Vollmaßstäbliche Erfassung der windinduzierten Stromlinienförmigkeit von Bäumen (STREEM)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Alexander Reiterer; Professor Dr. Dirk Schindler
• Fachliche Zuordnung: Forstwissenschaften
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 460531546

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Projekt STREEM wurde die Windenergieübertragung auf Bäume und deren windinduzierte Reaktionen mithilfe eines verteilten Systems aus Kameras, Neigungs- und Dehnungssensoren messtechnisch untersucht. Ziel war die Quantifizierung der Energieübertragung an der Kronenperipherie und die Energiedissipation im Baum bis in die Wurzeln. Obwohl die Quantifizierung der windinduzierten Kronendeformation zur Ableitung von Änderungen der Kronenprojektionsfläche, des Kronenwiderstandsbeiwerts und der Kronenporosität nicht gelang, wurden wichtige Erkenntnisse zu Wind-Baum-Interaktionen gewonnen. In Wäldern können aufwändige Windgeschwindigkeitsmessungen durch kostengünstige und einfach durchzuführende Luftdruckmessungen ergänzt oder ersetzt werden. Diese Methode ermöglicht auch Messungen an Standorten in komplexem Gelände, wo der Aufbau von Windmesstürmen oft weder rentabel noch praktikabel ist. Auf der Grundlage des Konzepts der „effektiven Windlast“ wurden windinduzierte Baumreaktionen mit Zugversuchen kalibriert, wodurch ein funktionaler Zusammenhang zwischen baumspezifischen Reaktionen auf quasi-statische Windlasten, die die windinduzierte Baumreaktion dominieren, hergestellt wurde. Der Tree Strain Sensor (TSS) ergänzte das Tree Motion Monitoring System (TreeMMoSys) und ermöglichte erstmals die umfassende Messung windinduzierter Reaktionen von der Krone bis in die Wurzeln. Messungen an einer freistehenden Rotbuche zeigten, dass die auf sie übertragene kinetische Strömungsenergie primär über die erste Biegeschwingungsmode verteilt wird. Der bisher angenommene Austausch elastischer Energie zwischen verschiedenen Biegeschwingungsmoden wurde nicht bestätigt. Höhere Biegeschwingungsmoden sind für die Energiedissipation von untergeordneter Bedeutung. Die Energie in Schwingungsmesssignalen nahm von der Krone bis zu den Wurzeln linear um 90 % ab. Untersuchungen an einer Ponderosa-Kiefer ergaben, dass in Bäumen neben Biege- auch Torsionsschwingungen auftreten, die mit steigender Windlast abnehmen. Zudem wurde ein Mehrkamerasystem entwickelt, das die hochfrequente Verfolgung von Targets in Baumkronen, die durch Windeinfluss deformiert werden, ermöglicht. Die in STREEM erzielten Ergebnisse erweitern das gegenwärtige Verständnis von Wind- Baum-Interaktionen wesentlich und liefern wertvolle Impulse für die Entwicklung von Windlastmodellen sowie die Bewertung der Stabilität von Wald- und Stadtbäumen.

Link zum Abschlussbericht

https://doi.org/10.4126/FRL01-006511922

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• The motion of trees in the wind: a data synthesis. Biogeosciences, 18(13), 4059-4072.
  Jackson, Toby D.; Sethi, Sarab; Dellwik, Ebba; Angelou, Nikolas; Bunce, Amanda; van Emmerik, Tim; Duperat, Marine; Ruel, Jean-Claude; Wellpott, Axel; Van Bloem, Skip; Achim, Alexis; Kane, Brian; Ciruzzi, Dominick M.; Loheide II, Steven P.; James, Ken; Burcham, Daniel; Moore, John; Schindler, Dirk; Kolbe, Sven ... & Gardiner, Barry
  
• TreeMMoSys: A low cost sensor network to measure windinduced tree response. Forstwissenschaftliche Tagung (FowiTa) unter dem Motto: Wald: wie weiter?, 13.–15.09.2021, Online-Tagung
  Kolbe, S. & Schindler, D.
  
• Assessment of Effective Wind Loads on Individual Plantation-Grown Forest Trees. Forests, 13(7), 1026.
  Kolbe, Sven; Rentschler, Felix; Frey, Julian; Seifert, Thomas; Gardiner, Barry; Detter, Andreas & Schindler, Dirk
  
• Enhancing TreeMMoSys with a high-precision strain gauge to measure the wind-induced response of trees down to the ground. HardwareX, 12, e00379.
  Nickl, Julius; Kolbe, Sven & Schindler, Dirk
  
• On the Potential of Using Air Pressure Fluctuations to Estimate Wind-Induced Tree Motion in a Planted Scots Pine Forest. Forests, 13(2), 225.
  Kolbe, Sven; Mohr, Manuel; Maier, Martin; Osterholt, Laurin; Gardiner, Barry & Schindler, Dirk
  
• Excessive monitoring of wind-induced tree response using TreeMMoSys. Vortrag, 10th IUFRO Conference Wind and Trees 2023, 20.-23.06.2023, Castelfranco Veneto
  Kolbe, S., Kammel, F., Reiterer, A., Schmitt, A. & Schindler, D.
  
• Using air pressure fluctuations for wind load estimation. Poster, Wind and Trees 2023 Conference, 20.-23.06.2023, Castelfranco Veneto
  Kolbe, S. & Schindler, D.
  
• Wind-induced tree response consists not only of bending vibrations – there are also torsional vibrations. Vortrag, Wind and Trees 2023 Conference, 20.- 23.06.2023, Castelfranco Veneto
  Schindler, D. & Kolbe, S.
  
• Conceptualization and First Realization Steps for a Multi-Camera System to Capture Tree Streamlining in Wind. Forests, 15(11), 1846.
  Kammel, Frederik O. & Reiterer, Alexander
  
• Identifying wind-tree dynamics with numerical simulations based on experimental modal analysis. Forest Ecology and Management, 569, 122188.
  Zanotto, Francesco; Grigolato, Stefano; Schindler, Dirk & Marchi, Luca
  
• Mode coupling and signal energy distribution in an open-grown European beech tree. Forest Ecology and Management, 560, 121845.
  Kolbe, Sven; Kammel, Frederik; Schmitt, Annette; Reiterer, Alexander & Schindler, Dirk
  
• Wind-induced torsional vibration in a ponderosa pine tree. Forest Ecology and Management, 553, 121638.
  Kolbe, Sven; Pfenning, Mattis & Schindler, Dirk
  
• The future is uncertain: Wind resilient forests in a changing climate. Forest Ecology and Management, 581, 122556.
  Gardiner, Barry; Lingua, Emanuele; Costa, Maximiliano; Chen, Yi-Ying; Kamimura, Kana; Bunce, Amanda & Schindler, Dirk