Strömung in der Stadt Heidenheim

Dabei muss es gar nicht immer so drastisch sein, wie das Orkantief Lothar. Selbst „kleinere“ Stürme können zu beachtlichen Schäden führen. Es wird immer wichtiger für die Planung und den Bau sicherer Siedlungen, das Thema Wind und Windlasten einzuberechnen. Im Detail müssen Gebäude, Ampeln, Schilder, Strommasten und -leitungen oder Solaranlagen einzelnen und dauerhaften Windlasten standhalten. Ebenso das Gesamtgebilde, wie eine Stadt, die durch die topgrafische Lage zusätzlich beeinflusst wird.

Hier kommt die ingenieurstechnische Simulationsberechnung ins Spiel. Mittels Methoden der numerischen Simulation - FEM (Finite-Elemente-Methode) und CFD (Computational Fluid Dynamics) - wird das Verhalten von Strukturen und Fluiden bei verschiedenen Bedingungen untersucht. Beide Methoden könnten auch eingesetzt werden, um das Verhalten von Bäumen bei Windbelastung zu simulieren.

FEM kann eingesetzt werden, um über die Geometrie von Körpern und deren Belastungen das mechanische Verhalten zu modellieren. Das heißt, das Verhalten eines Baumes, eines Gebäudes oder eines Strommasts kann unter Windbelastung digital modelliert werden, um Vorhersagen über Verhalten und ggf. auch das Versagen der Strukturen zu machen. Simulationstechnologien sind so weit, dass die Vorhersagen nahezu identisch mit tatsächlichen Tests in der Realität sind. Die Technologien werden eingesetzt, um Bruchverhalten oder Verschleiß vorherzusagen und noch während der Konstruktion von Produkten deren Verhalten positiv zu beeinflussen und zu optimieren.

Auf der anderen Seite werden Berechnungen über CFD genutzt, Strömungen und Drücke zu simulieren, wie beispielsweise den Winddruck auf die Oberfläche eines Baumes oder Gebäudes, um die aerodynamischen Kräfte zu berechnen. Im Falle eines Baumes kann dies helfen, den Einfluss von Änderungen der Baumform, beispielsweise durch Beschneiden oder das Entfernen von Ästen, auf die Windbelastung zu untersuchen. Im Falle von Gebäuden können Strukturen und Formen so gewählt werden, dass das Gebäude selbst bei hohen Windbelastungen sicher und stabil steht. Oft sind es einzelne Gebäude oder ganze Gebäudekomplexe, bei denen die Windverhältnisse von großem Interesse sind.

Ob es sich um große Einkaufshallen, überdachte Einkaufspassagen oder ganze Bahnhöfe handelt, man kann anhand von Strömungsbetrachtungen mit CFD (Computional Fluid Dynamics) Aussagen darüber treffen, ob es für die Passanten zu störenden Einflüssen kommt.

Jahrhundertstürme wie Lothar sind tragische Ereignisse, die nicht nur für materielle Schäden sorgen. Diese Ereignisse sollten genutzt werden, um daraus zu lernen, vorbereitet zu sein und für mehr Sicherheit zu sorgen. Dass beispielsweise bei der Verwüstung durch Lothar im Schwarzwald das Phänomen auftrat, dass oftmals die erste Reihe an Bäumen, welche der Windkraft direkt ausgesetzt war, keine Schäden davontrug, während hintere Reihen vollständig entwurzelt wurden, liegt daran, dass die Bäume am Waldrand den Winden stärker ausgesetzt sind und daher über die Jahre hinweg durch den Wind gestärkt wurden. Durch diesen Prozess haben sie ein stabileres Wurzelsystem und eine stärkere Holzstruktur entwickelt, um den Winden standzuhalten. Im Gegensatz dazu sind die Bäume im Inneren des Waldes oft von anderen Bäumen umgeben und geschützt, wodurch sie weniger dem Wind ausgesetzt sind. Diese Bäume haben daher möglicherweise nicht so viel Widerstandskraft gegen starke Winde und können daher eher entwurzelt werden.

Ein weiterer Faktor, der eine Rolle spielen kann, ist der Boden. Bäume, die auf lockeren oder feuchten Böden wachsen, haben oft ein flacheres Wurzelsystem als Bäume auf festem Boden.

Insgesamt hängt die Wahrscheinlichkeit von Entwurzelung bei Bäumen in einem Jahrhundertsturm von vielen Faktoren ab, einschließlich der Lage im Wald, der Bodenbeschaffenheit und der Art des Baumes. Aber auch die Strömungsverhältnisse und das Gelände spielt eine nicht zu vernachlässigte Rolle. Es können sich Walzen und Wirbel bilden, welche zu hohen Windgeschwindigkeiten auch innerhalb des Waldes führen.

All diese Faktoren sind auch – natürlich in abgewandelter Form – nicht unbedeutend für die Gebäude- und Städteplanung. Hier unterstützten Simulationstechnologien wie FEM und CFD dabei, nicht nur die Sicherheit hochzuhalten, wie beispielsweise beim Bau von Hochhäusern, sondern auch den Faktor Lebensqualität: wie wirken sich Gebäudestrukturen auf Strömungen aus, wenn es beispielsweise darum geht, in Fußgängerzonen, Parks oder freien Plätzen mit Gastronomie, für wenig Windverwirbelungen und „Zug“ zu sorgen. All das lässt sich voraussagen und nach der digitalen Simulation in der realen Welt gezielt bauen.

Bei der Modernen Planung von Gebäuden werden die Daten bereits 3D über das sogenannte BIM (Building Information Modelling) erfasst. Diese dreidimensionalen CAD-Daten kann Merkle CAE Solutions direkt weiterverarbeiten, um die Strömungsverhältnisse in den Gebäuden im Innenbereich oder im auch im Außenbereich zu simulieren. Im vorliegenden 3D-Beispiel wurde ein schneller Aufriss der Stadt Heidenheim im Bereich des Schlossberges anhand von Daten aus Google Earth erstellt. Die Geländeform wurde grob anhand der Höhenlinien händisch modelliert.

Man kann aber auch wesentlich detaillierter in die Beschreibung der Gebäude gehen. Von Großstädten sind auch Gebäudeform und Gebäudehöhen über Google Street View verfügbar, die weiterverarbeitet werden können. Braucht man es im Bestand genauer und liegen keine CAD-Daten vor, können 3D-Scans erstellt und verarbeitet werden.

Wesentlich detaillierte Modelle ganzer Städte sind auf den Clustern von Merkle CAE Solutions problemlos rechenbar. Liegen entsprechende Geländeprofile vor, lässt sich auch das Überflutungsverhalten bei Starkregen mit CFD simulieren.