlich des Prozentsatzes der \u00d6ffnungen selbst sind in den Normen definiert). In den meisten F\u00e4llen hat der Wind keine ma\u00dfgebliche horizontale Wirkung auf Beton- und Verbundbauwerke in seismischen Zonen, wo wegen der gr\u00f6\u00dferen Masse der Bauwerke die resultierenden seismischen Einfl\u00fcsse weitaus h\u00f6her als die Windeinfl\u00fcsse sind. Nat\u00fcrlich gibt es auch hier Ausnahmen, und das sind Hochh\u00e4user (Wolkenkratzer), wo die dynamischen Wirkungen auf das Bauwerk bzw. die M\u00f6glichkeit des Auftretens einer Resonanz zu \u00fcberpr\u00fcfen sind.<\/p>\n

Stahlkonstruktionen im Geb\u00e4udebau, insbesondere bei Hallen, sind viel empfindlicher auf die Windeinwirkung (im statischen Sinn) im Vergleich zu den seismischen Wirkungen, gerade wegen der geringeren Masse der Bauwerke im Vergleich zu Betonkonstruktionen der gleichen Gr\u00f6\u00dfe. Wind wirkt auf die W\u00e4nde und das Dach des Bauwerks mit Druck- oder Scherkr\u00e4ften. Der Druck des Windsto\u00dfes wird nach den in der Norm gegebenen Begriffen bestimmt und dient der Funktion der H\u00f6he des Bauwerks. Wind wirkt auf die Au\u00dfenfl\u00e4chen des Bauwerks, aber auch auf die Innenfl\u00e4chen, weil \u00d6ffnungen in der Verkleidung bestehen oder die Verkleidung selbst durchl\u00e4ssig oder por\u00f6s ist. Diese Wirkungen wurden \u00fcber den Au\u00dfen- und Innendruckkoeffizienten ber\u00fccksichtigt (im Eurocode als cpe<\/sub> und cpi<\/sub> gekennzeichnet). Die Werte dieser Koeffizienten sind f\u00fcr W\u00e4nde und D\u00e4cher gegeben und dienen der Geometrie und den Abmessungen dieser Konstruktionseinheiten, bzw. der Form und den Abmessungen der Basis und der Form des Daches (Flachdach, Pultdach, Satteldach usw.) und der Neigung und den Abmessungen der Dachebene.<\/p>\n

Im Eurocode sind die Werte der Druckkoeffizienten f\u00fcr vertikale W\u00e4nde nur f\u00fcr Geb\u00e4ude mit quadratischer oder rechtwinkeliger Basis gegeben, w\u00e4hrend wir in der Praxis h\u00e4ufig mit Basen unregelm\u00e4\u00dfiger Form zu tun haben. In diesem Fall k\u00f6nnen wir N\u00e4herungswerte errechnen und die Basis in bestimmte Einheiten aufteilen und die im Eurocode gegebenen Regeln auf diese Weise anwenden, oder eventuell eine andere einschl\u00e4gige Norm suchen, in der wir die Druckkoeffizienten f\u00fcr den gew\u00fcnschten Fall finden k\u00f6nnen. Beispielsweise befinden sich in der zur\u00fcckgezogenen britischen Norm BS 6399-2 (wurde vom Eurocode selbst ersetzt, aber im weiteren Text sind keine Bestimmungen aufgef\u00fchrt) Anweisungen zur Bestimmung der Werte der Druckkoeffizienten und der Abmessungen der Wirkungszonen f\u00fcr bestimmte Geb\u00e4udetypen mit inneren Ecken im Winkeln von 180\u00b0 oder weniger und Einbaubuchten* (English: re-entrant corners und recesed bays) sowie f\u00fcr Geb\u00e4ude mit unregelm\u00e4\u00dfigen H\u00f6hensegmenten.<\/p>\n

Die Situation ist auch f\u00fcr Druckkoeffizienten f\u00fcr D\u00e4cher \u00e4hnlich. Wenn wir in den offiziellen Normen keinen geeigneten Fall finden k\u00f6nnen, m\u00fcssen wir eine andere Methode zur Bestimmung dieser Werte finden. Einen solchen Fall hatten wir an einem in den USA umgesetzten Projekt f\u00fcr eine Halle mit gitterf\u00f6rmigem Bogendach. In diesem Fall wurde die Analyse der Windlast nach der ASCE7-Norm durchgef\u00fchrt. Diese Norm enth\u00e4lt keine Koeffizienten f\u00fcr die Bogengeometrie des Daches, sodass wir nach der Genehmigung des verantwortlichen zertifizierten Ingenieurs aus den USA die Werte und die Verteilung dieser Belastung nach der kanadischen NBC-Norm, in der die Koeffizienten f\u00fcr diese Dachform enthalten ist, bestimmt haben.<\/p>\n

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Es ist \u00e4u\u00dferst wichtig, zu betonen, dass die Anwendung von Normen, die in einem bestimmten Land nicht offiziell sind, wie z. B. die Anwendung der NBC-Norm in den USA, oder die Anwendung von nicht mehr g\u00fcltigen Normen, wie z. B. die genannte BS-Norm, im Bericht zu den Berechnungen des Bauwerks besonders betont werden muss und dass deren Anwendung durch das Aufsichtsorgan, die technische Kontrolle oder eine andere autorisierte Person genehmigt werden muss. Zuvor ist es nat\u00fcrlich erforderlich, dass der Planer selbst zun\u00e4chst ermittelt, ob die Anwendung dieser Normen gerechtfertigt ist, und dabei wird ihm sein Verst\u00e4ndnis des Verhaltens und der Interaktion des Windes und des analysierten Bauwerks von gro\u00dfer Hilfe sein.<\/p>\n

Vord\u00e4cher<\/h2>\n

Im Zusammenhang mit der Analyse der Windlast wird das Vordach<\/a> als Dach eines Bauwerks ohne permanente W\u00e4nde definiert. Das ist wichtig, weil sich die Luftstr\u00f6mung selbst im Vergleich zum Geb\u00e4ude mit W\u00e4nden unterscheidet. Ein weiterer f\u00fcr die Luftstr\u00f6mung sehr wichtiger Punkt ist das Vorhandensein von Hindernissen f\u00fcr die freie Luftstr\u00f6mung unter dem Vordach. Eurocode bezeichnet das als Grad der Sperrung. In Abh\u00e4ngigkeit von diesem Koeffizienten variiert auch die Intensit\u00e4t der Kraft. Denn in Abh\u00e4ngigkeit vom Wert des Grades der Sperrung sind unterschiedliche Druckkraftkoeffizienten gegeben\u2013 je gr\u00f6\u00dfer der Grad, desto gr\u00f6\u00dfer ist auch der Druck der Windeinwirkung, der auf die untere Seite des Daches wirkt. Es ist wichtig, den Koeffizienten der globalen Kraft (cf<\/sub>) vom Koeffizienten des Nettodrucks (cp,net<\/sub>), die in den Tabellen im Eurocode gegeben sind, zu unterscheiden.<\/p>\n

Der Koeffizient der Gesamtkraft wird f\u00fcr den Erhalt der resultierenden auf das Dach wirkenden Kraft verwendet, w\u00e4hrend die Koeffizienten des Nettodrucks f\u00fcr den Erhalt lokaler Dr\u00fccke verwendet werden, die an den R\u00e4ndern des Daches am gr\u00f6\u00dften sind und bei der Berechnung der Dacheindeckung und ihrer Verbindungselemente verwendet werden. Wenn man die Tabelle mit den Werten der Koeffizienten betrachtet, sieht man, dass die Koeffizienten des Nettodrucks gr\u00f6\u00dfere Werte als der Koeffizient des Gesamtdrucks haben, so dass man sich sehr leicht t\u00e4uschen kann, dass dieser Fall ung\u00fcnstiger ist und bei der Berechnung des Bauwerks verwendet werden sollte. Wenn man jedoch das Bild in der Tabelle 7.6 und 7.7 im Eurocode betrachtet, sieht man, dass die Zonen, auf welche die \u00fcber den Koeffizienten des Nettodrucks erhaltenen Dr\u00fccke wirken, symmetrisch entlang der Dachkontur verteilt sind, und dass die Zonen mit den gr\u00f6\u00dften Koeffizienten eine relativ kleine Fl\u00e4che entlang der R\u00e4nder des Daches einnehmen. Betrachten wir andererseits die Bilder 7.16 und 7.17 im Eurocode, sehen wir, dass die resultierende \u00fcber den Koeffizienten des Gesamtdrucks erhaltene Kraft bei einem Abstand von der Windseite wirkt, der einem Viertel der L\u00e4nge des Daches parallel mir Windblasrichtung entspricht.<\/p>\n

\"Optere\u0107enje<\/p>\n

Was bedeutet das eigentlich? Stellen wir uns vor, dass wir ein Vordach mit einem flachen quadratischen Dache haben, das sich in allen vier Ecken auf S\u00e4ulen st\u00fctzt. Wenn die Belastung symmetrisch ist, erhalten wir eine resultierende Kraft, die auf den Schwerpunkt des Daches wirkt, d. h. in der Mitte, bei einem Abstand d\/2 von den S\u00e4ulen. Diese Kraft wirkt gleichm\u00e4\u00dfig auf die S\u00e4ulen des Bauwerks als Spannkraft in ihnen und wird \u00fcber die Anker weiter auf das Fundament \u00fcbertragen (wird sind nat\u00fcrlich davon ausgegangen, dass es sich um ein Vordach aus Stahl handelt, aber das Prinzip ist das gleiche f\u00fcr jeden Materialtyp). Aus den grundlegendsten Kenntnissen der Statik k\u00f6nnen wir jedoch schlie\u00dfen, dass, wenn die Kraft n\u00e4her an der St\u00fctze ist (in diesem Fall der S\u00e4ule), wie z. B. die \u00fcber cf<\/sub> erhaltene Kraft, ist entsprechend auch die Reaktion der n\u00e4heren St\u00fctze h\u00f6her, was in diesem Fall die Spannkraft in der S\u00e4ule und weiter in den Ankern ist.<\/p>\n

Somit kann es zur Situation kommen, dass, selbst wenn die resultierende symmetrische Belastung cp,net <\/sub>h\u00f6her als die Gesamtkraft ist, die relevante Reaktion der St\u00fctze h\u00f6her in dem Fall der Kraft cf<\/sub> sein kann. Die Stahls\u00e4ule wird wahrscheinlich kein Problem mit der erh\u00f6hten Spannkraft haben (die Erh\u00f6hung der Kraft soll aber auf jeden Fall ber\u00fccksichtigt werden) \u2013 jedoch werden die Anker, der Beton, der die Anker umgibt, sowie die Erh\u00f6hung der abhebenden Kraft, von der die globale Stabilit\u00e4t bzw. das Abheben des Fundaments beeintr\u00e4chtigt wird, in Frage gestellt. Das kann sehr leicht der Fall sein, wenn das Fundament anhand des Kriteriums der Tragf\u00e4higkeit des Betons berechnet wurde, wo es zur Situation kommen kann, dass ein Fundament mit kleinen Abmessungen bzw. niedrigem Gewicht genehmigt wird, der dieser anhebenden Kraft nicht standhalten kann. Bei der globalen Stabilit\u00e4t ist das nat\u00fcrlich nicht die einzige Wirkung, die falsch analysiert werden kann, wenn symmetrische Belastungen verwendet werden. Bei einem Schr\u00e4gdach erhalten wir \u2013 da die resultierende Kraft auf einem Viertel der L\u00e4nge wirkt \u2013 einen h\u00f6heren Kippmoment, der wiederum die globale Stabilit\u00e4t des Bauwerks beeintr\u00e4chtigt, und es kommt auch zu einer anderen Verteilung der Kr\u00e4fte in den St\u00fctzen. Mit der Erh\u00f6hung der Neigung des Daches wird diese Wirkung zus\u00e4tzlich erh\u00f6ht, und in den Bildern unter haben wir eine Analyse gemacht, um diese Situation besser zu schildern.<\/p>\n

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Das erste Bild zeigt die Wirkungen, die bei einem Flachdach auftreten. Wie bereits erw\u00e4hnt, l\u00e4sst sich intuitiv schlie\u00dfen, dass die Reaktion der St\u00fctze h\u00f6her ist, wenn die Kraft n\u00e4her an der St\u00fctze ist.<\/p>\n

Das zweite Bild zeigt die Wirkungen der Neigung des Daches. Es ist ersichtlich, dass infolge zus\u00e4tzlicher Einfl\u00fcsse des Kippmoments, der auf das gesamte Bauwerk wirkt, einerseits die Reaktion der an der resultierenden Windkraft n\u00e4her liegenden St\u00fctze (linke St\u00fctze) h\u00f6her im Vergleich zu dem Fall ist, wenn die Kraft in der Mitte der Spanne wirkt, und andererseits auch die Reaktion der von der Windkraft weiter liegenden St\u00fctze (rechte St\u00fctze) ein anderes Zeichen haben kann! Die Intensit\u00e4t und das Zeichen der Reaktion h\u00e4ngen nat\u00fcrlich von der Geometrie des Bauwerks und dem Wert der Windkraft ab, aber das ist nur ein anschauliches Beispiel daf\u00fcr, wie wir mit einer falschen Annahme von Koeffizienten den Wert der Kraft in der S\u00e4ule und der Verbindung zum Fundament untersch\u00e4tzen k\u00f6nnen.<\/p>\n

Diese Situation mit den Druckkraftkoeffizienten ist der Situation in der ASCE7-Norm sehr \u00e4hnlich, wobei es hier vielleicht eher nicht zu einer T\u00e4uschung kommen kann (pers\u00f6nliche Meinung), weil die Kraftkoeffizienten klar nach Kapiteln getrennt sind. Die Kraftkoeffizienten f\u00fcr das Hauptbauwerk (in der Norm \u201emain wind force resisting system \u2013 MWFRS\u201c bezeichnet) sind in Sonderkapiteln gegeben (zwei verschiedene Prozeduren), w\u00e4hrend die Druckkoeffizienten f\u00fcr die Verkleidungen in einem anderen Kapitel gegeben sind. Wenn man die Druckverteilung auf das Dach f\u00fcr MWFRS betrachtet, ist es klar ersichtlich, dass die n\u00e4her an der Windseite liegenden Werte der Windkraft h\u00f6her sind, w\u00e4hrend die Situation f\u00fcr die Berechnung der Verkleidung mit der Situation im Eurocode sehr \u00e4hnlich ist \u2013 die h\u00f6chsten lokalen Dr\u00fccke wirken entlang der R\u00e4nder des Daches und fallen zur Mitte des Daches ab.<\/p>\n

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Was, Wenn Eine Wand Vorhanded Ist?<\/h2>\n

Kommen wir jetzt zum Grad der Sperrung zur\u00fcck. Im Eurocode ist die Sperrung als ein Hindernis f\u00fcr die Luftstr\u00f6mung gedacht, wie z. B. Fahrzeuge oder gelagerte Waren (zumindest nach den im Kapitel f\u00fcr Vord\u00e4cher gegebenen Skizzen). Dieses Hindernis kann nat\u00fcrlich auch eine Wand sein. Andererseits ist angegeben, dass ein Vordach ein Bauwerk ohne permanente W\u00e4nde ist. Unbeachtet dieser Definition k\u00f6nnen wir dieses Dach als Vordach betrachten, weil letzten Endes die Natur der Luftstr\u00f6mung unter dem Dach wichtig ist, und nicht die Definition des Vordaches in der Norm. Wir betonen das jedoch aus einem anderen Grund: wie analysiert man diese Wand auf Windeinfl\u00fcsse? Und was, wenn mehr als eine Wand vorhanden ist? Eurocode sieht diese Situation leider nicht vor. Wenn eine Wand vorhanden ist, k\u00f6nnen wir diesen Fall nat\u00fcrlich nach den im entsprechenden Kapitel gegebenen Regeln f\u00fcr W\u00e4nde und Br\u00fcstungen analysieren.<\/p>\n

Wenn jedoch mehr als eine Wand vorhanden ist, wird die Situation komplizierter. Wir k\u00f6nnen auf jeden Fall die zuvor genannten Regeln weiterhin anwenden und bestimmte N\u00e4herungswerte berechnen, aber werden wir auf diese Weise die reale Luftstr\u00f6mung und Winddr\u00fccke darstellen und werden wir alle erforderlichen Windrichtungen analysieren? Diese F\u00e4lle k\u00f6nnen nat\u00fcrlich als offene Geb\u00e4ude kategorisiert werden, dennoch erw\u00e4hnen wir sie im Teil im Zusammenhang mit Vord\u00e4chern. In diesem Fall k\u00f6nnen wir ebenso alte Normen heranziehen, wie z. B. die deutsche DIN 1055-4 oder die bereits erw\u00e4hnte BS 6399-2. Diese Normen sehen diese Situation vor und geben die Innendruckkoeffizienten f\u00fcr Geb\u00e4ude, die von einer, zwei oder drei Seiten ge\u00f6ffnet sind, sowie die zu analysierenden relevanten Windblasrichtungen. ASCE 7 klassifiziert zudem Geb\u00e4ude nach dem Grad der \u00d6ffnung in den Geb\u00e4udeh\u00fcllen und gibt dementsprechend die Innendruckkoeffizienten.<\/p>\n

CFD-Analyse<\/h2>\n

F\u00fcr F\u00e4lle, die nicht mit Normen abgedeckt sind, k\u00f6nnen auch fortschrittliche Analysen unter Nutzung einiger auf dem Markt verf\u00fcgbarer CFD (Computional Fluid Dynamics) Software-Tools gemacht werden. F\u00fcr den Bedarf eines Projektes f\u00fcr ein Vordach f\u00fcr einen Parkplatz, der von drei Seiten geschlossen ist (oder laut einigen Definition Geb\u00e4ude, das von einer Seite ge\u00f6ffnet ist) haben wir die Testversion der Software RWIND verwendet, um uns einen besseren Eindruck \u00fcber die Luftstr\u00f6mung um und innerhalb des Vordaches zu verschaffen und die Ergebnisse mit den Ergebnissen aus den jeweiligen zuvor angef\u00fchrten Normen zu vergleichen. Obwohl wir keine Experten in der CFD-Analyse sind (zumindest noch nicht), sind wir zu Ergebnissen gekommen, die uns realistisch erscheinen und mit den Informationen aus den Normen vergleichbar sind.<\/p>\n