Fachübersicht
Das Modul ASWD führt eine Windlastanalyse für Schornsteine, Kamine, Fackeln und stehende Behälter nach ASCE 7-05 durch, dem amerikanischen Lastenstandard für Gebäude und andere Tragwerke. Berechnet wird die Gesamtbelastung am Fuß des Bauteils — Querkraft und Umsturzmoment aus Wind —, wie sie für Verankerungs-, Standzargen- und Fundamentnachweise hoher schlanker Anlagenkomponenten benötigt wird.
Der Staudruck wird aus der Basiswindgeschwindigkeit (3-Sekunden-Bö), der Geländekategorie mit dem höhenabhängigen Beiwert Kz, der Topographie (Kzt), der Windrichtungswirkung (Kd) und dem Importance Factor gebildet; zusammen mit Böenfaktor G und Kraftbeiwert Cf ergibt sich die Windkraft auf die projizierte Fläche. Da der Staudruck mit der Höhe zunimmt, unterteilt das Modul das Bauteil in Segmente (12×5 ft, 8×10 ft, 4×20 ft bzw. 8×50 ft) und listet die Belastung je Segment einzeln auf — so lassen sich Lastverteilung und Fußschnittgrößen nachvollziehen und mit anderen Rechnungen vergleichen.
Typische Anwendungsfälle sind Exportprojekte mit IBC/ASCE-Anforderungen: stehende Kolonnen und Behälter, freistehende Kamine und Abgasrohre, für die neben der Erdbebenlast auch die Windlast berechnen und dokumentieren zu ist. Für europäische Standorte gilt stattdessen DIN EN 1991-1-4.
Typischer Arbeitsablauf
Windparameter des Standorts festlegen
Eingegeben werden die Basiswindgeschwindigkeit V (3-Sekunden-Bö nach den Karten der ASCE 7-05), die Geländekategorie (Exposure B, C oder D), der Topographiefaktor Kzt, der Richtungsfaktor Kd und der Importance Factor der Anlagenkategorie.
Bauteilgeometrie und Segmentierung
Höhe und Durchmesser (bzw. Breite) des Schornsteins oder Behälters bestimmen die projizierte Windangriffsfläche. Das Modul teilt die Höhe in Standardsegmente (5, 10, 20 oder 50 ft) auf, damit der höhenabhängige Staudruck realistisch erfasst wird.
Staudruck je Segment berechnen
Für jede Segmenthöhe wird der Geschwindigkeitsdruck qz aus 0,00256·Kz·Kzt·Kd·V²·I (in psf, V in mph) ermittelt; Kz steigt mit der Höhe über Grund gemäß der gewählten Exposure-Kategorie.
Windkraft je Segment bilden
Die Kraft auf jedes Segment folgt aus F = qz·G·Cf·Af mit dem Böenfaktor G (bzw. Gf bei schwingungsanfälligen, flexiblen Strukturen), dem Kraftbeiwert Cf für runde oder kantige Querschnitte nach den Tabellen der ASCE 7-05 und der Segmentfläche Af.
Fußschnittgrößen aufsummieren
Segmentkräfte und ihre Hebelarme werden zu Gesamtquerkraft und Umsturzmoment am Fußpunkt aufsummiert. Diese Werte gehen in den Nachweis von Standzarge, Ankerschrauben und Fundament ein und lassen sich segmentweise mit Vergleichsrechnungen abgleichen.
Häufige Fragen
Warum wird das Bauteil in Segmente unterteilt?
Der Geschwindigkeitsdruck wächst mit der Höhe über Grund (Kz-Profil). Eine Rechnung mit einem einzigen Mittelwert unterschätzt das Umsturzmoment, weil die großen Drücke oben mit den größten Hebelarmen zusammenfallen. Die Segmentierung in 5- bis 50-ft-Abschnitte bildet das Druckprofil treppenförmig ab und liefert neben der Summenlast auch die Lastverteilung für den Schaftnachweis in verschiedenen Höhen.
Was ist bei schlanken Schornsteinen zusätzlich zur statischen Windlast zu beachten?
Flexible Strukturen mit einer Eigenfrequenz unter 1 Hz gelten nach ASCE 7 als schwingungsanfällig; statt des starren Böenfaktors G = 0,85 ist dann der dynamische Gust Effect Factor Gf mit der Eigenfrequenz und Dämpfung zu berechnen. Unabhängig davon müssen schlanke Kreiszylinder auf wirbelerregte Querschwingungen (Vortex Shedding) untersucht werden — dieses Phänomen ist nicht durch die statische Windlastberechnung abgedeckt und kann Ermüdungsschäden verursachen.
Wovon hängt der Kraftbeiwert Cf ab?
Bei runden Querschnitten von der Oberflächenrauheit (glatt, mäßig rau, sehr rau), vom Schlankheitsverhältnis h/D und davon, ob der Zylinder im überkritischen Reynolds-Bereich angeströmt wird (Kriterium D·√qz in ASCE 7-05 Fig. 6-21). Glatte Zylinder erreichen Cf ≈ 0,5–0,7, sehr raue oder mit Anbauten besetzte deutlich mehr. Leitern, Rohrleitungen und Plattformen am Schaft vergrößern zudem die effektive Angriffsfläche und werden oft pauschal über Zuschläge erfasst.
Kann ich Ergebnisse nach ASCE 7-05 direkt mit Eurocode-Windlasten vergleichen?
Nur mit Vorsicht. ASCE 7-05 verwendet die 3-Sekunden-Bö als Basiswindgeschwindigkeit, der Eurocode das 10-Minuten-Mittel — dieselbe Standortwindigkeit führt also zu scheinbar sehr unterschiedlichen Zahlenwerten. Auch Sicherheitskonzept (Lastfaktoren) und Böenmodell unterscheiden sich. Ein Vergleich sollte immer auf Ebene der resultierenden Bemessungsschnittgrößen mit den jeweils zugehörigen Lastfaktoren erfolgen.
Rechenbeispiel
Für ein Segment eines freistehenden Kamins ist die Windkraft nach ASCE 7-05 zu bestimmen. Das Segment liegt in einer Höhe, für die der Höhenbeiwert Kz = 1,04 gilt (Exposure C); die projizierte Segmentfläche beträgt 200 ft². Der Kraftbeiwert wurde nach ASCE 7-05 Fig. 6-21 für den mäßig rauen Kreiszylinder abgelesen.
Gegeben
| Basiswindgeschwindigkeit V | 110 mph (3-s-Bö) |
|---|---|
| Höhenbeiwert Kz | 1,04 |
| Topographiefaktor Kzt | 1,0 |
| Richtungsfaktor Kd | 0,95 |
| Importance Factor I | 1,15 |
| Böenfaktor G / Kraftbeiwert Cf | 0,85 / 0,7 |
| Projizierte Fläche Af | 200 ft² |
Lösungsweg
Geschwindigkeitsdruck
qz = 0,00256 · Kz · Kzt · Kd · V² · I
qz = 0,00256 · 1,04 · 1,0 · 0,95 · 110² · 1,15 ≈ 35,2 psf ≈ 1,69 kN/m²
Windkraft auf das Segment
F = qz · G · Cf · Af = 35,2 · 0,85 · 0,7 · 200 ≈ 4 190 lbf ≈ 18,6 kN
Diese Segmentkraft wird mit ihrem Hebelarm zum Fußpunkt in Gesamtquerkraft und Umsturzmoment aufsummiert; die weiteren Segmente werden mit ihrem jeweiligen Kz analog berechnet.
Ergebnis
| Geschwindigkeitsdruck qz | ≈ 35,2 psf ≈ 1,69 kN/m² |
|---|---|
| Segment-Windkraft F | ≈ 4 190 lbf ≈ 18,6 kN |
Technische Inhaltsbasis: LV-Solved-Problems-Content 628d313247e7