Aachen: Windingenieur Frank Kemper: Die unkontrollierte Kraft kontrollieren

Aachen : Windingenieur Frank Kemper: Die unkontrollierte Kraft kontrollieren

Wer schon mal einen Lenkdrachen am Strand hat steigen lassen, weiß es: Wind hat eine Menge Kraft. Er wirkt auch auf Gebäude — umso mehr, wenn sie spektakulär hoch und sehr schlank sind. Windingenieure wie Professor Frank Kemper, Geschäftsführer des Center of Wind and Earthquake Engineering (CWE) an der RWTH Aachen, untersuchen die Windlast auf Gebäude.

Was fällt Ihnen zu folgenden Worten ein? Wind.

Kemper: Kraft.

Sturm?

Kemper: Gefahr.

Orkan?

Kemper: Lebensgefahr.

Mochten Sie als Kind schon Wind?

Kemper: Wahrscheinlich genauso wie die Kinder heutzutage. Manchmal ja, manchmal nicht. Es kommt darauf an, ob man ihn sich zu Nutze machen kann. Wenn man einen Drachen steigen lassen will, braucht man Windkraft. Aber manchmal ist Wind auch lästig, wenn man zum Beispiel draußen Federball spielen will.

Wann wird es Ihnen zu viel Wind?

Kemper: Ich habe großen Respekt vor großen Windgeschwindigkeiten. Starker Wind beginnt bei 40 bis 50 Stundenkilometern Windgeschwindigkeit. Dann wird auch mir, der sich beruflich viel mit Wind beschäftigt, bewusst, dass Wind eine unkontrollierte Kraft ist, die über uns hinwegfegt. Wir und alles was mit uns zu tun hat — also auch Bauwerke — müssen vor solchem Wind geschützt werden.

Als Windingenieur haben Sie unter anderem die Konstrukteure der Olympischen Fackel in Sotschi beraten. Warum?

Kemper: Wind kann für Bauwerke gefährlich werden. Sie geraten durch unterschiedlich starke Winde in Schwingungen. Schwingungen können dazu führen, dass die Standfestigkeit gefährdet wird und Bauwerke einstürzen oder umstürzen. Bei der Fackel in Sotschi gab es eine solche Schwingungsgefahr, die dazu hätte führen können, dass dieses schlanke, hohe Bauwerk umgefallen wäre.

Wurde an der Fackel durch Ihre Beratung noch etwas verändert?

Kemper: Ja, drei Schwingungsdämpfer wurden an der Spitze eingebaut. Sie machen die Schwingungen beherrschbar.

Menschen wollen immer höher und spektakulärer bauen. Was müssen die Planer dabei beachten?

Kemper: Höher und spektakulärer geht meist mit schlanker einher. Das wünscht die Architektur und das ist durch neue Baumaterialien und -techniken heute auch besser möglich als früher. Aber das macht die Strukturen auch anfälliger für Bewegungen. Diese Schwingungsanfälligkeit muss bei der Planung berücksichtigt werden. Und das ist mitunter ziemlich kompliziert.

Haben das alle Planer auf dem Schirm?

Kemper: Manche ja, manche nicht. Manchmal muss man noch Maßnahmen ergreifen, wenn das Bauwerk schon steht. Dann wird es schwierig, weil zum Beispiel kein Platz für Dämpfungsmaßnahmen einkalkuliert wurde.

Wie viel Windlast muss ein Bauwerk wie eine Brücke oder ein Fußballstadion aushalten?

Kemper: Das ist sehr unterschiedlich. Es kommt auf den Standort an. An der Küste oder auf einem Berg gibt es stets mehr Wind als in einer Innenstadt. Aber 100 Kilometer pro Stunde im Mittel und Böen bis 180 Kilometer pro Stunde sollte ein Bauwerk schon aushalten. Das entspricht einer Windstärke von zwölf Beaufort. Dann spricht man von Orkan.

Wie berechnen Sie das?

Kemper: Um den Wind zu berechnen, der auf das Gebäude zuströmen kann, nutzen wir Wetterdaten, die aus vielen Jahrzehnten Informationen liefern. Daraus extrahieren wir mit statistischen Mitteln, welche Windgeschwindigkeit maximal und mit einer Wahrscheinlichkeit von einmal in 50 Jahren an dem Standort auftreten kann. Dann kommt es auf die Form und die Größe des Bauwerks an. Wir nennen das Aerodynamik. Je windschnittiger ein Gebäude ist, desto weniger Kraft muss das Gebäude abtragen. Für einfache Kreiszylinder oder kubische Gebäude kennen wir die Daten der Aerodynamik gut. Aber Architekten wollen über die Form auch Akzente setzen. Wenn es spektakulärer wird, fehlt uns darüber das Wissen. Wir haben keine Normen.

Was machen Sie dann?

Kemper: Wir können im Windkanal Modelle der Bauwerke testen. Dort können wir experimentell bestimmen, wie viel Kraft auf das Gebäude an den verschiedenen Stellen einwirkt. Das ist eine sehr genaue Methode. Es setzen sich aber auch zunehmend Computersimulationen durch, mit denen die Windlast errechnet werden kann. In diesem Bereich gibt es aber auch noch viel Forschungsbedarf, weil diese komplizierten strömungsmechanischen Mechanismen nur schwer ausschließlich berechnet werden können, um die geforderte Sicherheit zu gewährleisten. Wir arbeiten in beiden Bereichen.

Durch den Klimawandel nehmen schwere Orkane weltweit zu. Wie beeinflusst das Ihre Arbeit?

Kemper: Nicht so stark. In der Tat verändert sich das globale Klima. Aber in den statistischen Wetterdaten, die unsere Grundlage sind, schlägt sich das noch nicht so nieder. Die bilden die vergangenen 50 Jahre ab. Wir sind auch noch nicht so weit, dass wir aus Sorge um mehr Stürme die Sicherheitsanforderungen an Gebäuden hochschrauben müssen.

Gab es schon spektakuläre Zusammenbrüche aufgrund von Wind?

Kemper: Ja, einige. Ganz einschneidend war der Brückeneinsturz der Tacoma Narrows Bridge in der Nähe von Seattle 1940. Sie galt als Meilenstein der Ingenieurskunst wegen ihres schlanken Brückenquerschnitts. Allein aus statischen Gesichtspunkten wäre der Überbau auch geeignet gewesen, das eigene Gewicht und das der darüber fahrenden Fahrzeuge zu tragen. Aber man wusste noch nicht, dass sich durch die Windanströmung solche filigranen Strukturen ungünstig zu Schwingungen angeregt werden können. Und zwar so, dass mit jeder Schwingung größere aerodynamische Kräfte auf sie wirken. Die Brücke schaukelte sich auf — ähnlich einer Kinderschaukel, die in der richtigen Frequenz angestoßen immer mehr an Höhe gewinnt. Die eingesetzten Materialien der Brücke konnten die extremen Beanspruchungen aber nicht aufnehmen. Die Brücke stürzte ein. Es gibt davon ein Video, das bei Youtube zu sehen ist.

Wann sollten Windingenieure bei der Planung hinzugezogen werden?

Kemper: Es macht immer dann Sinn, wenn Bauwerke nicht einer sogenannten Standardgeometrie entsprechen. Und wenn sie teuer sind. Dann kann eine vorherige genaue Berechnung der tatsächlichen Windlast Kosten einsparen. Denn die Windlasten fallen bei genauerer Betrachtung durch uns Windexperten häufig niedriger aus, als die Windlastnorm dies vorschreiben würde.

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