Kronenkollisionen von Waldbäumen durch dynamische Windlasten
Final Report Abstract
Das Forschungsprojekt ist in die übergeordnete Zielsetzung, der Entwicklung von Methoden zur Reduzierung des Sturmschadensrisikos von Wäldern, einzuordnen. Eine wesentliche Grundlage für diese generelle, komplexe Problematik ist das Verständnis der dynamischen Windbelastung von Bäumen und den dadurch induzierten dynamischen Baumreaktionen. Die dazu vorhandenen, vergleichsweise wenigen Untersuchungen beziehen sich immer auf einzelne Bäume, so dass Kollektiveffekte bisher unberücksichtigt blieben. Hier setzt dieses Forschungsprojekt an. Auf der Grundlage eines neu entwickelten und erprobten Versuchsdesigns wurden in zwei Messperioden experimentelle Untersuchungen zur Kronenkollisionsdynamik von Waldkiefern in einem gepflanzten Waldkiefernbestand (Pimts sylvestris) in der südlichen Oberrheinebene (nahe der Forstmeteorologischen Messstelle Hartheim) durchgeführt. Dazu wurden die bodennahen Strömungsverhältnisse und die windinduzierten Baumreaktionen hochfrequent (mindestens 10 Hz) gemessen und die dadurch hervorgerufenen Kroneninteraktionen am Beispiel von zwei Probebaumkollektiven, die jeweils zehn Probebäume umfassten, untersucht. Zur wissenschaftlichen Analyse der sehr umfangreichen Datenmenge aus den hochfrequenten Messungen wurden teilweise neue Verfahren aus der Mikrometeorologie herangezogen, auf ihre problemspezifische Anwendbarkeit getestet und schließlich eingesetzt. Die mit der Spektralmethode erzielten Ergebnisse zur Übertragung von Windlasten auf Waldbäume lassen zunächst - basierend auf Ergebnissen zu mechanischen Transferfunktionen - den Schluss zu, dass die Waldkiefern aus beiden Probebaumkollektiven im Bereich ihrer Grundschwingung am besten auf Windlasten reagieren. Die Ergebnisse zur spektralen Kohärenz zwischen Wind- und Baumauslenkungszeitreihen sowie Ergebnisse der Wavelet-Analyse fuhren jedoch zu geänderten Schlussfolgerungen. Sowohl die Resultate zur spektralen Kohärenz als auch die Ergebnisse der Wavelet-Analyse zeigen, dass Windlasten vor allem durch das Einsetzen von Windböen auf die Waldkiefern übertragen werden und zu deutlichen windinduzierten Baumreaktionen fuhren. Windlasten innerhalb von Windböen, d. h. mit Frequenzen im Bereich der Grundschwingung der Probebäume, spielen entgegen den Ergebnissen aus der Spektralmethode eine nur untergeordnete Rolle. Innerhalb der beiden Probebaumkollektive interagieren in der Höhe der kollektivspezifischen Höhe der Nullpunktsverschiebung in der ganz überwiegenden Anzahl der untersuchten Fälle jeweils nur Kronen von zwei Probebäumen miteinander. Kroneninteraktionen, an denen mehr als zwei Probebäume beteiligt sind, kommen äußerst selten vor (<1%). Dabei schwankt die Anzahl der Kronenkollisionen zwischen verschiedenen Probebaumpaaren z. T. erheblich. Mit ansteigender Windgeschwindigkeit in der mittleren Probebaumkollektivhöhe nehmen zwischen ausgewählten Probebaumpaaren neben der Anzahl von Kronenkollisionen die zeitliche und räumliche Intensität von Kronenkollisionen zu. Durch Kronenkollisionen wird die Kronenkollisionsgeschwindigkeit zweier Baumkronen deutlich reduziert (bis zu 90%). Die Reduktion der Kollisionsgeschwindigkeit nimmt mit zunehmender Windgeschwindigkeit ab. Weiterhin tritt die Mehrzahl der Kronenkollisionen erst nach dem Durchgang von Windböen auf, d. h. erst nach dem Auftreten der höchsten Windlasten auf die Probebäume. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wurde ein Versuchs- und Auswertungsdesign für die Analyse von windinduzierten Reaktionen von Baumkollektiven entwickelt, erprobt und an Waldkiefern erfolgreich getestet. Die erzielten Ergebnisse haben Grundlagencharakter. Ihre Belastbarkeit bzw. ihre Variabilität bei geänderten Randbedingungen (z. B. Baumart, Bestandesart, Strömungsbedingungen) sollte über Anschlussuntersuchungen analysiert werden. Sie stellen essentielle Bausteine für die Beantwortung von Fragen zur übergeordneten Problematik der Reduktion von Sturmschäden in Wäldern dar.
Publications
- Baumreaktionen von Waldkiefern auf Windlasten. Proceedings 6. Fachtagung BIOMET, 26.03-29.03.2007, Freiburg, 100-104
Schindler, D.
- Responses of two groups of Scots pine trees to dynamic wind loading, Int. Conference on 'Wind and Trees', 05.08.-09.08.2007, Vancouver, Kanada
Schindler, D.
- Two-point statistics of turbulent flow in the canopy layer. Int. Conference on Wind and Trees', 05.08.-09.08.2007, Vancouver, Kanada
Christen, A., Scherer, D., Schindler, D., Vogt, R.
