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Oct 25, 2023

Machen Windabzugslöcher in Bannern einen Unterschied? Um das herauszufinden, haben wir einen Windkanal genutzt

Dozent für Bauingenieurwesen an der University of Queensland

Dozent für Bauingenieurwesen an der University of Queensland

Professor für Robotik, Queensland University of Technology

Matthew Mason erhält Fördermittel vom Australian Research Council und dem Bushfire and Natural Hazards Cooperative Research Centre.

Jonathan Roberts ist Associate Investigator beim Australian Centre for Robotic Vision und Mitbegründer des Flugroboterwettbewerbs UAV Challenge.

Die Queensland University of Technology und die University of Queensland stellen als Mitglieder von The Conversation AU finanzielle Mittel bereit.

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Wenn Sie das nächste Mal ein Banner sehen, das über einer Straße oder einer Brücke hängt oder im Rahmen eines Straßenmarsches, Protests oder einer Demonstration gehisst wird, schauen Sie genauer hin. Möglicherweise sehen Sie, dass das Banner Löcher oder Schlitze aufweist.

Aber warum sollte jemand Löcher in ein vollkommen gutes Banner schneiden?

Dabei handelt es sich um sogenannte „Windöffnungen“, und aus irgendeinem Grund versehen Menschen ihre Banner mit diesen Löchern, weil sie glauben, dass dadurch die Windlast auf dem Banner erheblich verringert wird.

Aber hat ein Banner mit Löchern oder Schlitzen es wirklich leichter mit dem Wind zu tun als ein gleichwertiges Banner ohne Löcher?

Es ist nicht bekannt, wann Menschen begannen, Löcher in ihre Banner zu schneiden. Über die Praxis ist nur sehr wenig geschrieben, und ein Großteil des Wissens scheint durch Mundpropaganda zu stammen oder aus anderen windbezogenen Bereichen übertragen worden zu sein.

Auf den Websites der Schilder- und Bannerhersteller aus aller Welt ist deutlich zu erkennen, dass sie frustriert darüber sind, Löcher in ihre liebevoll gefertigten Kreationen schneiden zu müssen.

Einige Bannerhersteller weigern sich einfach und sagen ihren Kunden, dass sie Löcher selbst ausschneiden können, wenn sie Löcher wünschen.

Die offensichtliche Bedeutung von Windabweisern für Banner hat einige Kommunalverwaltungen auf der ganzen Welt dazu veranlasst, sie für die Installation von Bannern an bestimmten Orten obligatorisch vorzuschreiben. Keine Lüftungslöcher, kein Banner erlaubt!

Die Vorschriften des Brisbane City Council in Queensland, Australien, besagen, dass Banner, die auf der berühmten Story Bridge der Stadt angebracht werden sollen, „mit Windlöchern versehen sein müssen“ und dass „Windlöcher (Lüftungsöffnungen) einen Abstand voneinander haben müssen.“ ca. 3m-Abstände".

Die Kleinstadt Springville, Utah, USA, schreibt in ihren Vorschriften vor, dass mindestens 20 % der Fläche des Banners aus Löchern bestehen müssen. Es schlägt „halbmondförmige Lüftungsöffnungen mit einer Breite von 4 bis 6 Zoll vor, die im gesamten Banner nach unten zeigen“.

Um zu verstehen, welche Wirkung Windabweiser auf unsere Banner haben, müssen wir uns die Arbeit von Aerodynamik-Spezialisten anschauen.

Im Jahr 1956 führte BG de Bray, ein Aerodynamikexperte am britischen Royal Aircraft Establishment, eine Reihe von Windkanaltests durch, um zu zeigen, wie sich flache Platten mit Löchern in einem bewegten Luftstrom verhalten. Er interessierte sich dafür, wie Platten für Luftbremsen bei der Landung von Flugzeugen verwendet werden könnten.

Seine Experimente zeigten, dass Perforationen (Löcher) den Luftstrom stabiler machen, der Luftwiderstandsbeiwert jedoch „nur vergleichsweise gering reduziert“ werde. Er zeigt ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Fläche der Löcher und der Änderung des Luftwiderstandsbeiwerts einer flachen Platte aufzeichnet. Die Grafik zeigt, dass das Anbringen von Löchern in 20 % der Fläche eines Banners den Luftwiderstand bei einer Windgeschwindigkeit von 150 km/h um etwa 5 % verringert.

Wenn wir die andere Entdeckung von de Bray betrachten – dass Löcher den Luftstrom tatsächlich stabiler machen – können wir uns ein häufiges Beispiel dafür in Aktion bei runden Fallschirmen ansehen.

Blähende Strukturen, die sich auf der Luvseite mit Luft füllen, wie zum Beispiel runde Fallschirme, werden instabil, wenn die Struktur keine Löcher aufweist. Die Luft neigt dazu, fast wahllos vom Rand der Struktur auszuströmen. Dadurch flattert die Struktur scheinbar zufällig im Wind.

Dies wurde in den frühen Tagen der Fallschirmentwicklung entdeckt. Im späten 17. Jahrhundert kamen mehrere Fallschirmentwickler durch Unfälle im Zusammenhang mit ihren instabilen und oszillierenden Fallschirmen ums Leben.

Im Jahr 1804 erfand der Franzose Joseph Lelandes den Apex Vent, ein Loch in der Oberseite des Fallschirms. Dies schien das Stabilitätsproblem zu lösen, schien jedoch den Luftwiderstand nicht zu verringern, was ideal für Fallschirmsprünge ist, bei denen man den Luftwiderstand benötigt.

Seitdem gibt es viele Studien, die die Vorteile von Löchern in runden Fallschirmen belegen. Eine Gruppe stellte bei ihren Experimenten sogar fest, dass Lüftungslöcher in runden Fallschirmen den Widerstand des Schirms leicht erhöhen und ihn gleichzeitig stabiler machen.

Wir traten in die Fußstapfen von de Bray und beschlossen, Windkanalexperimente durchzuführen, um festzustellen, welchen Einfluss diese Löcher auf die Windkräfte hatten.

Wir führten eine Reihe einfacher Experimente durch, bei denen wir maßstabsgetreue Versionen von Bannern in einen Windkanal legten und die Windkräfte maßen. Wir haben dies für verschiedene Windgeschwindigkeiten und die Anzahl der Lüftungsöffnungen (Löcher) durchgeführt. Anschließend haben wir gemessen, wie sich die Kräfte von Test zu Test veränderten.

Wir haben Experimente durchgeführt, bei denen die Lüftungsschlitze rechteckige Löcher waren, die in den Stoff geschnitten waren, und andere, bei denen es sich bei den Lüftungsschlitzen um rechteckige Löcher handelte, die an drei Seiten geschnitten waren und an der Oberseite aufklappbar waren (Klappen).

Die getesteten experimentellen Windgeschwindigkeiten lagen zwischen etwa 25 km/h und 100 km/h, und der ermittelte Bereich des Verhältnisses von Lüftungslochfläche zu gesamter Bannerfläche (Porosität) reichte von Null (keine Löcher im Banner) bis etwa 20 %, was mit Springville übereinstimmt Vorschriften und macht ein hübsches heiliges Banner.

Ein Wert von 1 in der Abbildung (oben) würde bedeuten, dass die Lüftungsschlitze nichts bewirkt haben, und ein Wert von 0,9 würde bedeuten, dass die Last um 10 % reduziert wurde.

Es ist klar, dass Windöffnungen die Windlast auf ein Banner reduzieren, aber wie de Bray gezeigt hat, ist die Lastreduzierung relativ gering, bis die Porosität groß wird.

Die Verringerung der Widerstandskraft ist bei Löchern und Scharnierklappen größer als bei de Bray (und anderen) bei gleichmäßig perforierten Platten oder Stoffen.

Die Windgeschwindigkeit macht einen Unterschied. Bei niedrigen Windgeschwindigkeiten kann das Vorhandensein von Lüftungsschlitzen tatsächlich die Windlast auf ein Banner erhöhen, die in unserem Test um bis zu 5 % betrug.

Im Allgemeinen nahmen die Kraftkoeffizienten jedoch mit zunehmender Windgeschwindigkeit ab. Dies war insbesondere bei Bannern mit Klappen der Fall, bei denen diese Lüftungsschlitze mit zunehmender Windgeschwindigkeit immer weiter geöffnet wurden.

Die Art der Entlüftung macht also einen großen Unterschied. Banner mit Löchern anstelle von Scharnierklappen waren einer geringeren Windlast ausgesetzt. Bei beiden Entlüftungstypen sind die Belastungen geringer als bei gleichmäßig perforierten Platten, deren Leistung mit porösen Netzgeweben vergleichbar ist.

Unter Berücksichtigung dieser Punkte kehren wir zu den Vorschriften des Brisbane City Council für die Platzierung von Bannern auf der Storey Bridge zurück. Es ist nun möglich, die Wirkung ihrer vorgeschriebenen Windabzüge zu berechnen.

Wenn wir davon ausgehen, dass sie Löcher wünschen und die maximale Größe eines Banners 18 m breit und 0,9 m hoch ist, dann ist unsere beste Schätzung ein halbkreisförmiger Lochradius von 25 cm, wobei wir auch berücksichtigen, dass fünf Windlöcher erforderlich sind. Wir gehen davon aus, dass höchstens 3 % des Banners Löcher aufweisen.

Durch Interpolation unserer Zahl ergäben wir eine Reduzierung der Windlast um 2 %. Ein Schild mit einer maximalen Fläche von 98 % wäre 18 m breit und 0,88 m hoch und Sie müssten nur 2 cm von der Unterseite des Schilds abschneiden, um ein Schild mit dem gleichen Widerstand wie das mit fünf Löchern darin zu erstellen! Es scheint kaum der Mühe wert zu sein.

Die Wissenschaft zeigt uns, dass sich flache Strukturen auf eine Art und Weise verhalten, wogende, luftgefüllte Strukturen jedoch auf eine andere Art und Weise. Es scheint, dass unsere Gesetzgeber verwirrt waren und Ergebnisse von Fallschirmen auf flache Banner übertragen haben.

Wenn Sie ein Banner so befestigen, dass es relativ flach im Wind bleibt, scheinen die Vorteile des Einbaus von Lüftungsschlitzen minimal zu sein, es sei denn, Sie machen Ihr Banner aus Schweizer Käse.

Es ist einfach besser, ein etwas kleineres Banner zu erstellen, um die gleiche Belastung zu erzielen.