Luftdruck um Gebäude: Ventilation & Windlast

Natürliche Ventilation ist eine schöne Möglichkeit um die Betriebskosten von Gebäuden zu senken. Die Idee ist einfach: Wenn Wind auf ein Gebäude trifft entsteht Überdruck - und auf der Wind abgewandten Seite Unterdruck. Setzt man also die Zuluft- und Abluftöffnungen an die entsprechenden Stellen, so wird frische Luft in das Gebäude gedrückt und verbrauchte Luft herausgesaugt. Das klingt prima: tausende Euro an Stromkosten sparen und immer gut Luftqualität haben. In der Praxis aber ist es nicht einfach, die richtigen Stellen für die Zuluft- und Abluftöffnungen zu finden, da der statische Druck um ein Gebäude von einer Reihe von Faktoren abhängt, auf die wir eingehen.
In Starkwind-Situationen, wird der dynamische Winddruck, also der Druck der durch den Impuls der Luft erzeugt wird, wenn diese gegen ein Gebäude drückt, zu einem Faktor für die Sicherheit des Gebäudes und die Menschen die sich in und um das Gebäude herum aufhalten. Wird die Windlast für solche Situationen nicht richtig beurteilt, können Gebäude beschädigt werden, was unnötige Kosten und schlimmstenfalls auch Gefahren für Personen nach sich ziehen kann.

Statischer Winddruck und Ventilation

Wenige Gebäude, wenn überhaupt eines, sind rechteckige Blöcke, genau in Hauptwindrichtung ausgerichtet und stehen auf einer perfekten Ebene ohne andere Strukturen in der Umgebung. All diese Faktor aber haben starken Einfluss auf die Windströmung um ein Gebäude: Windrichtung, Form des Gebäudes, Terrain, Gebäude in der Umgebung, Bäume und so weiter. Wir zeigen die grundlegenden Windeffekte in bebauten Gebieten in einem kleinen Video. Besonders in dicht bebauten urbanen Räumen bewirkt die Kombination dieser fluiddynamischen Effekte die Bildung komplexer Strömungen, die sich auch für Experten auf dem Gebiet schwer "schätzen" lassen. Im Bild sieht man sogenannte Strömungslinien, die die Komplexität der Strömung sichtbar machen. Es ist leicht zu sehen, dass sich solche Strömungsbilder nicht mit Daumenregeln abschätzen lassen.

Das Bild wurde aus dem Ergebnis einer CFD Simulation (Computational Fluid Dynamics) generiert. Solche Simulationen erlauben eine exakte Analyse der Luftströmungen sogar in sehr hochstrukturierten Umgebungen wie dicht bebauten Städten. Die Simulation kann auch direkt den Luftdruck an jedem Punkt der Gebäudehülle, für so viele Windrichtungen wie notwendig, liefern. Die Animation zeigt dieses statische Druckprofil an der Gebäudehülle eines Hochhauses.


In der CFD Simulation wurde die vorherrschende Windrichtung, das logarithmische Windprofile über die Höhe und Gebäude in der Nähe (nicht angezeigt) berücksichtigt. Die Animation zeigt auch, dass die Form des Gebäudes, großen Einfluss auf das statische Druckprofil hat, sogar für die in diesem Fall recht einfache Form. Ecken, Erker, Hinterschneidungen, Innenhöfe und ähnliches können das Druckprofil völlig verändern, sogar an der Gebäudeseite, die direkt in Windrichtung exponiert ist. Es ist auch möglich, den Einfluß von Strukturen, die den Wind bloß verlangsamen, aber nicht aufhalten, zu berücksichtigen. An dieser Stelle sind Lochbleche, Hecken und Bäume zu nennen, die man auch aktiv als Planungselemente einsetzen kann.

Eine solche Analyse, die bei großen Gebäuden weniger kostet, als die Energie, die sie in einem Jahr einsparen kann, liefert Architekten und Ingenieuren also die besten Möglichkeiten für die Anordnung der Ein- und Auslässe für die Lüftungsanlagen. Je nach Situation kann man unter Umständen sogar zwischen Ein- und Auslässen wechseln, wenn sich die Windrichtung ändert. Sehen wir uns eine kurze Überschlagsrechnung an: Im hier gezeigten Gebäude ist Platz für etwa 5000 Personen. Für jede Person werden etwa 35 m³/h Frischluft benötigt, woraus sich ein Maximalbedarf von ca. 150000 m³/h ergibt. Bei einer Druckdifferenz von 6 mbar würde eine Öffnung von ca. 1.5 m Durchmesser schon ausreichen um diese Luftmenge bereitzustellen. Ein Ventilator, der diese Luftmenge für 25% des Jahres bereit stellen würde, würde elektrische Energie für etwa 15 kEUR verbrauchen.

Statischer und dynmischer Druck, Starkwind, Böen und Auswirkungen auf Gebäude

Windinduzierte Druckdifferenzen sind auch ein Thema für die Sicherheit und Instandhaltung von Gebäuden. Sehen wir uns das Beispiel von oben an - eine statische Druckdifferenz von (abgerundet) 500 Pa entspricht einer Kraft von ca. 50 kg/m². Will man eine handelsübliche Tür gegen so einen Druck öffnen bzw. schließen dann benötigt man so viel Kraft wie zum heben einer Last von 100 kg! An gewissen Stellen am Gebäude können bei entsprechenden Windbedingungen also beträchtliche Kräfte wirken.

Das ist auch besonders relevant für Fassadenelemente, wie Verkleidungen, Platten und ähnliches, auf die solch ein Differentialdruck je nach Bauweise wirken kann. Werden diese Kräfte schon von vorneherein eingeplant, so erspart man sich später möglicherweise hohe Kosten.

In diesem Beispiel sind wir von einer Windgeschwindigkeit von ledigliche 40 km/h ausgegangen, in einem Sturm mit Windgeschwindigkeiten jenseits von 75 km/h wirken noch wesentlich stärkere Kräfte. Dazu treten auch noch Böen (oft definiert als 3 Sekunden Durchschnittswert) auf die oft das doppelte der durchschnittlichen Geschwindigkeit (meist über 10 Minuten gemittelt) erreichen können. Insgesamt bedeutet das, dass man - je nach lokaler Windsituation und Gebäudeform - mit Geschwindigkeiten von 150-200 km/h für voll ausgebildete Stürme in Europa, rechnen muss. Die TORRO Skala and die Fujita Skala klassifizieren den möglichen Schaden den Wind verschiedener Geschwindigkeiten verursachen kann. Dächer, Türen, Dachterassen, Flugdächer, Verschattungen, Verkleidungen etc. sollten so geplant werden, dass sie den lokal auftretenden Winden standhalten können und Passanten nicht gefährdet werden..

Werfen wir einen Blick auf den dynamischen Winddruck, also den Impuls (Masse mal Geschwindigkeit) mit dem die bewegte Windmasse gegen das Gebäude drückt. Der Graph zeigt die "Standard-" Windgeschwindigkeit in 10 m Höhe (so wie vom Wetterbericht gemeldet) aufgetragen gegen den Winddruck ("Windlast") in den folgenden drei Fällen:

  • Blau → Durchschnittliche Windlast in 10 m Höhe
  • Grün → Windlast der Böen für die jeweilige durchschnittliche Windgeschwindigkeit
  • Rot → Windlast der Böen plus Effekt der Gebäudeform und Höhe für das oben gezeigte Gebäude

Die Kraft mit der Wind gegen eine Gebäudehülle drückt steigt exponential mit der Windgeschwindigkeit, nachdem sich diese durch Böen und die Umgebund des Gebäudes sowie die Gebäudehöhe und die Gebäudeform erhöht, ergeben sich letztendlich viel stärkere Kräfte, als man allein aufgrund der durchschnittlichen Windgeschwindigkeit schließen würde. In der Deutschland sind nach Vorgaben der Straßenverwaltung für Lärmschutzwände beispielsweise 1450 N/m² vorgeschrieben - was in etwa dem Wert entspricht, den auch wir für niedrige Bauten empfehlen (rechtes Ende der grünen Kurve).

Für den hier gezeigten Fall eines 220m hohen Gebäudes muss man aber mit einem Druck von bis zu 3500 N/m² (~350 kg/m²) rechnen, der im Extremfall auf einige Stellen des Gebäudes einwirkt (Beaufort 10, durchschnittliche Windgeschwindigkeit 95 km/h). Abhängig von der lokalen Situation mit durchschnittlicher Windgeschwindigkeit, Böen, Geländeform, umliegende Gebäude, Gebäudeform und so weiter, kann eine fundierte Analyse helfen die entsprechenden Risiken besser einzuschätzen und entsprechend zu planen. Kontaktieren Sie uns, ein Erstgespräche ist jedenfalls kostenfrei.