Windlasten

Hinweise zur Statik von Fassadenbegrünungen
Teil 2 ­- Horizontallasten (Windlasten) und Schlussbemerkung

Baustelle - Windlasten an Kletterpflanzen zur Fassadenbegrünung

Dieser Teil meiner Ausführungen (Stand 1994 bis 2001) wird wohl – ebenso wie meine aktuelleren Betrachtungen im Zusammenhang mit der Dimensionierung nach Lastklassen und der neu gefassten DIN 1055-4:2005-03 – eine ewige Baustelle bleiben. Die Hoffnung,  in Sachen „Windlasten von Fassadenbegrünungen“ kompetente und unterstützungswillige Experten zu finden oder gar Bezug auf fundierte Ergebnisse von Forschungsprojekten entsprechender Zielsetzung  nehmen zu können, hat sich in > 15 Jahren nicht erfüllt und wird dies wohl in den  kommenden Jahren auch nicht tun…. So sind meines Wissens z.B. alle Initiativen, Kletterpflanzen in einem Windkanal zu untersuchen, bisher (u.a. aus Kostengründen) ergebnislos im Sande verlaufen…..

U.a. deshalb ist sowohl dieses alte Kapitel als auch seine (kommende) Neufassung in Zusammenhang mit „Lastklassen der Fassadenbegrünung“ unter gewissen Vorbehalten zu lesen und anzuwenden.

2. Wenn es stürmt….

Auch wenn noch nicht auf brauchbare Meßergebnisse zurückgegriffen werden kann, gelten allgemeine Grundlagen. Z.B. ist allgemein bekannt, dass selbst Pflanzen, die offensichtlich weniger dicht wachsen als die meisten Kletterpflanzen, einen wirkungsvollen Windschutz darstellen. So schützen z.B. unbelaubte, etwa 1 m dicke Buchenhecken in beachtenswerter Weise Gehöfte in der Eifel vor Wind. Auch Schneefangzäune funktioneren trotz – bzw. wegen – ihrer Durchströmbarkeit indem sie Wind deutlich bremsen.

Sehr viele Kletterpflanzen bilden schindelartig angeordnete Belaubung an einer Vielzahl äußerst elastischer Triebe. Bis genauere Meßergebnisse vorliegen, sollte davon ausgegangen werden, dass aufgrund dieses Umstandes eine hohe Winddichtigkeit eintritt, wenn Winddruck, ggf. in Verbindung mit Nässe anliegt. Dieser spezielle „Abdichteffekt“ schützt ja bekanntermaßen auch die Fassade sehr wirkungsvoll vor Regen. Eine sehr niederschlagsdichte Fassadenbegrünung muss demnach nicht nur von oben her, sondern auch im Bereich der Waagerechten entsprechend „dicht“ sein.

Daher wird von mir bis auf weiteres angenommen, daß ab 1 m Polsterdicke einer belaubten Kletterpflanze die Staudrücke nach DIN 1055 Teil 4 i.d.R. unvermindert wirken. Ferner wird angenommen, daß auch jeder dünnere Fassadenbewuchs 80% der Windlast aufnimmt und auf seine Unterlage (Tragschicht / Kletterhilfe) überträgt. Obendrein nehme ich an, daß bei sehr dicht verzweigtem, ungeschnittenem (ungepflegtem) Bewuchs die Belaubung sogar von untergeordneter Bedeutung für die Windlasten sein kann.
D.h. Laubfall führt in diesem Fall nicht zwingend zur beachtenswerten Minderung der Windlasten.

Maßgeblich für jede Windlast ist die Größe der Windangriffsfläche und ggf. ein formbedingter Beiwert. (Dieser ist vielen als cw-Wert bekannt.) Die Form eines Fassadenbewuchses mit Gerüstkletterpflanzen entwickelt sich mit dem Wachstum etwa zu einer halbrunden oder abgerundet rechteckigen Säule, je nachdem wie viel Breitenwuchs die jeweilige Kletterhilfe ihm gestattet.
Die Säulenbreite entspricht der Breite der Kletterhilfe + etwa dem Doppelten der Dicke des Pflanzenpolsters (Überhang). Die Dicke (Maß senkrecht zur Wand) der gebildeten Säule resultiert aus dem Wandabstand der Kletterhilfe zuzüglich der einfachen Polsterdicke (Überhang).

Maßangaben hierzu können der Tabelle „Bemessungsdaten“ entnommen werden. Dort ist in der Spalte „Polsterdicke“ artspezifisch ein praxisübliches Maß angegeben. Leider stößt man, sobald man für diesen Aspekt der Fassadenbegrünung ein „kritisches Auge“ entwickelt hat, immer wieder auf einzelne Maßnahmen, die diese Angabe aufgrund anhaltender Pflegedefizite deutlich überschreiten.
Bei der Festlegung dieser Tabellenwerte, die ja eigentlich ebenfalls Maximalwerte darstellen sollten, war ich nicht wirklich konsequent. Sie basieren auf einer Mischung von konkreten Beispielen und ergänzenden „Rechenspielereien“ und sollen so etwa dem Normalfall entsprechen. Einige (nicht wenige) in der Praxis tatsächlich vorhandene, deutlich dickere Pflanzenvolumen sind m.E. ein derart unsinniges Ergebnis anhaltender Verwahrlosung, dass ich es ablehne, sie in vollem Umfang zur Bildung von Maßstäben heranzuziehen. Tatsächlich finden sich immer wieder Wandbegrünungen – u.a. an Lärmschutzwänden aber auch an Fassaden – deren Polsterdicke meine Tabellenwerte bis etwa 100 % überschreiten.

Sind Kletterhilfen niedriger als die tatsächlichen Wuchshöhen ist der Bewuchs etwa 1 m höher als OK Kletterhilfe und der Überhang auf den obersten 2 bis 3 m Höheist um das 1,5­- bis 2­-fache vergrößert
anzunehmen. Dafür kommt es unterhalb dieses „Wulstes“ meist zu erheblich verstärktem Aufkahlen.

Die Staudrücke bzw. Sogwirkungen auf die Pflanzenvolumen sind gemäß o.a. DIN entsprechend Höhe der Begrünung und Exposition des Gebäudes und der Begrünung zwischen 0,5 kN/m² und 1,1 kN/m² anzusetzen.

Windlasten an begrünten Fassaden
 

Abb. 7      Windlastfälle und Windgeschwindigkeiten
(Schematisch von oben betrachtet)

Windlast senkrecht zur begrünten Fassade

Da sich die Begrünung im Anstaubereich, bzw. Windschatten der Fassade befindet, kann der anzusetzende Staudruck abgemindert werden. Vorschlag in Anlehnung an o.a. DIN: Faktor 0,8 auf der Druckseite und 0,4 für Sog im Windschatten des Gebäudes. Im Randbereich des Gebäudes bis 2 m Breite können wesentlich erhöhte Windgeschwindigkeiten vor allem sogverstärkend wirken. Für die Befestigungstechnik von Kletterhilfen ist jedoch ohnehin üblicherweise nicht relevant, welche horizontale Zug­ oder Drucklasten berücksichtigt werden, solange diese axial auf Befestigungsmittel einwirken. Deren Belastbarkeit in Achsrichtung ist i.d.R. um ein Vielfaches größer als gegenüber Querkräften. Erhöhter Sog im Eck-­ oder Dachbereich kann jedoch Abrisse von Selbstklimmern verursachen.

Windlast parallel zur begrünten Fassade

Diese Windanströmung führt in jedem Fall zu höherer statischer Beanspruchung der Kletterhilfen und ihrer Befestigung oder von Untergründen auf denen Selbstklimmer haften. Die meisten Begrünungen sind in dieser Richtung (entspr. o.a. Breite) dicker als 1 m; also ist i.d.R. der volle Staudruck pro m² Auskragung entsprechend Höhe und Lage der Fassade anzusetzen. Dabei wird vereinfachend auf die Berücksichtigung aerodynamischer Beiwerte verzichtet. Im Eckbereich eines Gebäudes (1/8 Fassadenbreite bis 2 m) ist doppelte Windgeschwindigkeit, also doppelter Staudruck anzunehmen. Erhöhte Windlasten sind ebenfalls (ggf. nochmals zusätzlich) zu berücksichtigen, wenn aufgrund der Anordnung verschiedener Gebäude zueinander Düseneffekte auftreten könnten.

Wandbegrünungen in geschützten Lagen

Entsprechend örtlicher Verhältnisse können die Windlasten abgemindert werden, wenn hohe Strömungsgeschwindigkeiten ausgeschlossen sind. Dies gilt beispielsweise für Innenhöfe.

 

Berücksichtigung der Windlasten

Aufgrund verschieden großer Polsterdicken (Überhänge) der Arten, unterschiedlicher Wuchshöhe und der jeweiligen Exposition von Bauwerk und Begrünung ergeben sich stark differierende Windlasten je m² Windangriffsfläche. Ob und wie man diese Werte aufgrund „Durchströmbarkeit“ abmindern kann, sollte im Einzelfall entschieden werden. Je dicker das Pflanzenvolumen und je verzweigter die darin befindliche Triebstruktur ist, desto mehr verbieten sich Abminderungen.

Bei selbsklimmendem Bewuchs besteht – auch in Verbindung mit dem Alter der Fassadenbegrünung – die Gefahr von Abrissen vor allem im Rand­- und Eckbereich der Fassade. Das kann mit Beschädigungen verbunden sein, ist aber i.d.R. eher Folge sehr glatter oder oberflächlich nicht ausreichend fester Untergründe. In diesen Fällen sind die Schäden an der Fassade meist eher oberflächlicher Art – z.B. Ablösungen von Anstrichen.

Kletterhilfen und ihre Befestigung werden vor allem im Bereich der Außenecken parallel zur Wand belastet, d.h. bei allen Befestigungsmitteln und Verankerungen sind diese Querkräfte, bzw. ihre Resultierenden anteilig zu berücksichtigen.

Der Bewuchs wird von der jeweils installierten Kletterhilfe je nach Konstruktion unterschiedlich stabilisiert. Ferner bestehen große Unterschiede in der Schwingungsanfälligkeit verschiedener technischer Lösungen und darin, wie horizontale Belastung verteilt und übertragen wird. Bei gespannten Linerarlösungen sind die resultierenden Schrägzugeinflüsse zu berücksichtigen. Solche Linearkonstuktionen sind wenig oder überhaupt nicht gegen Torsion stabilisierbar. Wind bewirkt an ihnen oft eine pendelnde Drehbewegung der gesamten Begrünung. Je empfindlicher eine Fassade gegenüber mechanisch verursachten Schäden (u.a. Schlag, Kratzen, Zug über in Fugen eingedrungene Triebe usw.) ist, desto dringlicher müssen Kletterhilfen (und Bewuchs) horizontal versteift, bzw. stabilisiert werden.

Auf der Basis dieser Grundlagen und Überlegungen bleibt es den Initiatoren und Planern von Fassadenbegrünungen überlassen, wie sie die Windlasten konkret berücksichtigen. Offensichtlich ist, dass man z.B. die an Fallopia aubertii (Knöterich) im Außeneckbereich zerrenden Kräfte stärker berücksichtigen muss, als jene an einer Kletterrose im Innenhof. Sicherlich führt die Annahme völliger Winddichtigkeit oft zu absurden Ergebnissen, aber ebenso falsch ­- und sehr viel schadensträchtiger ­- ist die pauschale Unterstellung einer zu hohen Durchströmbarkeit des Bewuchses oder/und die Unterschätzung der von ihm längerfristig entwickelten Windangriffsfläche.

Aufgrund eigener Beobachtungen und Erfahrungen mit den Folgen von Windeinwirkungen biete ich persönlich aktuell auf bestimmten Fassaden (und freistehend) manche Konstruktion nicht mehr so an wie früher und sehe manches, was andere (noch) machen, als „ziemlich blauäugig“ an.

Ergänzend noch etwas zum „knobeln“….
Die auf eine Fahne wirkende Windlast wird unter Berücksichtigung von 25% ihrer Fläche ermittelt. Wie viele Fahnen und Fähnchen bildet eigentlich eine Kletterpflanze?

 

3. Schlussbemerkung

Bei der konstruktiven Berücksichtigung der Lasten ­- und vor allem der Windlasten bei Begrünungen mit Gerüstkletterpflanzen ­- geht es m.E. weniger um Detailfragen der Tragfähigkeit von Kletterhilfen und Befestigungen, als vielmehr um die generelle Vermeidung von Bewegungen (und Schwingungen). Es nutzt wenig, wenn ein Wandhalter ein Mehrfaches der Maximallast tragen würde, wenn davon unabhängig durch Horizontalbewegungen Verletzungen der Wetterschutzschicht einer Fassade und entsprechende Folgeschäden entstehen können.

Fassadenbegrünungen, die tatsächliche Sicherheitmängel – insbesondere hinsichtlich Personenschäden – aufweisen, sind auch bei kritischer Betrachtung eher selten.

Es gibt jedoch gewisse ­- in der Praxis noch häufiger vernachlässigte ­- Schadensrisiken, die aus der Begrünung moderner (wärmegedämmter) Fassaden mit traditionellenen Methoden entstehen. Selbst was ohne jede Einschränkung für ausschließlich massive Wandbauweisen empfohlen werden kann, ist unter statischen Aspekten aktuell längst nicht mehr universell einsetzbar. Der Wert einer Fassadenbegrünung ist nur dann gewährleistet, wenn sie ihre Positivwirkungen entfaltet, ohne langfristig unerwünschte „Nebenwirkungen“ zu entwickeln. Angewandte Sensibilität gegenüber Lasteinflüssen trägt erheblich zur Vermeidung von Schadensrisiken bei.

Zusammenfassung der wichtigsten Hinweise

  • Gemäß der in Teil 1.1 genannten Formeln kann unter Nutzung  von Tabellenwerten ein wahrscheinliches maximales Pflanzengewicht im durchnässtem Zustand für eine Fassadenbegrünung der Höhe „x“ ermittelt werden. Dieser  Wert bezieht sich auf die eine  Pflanze der betrachteten Art.
  • Die konkrete Ausweisung von Flächengewichten (kN/m²) scheitert an der unterschiedlichen Holzverteilung. Das höchste Flächengewicht ist nahe dem Wurzelhals anzunehmen. Es sinkt mit der Entfernung zu diesem.
  • Gleich- oder verschiedenartige Doppel- oder Mehrfachbepflanzung einer Kletterhilfe führt i.d.R. zu schwächeren Pflanzen, also zu gemindertem Holzgewicht der einzelnen Exemplare. „Überpflanzung“ bewirkt dennoch eine Gewichtszunahme. Auf das Gewicht der Niederschlagsablagerungen (Regen, Schnee, Eis) hat eine dichtere Bepflanzung keinen beachtenswerten Einfluss.
  • Maßgeblich für Schneelasten sind vorhandene Auflageflächen. Diese können bei mehrjährig  ungeschnittenen Kletterpflanzen  – insbesondere immergrünen – so groß sein, dass darauf beachtenswerte Schneeablagerungen möglich sind. Auf einigermaßen angemessen geschnittenem, laubabwerfendem Fassadenbewuchs sind keine Schneeablagerungen zu erwarten, deren Gewicht größer als das im tropfnass belaubtem Zustand (Sommergewicht) ist.
  • Direkt witterungsbedingte Eislasten  (Reif, gefrierender Nebel oder Regen) dürften unanbhängig von der Belaubung üblicherweise nicht größer als 10 kp/m² werden. Allerdings kann anhaltend tropfendes Wasser (z.B. aufgrund defekter Dachentwässerung ) zu erheblich größeren Eislasten führen.
  • Windlasten sind m.E. im Bereich zwischen 0,4 kN und 1,6 kN pro m² Windangriffsfläche anzusetzen. Dabei ist vor allem dem  seitlichen Windangriff auf die Begrünung (also Wind parallel zur Wand) Rechnung zu tragen.
  • Bei sehr dünnen, elastischen bzw. biegeweichen Ranksystemen können aus Windeinwirkung zusätzliche Vertikallasten resultieren. In diesem Fall ist das Auftreten von Schwingungen sehr wahrscheinlich.