Risiken auf dem Sportplatz minimieren

Erforderliche Daten für eine Berechnung

Um eine zuverlässige Berechnung durchführen zu können, müssen unter anderem folgende Daten bekannt sein:

Der Standort des Lichtmasts: Grundlage für die Berechnung der Windlast ist die Windgeschwindigkeit, wobei diese stark von der Umgebung abhängt.

• In den Niederlanden gibt es drei unterschiedliche Gebiete (NEN-EN 40-3), nämlich die Windgebiete I, II und III. Die Windlast auf Masten, die in Windgebiet I stehen, ist höher als bei demselben Mast in Windgebiet III. Dies wird von den Mastherstellern bei der Konstruktion berücksichtigt.
• In den Niederlanden gibt es vier Geländekategorien (NEN-EN 40-3-1: 2013), nämlich Kategorie I (Meer oder Küstengebiet am Meer), II (unbebautes Gebiet), III (bebautes Gebiet, wie Industriegebiet und Wald) sowie IV (bebautes Gebiet; Stadtzentren). Grundsätzlich gilt, dass der Wind auf ebenem Gelände ungehindert wehen kann und es in bebauten Gebieten windstiller ist (den Venturi-Effekt lassen wir hier der Einfachheit halber außer Acht).

Mastdaten: Diese sind beim jeweiligen Mastlieferanten anzufragen. Sollten die Mastdaten unerwarteterweise nicht verfügbar sein, müssen die Daten vor Ort erfasst werden. Dabei ist leider zu beachten, dass nicht immer alle Daten ermittelt werden können. Man denke beispielsweise an die Stahlsorte eines Lichtmastes. Falls Daten fehlen, ist es wichtig, vom plausibelsten „Worst-Case“-Szenario auszugehen. In diesem Fall gehen wir in unseren Berechnungen von Baustahl S235 aus.

Windangriffsfläche der LED-Leuchte: abhängig von:

• der Marke und dem Typ der Leuchte;
• dem Winkel, den die Leuchte zur Horizontalen bildet (Neigung); und
• falls mehrere Leuchten am Mast angebracht werden, ist auch deren Positionierung zueinander von Bedeutung.

Cx-Wert der LED-Leuchte: Der Luftwiderstandsbeiwert ist ein Wert, der den Luftwiderstand einer Leuchte quantifiziert. Beispiel: Eine kugelförmige Leuchte hat beispielsweise einen geringeren Luftwiderstand als eine flache Platte und somit einen niedrigeren Cx-Wert. Die zuverlässigste Methode zur Bestimmung des SCx-Werts (Produkt aus der projizierten Fläche und dem Formfaktor) ist ein Windkanaltest. Im Idealfall wird die Leuchte in allen möglichen Konfigurationen getestet, in denen sie in der Praxis montiert werden kann. Wurde kein Windkanaltest durchgeführt und ist der Cx-Wert daher nicht bekannt, verwenden wir in unseren Berechnungen einen Wert von 1,0 gemäß NEN-EN 40-3-1: 2013. Dabei wird eine konservative Annahme für die projizierte Windangriffsfläche getroffen.

Lichtschutzkappen: Es ist wichtig zu erwähnen, dass Kappen, die zur Vermeidung von Lichtbelästigung auf einer Leuchte angebracht werden, oft einen negativen Einfluss auf den Cx-Wert haben und dadurch die Windlast erhöht wird. Dies muss bei der Berechnung berücksichtigt werden.

Gewicht der LED-Leuchte: einschließlich eventueller Treiber, Aufhängebügel, Befestigungsmaterialien usw. Das Gewicht beeinflusst die Festigkeit, die Steifigkeit und die Eigenfrequenzen eines Mastes.

Relative Position des Schwerpunkts der LED-Leuchte: im Verhältnis zum Mittelpunkt des Lichtmasts.

Berechnungsergebnisse

Die Berechnungsergebnisse zeigen, ob ein Lichtmast die Norm erfüllt. Die wichtigsten Kriterien sind:

• der „Ultimate Limit State“ (im Folgenden: „ULS“): Drückt die relative Belastung des Mastes als Zahl größer als 0 aus. Ein Wert über 1,0 bedeutet, dass die Belastung an einer Stelle im Mast höher ist als die maximale Tragfähigkeit des Mastes und dass der Mast die Norm nicht erfüllt.
• der „Servicability Limit State“ (im Folgenden: „SLS“): maximal zulässige horizontale und vertikale Auslenkung des Mastes unter Windlast. Es werden drei Klassen unterschieden (NEN-EN 40-3-3). So sind beispielsweise die Anforderungen an die maximal zulässige Auslenkung eines Straßenbahnmasts oder eines Sportplatzmasts wesentlich strenger als die für einen öffentlichen Lichtmast.

Mastversagen

Ist die ULS größer als 1, wird der Mast überlastet und langfristig versagen. Dies äußert sich in einer dauerhaften Verformung des Materials oder sogar im Abbrechen des Mastes an der schwächsten Stelle. Grundsätzlich ist bei allen Masttypen, wie konischen, zylindrisch verjüngten Masten, Oktagon- und Multigonalmasten, der Bereich um die Türöffnung (sofern vorhanden) die schwächste Stelle. Bei zylindrisch verjüngten Stahlmasten kann jedoch im Falle einer Überlastung eine neue Schwachstelle entstehen. Es sind Fälle bekannt, in denen nach (lang andauernder) Überlastung ein Ermüdungsbruch direkt oberhalb der Schweißnaht („Wärmeeinflusszone“) zwischen zwei Mastteilen aufgetreten ist. Im Falle einer Ermüdung beginnt der Bruch als Haarriss und breitet sich unter dem Einfluss dynamischer Biegebelastungen durch den Wind von der Außenfläche in Richtung der Innenfläche sowie in Umfangsrichtung aus. Letztendlich wird der Mast an dieser Stelle versagen. Da der Mast bereits so stark geschwächt ist, kann es sein, dass er bereits bei einer relativ geringen Windbelastung versagt. Es ist daher wichtig, eine Überlastung jederzeit zu vermeiden!

Eigenfrequenzen

Eine oft übersehene Eigenschaft von windbelasteten Masten ist, dass sie in Schwingung geraten können. Diese Frequenz bezeichnen wir als Eigenfrequenz. Es handelt sich um eine Schwingungsfrequenz, die der Konstruktion eigen ist. Sie ist eine relevante physikalische Eigenschaft des Lichtmasts, genau wie seine Wandstärke, sein Durchmesser und seine Höhe. Ursache hierfür sind Luftwirbel um das Mastrohr herum. Diese lassen sich leicht an Fahnenmasten beobachten: Bei ausreichendem Wind weist das Tuch der Fahne Wellen auf. Wir bezeichnen dies als Kármán-Wirbelstraßen. Mehr Gewicht im oberen Teil eines Mastes führt zu einer niedrigen (ungünstigeren) Eigenfrequenz.

Zurück zum Wind: Der Wind kann also dazu führen, dass sich Kármán-Wirbelstraßen mit einer bestimmten Frequenz um den Mast bilden. Liegt diese Frequenz nahe an der Eigenfrequenz des Mastes, kommt es zu einem „Schwingungseffekt“: Das Schwanken wird immer stärker und schließlich versagt der Mast. Es ist wichtig zu bestimmen, wie hoch die Grundfrequenz (= niedrigste Eigenfrequenz) und die zugehörigen Oberschwingungen (= Vielfache der Grundfrequenz) des Mastes sind und ob ein inakzeptables Risiko besteht, dass der Mast während seiner Lebensdauer mit Windgeschwindigkeiten in dieser Eigenfrequenz beaufschlagt wird. Normalerweise werden Masten so ausgelegt, dass sie unter Windeinwirkung nicht in Resonanz geraten, und ein Lichtmast sollte sich bei „normalen“ Windgeschwindigkeiten nicht oder kaum sichtbar bewegen. In den Berechnungen muss daher auch das dynamische Verhalten des Lichtmasts berücksichtigt werden. Bei niedrigen Eigenfrequenzen wird die Windlast daher mit einem sogenannten „Beta-Faktor“ multipliziert.

Empfehlungen:

• Stellen Sie sicher, dass Sie die Daten zu Mast und Leuchte zur Hand haben, indem Sie ein Verwaltungsdossier führen. Die Zuverlässigkeit der Daten trägt zur Genauigkeit der Berechnung bei.
• Lassen Sie Ihre Masten regelmäßig von einer unabhängigen und fachkundigen Stelle wie Normec Rei-Lux B.V. überprüfen. Eine regelmäßige Inspektion trägt dazu bei, das Risiko eines Mastversagens zu minimieren. Neben einer Inspektion des gesamten Mastes ist eine Inspektion des Fundaments unerlässlich, um die Sicherheit und Stabilität der Masten zu gewährleisten.
• Achten Sie auf starke Schwingungen im Mast. Wenn ein Mast in seiner Eigenfrequenz oder der zweiten Harmonischen in Resonanz schwingt, kann dies schnell zu Problemen führen. Wenden Sie sich in diesem Fall so schnell wie möglich an Normec Rei-Lux B.V., um sich über mögliche weitere Schritte beraten zu lassen.
• Lassen Sie beim Umstieg auf LED-Beleuchtung stets Berechnungen von einem Fachbetrieb (Masthersteller oder Normec Rei-Lux B.V.) durchführen. So können Sie sicher sein, dass der Lichtmast für die neue Belastung geeignet ist.
• Achten Sie darauf, dass der Schwerpunkt einer oder mehrerer LED-Leuchten so nah wie möglich an der Mitte des Mastes liegt. Dies wirkt sich positiv auf die Belastung des Mastes aus.
• Überprüfen Sie, ob die Neigung mit der Neigung übereinstimmt, auf deren Grundlage die Berechnung durchgeführt wurde. Abweichungen wirken sich immer auf die Windlast aus.
• Befolgen Sie die Empfehlungen des Prüfunternehmens. Unabhängige Prüfunternehmen haben keinerlei Interesse daran, einen Mast zuzulassen oder abzulehnen. Die Nichtbeachtung von Empfehlungen kann schwerwiegende Folgen haben.

Verbote:

• Montieren Sie keine Anzeigetafeln, Lautsprecher, Blumenkästen und andere Gegenstände am Lichtmast, ohne zuvor zu überprüfen, ob dadurch die maximale Tragfähigkeit des Mastes überschritten wird. Diese zusätzliche Belastung kann die Stabilität und Sicherheit des Mastes beeinträchtigen.
• Bringen Sie keine Blendschutzkappen an einer LED-Leuchte an, ohne dies durch eine Festigkeitsberechnung zu überprüfen. Das Vorhandensein von Blendschutzkappen muss immer in die Berechnung einbezogen werden.
• Weichen Sie nicht von den Parametern ab, auf deren Grundlage die Berechnung durchgeführt wurde, oder lassen Sie bei Änderungen eine neue Berechnung durchführen. Die Übereinstimmung mit den ursprünglichen Parametern trägt dazu bei, das Risiko eines Versagens des Mastes zu minimieren.
• Bohren, schleifen oder schneiden Sie niemals ein Loch in einen Mast, ohne dass dies zuvor vom Masthersteller genehmigt wurde. Löcher können sich negativ auf die konstruktive Integrität und Stabilität eines Mastes auswirken.
• Falls erforderlich, wählen Sie vorzugsweise ein Loch in der Mastklappe und/oder ein rundes Loch. Es ist wichtig, dass die Schnittflächen mit einer geeigneten Beschichtung versehen werden, um Korrosion zu verhindern. Löcher in der Mastklappe haben keine negativen Auswirkungen auf die strukturelle Integrität und Stabilität des Mastes.
• Rechteckige Löcher, bei denen die Schnitte bis in die Ecken reichen, sind ein absolutes „No-Go“ und ein Grund für die Ablehnung des Lichtmasts. In den Eckenkönnen hohe Materialspannungen auftreten,die möglicherweise zur Rissbildung führen.