Windbelasting veroorzaakt krachten op een constructie. De grootte van deze krachten wordt onder andere bepaald door de windsnelheid en de luchtdichtheid. Ook het blootgestelde oppervlak en de vorm van de constructie spelen een rol. In deze pagina leggen we uit hoe windbelasting ontstaat. Ook behandelen we winddruk, windzuiging en windstoten.
Wat is windbelasting?
Windbelasting is de belasting die ontstaat wanneer bewegende lucht op een constructie inwerkt. De wind oefent daarbij een kracht uit op de delen van de constructie die aan de wind zijn blootgesteld.
De grootte van deze belasting wordt vooral bepaald door de windsnelheid, de luchtdichtheid, het blootgestelde oppervlak en de vorm van de constructie. Ook de hoogte en de ligging van de constructie kunnen een rol spelen.
Windbelasting kan leiden tot horizontale en verticale krachten. Deze krachten veroorzaken onder andere dwarskrachten en momenten in de constructie. Bij lichte of slanke constructies kan windbelasting ook bepalend zijn voor de stabiliteit en de verankering.
Windsnelheid en stuwdruk
De windsnelheid bepaalt in belangrijke mate hoe groot de windbelasting kan worden. Naarmate de windsnelheid toeneemt, neemt ook de stuwdruk toe. De stuwdruk neemt daarbij toe met het kwadraat van de windsnelheid.
De algemene formule voor de stuwdruk is:
waarbij: q = stuwdruk in N/m² ρ = luchtdichtheid in kg/m³ v = windsnelheid in m/s
Dit betekent dat een verdubbeling van de windsnelheid leidt tot een verviervoudiging van de stuwdruk. Een veel hogere windsnelheid kan dus aanzienlijk grotere krachten op een constructie veroorzaken.
De windsnelheid wordt in technische berekeningen meestal uitgedrukt in meter per seconde. De Beaufortschaal geeft een andere indeling van de windsnelheid. Deze schaal koppelt windsnelheden aan windkracht en algemene verschijnselen die bij die wind optreden.
De stuwdruk vormt de basis voor het bepalen van de windbelasting. De uiteindelijke winddruk of windzuiging hangt daarnaast af van de vorm, de ligging en het oppervlak van de constructie.
Winddruk en windzuiging
De stuwdruk is afhankelijk van de windsnelheid en de luchtdichtheid. De werkelijke belasting op een constructie hangt daarnaast af van de vorm en de positie van het oppervlak.
Aan de loefzijde van een constructie staat de wind direct op het oppervlak. Hier ontstaat doorgaans een winddruk. Aan de lijzijde is de constructie van de wind afgekeerd. Hier kan een onderdruk en daarmee windzuiging ontstaan.
Windzuiging kan vooral bij daken en lichte constructies een belangrijke belasting vormen. De wind kan een dak of constructiedeel daardoor als het ware van de onderliggende constructie willen losmaken. De krachten moeten dan via de verbindingen en verankeringen worden afgevoerd.
Winddruk en windzuiging kunnen tegelijkertijd op verschillende delen van dezelfde constructie optreden. Bij het bepalen van de windbelasting moet daarom naar de volledige vorm en ligging van de constructie worden gekeken.
De invloed van vorm en oppervlak op de windbelasting
Niet iedere constructie ondervindt bij dezelfde windsnelheid dezelfde windbelasting. De vorm van de constructie bepaalt hoe de lucht eromheen stroomt. Ook het oppervlak dat aan de wind wordt blootgesteld speelt een belangrijke rol.
De resulterende windkracht kan in een eenvoudige vorm worden weergegeven met:
waarbij: Fw = resulterende windkracht in N q = stuwdruk in N/m² Cf = krachtcoëfficiënt A = referentieoppervlak in m²
De krachtcoëfficiënt Cf geeft aan hoe de vorm van een constructie de resulterende windkracht beïnvloedt. Een vlak oppervlak dat recht op de wind staat gedraagt zich anders dan een ronde of open constructie. Ook de richting waarin de wind op de constructie staat kan van invloed zijn.
Enkele voorbeelden:
| Constructievorm | Voorbeeld | Invloed van de vorm |
|---|---|---|
| Vlak oppervlak | Plaat of paneel | De wind ondervindt veel weerstand |
| Rechthoekige constructie | Machine- of installatieonderdeel | Druk en zuiging ontstaan afhankelijk van de vorm |
| Cilindrische constructie | Silo of opslagtank | De wind stroomt gedeeltelijk om de constructie heen |
| Slanke ronde constructie | Mast | De diameter, hoogte en stroming rond de mast beïnvloeden de kracht |
| Open vakwerkconstructie | Kraanmast | Een deel van de wind stroomt door de constructie heen |
| Zonnepaneelconstructie | Panelen op een dak | Winddruk en vooral windzuiging kunnen maatgevend zijn |
De waarde van Cf is geen universele constante. Voor verschillende constructievormen worden in technische normen verschillende krachtcoëfficiënten gebruikt. Deze zijn onder andere afhankelijk van de geometrie en de mate waarin een constructie open is.
Ook het referentieoppervlak is belangrijk. Een groter oppervlak leidt bij dezelfde stuwdruk en dezelfde krachtcoëfficiënt tot een grotere resulterende windkracht. Bij een open constructie moet daarbij worden gekeken naar het oppervlak van de onderdelen en de mate waarin de wind door de constructie kan stromen.
Voor een werkelijke sterkteberekening worden de juiste coëfficiënten en het bijbehorende referentieoppervlak bepaald op basis van de constructie, de windrichting en de toepasselijke norm.
De invloed van hoogte en ligging op de windbelasting
De windsnelheid is niet op iedere plaats en op iedere hoogte hetzelfde. Naarmate een constructie hoger boven het maaiveld staat, kan de windsnelheid toenemen. Daardoor kan ook de stuwdruk groter worden.
Ook de ligging van een constructie speelt een rol. Een vrijstaande constructie staat meer bloot aan de wind dan een constructie die wordt beschut door gebouwen, installaties of andere obstakels. Een hoge mast of een vrijstaande silo krijgt daardoor een andere windbelasting te verwerken dan een constructie die tussen andere installaties staat.
Naastgelegen objecten kunnen de wind echter niet alleen afschermen. De stroming kan plaatselijk worden versneld. Ook kunnen achter of tussen objecten bijzondere wervelingen ontstaan. In bepaalde situaties kunnen daardoor lokaal zeer hoge of sterk wisselende windbelastingen optreden. Dit kan bijvoorbeeld samenhangen met een Venturi-effect.
De precieze invloed van dergelijke stromingsverschijnselen hangt sterk af van de geometrie en de onderlinge positie van de objecten. Een uitgebreide behandeling hiervan voert voor deze pagina te ver. We zouden dan al snel in de stromingsleer en aerodynamica terechtkomen. Voor deze kennisbankpagina houden we het bij de basisprincipes van windbelasting.
Windsnelheid en gevolgen
De windsnelheid wordt vaak uitgedrukt in meter per seconde (m/s) of kilometer per uur (km/h). Voor het beschrijven van de kracht van de wind wordt ook de schaal van Beaufort gebruikt. Deze schaal deelt de wind in twaalf windkrachtklassen in.
De Beaufortschaal geeft niet alleen een windsnelheid aan. Aan iedere windkracht zijn ook algemene verschijnselen en mogelijke gevolgen gekoppeld.
| Windkracht | Windsnelheid | Omschrijving | Algemene gevolgen |
|---|---|---|---|
| 0 | < 1 km/h | Windstil | Rook stijgt vrijwel recht omhoog |
| 1 | 1–5 km/h | Zwakke wind | Wind is nauwelijks merkbaar |
| 2 | 6–11 km/h | Zwakke wind | Bladeren bewegen |
| 3 | 12–19 km/h | Matige wind | Bladeren en twijgen bewegen voortdurend |
| 4 | 20–28 km/h | Matige wind | Stof en papier komen in beweging |
| 5 | 29–38 km/h | Vrij krachtige wind | Kleine bomen beginnen te bewegen |
| 6 | 39–49 km/h | Krachtige wind | Grote takken bewegen. Paraplu’s zijn moeilijk vast te houden |
| 7 | 50–61 km/h | Harde wind | Hele bomen bewegen. Het lopen tegen de wind wordt lastig |
| 8 | 62–74 km/h | Stormachtige wind | Takken breken af. Vooruit lopen tegen de wind wordt moeilijk |
| 9 | 75–88 km/h | Storm | Dakpannen en schoorsteenkappen kunnen losraken |
| 10 | 89–102 km/h | Zware storm | Bomen kunnen ontwortelen. Er kan flinke schade aan gebouwen ontstaan |
| 11 | 103–117 km/h | Zeer zware storm | Uitgebreide schade aan gebouwen en constructies |
| 12 | ≥ 118 km/h | Orkaan | Verwoestingen kunnen optreden |
De tabel geeft een algemene indruk van de gevolgen van toenemende windsnelheden. Het is geen constructieve schadeclassificatie. De daadwerkelijke schade aan een constructie hangt onder andere af van de vorm, sterkte, afmetingen, ligging en kwaliteit van de constructie.
Ook is het belangrijk onderscheid te maken tussen de gemiddelde windsnelheid en windstoten. Een windstoot kan aanzienlijk hoger zijn dan de gemiddelde windsnelheid. Juist zulke kortdurende pieken kunnen voor een constructie maatgevend zijn.
Van winddruk naar windkracht
De stuwdruk geeft aan welke druk bij een bepaalde windsnelheid ontstaat. Om daaruit de belasting op een constructie te bepalen, moet worden gekeken naar het oppervlak waarop de wind aangrijpt en naar de vorm van de constructie.
In de eenvoudigste situatie kan de kracht worden bepaald uit de druk en het oppervlak:
waarbij: F = windkracht in N p = winddruk in N/m² A = belast oppervlak in m²
Bij een werkelijke constructie is de situatie meestal complexer. De winddruk is niet op ieder deel van de constructie hetzelfde. Ook kunnen tegelijkertijd winddruk en windzuiging optreden.
De resulterende windkracht kan daardoor op een bepaalde plaats en in een bepaalde richting aangrijpen. Deze kracht veroorzaakt in de constructie onder andere dwarskrachten, normaalkrachten en momenten.
Bij een hoge of grote constructie kan een relatief kleine winddruk daardoor toch een aanzienlijk moment veroorzaken. De plaats waar de resulterende kracht aangrijpt is dan net zo belangrijk als de grootte van de kracht.
Wanneer wordt windbelasting een stabiliteitsprobleem?
Een constructie kan voldoende sterk zijn om de optredende windkrachten op te nemen. Toch kan de constructie als geheel instabiel worden. Sterkte en stabiliteit zijn daarom niet hetzelfde.
Vooral hoge, slanke of relatief lichte constructies kunnen gevoelig zijn voor windbelasting. Een grote windkracht kan een constructie willen laten kantelen of verschuiven. De constructie moet deze krachten veilig naar de ondergrond of de ondersteunende constructie kunnen afvoeren.
Windzuiging kan daarnaast leiden tot het oplichten van constructiedelen. Bij zonnepanelen op een dak kan windzuiging bijvoorbeeld grote trekkrachten op de bevestiging veroorzaken. Ook een tankdak kan door windzuiging willen oplichten. De verbindingen en verankeringen moeten deze krachten veilig kunnen overbrengen.
Ook de verhouding tussen het windoppervlak, de massa en de steunbasis van een constructie speelt een rol. Een grote windkracht op een hoog aangrijpingspunt kan een veel groter stabiliteitsprobleem veroorzaken dan dezelfde kracht op een laag aangrijpingspunt.
Bij het beoordelen van een constructie moet daarom niet alleen worden gecontroleerd of de afzonderlijke onderdelen sterk genoeg zijn. Ook moet worden beoordeeld of de constructie als geheel stabiel blijft onder de maatgevende windbelasting.
Windstoten en dynamische effecten
Wind is geen constante belasting. De windsnelheid kan voortdurend veranderen en korte windstoten kunnen aanzienlijk hoger zijn dan de gemiddelde windsnelheid. Daardoor kan ook de windbelasting gedurende korte tijd sterk toenemen.
Voor een constructie betekent dit dat niet alleen de gemiddelde windsnelheid van belang is. Ook de maatgevende windstoot moet worden meegenomen wanneer deze bepalend kan zijn voor de belasting op de constructie.
Bij lichte, slanke of flexibele constructies kan een veranderende windbelasting ook leiden tot een heen-en-weergaande beweging. Een eenvoudig voorbeeld dat we allemaal kennen is het voortdurend heen en weer wiebelen van een vlaggenmast in de wind. De constructie reageert daarbij niet alleen op de windkracht zelf, maar ook op de veranderende belasting in de tijd.
Bij een groot aantal belastingswisselingen kunnen dergelijke wisselende spanningen uiteindelijk ook tot vermoeiing leiden. Dit kan bijvoorbeeld relevant zijn bij masten, kraanconstructies en andere slanke constructies die voortdurend aan wisselende windbelasting worden blootgesteld.
De dynamische effecten van wind kunnen complex worden. Denk bijvoorbeeld aan trillingen, resonantie en wervelvorming. Een uitgebreide behandeling hiervan voert voor deze pagina te ver. Deze onderwerpen komen aan bod bij Dynamiek, waar we dieper ingaan op het gedrag van constructies onder veranderlijke en dynamische belastingen.
Voor de basis van een windbelasting is vooral van belang dat windstoten tot hogere krachten kunnen leiden dan op basis van alleen de gemiddelde windsnelheid wordt verwacht.
Wind is meer dan alleen winddruk
Windbelasting is meer dan alleen de druk die de wind op een constructie uitoefent. De windsnelheid bepaalt de stuwdruk. De vorm, het oppervlak, de hoogte en de ligging van de constructie bepalen vervolgens hoe deze wind zich op de constructie manifesteert.
Daarbij moet niet alleen naar winddruk worden gekeken. Windzuiging kan minstens zo belangrijk zijn. Vooral bij lichte constructies en grote oppervlakken kunnen hierdoor aanzienlijke trekkrachten in verbindingen en verankeringen ontstaan.
Ook windstoten kunnen de belasting tijdelijk sterk verhogen. Bij lichte, slanke of flexibele constructies kan de veranderende windbelasting bovendien leiden tot dynamische bewegingen. Bij een groot aantal belastingswisselingen kan daarbij ook vermoeiing een aandachtspunt worden.
Windbelasting kan daardoor zowel voor de sterkte als voor de stabiliteit van een constructie maatgevend zijn. Een goede beoordeling begint daarom bij het begrijpen van het gedrag van de wind en de manier waarop deze op de constructie aangrijpt.