Wellenförmige Außenstrukturen sollen Gebäude vor Orkanböen schützen

Ein Forschungsteam der Florida State University (FSU) hat eine Methode entwickelt, wie Gebäude widerstandsfähiger gegen Orkane und Hurrikane gemacht werden können. Von den Wissenschaftlern untersuchte wellenförmige Strukturen an Außenwänden und Dächern können Windlasten bei niedrigen Gebäuden um bis zu 60 Prozent reduzieren.

Die Forscher haben untersucht, inwieweit sich Änderungen an Gebäudeformen auf die Widerstandsfähigkeit von Bauwerken gegen Wind auswirken. Das geht aus der Studie „Wind pressures on macro-corrugated low-rise building envelopes: Effect of corrugation depth“ hervor, die in Engineering Structures erschienen ist. Demnach kann eine Änderung an der Gebäudeform die Intensität von Windkräften, die ein Gebäude standhalten muss, erheblich verringern und sie vor Schäden schützen.

Die Wissenschaftler fertigten Windkanalmodelle niedriger Gebäude mit einem 3D-Drucker an. Die Gebäude weisen statt flacher Außenwände und Dächern wellenförmige Strukturen auf. Sie verglichen dabei Wellenstrukturen zwischen fünf und zehn Prozent der Gebäudehöhe mit Gebäuden mit flacher Außenfassade.

In einem Windkanal ermittelten die Wissenschaftler den Winddruck, der auf die unterschiedlichen Gebäudeformen einwirkte. Dabei berücksichtigten sie unterschiedliche Windrichtungen und maßen die jeweiligen Druckschwankungen, die auf die Modelle einwirkten. Das Modell mit den größten Wellentiefen erwies sich als besonders effektiv. Winddruckspitzen konnten durch dieser Wellenstruktur an Dach- und Wandkanten deutlich reduziert werden. Je nach Windrichtung zwischen 40 und 60 Prozent.

Gefährlicher Luftdruck

Sobald Wind auf ein Gebäude mit flachen Oberflächen sowie Kanten trifft, kann er durch die schnelle Luftströmung Unterdruck erzeugen. Der höhere Luftdruck in einem Gebäude sorgt dafür, dass die Oberfläche in die Zone mit niedrigerem Luftdruck gedrückt wird. Hinzu kommt, dass sich an den Dachecken und -kanten Wirbel bilden. Sie können die strukturelle Integrität des Gebäudes zusätzlich gefährden.

Krümmungen an einer Gebäudeoberfläche vermeiden zerstörerische Wirbel, erklären die Forscher. Denn sie eliminieren die Bereiche, in denen höhere Sogkräfte entstehen. Während der Wind bei flachen Wänden oder geneigten Dächern ungehindert über die Häuseroberfläche streichen kann, unterbrechen wellenförmige Strukturen den Luftstrom. Druckzonen werden dabei aufgebrochen und der Wind von der Gebäudeoberfläche weggeleitet.

Die Wissenschaftler machen neben wellenförmigen Strukturen an Gebäudefassaden sowie architektonische Elemente wie abgerundete Ecken, geneigte Wände und Rücksprünge noch weitere Vorschläge, wie Windlasten vermieden werden können. Sie schlagen etwa vor, Hauswände dicker und stabiler zu bauen. Allerdings sei das auch teurer. Häufig könnten bestehende Gebäude nicht entsprechend umgebaut werden.

Die Forscher wollen nun mittels numerischer Strömungssimulationen die Wellenmuster weiter optimieren und weitere Oberflächenstrukturen auf ihre Wirksamkeit untersuchen. Mit neuen Experimenten sollen dabei die Windströmungen um diese Fassadensysteme herum untersucht werden.