Das Gewicht des Windes – Wie Schilderpfosten aerodynamischen Lasten standhalten

Wind mag unsichtbar sein, doch er übt eine gewaltige Kraft auf einen Schilderpfosten aus. Ingenieure behandeln jede Schilderbaugruppe als ein Bauwerk, das aerodynamischen Lasten über Jahrzehnte standhalten muss, ohne zu versagen oder zu ermüden. Die zentrale Gleichung beginnt mit dem Geschwindigkeitsdruck: q=0.613KzKztKdKeV² (in Pascal, nach ASCE 7-16), wobei V die grundlegende Windgeschwindigkeit in Metern pro Sekunde ist und Ke die geringere Luftdichte in größeren Höhen berücksichtigt. Dieser Druck, multipliziert mit der Schildfläche’und einem Widerstandsbeiwert, bestimmt die auf den Pfosten wirkende Querkraft.

 

Selbst ein bescheidenes Schild von 1.2 Metern mal 0.9 Metern auf einem einzigen Pfosten kann bei einem Wind von 160 km/h über 1,500 Newtons Kraft erfahren— – das entspricht mehr als 150 kilograms seitlichem Gewicht. Unter ungünstigsten Bedingungen, einschließlich Böeneffekten und ungeschützter Montage, kann diese Kraft 1,850 Newtons erreichen. Der Widerstandsbeiwert für eine flache rechteckige Platte senkrecht zur Strömung beträgt etwa 1.2, steigt jedoch, wenn das Schild zusätzliche Elemente wie Halterungen aufweist oder ungeschützt bleibt.

 

Über den statischen Druck hinaus ist das dynamische Verhalten des Pfostens entscheidend. Ein zylindrischer Pfosten oder U-Profil-Pfosten, der einem gleichmäßigen Wind ausgesetzt ist, kann eine wirbelinduzierte Schwingung erfahren. Während der Wind um den Pfosten strömt, lösen sich abwechselnd Niederdruckwirbel von gegenüberliegenden Seiten ab und erzeugen eine schwankende Querkraft. Wenn die Ablösefrequenz mit der Eigenfrequenz des Pfostens’ übereinstimmt, tritt Resonanz auf. Dies kann rasch zu Ermüdungsrissen am Fuß oder an den Schraubenlöchern führen. Ingenieure begegnen dem, indem sie Pfostenformen mit unterschiedlichen Strouhal-Zahlen wählen, Wendelrippen (Scruton-Rippen) anbringen, um die Wirbelbildung zu stören, oder Schwingungstilger installieren.

 

Das Fundament muss das vom Pfosten übertragene Biegemoment aufnehmen. Bei einem typischen freitragenden Schilderpfosten tritt das maximale Biegemoment in Bodennähe auf und entspricht der Windkraft multipliziert mit dem Abstand vom Druckmittelpunkt des Verkehrszeichens’ bis zum Fundament. Bodenarten und Ankerkonstruktionen sind in den AASHTO-Normen festgelegt, damit der Kippwiderstand des Fundaments’ das einwirkende Moment mit einem Sicherheitsfaktor von mindestens 1.5 übersteigt.

 

Ein Schilderpfosten, der fest an der Straße steht, ist also nicht einfach in den Boden gesetzt; er ist ein fein abgestimmtes aerodynamisches System, das darauf ausgelegt ist, das Gewicht des Windes standhaft zu ertragen, Sturm um Sturm, Jahr für Jahr.