Die Wechselwirkung von Fallböen mit typischen urbanen Bebauungsstrukturen

In konvektiven Wettersystemen können vertikale Abwinde entstehen. Sehr intensive Abwinde werden als Fallböe oder Downburst bezeichnet. Trifft die Fallböe auf die Erdoberfläche auf, breitet sich die Luft radial aus und verursacht hohe Geschwindigkeiten in Bodennähe, was zu erheblichen Schäden an gebauten Strukturen führen kann. In den Richtlinien zur Auslegung von Windlasten auf Gebäuden wird meist von einer atmosphärischen Grenzschichtströmung ausgegangen. Dies vernachlässigt drei wichtige Eigenschaften von Fallböen: das Vorhanden sein einer Vertikalgeschwindigkeit, maximale Horizontalgeschwindigkeiten in Bodennähe und ein stark instationäres Verhalten. ... mehrDie Auswirkungen von Fallböen innerhalb städtischer Bebauungsstrukturen und die Unterschiede zu den Annahmen in den einschlägigen DIN-Normen wurden bisher nicht untersucht.

Um diese Wissenslücke zu schließen, wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit verschiedene experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Zunächst wurde eine Böe mithilfe eines Luftstrahls simuliert, die in die Hintergrundströmung eines Windkanals eingebettet war. Die Böe traf auf eine Modellstraßenschlucht. Zu Beginn der Böe hatte sich ein Ringwirbel ausgebildet, der sich oberhalb der Bebauungsstrukturen ausbreitete. Ein Vergleich von stationären und instationären Experimenten zeigte, dass das plötzliche Auftreten der Böe, zusammen mit dem Ringwirbel, zu einer zusätzlichen Erhöhung der Geschwindigkeiten in der Straßenschlucht führt.

Im nächsten Schritt wurde der Einfluss einzelner Randbedingungen unter Vernachlässigung der Hintergrundströmung systematisch untersucht. Es hat sich gezeigt, dass die Vertikalgeschwindigkeit auf Dachhöhe und der Volumenstrom in die Straßenschlucht linear vom Verhältnis der Gebäudehöhe H zum Durchmesser der Fallböe D abhängen – je größer H/D desto größer die Vertikalkomponente und entsprechend der Volumenstrom. Die maximal auftretende Horizontalgeschwindigkeit in der Straßenschlucht entspricht der Fallgeschwindigkeit der Böe und ist unabhängig von der Geometrie der Straßenschlucht. Diese hohen Geschwindigkeiten werden umso länger innerhalb des Straßenzugs konserviert, je größer das Verhältnis H/D ist. In einer Straßenschlucht, die von Kreuzungen unterbrochen wird, hängt die Konservierung hoher Geschwindigkeiten zusätzlich von der Bebauungsdichte ab – je lockerer die Bebauung, desto schneller nehmen die Geschwindigkeiten ab. Die innerhalb einer städtischen Bebauung während einer Fallböe auftretenden Windlasten unterscheiden sich von denen in einer atmosphärischen Strömung. Insbesondere die Last auf den Dächern im Auftreffzentrum der Böe wird dabei von den Annahmen in den DIN-Normen unterschätzt.

In convective weather systems downdrafts can be generated. Very intense downdrafts are called downbursts. After the downburst has impinged in the ground, the air spreads radially and high velocities are generated close to the ground that can lead to severe damages to buildings. National standards are usually based on the assumption of an atmospheric boundary layer flow. This neglects three important characteristics of downburst: the presence of a vertical velocity component, horizontal peak velocities in the vicinity of the ground and a highly unsteady behavior. The impact of downbursts within densely populated areas and the differences against the assumptions of the national standards of the DIN were not investigated until now.
... mehr

In order to close this knowledge gap, experimental investigations were performed in the present work. First, a gust was simulated by means of a jet. The gust was embedded in a background flow genertated by a wind tunnel. The gust impinged on a street canyon model. At the onset of the gust a ring vortex was generated. A comparison of steady and unsteady conditions revealed that the sudden impingement of the gust together with the ring vortex yields an additional increase of peak velocities within the street canyon.

In a next step, the influence of single boundary conditions was considered. In this case, a background velocity was not present. It could be shown that the vertical velocity at eaves height as well as the volume flux into the street canyon depend on the ratio of building height H to downburst diameter D – the larger H/D, the higher the vertical velocity and the larger the volume flux into the street canyon. The maximum horizontal velocities within the canyon correspond to the vertical downdraft velocity. These high velocities are conserved longer, for larger H/D. For a street canyon interrupted by crossings, the conservation of high velocities additionally depends on the building density – the lower the density, the faster the decrease in velocity. The turbulence intensities are, furthermore, smaller within the canyon compared to open terrain conditions. The wind loadings in such conditions differ from those of an atmospheric boundary layer. Especially the loadings acting on the roofs within the impingement center exceed the specifications
provided by DIN standards.