// SCINEXX — SPAZIO & SCIENZA
Wellenförmige Wand- und Dachformen können vor Hurrikanwinden schützen
Wellige Wände und Dächer können die stärksten Winddrücke auf niedrige Gebäude deutlich mindern. In Windkanaltests mit 3D-gedruckten Modellen verringerte die tiefste untersuchte Wellenform die Spitzenbelastung an besonders gefährdeten Dach- und Wandecken um 40 bis 60 Prozent. Die Ergebnisse zeigen einen möglichen neuen Weg zu sturmfesteren Gebäudehüllen, gelten bislang aber nur für die untersuchten Modellgeometrien.
Tallahassee (U.S.A.). Starker Wind kann an Dachkanten und Gebäudeecken besonders hohe Sogkräfte erzeugen. Dort löst sich die Strömung leicht von der Oberfläche ab und bildet Wirbel, die den Außendruck stark absenken. Der höhere Luftdruck im Gebäude oder an anderen Flächen kann Bauteile dann nach außen belasten.
Übliche Gegenmaßnahmen setzen unter anderem auf abgerundete Ecken, geneigte Flächen oder stärkere Bauteile. Solche Lösungen können jedoch Material, Kosten und konstruktiven Aufwand erhöhen. Eine Forschungsgruppe aus Florida hat deshalb geprüft, ob sich die Windlast schon durch die Form der Gebäudehülle verringern lässt.
Für die Versuche fertigte das Team 3D-gedruckte Modelle niedriger Gebäude mit wellenförmigen Dächern oder Wänden. Insgesamt umfasste die Versuchsreihe 56 unabhängige aerodynamische Windkanaltests an Modellen im Maßstab 1:75. Die Forscher testeten sinusförmige Wellen mit Amplituden von fünf, 7,5 und zehn Prozent der Gebäudehöhe jeweils getrennt an Wand- und Dachflächen. Als Vergleich dienten Modelle mit ebenen Außenflächen.
Im Windkanal erfassten die Forscher, wie sich mittlere und schwankende Oberflächendrücke bei verschiedenen Windrichtungen veränderten. Die wellige Oberfläche unterbrach dabei die Ausbildung großer zusammenhängender Wirbel entlang der Außenhaut. Statt über eine ebene Fläche zu streichen, traf die Luft auf eine Folge von Erhebungen und Vertiefungen. Dadurch wurden lokale Druckschwankungen gedämpft und besonders starke Sogzonen in kritischen Bereichen abgeschwächt.
Am deutlichsten zeigte sich der Effekt bei der größten untersuchten Wellentiefe. Nahe den Ecken von Dächern und Wänden lagen die über Flächen gemittelten Spitzendrücke bei mehreren Anströmrichtungen um 40 bis 60 Prozent unter denen der ebenen Vergleichsmodelle. Damit hing die Wirkung klar von der Geometrie ab und war bei den ausgeprägtesten Wellen am größten.
Pedro Fernández-Cabán, Assistant Professor für Bauingenieurwesen am FAMU-FSU College of Engineering und Mitautor der Studie, sieht darin eine zusätzliche Möglichkeit für windgerechtes Bauen. Die Idee soll bestehende Strategien nicht ersetzen, sondern die aerodynamische Belastung bereits durch die Gebäudeform begrenzen.
„Die Form eines Gebäudes zu verändern, kann die Intensität der Windkräfte, denen es standhalten muss, erheblich verringern“, sagt Pedro Fernández-Cabán.
Die Versuche belegen zunächst die Druckverteilung auf verkleinerten Modellen im Windkanal. Sie zeigen nicht direkt, wie sich eine wellige Fassade oder ein solches Dach an einem vollständigen Gebäude während eines realen Hurrikans bewährt. Auch das Verhalten kompletter Bauteile und Verbindungen unter realen Sturmbedingungen war nicht Gegenstand dieser Druckmessungen.
Das Team untersucht deshalb derzeit genauer, wie die Luft um die wellenförmigen Gebäudehüllen strömt. Zusätzlich wollen die Forscher Strömungssimulationen nutzen, um Wellenmuster zu optimieren und weitere Oberflächengeometrien zu prüfen. Erst solche Folgestudien können zeigen, welche Formen sich für konkrete Bauweisen und unterschiedliche Windbedingungen eignen.