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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. Die 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. |
