Verhaltenssimulation von Bäumen bei konvektiven Witterungsereignissen
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Verhaltenssimulation von Bäumen bei
konvektiven Witterungsereignissen
Projektbericht erstellt für
Stadt Essen
Grün und Gruga
45131 Essen
Univ.-Prof. Dr. Michael Bruse
Lea Kern, M. Sc.
ENVI_MET GmbH
Kaninenberghöhe 2
45136 Essen
Essen, Mai 2021
Inhalt
1 Einleitung............................................................................................................................................................ 7
2 Grundgedanke des ENVI-met TreePass Verfahrens .......................................................................... 8
2.1 Risikobewertung von Bäumen: Physikalische Faktoren .......................................................... 8
2.2 Risikobewertung von Bäumen: Individuelle Faktoren .............................................................. 9
2.3 Mikroskalige Simulation mit ENVI-met TreePass ...................................................................... 9
2.3.1 Stufe 1: ENVI-met Simulation .................................................................................................10
2.3.2 Stufe 2: TreePass Analyse mit tQSM-Bäumen .................................................................12
3 TreePass Berechnungsverfahren ............................................................................................................16
3.1 Statische Analyse .................................................................................................................................16
3.2 Dynamische Analyse ...........................................................................................................................17
3.3 Exemplarische TreePass Simulation ..............................................................................................18
3.3.1 Generelle Analyse Dauerlast ..................................................................................................23
3.3.2 TreePass Auswertung Modellübersicht ..............................................................................27
3.3.3 Szenarien TreePass Auswertung ...........................................................................................29
4 Strukturierung des BaumAdapt Projektgebiets in Essen ................................................................32
4.1 Generelle Projektstruktur.................................................................................................................32
4.2 Eingrenzung der Simulationsgebiete.............................................................................................35
5 Simulationsergebnisse: Übersicht ...........................................................................................................40
5.1 Mikroklimatologische Simulation mit ENVI-met ......................................................................40
5.1.1 Übersicht der ENVI-met Simulationen ................................................................................41
5.2 Simulation der Baummechanik mit dem TreePass Modell ....................................................42
6 Simulationsergebnisse Gebiet 1: Klinikum ...........................................................................................45
6.1 Mikroklimasimulationen....................................................................................................................45
6.1.1 Wind um 15:00 und 21:00 Uhr ...............................................................................................45
6.1.2 Potentielle Sonnenstunden .....................................................................................................46
6.1.3 Lufttemperatur um 15:00 Uhr ................................................................................................46
Seite 2
6.1.4 Blattflächentemperatur um 15:00 Uhr ...............................................................................47
6.1.5 Horizontaler Drag um 21:00 Uhr ..........................................................................................47
6.2 TreePass Simulationen .......................................................................................................................48
6.2.1 Bruch der Primärachse..............................................................................................................48
6.2.2 Anzahl gebrochene Segmente pro Baum ............................................................................50
6.2.3 Drehmoment Stammbasis........................................................................................................50
6.2.4 Gewicht größtes Schadsegment ............................................................................................50
7 Simulationsergebnisse Gebiet 2: Elisabeth-Krankenhaus ..............................................................52
7.1 Mikroklimasimulationen....................................................................................................................52
7.1.1 Wind um 15:00 und 21:00 Uhr ...............................................................................................52
7.1.2 Potentielle Sonnenstunden .....................................................................................................53
7.1.3 Lufttemperatur um 15:00 Uhr ................................................................................................53
7.1.4 Blattflächentemperatur um 15:00 Uhr ...............................................................................53
7.1.5 Horizontaler Drag um 21:00 Uhr ..........................................................................................54
7.2 TreePass Simulationen .......................................................................................................................54
7.2.1 Bruch der Primärachse..............................................................................................................54
7.2.2 Anzahl gebrochene Segmente pro Baum ............................................................................54
7.2.3 Drehmoment Stammbasis........................................................................................................54
7.2.4 Gewicht größtes Schadsegment ............................................................................................55
8 Simulationsergebnisse Gebiet 3: Riehlpark .........................................................................................56
8.1 Mikroklimasimulationen....................................................................................................................56
8.1.1 Wind um 15:00 und 21:00 Uhr ...............................................................................................56
8.1.2 Potentielle Sonnenstunden .....................................................................................................57
8.1.3 Lufttemperatur um 15:00 Uhr ................................................................................................57
8.1.4 Blattflächentemperatur um 15:00 Uhr ...............................................................................58
8.1.5 Horizontaler Drag um 21:00 Uhr ..........................................................................................58
8.2 TreePass Simulationen .......................................................................................................................58
8.2.1 Bruch der Primärachse..............................................................................................................58
Seite 3
8.2.2 Anzahl gebrochene Segmente pro Baum ............................................................................58
8.2.3 Drehmoment Stammbasis........................................................................................................59
8.2.4 Gewicht größtes Schadsegment ............................................................................................59
9 Simulationsergebnisse Gebiet 4: B224 Nord / Altenessener Straße ..........................................60
9.1 Mikroklimasimulationen....................................................................................................................60
9.1.1 Wind um 15:00 und 21:00 Uhr ...............................................................................................60
9.1.2 Potentielle Sonnenstunden .....................................................................................................61
9.1.3 Lufttemperatur um 15:00 Uhr ................................................................................................61
9.1.4 Blattflächentemperatur um 15:00 Uhr ...............................................................................61
9.1.5 Horizontaler Drag um 21:00 Uhr ..........................................................................................61
9.2 TreePass Simulationen .......................................................................................................................62
9.2.1 Bruch der Primärachse..............................................................................................................62
9.2.2 Anzahl gebrochene Segmente pro Baum ............................................................................62
9.2.3 Drehmoment Stammbasis........................................................................................................62
9.2.4 Gewicht größtes Schadsegment ............................................................................................62
10 Zusammenfassung ....................................................................................................................................63
11 Literatur .......................................................................................................................................................65
Seite 4
Abbildungen
Abbildung 1: Schemetischer Ablauf einer TreePass Analyse .................................................................10
Abbildung 2: Relative Windgeschwindigkeit (7.5 m Höhe) im Bereich des Elisabeth-
Krankenhaus um 9.6.2014 um 20:00. Der blaue Kreis markiert die Stelle der
Einzelbaumanalyse.................................................................................................................................................11
Abbildung 3: Beispiel QSM Modell eines Baumbestands (Quelle: simpleforest.org) .....................13
Abbildung 4: Beispiele für L-System basierte Bäume in ENVI-met: Gelbbirke (Betula alba) (links,
Eberesche (Sorbus araucaria) (Mitte), Feldahorn (Acer campestre) (Rechts) mit
zugrundeliegendem Skelett und Blättern ......................................................................................................14
Abbildung 5: Simulationsgebiet mit 218 L-Bäumen und 1380 Standardbäumen ............................14
Abbildung 6: Schematischer Ablauf der biomechanischen Simulation im ENVI-met TreePass. 15
Abbildung 7: Analysemethoden im ENVI-met TreePass ..........................................................................16
Abbildung 8: Dynamische Analyse der Baumbelastung bei einer Windspitze aus Osten (rechts).
Dargestellt ist die Verschiebung der Stammachse aus der neutralen Position über die Zeit
(Zeitachse in 1/10 Sekunden) .............................................................................................................................18
Abbildung 9: Beispielbaum im Untersuchungsgebiet als Realbild (oben) und Modellbaum
(unten). Foto oben: Norbert Bösken, Stadt Essen .......................................................................................19
Abbildung 10: Verschiedene Elastizitätsmodule für Bäume im vitalen Zustand (Auszug aus der
technischen Dokumentation TreePass)..........................................................................................................21
Abbildung 11: Verteilung des Bruchrisikos Risk of Rupture eines Astes bei der Beispielplanate
und einem Windereignis mit 30 m/s aus 120 °. ............................................................................................22
Abbildung 12: Bruchrisiko an Astverbindungen ..........................................................................................23
Abbildung 13: Optionsdialog für den Berechnungsmodus „Generelle Analyse“ .............................24
Abbildung 14:Analyse des Gesamtbruchrisikos der Platane über alle Baumsegmente und 8
Windsektoren ..........................................................................................................................................................25
Abbildung 15: Analyse des Bruchrisikos von Ästen der Platane über alle Baumsegmente und 8
Windsektoren ..........................................................................................................................................................26
Abbildung 16: Simulationskonzept TreePass ...............................................................................................27
Abbildung 17: Analyseoptionen nach TreePass Simulation in der Software .....................................28
Abbildung 18: Auswertungszenarien TreePass Analyse ..........................................................................29
Abbildung 19: Verortung der Untersuchungsgebiete im BaumAdapt Projekt (Gebiete 1 bis 3,
Gebiet 4 im Norden angeschnitten) .................................................................................................................33
Abbildung 20: Verortung des Untersuchungsgebiets 4 (nördliche B224/ Altenessener Straße).
Das ausgeählte Gebiet liegt im abschnitt 6 ...................................................................................................34
Seite 5
Abbildung 21: Modellgebiet 1 Klinikum, 229 x236 Gitterpunkte zu 3 m ...........................................36
Abbildung 22: Modellgebiet 2 Elisabeth-Krankenhaus, 209 x 218 Gitterpunkte zu 3 m .............37
Abbildung 23: Modellgebiet 3 Riehlpark, 189 x 116 Gitterpunkte zu 3 m .........................................38
Abbildung 24: Modellgebiet 4 B224/ Altenessener Straße, 172 x 222 Gitterpunkte zu 3 m ......39
Abbildung 25: Kanalisierung im Bereich Klinikum ......................................................................................46
Abbildung 26: Beispielhafter Vertikalschnitt bei x=538 m ......................................................................47
Abbildung 27: Neue abgebrochene Bäume "Ungarische Eiche" im Falle der für den
Klimawandel angepassten Bäume ....................................................................................................................48
Abbildung 28: Verteilung des Biegestresses an allen Segmenten (Kreuze) sowie an der
Stammachse (Linie) für die aktuellen Bäume ................................................................................................49
Abbildung 29: Verteilung des Biegestresses an allen Segmenten (Kreuze) sowie an der
Stammachse (Linie) für die klimawandel angepassten Bäume ...............................................................50
Abbildung 30: Windschneise Riehlpark ..........................................................................................................57
Seite 6
1 Einleitung
Am Pfingstmontag, den 9. Juni 2014 ereignete sich der Gewittersturm „Ela“ und führte zu einer
Vielzahl von Baumbrüchen und Baumwürfen in der Stadt Essen und Umgebung, die große
Schäden in der Stadt anrichteten.
Der Sommerorkan „beschädigte große Teile des urbanen Baumbestandes sowohl in städti-
schen Wäldern als auch im Stadtbaumbestand. Etwa 87 Prozent des Gesamtschadens lagen im
Bereich grüner Infrastruktur und hierbei überwiegend bei den Bäumen“ (Stadt Essen 2021).
Circa 20.000 der ungefähr 200.000 Stadtbäume wurden durch „Ela“ beschädigt und bis heute
kommt es zu Fällungen von Stadtbäumen aufgrund schwerer Schädigungen durch den Som-
merorkan.
Im Rahmen des Projekts BaumAdapt hat die ENVI_MET GmbH in enger Zusammenarbeit mit
der Stadt Essen, Grün und Gruga, untersucht, inwieweit sich die potentielle Wind- und Sturm-
gefährdung von Stadtbäumen mit Hilfe numerischer Simulationsverfahren vorhersagen und
quantifizieren lässt. Hierzu wurde parallel zum Projekt das neuartige Analysetool ENVI-met
TreePass entwickelt, mit dem es möglich ist, unterschiedlichste Baumarten detailliert abzubil-
den und die in ihrem Astwerk auftretenden Kräfte zu simulieren.
Das Modul ENVI-met TreePass wurde an vier ausgewählten Standorten im Stadtgebiet Essen
für vier unterschiedliche Baumsituationen (gepflegt versus ungepflegt) sowie Klimawandel
adaptiert / gesund versus nicht-adaptiert / geschädigt angewandt.
Im Folgenden wird zunächst der Grundgedanke des ENVI-met TreePass Modells sowie der
Windrisiko-Simulation erläutert. Daran anschließend werden ausgewählte Ergebnisse der vier
Simulationsgebiete diskutiert. Aufgrund der Größe der Darstellungen werden die meisten Ab-
bildungen gesondert im Anhang dargestellt.
Seite 7
2 Grundgedanke des ENVI-met TreePass Verfahrens
2.1 Risikobewertung von Bäumen: Physikalische Faktoren
Die Bewertung des Risikos „Sturmgefährdung von Bäumen“ durch Stammbruch, Astabwurf
oder Entwurzelung wird in städtischen Gebieten vor allem durch zwei Einflussfaktoren defi-
niert:
• dem Standorteinfluss und
• der Biomechanik der einzelnen Bäume.
Der Standorteinfluss umfasst hierbei vor allem die Veränderung des Windfeldes hinsichtlich
der Windgeschwindigkeit, der Windrichtung und der Turbulenzintensität unter dem Einfluss
der städtischen Bebauungsstruktur.
Hier kommt es durch strömungsmechanische Prozesse sowohl zu Zonen mit stark verringerter
Windgeschwindigkeit, durch Düsenwirkungen jedoch ebenso zu lokal stark erhöhten Windge-
schwindigkeiten. Das gleiche Sturmereignis kann sich daher auf wenigen 100 Metern Distanz
im Stadtraum lokal völlig unterschiedlich darstellen.
Neben diesem unmittelbaren Effekt der Stadtstruktur auf den Baum kommen weitere Fakto-
ren hinzu, die längerfristig das Baumwachstum und die Baumgesundheit beeinflussen. Hierbei
ist das lokale Mikroklima (Temperaturamplituden, Minimal- und Maximaltemperaturen, Be-
sonnung oder Wasserverfügbarkeit) von großer Bedeutung, da sich hierdurch der Wuchs und
die Vitalität des Baumes abschätzen lassen.
Ob und wie stark ein einzelner Baum durch die standortbezogenen Windkräfte beschädigt
wird, hängt im Wesentlichen von der Biomechanik und der Belastbarkeit des Baums ab.
Durch das Windereignis werden über das Astwerk sowie die Blätter Kräfte auf das Baumske-
lett übertragen und in diesem über die verbundenen Äste weitergeleitet und aufsummiert. Wie
groß die hierbei auftretenden Kräfte und Drehmomente werden können, hängt vor allem von
der Kronenstruktur des Baumes ab. Zu einem gewissen Grad kann der Baum die auftretenden
Drehmomente ausgleichen, indem er die Äste mit dem Wind verbiegt und so die auftretenden
kinetischen Kräfte temporär in plastische Verformungskräfte umwandelt. Überschreiten die
auftretenden Windkräfte die Flexibilität der Äste, kommt es zu Schädigungen der Fasern und
im weiteren Verlauf zu Brüchen an den schwächeren Astanbindungen oder an den Ästen und
Stämmen selber.
Seite 8
2.2 Risikobewertung von Bäumen: Individuelle Faktoren
Die im vorangehenden Abschnitt dargestellte Sicht auf das Bruchrisiko von Bäumen ist sehr
deterministisch und steht in einem gewissen Widerspruch zur Realität, in der Bäume individu-
elle Lebewesen sind, die unterschiedliche Wuchsformen aufweisen und, bedingt durch Krank-
heiten, Schädling und Vorschädigungen, durch die auftretenden Windkräfte unterschiedlich
stark geschädigt werden können.
Selbst wenn man sich auf einen einzelnen Baum beschränken würde, ist es in der Praxis schwer
bis unmöglich, alle relevanten Bauparameter und -zustände zu erfassen, die nötig wären, um
zuverlässig zu ermitteln, bis zu welcher maximalen Windgeschwindigkeit aus welcher Wind-
richtung der Baum schadenfrei bleiben würde.
Dieses Problem ist grundsätzlicher Art und tritt nicht nur bei der Betrachtung von Bäumen auf,
sondern bei jeder Analyse von Mengen und Gesamtheiten, in denen die relevanten Eigenschaf-
ten der Individuen stark streuen.
Zu einem gewissen Grad kann die Problematik entschärft werden, indem man nicht das ein-
zelne Element einer Gesamtheit in den Fokus stellt, sondern nur mittlere Eigenschaften der
Gesamtheit ermittelt und analysiert.
Für die Analyse des Windrisikos von Bäumen ist eine solche Betrachtung jedoch wenig hilf-
reich, da hier ein mittleres Schadensbild nicht die gewünschten Erkenntnisse liefert, sondern
eine standort- und baumscharfe Bewertung erforderlich ist.
Es ist somit unumgänglich, die Unschärfe der Analyse zu akzeptieren und die Simulationsergeb-
nisse nicht als eine absolute Vorhersage des eintretenden Schadens zu interpretieren. Sie stel-
len vielmehr eine numerische Abschätzung des potentiellen Risikos einer Schädigung dar, bei
der die verfügbaren Daten wie der Standort, die meteorologischen Rahmenbedingungen oder
die Baumgeometrie berücksichtigt wurden.
2.3 Mikroskalige Simulation mit ENVI-met TreePass
ENVI-met TreePass ist ein zweistufiges Simulationssystem, das die Berechnung des Mikrokli-
mas sowie der Baummechanik in sehr hoher Auflösung in quasi beliebigen Bebauungs- und Um-
weltsituationen ermöglicht.
Seite 9
Abbildung 1: Schematischer Ablauf einer TreePass Analyse
Abbildung 1 zeigt eine schematische Übersicht über den Ablauf einer TreePass Analyse.
Das ENVI-met Modellgebiet wird aus den vorhandenen dreidimensionalen Geodaten zu den
Gebäuden, den Oberflächen sowie der Vegetation erstellt. Zur Darstellung der Bäume im Mo-
dell können sowohl klassische geometrische ENVI-met Bäume zum Einsatz kommen oder aber
sogenannte QSM-Bäume, die über ein strukturiertes Baumskelett (Quantified Structural Mo-
del) definiert werden. Aktuell werden diese QSM-Bäume über sogenannte Lindenmayer-Sys-
teme erzeugt (siehe Abschnitt 2.3.2). Nur QSM-basierte Bäume können im TreePass Modell
weiter analysiert werden.
2.3.1 Stufe 1: ENVI-met Simulation
Die erste Stufe besteht hierbei aus dem Mikroklimamodell ENVI-met (www.envi-met.com),
welches – analog zu den oben angeführten zwei Einflussbereichen – den Standorteinfluss
durch die Stadtstruktur berechnet.
Seite 10Hierdurch lassen sich das dreidimensionale Windfeld sowie das Mikroklima im Untersuchungs-
gebiet mit einer Auflösung von wenigen Metern und wenigen Sekunden simulieren.
Abbildung 2 zeigt exemplarisch die von ENVI-met simulierte relative Windgeschwindigkeit am
9. Juni 2014 um 20:00 Uhr im Untersuchungsbereich Elisabeth-Krankenhaus. Grüne Bereiche
zeigen Zonen, in denen die Windgeschwindigkeit verglichen zum Freiland deutlich reduziert
ist, während rote Bereiche auf eine Verstärkung der ohnehin hohen Windgeschwindigkeiten
hinweisen.
Abbildung 2: Relative Windgeschwindigkeit (7.5 m Höhe) im Bereich des Elisabeth-Krankenhaus am 09.06.2014
um 20:00 Uhr. Der blaue Kreis markiert die Stelle der Einzelbaumanalyse.
Neben den absoluten Windgeschwindigkeiten werden zur Vorbereitung der TreePass Simulati-
onen zudem für 16 Windrichtungssektoren normierte Windverteilungen vorberechnet, die es
erlauben, in der TreePass Analyse beliebige Windrichtungen und -geschwindigkeiten zu analy-
sieren, ohne eine komplette zeitaufwändige Strömungssimulation erneut durchführen zu müs-
sen. Zudem können so auch sehr hohe Windgeschwindigkeiten simuliert werden, die bei einer
kompletten CFD Simulation zu numerischen Instabilitäten führen würden.
Seite 112.3.2 Stufe 2: TreePass Analyse mit tQSM-Bäumen
Zur Simulation der Biomechanik der einzelnen Bäume war es notwendig, ein neues Baummo-
dell für ENVI-met zu entwickeln, welches nicht nur die Verteilung von Blattflächen definiert,
sondern auch das zugrundeliegende Baumskelett mit allen notwendigen physikalischen Para-
metern als topologisches Netzwerk beinhaltet.
Baumskelette, die Informationen über die hierarchische Anordnung der Äste im Raum sowie
deren Durchmesser enthalten werden allgemein als Quantified Structural Model (QSM)-
Bäume bezeichnet. Für die Simulation ist es hierbei nebensächlich, wie die QSM Daten gene-
riert wurden, solange sie topologisch und botanisch vollständig und sinnvoll sind. tQSM steht
hierbei für die Interpretation der QSM-Baumstruktur über ein sogenanntes Turtle-Zeichensys-
tem, bei dem der Baum, ausgehend vom Ursprung, als eine Sequenz von relativen Zeichenbe-
fehlen konstruiert wird.
Um aus existierenden Bäumen (t)QSM-Modelle abzuleiten bietet sich beispielsweise der Ein-
satz von terrestrischen LiDAR-Scannern an. Durch geeignete Nachbearbeitung der Punktwol-
ken lassen sich QSM-Modelle erzeugen, die im Nachgang noch mit passenden Regeln belaubt
werden müssen (vgl. Abbildung 3).
Allerdings sind terrestrische LiDAR-Scanner nach wie vor sehr teuer und die Erfassung von Be-
ständen aufwändig.
Seite 12Abbildung 3: Beispiel QSM-Modell eines Baumbestands (Quelle: simpleforest.org)
Aus diesem Grund wurde für die aktuelle Implementierung der QSM-Bäume in ENVI-met die
Möglichkeit geschaffen, diese über parametrische Algorithmen zu erzeugen. Für ENVI-met
wurden hierfür die sogenannten L-Systeme ausgewählt, die es ermöglichen, einerseits kom-
plexe und realistische, auf der anderen Seite topologisch korrekte Bäume zu generieren (siehe
auch Simon, Sinsel und Bruse, 2020).
Abbildung 4 zeigt exemplarisch drei typische L-System basierte Bäume. Durch unterschiedli-
che Editoren können dem Modell jederzeit neue Bäume hinzugefügt werden.
Im Rahmen des Projekts BaumAdapt wurden bisher insgesamt 51 verschiedene L-System ba-
sierte QSM-Bäume in unterschiedlichen Wachstumsphasen (Jugend / Alterung / Reife) entwi-
ckelt. Die Auswahl basierte hierbei auf der GALK-Baumbestandsliste von 2014, der Frühjahrs-
pflanzung 2015 des Projekts „Stadtbäume für Berlin“ („Berliner Baumliste“ genannt) und der
Baumliste nach ROLOFF (2013). Die Liste wurde so erstellt, dass alle in den entsprechenden
vier ausgewählten Untersuchungsgebieten der Stadt Essen vorkommenden Straßenbäume als
L-basierte Bäume vorhanden sind. Eine Übersicht der Bäume ist in Anhang B zu finden.
Seite 13Abbildung 4: Beispiele für L-System basierte Bäume in ENVI-met: Gelbbirke (Betula alba) (links), Eberesche (Sor-
bus aucuparia) (mitte), Feldahorn (Acer campestre) (rechts) mit zugrundeliegendem Skelett und Blättern.
Die so definierten QSM-Bäume bzw. L-System Bäume können einzelne oder alle Bäume in der
ENVI-met Simulation repräsentieren und ermöglichen die hochauflösende TreePass Simulation
im Anschluss an die eigentliche Mikroklimasimulation.
Abbildung 5 zeigt exemplarisch das Simulationsgebiet um das Elisabeth-Krankenhaus mit 218
L-Bäumen und 1380 Standardbäumen. Beide Typen gehen in die ENVI-met Simulation ein, aber
nur mit den L-basierten Bäumen ist eine nachfolgende TreePass Analyse möglich.
Abbildung 5: Simulationsgebiet mit 218 L-Bäumen und 1380 Standardbäumen.
Seite 14In Abbildung 6 ist der Ablauf der biomechanischen Simulation schematisch dargestellt. Da im
vorliegenden Beispiel nur mit algorithmischen, also L-System basierten Bäumen gearbeitet
wird, ist nur die oberste Zeile des Diagramms relevant.
Abbildung 6: Schematischer Ablauf der biomechanischen Simulation im ENVI-met TreePass.
Auf Basis der hinterlegten Datenbank wird für den zu untersuchenden Baum zunächst das Ba-
sisskelett tQSM0 erzeugt. Dieses kann standortabhängig modifiziert werden, indem Lichtfakto-
ren und Tropismen definiert werden, hier entsteht das statische Baumskelett tQSMS. Auf die-
ses Baumskelett können nun unterschiedliche Kräfte einwirken. Hierzu zählen vor allem die
immer wirkende Schwerkraft sowie die durch Windkräfte entstehenden Biegekräfte. Die Reak-
tion des Baumskeletts auf diese Kräfte resultiert im modifizierten Skelett tQSM*. Überschrei-
ten die auftretenden Kräfte die Stabilität der Äste oder des Stamms werden diese als gebro-
chen aus der Simulation entfernt.
Seite 153 TreePass Berechnungsverfahren
Die detaillierten TreePass Verfahren erlauben es, für jeden QSM-basierten Baum im Modellge-
biet eine biomechanische Belastungsanalyse durchzuführen. Die folgenden Abschnitte bezie-
hen sich auf die Entwicklungsversion des ENVI-met TreePass Stand Frühjahr 2021.
Hierzu wird im Rahmen der vorgeschalteten ENVI-met Simulation ein normiertes Windfeld für
16 Windrichtungssektoren vorberechnet. Hierbei wird davon ausgegangen, dass analog zu ei-
nem Windkanal die Ähnlichkeitstheorie der Strömungsdynamik Gültigkeit besitzt. Das bedeu-
tet, dass die Struktur eines berechneten Windfelds für (beispielsweise) 1.5 m/s über Grund der
Struktur des Windfeldes für 10 m/s über Grund entspricht, nur mit entsprechend höher ska-
lierten Absolutwerten. Da die im Strömungsmodell verwendeten Reynolds-gemittelten Na-
vier-Stokes Gleichungen (RANS) ohnehin davon ausgehen, dass sich das Strömungsverhalten
der Luft bei turbulenten Strömungen linear verhält, ist diese Annahme der Ähnlichkeiten der
Windfelder im vorliegenden Modellkontext ausreichend genaui.
Die TreePass Analyse kann auf zwei Arten durchgeführt werden: Eine generelle, statische
Standortanalyse, in der alle Windrichtungen und ein vorgegebener Bereich von Windgeschwin-
digkeiten statisch durchgerechnet wird und eine dynamische Analyse, in der ein spezielles Wit-
terungsereignis als Sequenz von Windrichtungen und Windgeschwindigkeiten analysiert wird.
Abbildung 7: Analysemethoden im ENVI-met TreePass.
3.1 Statische Analyse
Bei der statischen Standortanalyse wird von einer Balance zwischen den einwirkenden Wind-
kräften einerseits und der resultierenden Verformung des Baumes andererseits ausgegangen.
Seite 16Übersteigen die auf ein Segment oder eine Astanbindung einwirkenden Kräfte den maximal to-
lerierbaren Biegungsstress (MOR Modulus of Rupture), werden das betroffene Segment sowie
alle verbundenen Kindersegmente vom Baum entfernt und als Schadenssegmente gespeichert.
Die Arbeitsweise der statischen Analyse wird im übernächsten Abschnitt detaillierter be-
schrieben.
3.2 Dynamische Analyse
Bei der dynamischen Analyse kann die instationäre Baumdynamik berücksichtigt werden, wie
beispielsweise das Schwingverhalten von Bäumen oder das „Überschießen“ der eigentlichen
Position des Kräftegleichgewichts durch die Massenträgheit des Astwerks. Diese Belastungs-
spitzen, die vor allem bei starker Böigkeit, also einer sehr schnellen Zunahme der Windge-
schwindigkeit entstehen, können zu temporären Verformungen und Belastungen führen, die
über Kräften liegen, die sich unter stationären Bedingungen einstellen würden.
Abbildung 8 veranschaulicht dieses am Beispiel eines böigen Ostwindes mit 15 m/s Windge-
schwindigkeit, der auf einen Feldahorn einwirkt. Das Diagramm zeigt hierbei den Verlauf der
Verschiebung der Stammachse aus der neutralen Position an der angezeichneten Stelle über
die Zeit, wobei t=0 der Startzeitpunkt der Windeinwirkung ist.
Seite 17Abbildung 8: Dynamische Analyse der Baumbelastung bei einer Windspitze aus Osten (von rechts in der Grafik).
Dargestellt ist die Verschiebung der Stammachse aus der neutralen Position über die Zeit (Zeitachse in 1/10 Se-
kunden).
Wie man im Verlauf der Verschiebungskurve deutlich erkennt, führt die Krafteinwirkung durch
einen Ostwind mit 15 m/s zu einer stationären Verschiebung der Stammachse von ca. 0.5 m.
Beim Einsetzen der Windböe (t=0) jedoch wird durch die Massenträgheit des Baumskelets der
Stamm bis zu 0.7 m verschoben, also um 0.2 m mehr, als es für eine Herstellung des Kräf-
tegleichgewichts nötig wäre. Diese Zusatzbelastung tritt zwar nur kurzzeitig auf, ist aber für
eine Schädigung des Baummaterials relevant und kann zu einem Astabwurf oder einer Vor-
schädigung führen.
3.3 Exemplarische TreePass Simulation
Im Folgenden werden exemplarisch für den Standort Elisabeth-Krankenhaus typische Berech-
nungsschritte vorgestellt.
Abbildung 5 zeigt eine Übersicht über das Simulationsgebiet „Elisabeth-Krankenhaus“ in Essen
mit einem ausgewählten Beispielbaum, eine 20 Meter hohe ahornblättrige Platane auf QSM-
Basis. In Abbildung 9 ist die ausgewählte Platane als Realbild (oben) und als in das Modelgebiet
implementierter L-System basierter QSM Baum dargestellt.
Seite 18Abbildung 9: Beispielbaum im Untersuchungsgebiet als Realbild (oben) und Modellbaum (unten). Foto oben:
Norbert Bösken, Stadt Essen.
Abbildung 11 zeigt eine typische Analysesituation für den Beispielbaum für eine (statische)
Windbelastung von 30 m/s in 10 m Höhe und eine Windrichtung aus 120°.
Seite 19Dargestellt ist als eine der möglichen Analysevariablen das dimensionslose Bruchrisiko R (Risk
of Rupture), das definiert ist als der Quotient aus aktuellem Biegestress M und maximal tole-
rierbarem Biegestress (Modulus of Rupture MOR):
M
R=
MOR
Je näher sich das Risiko dem Wert 1 bzw. 100 annähert, desto wahrscheinlicher ist ein Bruch
der entsprechenden Stelle. Bei einem Risiko von 1 bzw. 100, also seinem Erreichen oder Über-
schreiten des MOR, werden das entsprechende Astsegment und alle verbundenen Äste vom
Baum entfernt und als zerstört gespeichert.
Im Hinblick auf die baumartspezifischen Werte des MOR muss darauf hingewiesen werden,
dass die hier verfügbare Datenlage mehr als dünn ist. Das Gleiche gilt für das Elastizitätsmodul
des Baumes E (Young‘s Modulus): Hier sind zwar zahlreiche Werte verfügbar, viele beziehen
sich jedoch auf getrocknetes Holz als Baustoff und nicht auf Holz in vitalem Zustand. Abbildung
10 zeigt exemplarisch die Zusammenstellung unterschiedlicher Elastizitätsmodule für lebende
Bäume aus der technischen Dokumentation zum TreePass (in Bearbeitung).
Seite 20Abbildung 10: Verschiedene Elastizitätsmodule für Bäume in vitalem Zustand (Auszug aus der technischen Doku-
mentation TreePass)
Seite 21Abbildung 11: Verteilung des Bruchrisikos Risk of Rupture eines Astes bei der Beispielplatane und einem Winder-
eignis mit 30 m/s aus 120°.
Die MOR können für die eigentlichen Äste und für die Astverbindungen getrennt definiert wer-
den, wobei die Astanbindungen üblicherweise weniger belastbar sind, als die durchgehenden
Äste und somit einen geringeren MOR aufweisen.
Als Vorgabe sind im TreePass für alle Bäume einheitlich angenommen:
• MOR Ast: 65 MPa
• MOR Astanbindung: 45 MPa
Seite 22Abbildung 12: Bruchrisiko an Astverbindungen.
Für die Beurteilung, ob ein Baumsegment Windbruch erleidet oder nicht, wird der jeweils ge-
ringere MOR Wert zur Berechnung herangezogen. In den detaillierten Simulationsergebnissen
lassen sich die Gründe für einen eventuellen Astverlust jederzeit nachvollziehen.
3.3.1 Generelle Analyse Dauerlast
Bei der Generellen Analyse Dauerlast werden, wie schon in Abbildung 7 gezeigt, ein beliebiger
Baum bzw. alle Bäume im Modellgebiet Windlasten aus verschiedenen Richtungen mit ver-
schiedener Stärke ausgesetzt. Derzeit sind entweder 8 oder 16 Windrichtungssektoren für die
Berechnung vorgesehen, der Bereich der Windstärken kann vom Anwender frei gewählt wer-
den (siehe Abbildung 13).
Seite 23Abbildung 13: Optionsdialog für den Berechnungsmodus „Generelle Analyse“.
Während der Simulation werden zunächst für jedes Baumsegment alle relevanten Daten für
jede Kombination aus Windrichtung und Windgeschwindigkeit gespeichert. Da hierdurch sehr
große Datenmengen entstehen, werden diese im Anschluss für jeden Baum auf wenige Kernpa-
rameter zusammengefasst, so dass die Detaildaten bei Bedarf gelöscht werden können.
Für die weiteren Auswertungen stehen zahlreiche Analysemodule zur Verfügung, von denen
die meisten auf der Programmiersprache Python basieren und vom Anwender selbst erweitert
oder modifiziert werden können. Abbildung 14 zeigt exemplarisch die Auswertung des Bruchri-
sikos der Beispielplatane für 8 Windsektoren und Windgeschwindigkeiten von 1 m/s bis 30
m/s.
Wie man aus der Abbildung entnehmen kann, nähert sich das Bruchrisiko dieser Platane bei ei-
ner Windgeschwindigkeit von 30 m/s dem Risikowert von 80% an. Die größten Belastungen
treten hierbei bei den Windrichtungen 90° bis 135° sowie 270° bis 315° auf. Dieses entspricht
den Windrichtungen parallel zur Straßenachse (vgl. Abbildung 2). Das geringste Bruchrisiko
tritt bei einer Windrichtung von 45° auf, da hier die Platane durch das nebenstehende Gebäude
geschützt wird. Das dargestellte Bruchrisiko umfasst dabei sowohl den Bruch von Astanbin-
dungen als auch den Bruch von Ästen an sich, wobei hier der Abbruch an der Hauptachse die
am häufigsten anzutreffende Schadenart ist. Hierzu zeigt Abbildung 15 exemplarisch das
Bruchrisiko nur für die Baumsegmente ohne die Astanbindungen, das deutlich niedriger ist. Die
Seite 24meisten Schäden werden also in diesem Fall durch den Abbruch an Astanbindungen zu erwar-
ten sein.
Abbildung 14: Analyse des Gesamtbruchrisikos der Platane über alle Baumsegmente und 8 Windsektoren.
Seite 25Abbildung 15: Analyse des Bruchrisikos von Ästen der Platane über alle Baumsegmente und 8 Windsektoren.
Seite 263.3.2 TreePass Auswertung Modellübersicht
Die hohe Datendichte der Simulationen erfordert eine Datenaggregation der Simulationser-
gebnisse, so dass grundlegende Indikatoren sichtbar werden und der Anwender einen Über-
blick über die Situation im Untersuchungsgebiet erlangen kann. Bei der Simulation entstehen
für jede betrachtete Windrichtung und Windgeschwindigkeit für jeden Baum im Untersu-
chungsgebiet große Datenmengen, die nach unterschiedlichen Kriterien gruppiert werden (vgl.
Abbildung 16 und Abbildung 17).
Abbildung 16: Simulationskonzept TreePass.
Seite 27Abbildung 17: Analyseoptionen nach TreePass Simulation in der Software.
Für jede Windrichtung und Windgeschwindigkeit sind eine Anzahl von Variablen verfügbar, de-
ren Analyse üblicherweise interaktiv im TreePass Programm erfolgt. Für diesen Bericht wer-
den daher nur einige exemplarische statische Auswertungen gezeigt, die digitalen Daten sind
Bestandteil des Berichts. Unter Verwendung der Simulationsdaten und der TreePass Software
kann jegliche Perspektive auf die Untersuchungsergebnisse erstellt werden.
Im aktuellen Entwicklungsstand werden für jeden QSM-basierten Baum für jede Modellsitua-
tion (Windrichtung / Windgeschwindigkeit) im Modellgebiet folgende Parameter zur Verfü-
gung gestellt:
1. Wind Speed 2/3 Tree Height: Windgeschwindigkeit im Zentrum des Baumes in der
Höhe 2/3 der Gesamthöhe.
2. Nr Segments Broken Total: Gesamtzahl der Baumsegmente, die im Rahmen der
Windsimulation entfernt wurden, weil sie entweder selber zu großen Kräften ausge-
setzt waren ober weil der zugeordnete Ast an anderer Stelle gebrochen ist.
3. Nr Broken Straight Segments: Anzahl der Brüche auf einem graden Astsegment,
Seite 284. Nr Broken Conections: Anzahl der Abbrüche, verursacht durch eine Überschreitung
der Belastung an Astanbindungen,
5. Nr Removed by Broken Parent: Anzahl der Baumsegmente, die entfernt wurden, weil
der übergeordnete Ast gebrochen ist.
6. Total Mass Broken: Summe des entfernten Baummaterials in kg.
7. Max Diameter Broken: Der größte Durchmesser von allen Ästen und Baumsegmenten,
die windbedingt entfernt wurden.
8. Max Mass Broken: Das größte Gewicht, das in der Simulation durch einen einzelnen
abgebrochenen Baumteil erzeugt wird.
9. Failure Primary Axis: Diese Variable wird auf “1” gesetzt, wenn der Baum durch einen
Bruch seiner Primärachse zerstört wurde.
10. Height Primary Axis Failure: Sollte der Baum durch einen Bruch seiner Primärachse
geschädigt sein, wird an dieser Stelle die Höhe des Bruches angegeben.
11. Torque Treebase: Hier wird das Drehmoment angegeben, das am Fuße des Baumes be-
rechnet wurde. Der TreePass berechnet derzeit keine Daten zur Entwurzlung von Bäu-
men, da relevante Daten über den Wurzelraum fast immer fehlen. Das Drehmoment
kann daher als Indikator für die Standfestigkeit des Baumes verwendet werden.
3.3.3 Szenarien TreePass Auswertung
Auf Basis der digitalisierten Projektgebiete wurden hinsichtlich der Bäume im Modell vier Sze-
narien definiert:
Abbildung 18: Auswertungszenarien TreePass Analyse.
Seite 29Die Szenarien unterscheiden sich in den Rahmenparametern „gepflegt“ vs. „ungepflegt“ sowie
„Aktuelle Bäume“ vs. „Klimawandel adaptierte Bäume“.
„ungepflegt“ vs. „gepflegt“
Bei der großen Menge zu untersuchender Bäume können nur einfache Regeln zum Einsatz
kommen, um eine Pflege der Bäume im Modell nachzubilden.
Der Zustand „ungepflegt“ repräsentiert hierbei den Baumwuchs, so wie er über das L-System
definiert wird, ohne weitere Interaktion mit der Modellumwelt.
Der Zustand „gepflegt“ wurde in Zusammenarbeit mit der Stadt Essen durch die Anwendung
folgender Regeln dargestellt:
• Kappen der Äste, wenn der Abstand zu einer Fassade 1.5 m unterschreitet.
• Sicherstellen einer Durchfahrtshöhe von 4.5 m bei Straßen.
Da Straßenbereiche im Modell nicht explizit ausgewiesen sind, wurde jeder Standort über ei-
ner versiegelten Fläche als Straßenstandort definiert.
„Aktuelle Bäume“ vs. „Klimawandel adaptierte Bäume“
Im Hinblick auf die Bewertung des Windrisikos hat die Definition „Klimawandel adaptierter
Baum“ im Projektkontext einige Schwierigkeiten bereitet.
Im Allgemeinen wird unter der Auswahl von Klimawandel adaptierten Bäumen verstanden,
dass diese besser mit höheren Temperaturen und verringerter Wasserversorgung zurecht-
kommen als klassische (Straßen-)Baumarten. Im Hinblick auf die Windresistenz ist diese Eigen-
schaft jedoch sekundär, da hier Wuchsform, Kronendichte und Bruchresistenz des Baumes die
maßgeblich steuernden Größen sind. In diesen Faktoren unterscheiden sich jedoch die aktuel-
len Baumarten und solche, die für den Klimawandel adaptiert sind, kaum.
Im Rahmen dieses Projekts wurde daher die Bruchresistenz des Baumes, genauer das MOR
(vgl. Abschnitt 3.3) als mögliche Steuerungsgröße identifiziert. Hierbei wird davon ausgegan-
gen, dass klassische Stadtbäume aufgrund zunehmender Hitzebelastung und Trockenstraes-
seine Vorschädigung erfahren haben, die ihre Bruchresistenz reduziert. Klimawandel adap-
tierte Bäume hingegen behalten ihr ursprüngliches MOR, wobei nochmals darauf hingewiesen
werden muss, dass die Datenlage zu diesen Parametern generell sehr schlecht ist.
Seite 30Die Anpassung an den Klimawandel wurde somit durch folgende Parametrisierung simuliert:
• Nicht-angepasst: MOR Ast um 10% reduziert, MOR Astanbindung um 20% reduziert.
• Angepasst: Originale MOR (65 MPa für Äste und 45 MPa für Astanbindungen).
Seite 314 Strukturierung des BaumAdapt Projektgebiets in Essen
4.1 Generelle Projektstruktur
Grundsätzlich waren durch das übergeordnete Projekt BaumAdapt von der Stadt vier Teilge-
biete innerhalb des Essener Stadtgebiets für eine genauere Analyse ausgesucht worden (vgl.
Abbildung 19 und Abbildung 20):
Gebiet 1: Klinikum in Holsterhausen
Gebiet 2: Elisabeth-Krankenhaus in Bergerhausen
Gebiet 3: Riehlpark in Frohnhausen
Gebiet 4: Bereich nördliche B224 / Altenessener Straße
Diese generelle Einteilung wird auch in diesem Teilprojekt übernommen.
Seite 32Abbildung 19: Verortung der Untersuchungsgebiete im BaumAdapt Projekt (Gebiete 1 bis 3, Gebiet 4 im Norden
angeschnitten).
Seite 33Abbildung 20: Verortung des Untersuchungsgebiets 4 (nördliche B224 / Altenessener Straße). Das ausgewählte
Gebiet liegt im Abschnitt 6.
Allerdings sind die vier Untersuchungsgebiete zu groß, um die umfangreichen TreePass Analy-
sen für das Gesamtgebiet zu erstellen, so dass zunächst eine reine Strömungssimulation für das
jeweilige Untersuchungsgebiet durchgeführt wurde, auf dessen Basis die Detailgebiete ge-
nauer eingegrenzt werden können. Um für den Bereich 4 (nördliche B224 / Altenessener
Seite 34Straße) das Simulationsgebiet zu finden, wurde der fragliche Streckenabschnitt in insgesamt 8
Teilabschnitte untergliedert und simuliert (siehe Abbildung 20).
Die Simulationsergebnisse für diesen Arbeitsschritt sind im Anhang A zusammengestellt.
Hierbei ist das Windfeld zum einem als Vektorgrafik (a) dargestellt, wobei die Farbe der Vekto-
ren die absolute Windgeschwindigkeit anzeigt. Zum anderen sind in den Abbildungen (b) die
Veränderungen der Windgeschwindigkeit als relative Werte dargestellt. Hierbei entspricht ein
Wert von 100% der ungestörten Freilandwindgeschwindigkeit. Werte unter 100% zeigen Zo-
nen mit geringerer Windgeschwindigkeit an, Werte über 100% stehen für Bereiche mit höhe-
ren Windgeschwindigkeiten, hervorgerufen durch die Kanalisierung und Düsenwirkung der
umgebenden Gebäude. Die genaue Lage und Entstehung von solchen Windeffekten ist zwar
generell auch von der vorherrschenden Windrichtung abhängig, für die Identifizierung von kri-
tischen beziehungsweise interessanten Bereichen kann jedoch im Prinzip eine beliebige Wind-
richtung herangezogen werden, zumal die anschließende TreePass Simulation alle Windrich-
tungen berücksichtigt. Für den vorliegenden Fall wurde analog zur mittleren Windrichtung um
21:00 Uhr ein Nordwind ausgewählt.
4.2 Eingrenzung der Simulationsgebiete
Zusammen mit der Stadt Essen wurden die Simulationsergebnisse der Strömungssimulation für
die vier Untersuchungsgebiete besprochen und eine räumliche Eingrenzung für die Detailsimu-
lationen in höherer Auflösung vorgenommen. Bei allen Gebieten, außer dem Gebiet 4 (B224)
war das in jedem Fall abzudeckende Simulationsgebiet klar, sodass vor allem die Lage der Mo-
dellränder zu diskutieren war. Abbildung 21 bis Abbildung 24 zeigen die finalen Teilgebiete für
die TreePass Simulationen als ENVI-met Modellgebiete.
Für die ausgewählten Teilgebiete wurden die bereits erwähnten 51 verschiedenen L-System
basierten Baumarten- und typen in bis zu drei verschiedenen Alterungsstufen (Jugendphase /
Alterungsphase / Reifephase) erstellt und in die Datenbank aufgenommen (siehe Anhang B).
Für jene Bäume, bei denen Informationen über Art und Höhe als Geodaten vorlagen, wurden L-
System basierte Bäume verwendet (vgl. Tabelle 1). Die übrigen Bäume wurden als klassische
ENVI-met 3D Bäume in das Modell integriert. Diese beeinflussen zwar das Mikroklima im Rah-
men der ENVI-met Simulationen, können aber nicht zu baummechanischen Analysen im Tree-
Pass herangezogen werden.
Seite 35Tabelle 1: Übersicht über die Baumanzahl in den Untersuchungsgebieten.
Gebiet Insgesamt L-basiert klassisch
1 Klinikum 1229 122 1107
2 Riehlpark 587 230 357
3 Elisabeth-Krankenhaus 1382 214 1168
4 B224 Nord / Altenessener Str. 1077 224 853
Abbildung 21: Modellgebiet 1 Klinikum, 229 x236 Gitterpunkte zu 3 m.
Seite 36Abbildung 22: Modellgebiet 2 Elisabeth-Krankenhaus, 209 x 218 Gitterpunkte zu 3 m.
Seite 37Abbildung 23: Modellgebiet 3 Riehlpark, 189 x 116 Gitterpunkte zu 3 m.
Seite 38Abbildung 24: Modellgebiet 4 B224 / Altenessener Straße, 172 x 222 Gitterpunkte zu 3 m.
Seite 395 Simulationsergebnisse: Übersicht
Die Darstellung der Simulationsergebnisse gliedert sich in zwei Bereiche:
1. Mikroklimatologische Simulation mit ENVI-met
2. Simulation der Baummechanik mit dem TreePass
Die mikroklimatologische Simulation erlaubt eine erste Einordnung der grundsätzlichen Stand-
ortfaktoren der Bäume im Hinblick auf Windexposition, Sonneneinstrahlung, Lufttemperatur
und thermische Situation der Bäume. Hierdurch ist es bereits möglich, besondere Baumstand-
orte zu identifizieren oder besonders windexponierte Bereiche zu selektieren.
Auf der Mikroklimasimulation aufbauend wird anschließend die hochauflösende Simulation
der Baummechanik durchgeführt. Hierzu werden die von ENVI-met vorberechneten Windströ-
mungen und Turbulenzen als Eingangsdaten verwendet.
Die aktuelle Entwicklungsversion des TreePass berücksichtigt für die baummechanischen Si-
mulationen noch keine weitergehenden Standortfaktoren wie Besonnung oder Wasserversor-
gung. Diese sollen, sofern sinnvolle Regeln ableitbar sind, in späteren Versionen ermöglicht
werden.
5.1 Mikroklimatologische Simulation mit ENVI-met
Für die mikroklimatologische Simulation mit ENVI-met wurde der Tag des Ela Ereignisses, der
9. Juni 2014, ausgewählt. Als Eingangsdaten und Randwerte für die Simulation wurden die
stündlichen Werte der Wetterstation des LANUV NRW in Essen-Bredeney verwendet.
Hierbei folgt die Simulation der allgemeinen Wetterentwicklung, auch hinsichtlich der Wind-
drehung und zunehmenden mittleren Windstärke gegen 21 Uhr, simuliert aber nicht das ei-
gentliche Ela Ereignis, also den Durchzug der Böen-Front nach. Zum einem liegen für dieses
Ereignis keine zuverlässigen Daten vor, da sich die Ausprägung der Front in wenigen Sekunden
und auf wenige Meter extrem unterscheiden kann. Zum anderen handelt es sich um ein einma-
liges chaotisches Ereignis, dessen Nachbildung in einem generellen Mikroklimamodell keinen
Sinn machen würde.
Die Reaktion der Stadtbäume auf extreme Windlasten wird daher in die zweite Stufe der Ana-
lyse, der TreePass Simulation verlagert.
Seite 405.1.1 Übersicht der ENVI-met Simulationen
Die ausgewählten Ergebnisse der Mikroklimasimulationen sind für alle 4 Untersuchungsge-
biete im Anhang C als ganzseitige Abbildungstafeln hinterlegt.
Die nachfolgend vorgestellte Systematik der Abbildungen ist für jedes Untersuchungsgebiet
gleich und ermöglicht eine Abschätzung der mikroklimatologischen und windmechanischen
Standortfaktoren im Modellgebiet. Im Gegensatz zur anschließenden biomechanischen Ana-
lyse erlaubt die Mikroklimasimulation auch, nicht-QSM basierte Bäume darzustellen.
5.1.1.1 Abbildung Wind 15:00 Uhr (a)
Die Abbildungen zeigen die horizontalen Windvektoren, eingefärbt mit der Windgeschwindig-
keit um 15:00 Uhr in 7.5 m Höhe über Grund.
Die 15:00 Uhr Windsituation korrespondiert mit der Darstellung der Luft- und Blattflächen-
temperaturen zur gleichen Uhrzeit und repräsentiert die mikroklimatologische Situation an
diesem Tag zum Zeitpunkt der maximalen Sonnenstrahlung und Wärmebelastung.
5.1.1.2 Abbildung Wind 21:00 Uhr (b)
Analog zu der 15:00 Uhr Situation wird die mittlere Windsituation zum Zeitpunkt des Ela Er-
eignisses dargestellt. Wie bereits eingangs erwähnt, war das Ereignis selber chaotisch mit quasi
beliebigen Windrichtungen in kurzer Zeit auf kleinem Raum, sodass diese Abbildung die mitt-
lere Strömungssituation für diese Uhrzeit darstellt.
5.1.1.3 Abbildung Potentielle Sonnenstunden (c)
Die potentiellen Sonnenstunden geben eine gute Übersicht über das solare Mikroklima im Un-
tersuchungsgebiet an einem bestimmten Tag im Jahr. Bereiche mit hoher Sonneneinstrahlung
heben sich deutlich gegenüber vorwiegend beschatteten Zonen ab. Die Sonnenstunden sind
nicht gewichtet nach der Tageszeit der Besonnung, zudem werden Halbschatten durch Vegeta-
tion in der Berechnung konzeptionell nicht berücksichtigt. Ein Ort wird dabei als beschattet an-
gesehen, wenn er weniger als 10% der verfügbaren kurzwelligen Strahlung erhält.
5.1.1.4 Abbildung Lufttemperatur 15:00 Uhr (d)
Die Lufttemperatur in 7.5 m Höhe repräsentiert neben der solaren Einstrahlung die zweite
Wärmebelastungsquelle für Bäume. Im Gegensatz zur Sonnenstrahlung sind die Unterschiede
der Lufttemperatur innerhalb eines Untersuchungsgebiets relativ klein und weisen weniger
kleinräumige Variation auf.
Seite 415.1.1.5 Abbildung Blattflächentemperatur 15:00 Uhr (e)
Die Blattflächentemperatur in der Höhe von 13.5 m wurde als zusammenfassende Indikator-
größe ausgewählt und dargestellt. In ihr manifestiert sich das Zusammenwirken der äußeren
Mikroklimabedingungen für die Vegetation einerseits, und die Fähigkeit der Pflanzen, durch
Transpiration die Blätter zu kühlen, andererseits. Sie repräsentiert somit neben den klimatolo-
gischen Standortfaktoren auch die Wasserverfügbarkeit im Boden bzw. die Fähigkeit des Bau-
mes, dieses dem Boden zu entziehen.
Hohe Blatttemperaturen deuten auf ein Missverhältnis zwischen thermischer Last am Baum
und Transpirationsvermögen hin. Längerfristig bedeutet dieses eine potentielle Vorschädigung
des Baumes.
5.1.1.6 Abbildung Horizontaler Drag 21:00 Uhr (f)
Der horizontale Drag (Schubspannung) ist eine einfache Größe, um die Windlast auf den Kro-
nenraum eines Baumes abzuschätzen. Der Drag wird berechnet aus den lokalen Windge-
schwindigkeiten und der verfügbaren Blattoberfläche.
In der Abbildung wird der horizontale Drag, also die aufsummierte Krafteinwirkung des hori-
zontalen Windfeldes in 7.5 m Höhe dargestellt. Hierzu werden alle Kräfte von 7.5 m bis zur
Baumoberkante als skalare Größen addiert.
Der horizontale Drag lässt keine Rückschlüsse darüber zu, wie sich die auftretenden Kräfte im
Baumskelett verteilen und ob und wie ein Baum durch die Windkräfte geschädigt wird.
5.2 Simulation der Baummechanik mit dem TreePass Modell
Die zweite Stufe der Simulationsrechnungen betrachtet die Reaktion und Auswirkungen von
Windlasten auf die Bäume im Untersuchungsgebiet wie in Abschnitt 3 (TreePass Berechnungs-
verfahren) dargestellt.
Wie schon bei der Simulation mit ENVI-met angemerkt und realisiert, wird im zweiten Simulati-
onsschritt die Belastbarkeit der Bäume bei unterschiedlichen Windstärken und Windrichtun-
gen analysiert („Generelle Analyse Dauerlast“, vgl. Abbildung 7, S. 16). Ziel der Analyse ist es
nicht, das einmalige Ela Ereignis numerisch nachzubilden, sondern generelle Aussagen über die
Belastungsfähigkeit der Bäume an den verschiedenen Standorten zu erzeugen.
Der generelle Aufbau der Studien ist in allen 4 Untersuchungsgebieten gleich: Im Anhang D
sind folgende Ergebnisse für jede Simulation vorhanden:
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