Windlasten an quaderförmigen Gebäuden in bebauten Gebieten [online]

Um den Sicherheitsaspekten sowie der Wirtschaftlichkeit im
Bauwesen Rechnung zu tragen, kommt der Bestimmung realitätsnaher
Windlastannahmen bei der Bemessung von Bauwerken besondere
Bedeutung zu. Dies ist vor allem auch vor dem Hintergrund zu
sehen, daß sich in jüngerer Zeit aufgrund fortschreitender
Entwicklung von Materialien und Verfahren die anzusetzenden
Windlasten für zahlreiche Bauwerke immer mehr zu einem
entscheidenden Entwurfskriterium entwickelt haben.
Ein wesentlicher Einfluß auf die für ein Bauwerk zu erwartenden
Windlasten wird durch den Standort und die unmittelbare Umgebung
des Bauwerkes ausgeübt. Dies gilt vor allem für die Vielzahl von
Gebäuden, die in bereits bebauten Gebieten errichtet werden und
dann einer hochgradig komplexen Anströmung durch Wind ausgesetzt
sind. Viele Windlastnormen, einschließlich der derzeit für
Deutschland noch rechtsgültigen DIN 1055 Teil 4 in ihrer
Fassung von 1986, behandeln Gebäude jedoch lediglich als einzeln
stehende Körper und erfüllen daher nur bedingt den Anspruch
einer realistischen Prognose der zu erwartenden Windlasten an
einem Bauwerk. Neuere Vorschriften wie z. B. der Entwurf zum
... mehrEurocode 1 Part 2-4 (ENV 1991-2-4 (1994)) enthalten Regeln für
eine differenziertere Betrachtung im Hinblick auf den Standort
eines Gebäudes. Diese wurden jedoch bisher noch nicht in
deutsches Recht übernommen, bzw. wurden beim Neuentwurf zur DIN
1055 Teil 4 (2001) nicht vollständig berücksichtigt. Eine der
Ursachen hierfür, ist die aufgrund der enormen Vielfalt
möglicher Bebauungsstrukturen schwierige Bestimmung der
anzusetzenden Windlasten für Bauwerke in bebauten Gebieten sowie
die unzureichende Datenlage aus gebäudeaerodynamischen
Untersuchungen.
Ein wesentliches Ziel der vorliegenden Arbeit liegt daher darin,
den Einfluß bebauter Umgebung auf die Windlasten an Gebäuden
anhand systematischer Untersuchungen an Windkanalmodellen sowie
durch Naturmessungen zu bestimmen. Grundlage hierfür bildet die
Klassifizierung und Parametrisierung von existierenden
Bebauungsstrukturen, welche eine Beschränkung der Untersuchungen
auf drei wesentliche Typen von Bebauungsarten erlaubt. In einem
ersten Schritt wurden im Windkanal jedoch zuerst die am einzeln
stehenden Gebäude auftretenden Lasten bestimmt und mit Daten aus
der Literatur sowie den Bemessungsvorgaben der ENV 1991-2-4
verglichen. Hierbei wurde festgestellt, daß eine gute
Übereinstimmung, sowohl für die globalen Kräfte, als auch für
die lokalen auf unterschiedlich große Teilflächen bezogenen
Windlasten besteht.
In bebauten Gebieten wurden die winderzeugten globalen und
lokalen Bauwerkslasten für Testgebäude unterschiedlicher Höhe
eingebunden in drei Bebauungsarten im Windkanal bestimmt:
• reihenförmige Struktur mit konstanten Gebäudeabmessungen
• Industriebebauung mit variablen Gebäudeabmessungen und
Gebäudegeometrien
• innerstädtische Blockrandbebauung

Anhand der einfach strukturierten Reihenbebauung konnten
wesentliche Zusammenhänge zwischen Gebäudebelastung und
Gebäudeabstand bzw. Bebauungsdichte aufgezeigt werden.
In der modellierten Industriebebauung, welche aufgrund ihres
eher randomisierten Anordnungsmusters für eine Vielzahl real
existierender Bebauungsmuster repräsentativ ist, wurde jedoch
bei veränderter Position der Testgebäude ein hohes Maß an
Variabilität der Lasten festgestellt. Diese Variabilität,
abhängig von der Bebauungssituation in unmittelbarer Nähe des
Testgebäudes, überwiegt bei weitem den Einfluß der
Gesamtstruktur. Es lag somit der Schluß nahe, den Einfluß der
Umgebungsbebauung auf die Windlasten mit einem statistischen und
sicherheitstheoretischen Konzept zu erfassen.
Eine Kenngröße bei der Anwendung der Zuverlässigkeitstheorie zur
Bestimmung winderzeugter Bauwerkslasten ist der
Modellunsicherheitsfaktor, welcher die Abweichung bisheriger
Untersuchungsergebnisse zwischen Modell und Natur beschreibt.
Für Gebäude eingebunden in eine komplexe Umgebungsbebauung lagen
bisher keine Angaben aus Naturmessungen vor, um die Güte der
Windkanaluntersuchungen zu beurteilen.
Umfangreiche Meßdaten für ein Meßgebäude in Natur wurden daher
über einen Zeitraum von ca. 3 Jahren aufgezeichnet. Der
Vergleich der Ergebnisse aus den Naturmessungen mit den Daten
der Windkanaluntersuchungen am skalierten Modell des Testgebäude
zeigt eine sehr gute Übereinstimmung, wenn statistische Größen
und Lasten für Einflußflächen gleicher Größe betrachtet werden.
Die Streuung der Naturdaten sowie geringfügige Abweichungen im
Bereich der lokalen Lasten wurden in den
Modellunsicherheitsfaktor einbezogen.
Im letzten Abschnitt der Arbeit werden die zu erwartenden
Windlasten in bebauten Gebieten mit der Methode der zweiten
Momente (Second Moment Reliability), mit deren Hilfe
Lastbeiwerte auf einem festgelegten Sicherheitsniveau
spezifiziert werden können, bestimmt.
Die Eingangsgrößen der Windlastkette gehen hierbei als
Mittelwert und Variationskoeffizient in die Berechnung ein. Die
Variabilität der aerodynamischen Lastbeiwerte, welche durch die
umgebende Bebauung hervorgerufen wird, wurde hierzu anhand der
Datenbasis der Windkanalversuche in umgebender Bebauung
ermittelt. Für bebaute Gebiete können anhand der vorliegenden
Meßdaten Windlastannahmen auf dem gleichen Sicherheitsniveau wie
in der ENV 1991-2-4 spezifiziert werden. Durch den Vergleich der
Ergebnisse in Bebauung mit den Daten der Einzelgebäude, welche
wie zuvor erwähnt im wesentlichen mit der ENV 1991-2-4
übereinstimmen, kann aufgezeigt werden, daß die Abhängigkeit der
anzusetzenden Windlasten von der Bebauung durch das Konzept der
ENV 1991-2-4 durchaus erfaßt wird.
Die Bestimmung des Bemessungsstaudrucks abhängig von der
Geländekategorie, bzw. der Art des bebauten Gebietes, resultiert
in den meisten Fällen in Windlasten auf dem angestrebten
Sicherheitsniveau. Die wenigen festgestellten Abweichungen bzw.
Ausnahmen hiervon werden deutlich gemacht.