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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 Eurocode 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.
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 Eurocode 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.
Windlasten an quaderförmigen Gebäuden in bebauten Gebieten [online]
Kiefer, Harald (author)
2003-01-01
Theses
Electronic Resource
German
DDC:
690
Windlasten an quaderförmigen Gebäuden in bebauten Gebieten
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