Aussteifung von Hochhäusern mit Outriggers
©2001
Diplomarbeit
252 Seiten
Zusammenfassung
Inhaltsangabe:Einleitung:
Die vorliegende Diplomarbeit untersucht das Aussteifungssystem für Hochhäuser mit Outriggers. Ziel der Arbeit ist eine Auseinandersetzung mit der Funktionsweise von Outriggertragwerken und ihren beteiligten Bauteilen, sowie eine Untersuchung zur optimalen Anordnung der Outriggers über die Gebäudehöhe. Nach einer Einarbeitung in die allgemeinen Entwurfskriterien von Hochhaustragwerken wird eine Zusammenstellung von gebauten und geplanten Hochhäusern mit Outriggeraussteifung gemacht, die einen Überblick über die verschieden Varianten der Outriggerausbildung geben soll.
Nach der Erarbeitung der baulichen Voraussetzungen, Nutzungs- und Gestaltungskonsequenzen sowie Funktion und Beanspruchung der einzelnen Bauteile kann eine Optimierung unter Berücksichtigung der das Tragwerk beeinflussenden Parameter gemacht werden. Hierbei soll der Einfluss des Windlastprofils auf die optimale Lage der Outriggers besondere Beachtung finden.
Die durch die Optimierung gewonnenen Ergebnisse werden nun in zweierlei Hinsicht verwendet. Einerseits soll das Tragverhalten verschiedener Varianten der Outriggerausbildung an einem 200 m Hochhaus untersucht werden, die aufgrund der Optimierung angeordnet sind. Hiermit soll die Beanspruchung der beteiligten Bauteile an der Kopplungsstelle ermittelt werden. Andererseits wird an einem 200 m Hochhaus und einem 392 m Hochhaus die Gebrauchstauglichkeit des Gesamttragwerks nachgewiesen.
Ein Vergleich mit alternative Aussteifungssystemen rundet letztlich die Betrachtung des Aussteifungssystems mit Outriggers ab.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
1.Einleitung und Aufgabenstellung5
2.Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke6
2.1Baustoff7
2.1.1Stahl7
2.1.2Stahlbeton8
2.1.3Misch- und Verbundbauweise8
2.2Tragwerk8
2.2.1Horizontallastabtrag/Aussteifung9
2.2.2Vertikallastabtrag13
2.2.3Gründung17
2.2.4Abgrenzungskriterien23
2.3Einwirkungen28
2.3.1Horizontallasten28
2.3.2Vertikallasten45
2.3.3Temperatur47
2.3.4Sicherheitskonzepte48
2.4Bauphysikalische Anforderungen48
2.4.1Brandschutz48
2.4.2Wärmeschutz/Schallschutz49
2.5Gebäudetechnik und Erschließung50
2.5.1Erschließung50
2.5.2Gebäudetechnik53
3.Geplante und gebaute Hochhäuser mit Outriggeraussteifung53
3.1Überblick53
3.2US-Steel, Pittsburgh60
3.3One Liberty Place, Philadelphia63
3.4Jin Mao Tower, Shanghai65
4.Aussteifung mit Outriggers68
4.1Funktionsweise68
4.1.1Beteiligte Bauteile69
4.1.2Allgemeine bauliche […]
Die vorliegende Diplomarbeit untersucht das Aussteifungssystem für Hochhäuser mit Outriggers. Ziel der Arbeit ist eine Auseinandersetzung mit der Funktionsweise von Outriggertragwerken und ihren beteiligten Bauteilen, sowie eine Untersuchung zur optimalen Anordnung der Outriggers über die Gebäudehöhe. Nach einer Einarbeitung in die allgemeinen Entwurfskriterien von Hochhaustragwerken wird eine Zusammenstellung von gebauten und geplanten Hochhäusern mit Outriggeraussteifung gemacht, die einen Überblick über die verschieden Varianten der Outriggerausbildung geben soll.
Nach der Erarbeitung der baulichen Voraussetzungen, Nutzungs- und Gestaltungskonsequenzen sowie Funktion und Beanspruchung der einzelnen Bauteile kann eine Optimierung unter Berücksichtigung der das Tragwerk beeinflussenden Parameter gemacht werden. Hierbei soll der Einfluss des Windlastprofils auf die optimale Lage der Outriggers besondere Beachtung finden.
Die durch die Optimierung gewonnenen Ergebnisse werden nun in zweierlei Hinsicht verwendet. Einerseits soll das Tragverhalten verschiedener Varianten der Outriggerausbildung an einem 200 m Hochhaus untersucht werden, die aufgrund der Optimierung angeordnet sind. Hiermit soll die Beanspruchung der beteiligten Bauteile an der Kopplungsstelle ermittelt werden. Andererseits wird an einem 200 m Hochhaus und einem 392 m Hochhaus die Gebrauchstauglichkeit des Gesamttragwerks nachgewiesen.
Ein Vergleich mit alternative Aussteifungssystemen rundet letztlich die Betrachtung des Aussteifungssystems mit Outriggers ab.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
1.Einleitung und Aufgabenstellung5
2.Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke6
2.1Baustoff7
2.1.1Stahl7
2.1.2Stahlbeton8
2.1.3Misch- und Verbundbauweise8
2.2Tragwerk8
2.2.1Horizontallastabtrag/Aussteifung9
2.2.2Vertikallastabtrag13
2.2.3Gründung17
2.2.4Abgrenzungskriterien23
2.3Einwirkungen28
2.3.1Horizontallasten28
2.3.2Vertikallasten45
2.3.3Temperatur47
2.3.4Sicherheitskonzepte48
2.4Bauphysikalische Anforderungen48
2.4.1Brandschutz48
2.4.2Wärmeschutz/Schallschutz49
2.5Gebäudetechnik und Erschließung50
2.5.1Erschließung50
2.5.2Gebäudetechnik53
3.Geplante und gebaute Hochhäuser mit Outriggeraussteifung53
3.1Überblick53
3.2US-Steel, Pittsburgh60
3.3One Liberty Place, Philadelphia63
3.4Jin Mao Tower, Shanghai65
4.Aussteifung mit Outriggers68
4.1Funktionsweise68
4.1.1Beteiligte Bauteile69
4.1.2Allgemeine bauliche […]
Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
ID 6684
Wannke, Marvin: Aussteifung von Hochhäusern mit Outriggers
Hamburg: Diplomica GmbH, 2003
Zugl.: Dortmund, Universität, Diplomarbeit, 2001
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Diplomica GmbH
http://www.diplom.de, Hamburg 2003
Printed in Germany
Inhalt
1
Einleitung und Aufgabenstellung... 5
2
Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke ... 6
2.1
Baustoff... 7
2.1.1
Stahl ... 7
2.1.2
Stahlbeton ... 8
2.1.3
Misch- und Verbundbauweise ... 8
2.2
Tragwerk... 8
2.2.1
Horizontallastabtrag / Aussteifung ... 9
2.2.2
Vertikallastabtrag ... 13
2.2.3
Gründung... 17
2.2.4
Abgrenzungskriterien... 23
2.3
Einwirkungen ... 28
2.3.1
Horizontallasten ... 28
2.3.2
Vertikallasten ... 45
2.3.3
Temperatur ... 47
2.3.4
Sicherheitskonzepte ... 48
2.4
Bauphysikalische Anforderungen ... 48
2.4.1
Brandschutz... 48
2.4.2
Wärmeschutz / Schallschutz... 49
2.5
Gebäudetechnik und Erschließung ... 50
2.5.1
Erschließung... 50
2.5.2
Gebäudetechnik... 53
3
Geplante und gebaute Hochhäuser mit Outriggeraussteifung ... 53
3.1
Überblick... 53
3.2
US-Steel, Pittsburgh ... 60
3.3
One Liberty Place, Philadelphia ... 63
3.4
Jin Mao Tower, Shanghai ... 65
4
Aussteifung mit Outriggers... 68
4.1
Funktionsweise ... 68
4.1.1
Beteiligte Bauteile ... 69
4.1.2
Allgemeine bauliche Voraussetzungen... 70
4.2
Varianten ... 73
4.2.1
Outriggers an einzelnen Stützen... 73
4.2.2
Outrigger mit "Belttruss" ... 75
4.2.3
Outrigger mit Megadiagonalen... 76
4.2.4
Outrigger mit Megastützen ... 77
4.2.5
Outrigger mit "Tube in Tube" ... 79
5
Anzahl und Lage der Outrigger ... 81
5.1
Analytische Lösung für einen Outrigger mit EI
Outr
=
f
... 84
5.2
Analytische Lösung nach Staffort Smith und Salim ... 87
5.3
Untersuchung zum Einfluß des Windprofils ... 91
5.3.1
Systemeingabe ... 92
5.3.2
Auswertung der Ergebnisse... 98
5.4
Einflüsse der Parametervariation auf das Outriggertragwerk... 105
6
Anforderung an die konstruktive Durchbildung der Kopplungsstelle ... 106
6.1
Beispiel 1: Eingeschosshoher Stahlbetonoutrigger... 108
6.2
Beispiel 2: Zweigeschosshoher Fachwerkoutrigger ... 134
6.3
Beispiel 3: Outrigger mit Megadiagonale ... 157
6.4
Vergleich der Kopplungsstellen ... 176
7
Entwurf des Aussteifungssystems für ein 200 m und 392 m Hochhaus.. 181
7.1
Tragwerksbeschreibung... 182
7.2
Systemgenerierung... 183
7.3
Lastzusammenstellung ... 187
7.3.1
200 m Hochhaus... 187
7.3.2
392 m Hochhaus... 191
7.4
Optimierung der Labilitätszahl
D und der Kopfauslenkung... 195
7.4.1
200 m Hochhaus... 200
7.4.2
392 m Hochhaus... 208
7.5
Überdrücken der Zugbeanspruchungen infolge Windlast ... 216
7.5.1
200 m Hochhaus... 217
7.5.2
392 m Hochhaus... 218
7.6
Beurteilung der Torsionssteifigkeit mit
O ... 219
7.6.1
200 m Hochhaus... 220
7.6.2
392 m Hochhaus... 221
7.7
Beurteilung des dynamischen Verhaltens... 223
7.7.1
200 m Hochhaus... 226
7.7.2
392 m Hochhaus... 229
7.8
Bewertung und Vergleich der Ergebnisse... 232
8
Vergleich mit alternativen Aussteifungssystemen ... 236
8.1
Kernaussteifung ... 236
8.2
Tube Systeme... 237
8.3
Megastrukturen ... 238
9
Zusammenfassung ... 239
10 Literaturverzeichnisse ... 243
11 Anhang... 246
1 Einleitung und Aufgabenstellung
5
1 Einleitung
und
Aufgabenstellung
Die vorliegende Diplomarbeit untersucht das Aussteifungssystem für Hochhäu-
ser mit Outriggers. Ziel der Arbeit ist eine Auseinandersetzung mit der
Funktionsweise von Outriggertragwerken und ihren beteiligten Bauteilen, sowie
eine Untersuchung zur optimalen Anordnung der Outriggers über die
Gebäudehöhe. Nach einer Einarbeitung in die allgemeinen Entwurfskriterien
von Hochhaustragwerken wird eine Zusammenstellung von gebauten und
geplanten Hochhäusern mit Outriggeraussteifung gemacht, die einen Überblick
über die verschieden Varianten der Outriggerausbildung geben soll.
Nach der Erarbeitung der baulichen Voraussetzungen, Nutzungs- und Gestal-
tungskonsequenzen sowie Funktion und Beanspruchung der einzelnen Bauteile
kann eine Optimierung unter Berücksichtigung der das Tragwerk beeinflussen-
den Parameter gemacht werden. Hierbei soll der Einfluss des Windlastprofils
auf die optimale Lage der Outriggers besondere Beachtung finden.
Die durch die Optimierung gewonnenen Ergebnisse werden nun in zweierlei
Hinsicht verwendet. Einerseits soll das Tragverhalten verschiedener Varianten
der Outriggerausbildung an einem 200 m Hochhaus untersucht werden, die
aufgrund der Optimierung angeordnet sind. Hiermit soll die Beanspruchung der
beteiligten Bauteile an der Kopplungsstelle ermittelt werden. Andererseits wird
an einem 200 m Hochhaus und einem 392 m Hochhaus die Gebrauchstaug-
lichkeit des Gesamttragwerks nachgewiesen.
Ein Vergleich mit alternative Aussteifungssystemen rundet letztlich die Betrach-
tung des Aussteifungssystems mit Outriggers ab.
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
6
2 Entwurfskriterien
für
Hochhaustragwerke
Nach [21] sind Hochhäuser vor allem Gebäude, deren Tragwerk unter besonde-
rer Berücksichtigung der Horizontalbelastung (Wind und Erdbeben) entworfen
werden müssen. Regionale Besonderheiten können zu erheblichen Unterschie-
den in den daraus resultierenden Anforderungen führen. Beispielsweise muss
ein Hochhaus in Hongkong oder Miami tropischen Wirbelstürmen widerstehen
und daher für eine wesentlich höhere Windlast bemessen werden, als ein Ge-
bäude in New York oder Frankfurt. Der Begriff des Hochhauses kann auf viele
Weisen beschrieben werden [26]. Eine weitere Definition sagt, dass dann ein
Hochhaus vorliegt, wenn der Faktor Höhenentwicklung alle technologischen
Elemente maßgeblich beeinflusst und zu spezifischen, von Flachbauten abwei-
chenden Lösungen zwingt, wie z.B. zur vertikalen Stapelung von gleichen
Funktionen, zu Schachtbildungen, zu besonderen Konstruktionen etc.
Gemäß der Deutschen Norm liegt ein Hochhaus dann vor, wenn mindestens
ein zum dauernden Aufenthalt von Menschen dienender Raum mehr als 22 m
über dem Gelände liegt.
Der Entwurf des Hochhaustragwerks hängt nach [21], S.466 von zwei
Grundsatzentscheidungen ab:
x Wahl des Tragwerks
x Wahl des Baustoffs
Die endgültige Entscheidung wird meist nicht nur aus statisch-konstruktiven
Überlegungen getroffen, sondern erfolgt unter Berücksichtigung anderer Diszip-
linen deren enge Zusammenarbeit unerlässlich ist.
x Wirtschaftlichkeit (Grundrissökonomie, Herstellung, Betrieb und Unter-
haltung)
x Verknüpfung
Architektur-Tragwerk
x Verknüpfung
Tragwerk-Haustechnik
x Bauzeit
x Risiken der Bauausführung
x Zukünftige Flexibilität in der Nutzung
x Verfügbarkeit von Material und Erfahrung
Es gibt keine Tragwerk-/Baustoffkombination, die alle vorgenannten Kriterien
gleichermaßen gut erfüllt. Somit muss unter Wichtung der einzelnen Kriterien in
Abhängigkeit von einem bestimmten Projekt, einem bestimmten Ort und be-
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
7
stimmten wirtschaftlichen Randbedingungen, jeweils eine spezielle Lösung ge-
funden werden.
Wesentlichen Einfluss auf die Planung und Gestaltung des Tragwerks haben
die Parameter
x Windbelastung,
x Gebäudeschlankheit,
x Kriterien für Horizontalsteifigkeit,
x Nutzungsart,
x Gründung,
x Brandschutz,
x Verfügbarkeit und Kosten der Grundbaustoffe.
2.1 Baustoff
Die Wahl des Baustoffs ist sorgfältig zu überdenken, da sie eine Grundsatzent-
scheidung ist, die am Anfang des Tragwerksentwurfs steht. Dabei sind Vor- und
Nachteile der einzelnen Baustoffe in Abhängigkeit der gegebenen Randbedin-
gungen abzuwägen.
2.1.1 Stahl
Vorteile des Stahls als Baustoff ist der rasche Baufortschritt aufgrund der Mög-
lichkeit der Vorfertigung.
Sein geringes Eigengewicht produziert kleinere Beanspruchungen, insbesonde-
re bezogen auf die Baugrundtragfähigkeiten.
Aus statischer Sicht bietet das geringe Eigengewicht des Tragwerks den Nach-
teil, dass man durch die niedrige Massenbelegung über die Gebäudehöhe und
die geringe Dämpfung ein unbefriedigendes dynamisches Verhalten des Hoch-
hauses hervorruft.
Spätere Eingriffe ins Tragwerk können bei Stahl leichter durchgeführt werden,
als bei Beton. Insbesondere für die Flexibilität der Nutzung des Gebäudes und
der Führung der technischen Installationen bietet das "durchlässige" Tragwerk
Vorteile.
Nachteile des Stahls liegen im Brandschutz, hier müssen stets Zusatzmaßnah-
men getroffen werden, um die geforderte Widerstandsdauer zu erreichen.
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
8
2.1.2 Stahlbeton
Der Stahlbeton als Baustoff hat gegenüber dem Stahl den Vorteil, dass er über
eine höhere Steifigkeit im Tragwerk verfügt, was mit einer höheren Dämpfung
verbunden ist. Die Fertigungszeit auf der Baustelle ist wesentlich höher als bei
Stahltragwerken, jedoch kommen durch die häufige Wiederholung / Stapelung
der Geschosse Schalungstechniken sehr wirtschaftlich zum Einsatz. Das Ei-
gengewicht der Konstruktion wird insbesondere bei sehr hohen Häusern kritisch
bei der Gründung.
Durch die massive Bauweise erhält man große Stützenabmessungen, die oft
von den Architekten sehr unbeliebt sind. Dem kann man durch den Einsatz von
hochfesten Betonen (f
ck,cyl
> 42 N/mm²) entgegenwirken [21]. Im Hinblick auf
später Eingriffe ins Tragwerk oder in die Nutzung des Gebäudes ist man im
Stahlbetonbau relativ unflexibel. Stahlbeton stellt in Höhen bis zu 200 m aber
den dominierenden Baustoff dar.
Für den Brandschutz des Tragwerks sind in der Regel keine Zusatzmaßnah-
men erforderlich.
2.1.3
Misch- und Verbundbauweise
Durch die Kombination von beiden Baustoffen lassen sich in Mischbauweise
bzw. Verbundbauweise die Vorteile beider Bauweisen kombinieren. Dadurch
erreicht man die optimale Ausnutzung der Querschnitte. Bei modernen, sehr
hohen Hochhäusern findet die Mischbauweise fast immer Anwendung.
2.2 Tragwerk
Beim Festlegen des Hochhaustragwerks sind nach [21], S.467 folgende Punkte
zu befolgen
x Vertikallasten sollen auf dem kürzesten Wege in die Gründung abgetra-
gen werden,
x Lastumwege sind nur dann angemessen, wenn dadurch andere Vorteile
zu gewinnen sind,
x ständige Lasten sollten für die Abtragung der Horizontallasten genutzt
werden (Zugkräfte überdrücken),
x Konstruktion und Installation sind nach Möglichkeit zu trennen,
x Bauverfahren und Tragwerk bedingen einander,
x wichtige Konstruktionsdetails müssen in einem frühen Planungsstadium
bis zur Ausführungsreife durchgearbeitet werden.
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
9
2.2.1 Horizontallastabtrag
/
Aussteifung
Tragwerkskonzepte für Hochhäuser werden durch horizontale Einwirkungen
maßgebend bestimmt. Man unterscheidet und bezeichnet Hochhäuser daher
nach der Art des Aussteifungssystems.
Bild 2.1:
Aussteifungssystem für Hochhäuser aus Stahlbeton [21], S.475
Bild 2.2:
Aussteifungssystem für Hochhäuser aus Stahl [5]
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
10
2.2.1.1 Kern-Aussteifung
Die Umschließungswände der vertikalen Verkehrswege werden zur Aussteifung
des Gebäudes herangezogen. Sie können in Stahlbeton oder als Stahlfach-
werkscheiben ausgebildet werden. Heute finden aber auch
Verbundkonstruktionen Anwendung, bei denen Stahlprofile oder Stahlbleche in
die Stahlbetonwände eingestellt werden. Diese Wandscheiben sind entweder
starr oder elastisch im Kellerkasten (s. Bild 2.11) eingespannt oder geben ihre
Lasten unmittelbar an die Gründung ab.
Die Regellösung stellt heute die Ausführung in Stahlbeton dar, wobei die Stüt-
zen auch in Stahl- oder Verbundbauweise zur Ausführung kommen. Nach [22]
hat dieses Aussteifungssystem bei 120
y 170 m seine Grenze der Wirtschaft-
lichkeit erreicht.
Der Kern sollte im Gebäude mittig angeordnet werden, um eine Tordierung
durch horizontale Lasten zu vermeiden.
Die Kernwände sind in der Regel durch eine Vielzahl von Öffnungen durchbro-
chen, d. h. dass die Kerne als gegliederte Hohlkästen zu betrachten sind. Der
Kern zerfällt somit in einzelne scheibenartige Wandbereiche, die durch Kopp-
lungsriegel schubsteif miteinander verbunden werden müssen. Diesen
Kopplungsriegeln muss bei der Bemessung ein besonderes Augenmerk zufal-
len, da diese sehr hohe Schub- und Biegebeanspruchungen erfahren.
Einbaubarkeit der Bewehrung und Betonierbarkeit müssen daher sorgfältig ge-
prüft werden, ebenso muss es eine frühe Absprache über die Verlegung der
Haustechniktrassen geben, die die Kopplungsriegel ungünstig kreuzen könnten.
2.2.1.2 Tube-Systeme
Das Aussteifungssystem besteht aus Stockwerkrahmen mit dicht angeordneten
Stielen, die das Gebäude umschließen. Somit entsteht ein Hohlkasten, der die
horizontalen Lasten über den größtmöglichen inneren Hebelarm abträgt. Bei
einem Tube mit rechteckiger Grundrissform wird die Horizontalbelastung zu-
nächst von den parallel zur Lastrichtung stehenden Rahmenscheiben
aufgenommen (S-Rahmen). Die daraus resultierenden Normalkraftverformun-
gen der Rahmenstiele hat zur Folge, dass aus Verträglichkeitsgründen auch die
rechtwinklig dazu stehenden Rahmen (F-Rahmen) Normalkräfte erhalten ([21],
S.512).
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
11
Bild 2.3:
Normalkraftverteilung an der Einspannstelle [21], S.512
Die aus der Windquerkraft hervorgerufene Biegung in den Stielen erzeugt eine
große Schubverformung des Stockwerkrahmens. Dieser Nachteil wird beseitigt,
wenn das Tragwerk durch einen Kern ergänzt wird (Tube-in-Tube). Dabei wird
der Stockwerkrahmen, der unten eine große Schubverformung erfährt, über die
Decken mit den Kernscheiben, die oben eine große Biegeverformung erfahren,
gekoppelt, so dass sich die zwei Systeme sinnvoll ergänzen.
Bild 2.4:
Zusammenwirken von Scheiben- und Rahmensystemen [31], S.53
Tube-Tragwerke wurden ursprünglich nur für rechteckige Grundrissformen ent-
wickelt, heute sind aber nahezu beliebige Grundrissformen möglich. Nachteilig
für die Anwendung ist allerdings, dass man den Baukörper über die Höhe nicht
gliedern sollte. In oberen Stockwerken entsteht dadurch ein Stützenabstand in
der Fassade, der oft nicht akzeptabel ist. Bei Stahlbetontragwerken erhält man
nach [21], S.477 einen Stielabstand von 1,5 bis 3 m und 60 cm hohe Riegel.
Wenn man Innenstege im Hohlkasten anordnet, entstehen "Bundled Tubes",
die man über der Gebäudehöhe abstufen kann.
Für den Werkstoff des Tragwerks gibt es keine Einschränkungen, jedoch hat
sich durch die Entwicklung geeigneter Schalungssysteme die Stahlbetonbau-
weise als besonders wirtschaftlich herausgestellt.
Bekannte Beispiele hierfür sind das World-Trade-Center (Tube, New York,
1973, 411m, Stahl), der Sears Tower (Bundled Tube, Chicago, 1974, 443m,
Stahl) und der Messeturm (Tube-in-Tube, Frankfurt/M.,1991, 256m, Beton)
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
12
2.2.1.3 Kern-Outrigger-Systeme
Dieses Aussteifungssystem wird in Kap. 4 ausführlich beschrieben und ist nur
aus Gründen der Vollständigkeit in dieser Auszählung enthalten.
2.2.1.4 Megastrukturen
Man spricht von Megastrukturen, wenn räumliche Rahmen- oder Fachwerksys-
teme mit einer Netzlänge von 10 bis 15 Geschossen gebildet werden. Die
Vorstufe bilden Systeme mit Megastützen, bei denen die vertikalen Lasten auf
wenige Stützen des Primärtragwerks konzentriert werden. Diese Stützen wer-
den schubsteif mit Fachwerk- oder Vierendeelstrukturen verbunden, so dass ein
Mehrpunktquerschnitt entsteht. Die Stützen sind dabei möglichst weit außen
anzuordnen, um einen größtmöglichen inneren Hebelarm zur Aufnahme des
Windmomentes zu haben. Die Zugkräfte aus dem Windmoment werden nach
Möglichkeit von den konzentrierten Vertikallasten in den Megastützen über-
drückt.
Dadurch, dass die Kopplung der Stützen nicht
über die gesamte Höhe angeordnet werden
muss, kann man den Baukörper stark zergliedern
und dennoch effektiv aussteifen (s. Bild 2.5).
Als Werkstoff bieten sich für die Megastützen
Stahlbeton, hochfester Beton oder
Verbundquerschnitte (Betonquerschnitt mit
eingestelltem Stahlprofil) an. Die
Kopplungsstrukturen sind ebenfalls als Verbund-
querschnitte denkbar, werden aber in der Regel in
Stahl ausgeführt.
Beispiele für Megastrukturen sind das John
Hancock Center (Tube mit Diagonalen versteift,
Chicago, 1969, 344 m, Stahl), die Bank of China
(Mega-Fachwerk, Hong Kong, 363 m,
Mischbauweise) und die Commerzbank (Mega-
Röhre, Frankfurt/M., 299 m, Mischbauweise).
Bild 2.5: Commerzbank, Frankfurt/M. [4]
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
13
2.2.2 Vertikallastabtrag
2.2.2.1 Decken
Die Effizienz und die Wirtschaftlichkeit eines Deckensystems haben nach [21],
S.468 einen großen Anteil an der Wirtschaftlichkeit des Gesamttragwerks. Da-
her bedarf die Wahl des richtigen Deckentragwerks eines sorgfältigen
Vergleichs der möglichen Alternativen. Dabei müssen nicht nur Material-
verbrauch, sondern auch Auswirkungen auf Geschoss- und Gebäudehöhe
sowie Bauablauf und Bauzeit in Erwägung gezogen werden.
Decken in Hochhäusern haben insbesondere die Aufgabe, Vertikallasten abzu-
tragen und an vertikale Bauteile weiterzuleiten, Horizontallasten durch
Scheibenwirkung an das Aussteifungssystem weiterzugeben und den Normal-
krafttransfer bei Diskontinuitäten (s. Bild 2.8) der aussteifenden Bauteile
sicherzustellen.
In [21], S.468 und [14], S.257 sind überschlägige Abmessungen, Vor- und
Nachteile für die Deckensysteme angegeben:
x Platten mit Unterzügen oder Wänden bestehen aus einachsig gespannte
Ortbetonplatten mit Durchlaufwirkung auf Unterzügen (h = l/12 bis l/20)
mit maximaler Spannweite von 6 m und Deckendicke von 12 - 18 cm
(Schallschutz mindestens 16 cm !). Sie ermöglichen gute Installations-
führung bei einer Lage der Unterzüge in Gebäudequerrichtung. Große
Deckenaussparungen (Treppenlöcher) lassen sich leicht realisieren.
Werden die Unterzüge durch Wände ersetzt, ergibt sich eine Deckendi-
cke von 14 - 20 cm bei einer Stützweite von 4,5 - 6 m.
x Rippendecken finden Anwendung bei Spannweiten von 7 bis 10 m, bei
der Ausbildung von deckengleichen Unterzügen macht man sich völlig
unabhängig von der Installationsführung. Es ergeben sich Deckendicken
von 16 - 40 cm. Unregelmäßige Grundrisse lassen sich nur schwer mit
diesem System überspannen.
x Plattenbalkendecken
und
Kassettendecken sind billiger als die Rippen-
decke, Plattenbalkendecken haben eine maximale Spannweite von 14
m, Kassettendecken maximal 9 m. Die Deckendicken liegen zwischen 30
und 80 cm. Installationsführung ist bei Plattenbalkendecken durch Re-
gelmäßige Aussparungen in den Stegen möglich; bei der
Kassettendecke wird die Installationsführung von der Decke unabhängig
gemacht.
x Flachdecken mit und ohne Stützenkopfverstärkung kommen bei einem
regelmäßigen Stützenraster von maximal 7,5 m Spannweite zum Ein-
satz. Die Decken haben eine Dicke von 25 - 30 cm. Maßgebender
Nachweis bei Flachdecken ist Durchstanzen. Zur Verstärkung legt man
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
14
Dübelleisten ein oder ordnet Kopfverstärkungen an den Stützen an (Pilz-
decken). Eine andere Möglichkeit ist das Aufbringen einer Vorspannung.
Diese Maßnahmen erhöhen die maximale Spannweite auf 10 m, in
Kombination sogar auf 12 m.
x Verbunddecken: Stahlprofilbleche liegen auf I-Profilen und bilden eine
selbsttragende, verlorene Schalung. Eine Weiterentwicklung nutzt die
Stahlprofilbleche als untere Bewehrungslage. Die schnelle und wirt-
schaftliche Verarbeitung ist ein großer Vorteil dieses Deckensystems.
Hinsichtlich des Brandschutzes müssen hier allerdings Maßnahmen er-
griffen werden.
In EC 4 und der Verbundträgerrichtlinie [27] findet man genormte Re-
chenverfahren.
2.2.2.2 Stützen
Um die richtige Wahl des Stützenbaustoffs zu treffen, ist eine frühe Absprache
mit dem Architekten über Stützenanordnung und Stützenabmessungen erfor-
derlich.
2.2.2.2.1 Betonstützen
Als Querschnittformen für StB-Stützen sind Kreis, Quadrat oder Rechteckquer-
schnitt mit einer Mindestabmessung von 30 cm (Brandschutzanforderungen
und Schlankheitsbegrenzung) möglich. Zur Vorbemessung sollten man nach
[21], S.473 eine zulässige Betonspannung
V = 15 MN/m² und einen Beweh-
rungsprozentsatz von
P
tot
= 3% nicht überschreiten. Spiralbewehrung eignet
sich gut zur Abtragung hoher Lasten bei geringen Stützenabmessungen. Durch
den Einsatz von hochfestem Beton kann man den Stützenquerschnitt weiter
reduzieren. Beispielsweise kann man durch Erhöhung der Betongüte von B35
auf B85 eine Betonstütze mit Quadratquerschnitt von 65 cm auf 50 cm reduzie-
ren. Bei hochbewehrten Stützen (
P
tot
< 9%) sind große Stabdurchmesser zu
wählen, daher sind Bewehrungsstöße in Form von Kontaktstößen auszuführen.
Querschnittsabmessungen sollten über die Gebäudehöhe nur wenig gestaffelt
werden, da die Abstufungen stets Änderungen in der Schalung, sowie der Aus-
bauanschlüsse bedeuten.
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
15
2.2.2.2.2 Stahlstützen
Als Querschnitte für Druckstützen eignen sich in der Regel Profile, die in beide
Richtungen ein ähnlich großes Trägheitsmoment aufweisen. Gebräuchlich sind
HE-B und HE-M Profile, HE-Profile mit aufgeschweißten Flachstäben, ge-
schweißte Kastenstützen oder gewalzte Hohlprofile. In Bild 2.6 ist ein Vergleich
zwischen Betonstütze und Stahlprofil ge-
führt, der eine Brandschutzbekleidung von
25 mm berücksichtigt.
Anders als bei Betonstützen ist es leichter,
Stahlstützen über die Gebäudehöhe zu
staffeln. Es gelingt eine höhere Wirtschaft-
lichkeit durch die statisch volle
Ausnutzung der Querschnitte. Bei Walz-
profilen greift man auf verschiedene
Profilreihen und Materialqualitäten zu, bei
Kasten- und Rohrprofilen stuft man
Wandstärken und Stahlqualität ab.
Bild 2.6: Außenmaße von Beton- und Stahlstütze [14], S.209
2.2.2.2.3 Verbundstützen
Verbundstützen vereinigen die Vorteile beider beteiligten
Materialien. Bei einer geringen Schlankheit zeichnen sie
sich durch eine hohe Steifigkeit aus. Bei vollständig ein-
betonierten Stützen übernimmt der Beton den Brand-
und Korrosionsschutz. Hohe Tragfähigkeit bei geringen
Abmessungen und stahlbaumäßige Anschlüsse sind die
wichtigsten Vorzüge.
Zur Bemessung liegt die DIN 18806 Teil 1 vor.
Bild 2.7: Stahl-Beton-Verbundstützen [6]
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
16
2.2.2.3 Hänger
Hänger sind auf Zug beanspruchte Bauteile aus Stahlbeton oder Stahl. Bei Be-
tonhängern ist eine volle Vorspannung unter ständigen Lasten erforderlich. Man
erreicht eine gute Auslastung des Querschnitts, da die Betonteile bis auf ideale
Schlankheit reduziert werden können. Vorzüge von vorgespannten Betonhän-
gern ist der Brand- und Korrosionsschutz und die hohe Dehnsteifigkeit. Werden
die Hänger in Stahl ausgeführt, so verwendet man Flachstähle, Rohre oder Pro-
filstähle.
Hänger können zum Ausgleich von Diskontinuitäten eingesetzt werden(s. Bild
2.8).
2.2.2.4 Wände
Tragende Wände in Hochhäusern sollen mög-
lichst wenige Öffnungen oder Durchbrüche
besitzen, um die Scheibenwirkung nicht auf-
wendig durch Unterzugverdübelung herstellen
zu müssen. Eine Wand wird nach DIN 1045 mit
Wandtiefe
t 5fache Wanddicke von einer Stütze
abgrenzt. Es muss ein
P
tot
d 1% eingehalten
werden. Wände findet man bei Hochhäusern in
der Regel als Kernwände. In dieser Rolle haben
sie sowohl vertikale als auch horizontale Lasten
abzutragen. Wandscheiben beteiligen sich mit
Deckenscheiben am Ausgleich von Diskontinui-
täten wie in Bild 2.8 gezeigt wird.
Bild 2.8: Ausgleich von Diskontinuitäten durch
Wand- und Deckenscheiben [21], S.474
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
17
2.2.3 Gründung
Die durch die hohen Bauwerkslasten eines Hochhauses hervorgerufenen Ein-
wirkungen sind so in den Baugrund einzuleiten, dass die Standsicherheit, aber
auch die Funktionstauglichkeit, d.h. die uneingeschränkte Nutzbarkeit des neu-
gebauten Hochhauses über seine gesamte Lebensdauer gewährleistet ist. Es
gilt aber nicht nur die Nachweise der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit
zu erfüllen, sondern auch die Einflüsse der durch die Gründung des neuen
Hochhauses hervorgerufenen Setzungen auf die Nachbarbebauung zu unter-
suchen. Es soll also vermieden werden, dass die innerstädtische
Nachbarschaft, wie z.B. unterirdische Verkehrswege oder bestehende Häuser,
Schäden oder Einschränkungen in der Gebrauchstauglichkeit erleiden [19].
Generell stehen nach [19] folgende drei Gründungsvarianten zur Verfügung:
x Flächengründung (nach DIN 1054 / DIN 4018), bei denen das Bauwerk
auf einer durchgehenden Fundamentplatte gegründet wird
x Tiefgründungen (nach DIN 1054 / DIN 4014 / DIN 4026) auf Pfählen bzw.
Schlitzwandelementen, bei denen die gesamte Hochhauslast über die
Tiefgründungselemente in den Baugrund eingeleitet wird
x Kombinierte Pfahl-Plattengründung (KPP) als ein vergleichsweise neues
Gründungskonzept, bei dem die Hochhauslast sowohl über die Funda-
mentplatte als auch über Tiefgründungselemente in den Baugrund
eingeleitet wird
Insbesondere das Setzungsverhalten spielt eine große Rolle bei der Bewertung
der Gründung. Dies wird besonders am Beispiel Frankfurt deutlich, hier sind in
oberen Bodenschichten setzungsaktive Tone vorhanden, erst in 30 m bis 100 m
Tiefe sind die wesentlich festeren Frankfurter Kalke anzutreffen. Diese bilden
einen gut tragfähigen Baugrund. Diesen erreicht man aber nur mit einer Tief-
gründung, was in Bild 2.9 an den Setzungen deutlich wird.
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
18
Bild 2.9:
Gründungskonzepte für schwere Hochhäuser mit Angabe der Setzung [19]
2.2.3.1 Platten- / Flachgründung
Plattengründungen weisen eine im Vergleich zu den anderen aufgeführten
Gründungsarten eine sehr hohe Setzung auf, insbesondere wenn sie auf
oberflächennahen, verformungsaktiven Zonen ihre Lasten einleiten. Diese
großen absoluten Setzungsbeträge sind mit einer weiteren Reihe von
Problemen verbunden [19]:
x große Durchbiegung der Fundamentplatte, dadurch hervorgerufene Bie-
ge- und Schubbeanspruchung der Fundamentplatte, des Kellerkastens
und der aufgehenden Konstruktion.
x Schiefstellung des Hochhauses durch ungleichmäßige Setzungen, her-
vorgerufen durch geringe Lastexzentrizitäten. Daraus folgt eine
Verkantung des Hochhauses, was zu Problemen bei der Errichtung des
Hochhauses führt (Stichwort: "Bauen im Lot"). Da man bis zu 5 Jahren
nach Rohbauende mit Konsolidierungs- und Kriechsetzung rechnen
kann, ist diese Schiefstellung nach Abschluss der Bauarbeiten nicht
mehr auszugleichen und kann damit zur Minderung der Gebrauchstaug-
lichkeit führen.
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
19
x Setzungen des Neubaus teilen sich der Nachbarschaft als ungleichmä-
ßige Mitnahmesetzung mit, so dass die dadurch hervorgerufene
Schiefstellung zu Schäden in den bestehenden baulichen Anlagen füh-
ren kann.
x An den Rändern der hoch belasteten Flachgründung können Setzungs-
sprünge auftreten, die zu konstruktiven Schwierigkeiten beim Anschluss
von Flachbauten an den eigentlichen Hochhausturm führen. Hierzu wer-
den folgende Maßnahmen ergriffen:
-
Pressensysteme zum Ausgleich der Setzungsmulde oder zum
Übergang von Flachtraktdecken zu Hochhausdecken
-
Unterschneidung der Fundamentplatte und Anordnung von
Druckkissen unter dem Hochhausfundament zum Ausgleich von
Lastexzentrizitäten und Bodenanomalien
-
Setzungsfugen zwischen den Fundamentplatten (Hochhaus /
Flachbau) mit dauerhaft wasserdichter Übergangskonstruktion
-
Geschossdecken der Flachbauten mit Schleppplatten als flexibler
Übergang zur Hochhauskonstruktion
Beispiel:
Flachgründungen auf dem steifen, zum Teil halbfesten setzungs-
aktiven Frankfurter Ton können eine Dicke von 2 m bis 4 m erreichen.
Flachgründungen eignen sich nach heutigen Erkenntnissen nur dort, wo direkt
auf tragfähigem Baugrund gegründet werden kann.
2.2.3.2 Pfahlgründung
Scheidet bei wenig tragfähigen Böden eine Flachgründung selbst bei Boden-
verbesserungsmaßnahmen aus wirtschaftlichen und technischen Gründen aus,
so können die Lasten über Tiefgründungen in den ausreichend tragfähigen Un-
tergrund eingeleitet werden [15], S.181.
Je nach Lastabtragungsart unterscheidet man zwischen
x Spitzendruckpfählen: Sie durchstoßen nicht tragfähigen Baugrund und
bringen ihre vertikalen Lasten durch Druck an der Pfahlspitze in den trag-
fähigen Baugrund ein.
x Mantelreibungspfähle:
Sie übertragen die Pfahllast vorwiegend durch die
Mantelreibung am Pfahlumfang auf die tragenden Schichten. Dazu muss
der Baugrund ausreichend tragfähig sein.
x Pfählen, die kombiniert auf Spitzendruck und Mantelreibung tragen,
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
20
x Pfählen, die durch horizontale Lasten auf Biegung beansprucht sind.
Die Tragfähigkeit eines Pfahls hängt von
x den Bodenarten und ihren Eigenschaften,
x den
Grundwasserverhältnissen,
x den Einbindelängen in die tragfähigen Schichten und deren Mächtigkeit,
x der Pfahlform und Querschnittsfläche,
x dem
Pfahlbaustoff,
x der Beschaffenheit der Mantelfläche und der Ausbildung des Pfahlfußes,
x der Pfahlstellung und dem Pfahlabstand sowie der Einbringungsart
ab [25], S.21.
Nach Deutscher Norm sind die Pfähle nach Herstellungsverfahren gegliedert
[15], S.183:
x DIN 4026 (alt)
Rammpfähle
x DIN V 4026-500
Verdrängungspfähle
x DIN
4014
Bohrpfähle
x DIN 4128
Verpresspfähle mit kleinem Durchmesser
Das Setzungsverhalten von Pfahlgründungen ist vergleichbar mit dem der
Kombinierten Pfahl-Plattengründung und daher dort zusammenfassend nachzu-
lesen.
2.2.3.3 Kombinierte
Pfahl-Plattengründung
Ein neuer Ansatz zum Gründungsdesign ist nach [19] die kombinierte Pfahl-
Plattengründung, die eine Weiterentwicklung der reinen Pfahlgründung darstellt.
Das Tragverhalten ist maßgebend durch die Interaktion zwischen der Platten-
gründung und der Pfahlgründung bestimmt und setzt ein rechnerisches
Werkzeug (z.B. FEM) voraus, das diese Wechselwirkung wirklichkeitsnah vor-
aussagen kann. Als Gesamtwiderstand R
tot
der KPP ergibt sich nach [19]
demnach
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
21
¦
t
tot
raft
i,
pile
tot
S
R
R
R
(2.1)
Bild 2.10:
Gründungskonzept KPP [19]
Folgende Ziele lassen sich mit der KPP realisieren [19]:
x durch die rechnerische Berücksichtigung der Fundamentplatte können im
Vergleich zur reinen Pfahlgründung bis zu 60% an Pfahlmasse einge-
spart werden,
x die
Setzungen
können
gegenüber der Flachgründung erheblich reduziert
werden, was Maßnahmen zu Setzungsdifferenzen, Verkantung des
Hochhauses und Schutz der Nachbarbebauung entbehrt,
x die Anzahl und Anordnung der Pfähle kann die Biegebeanspruchung in
der Fundamentplatte wirkungsvoll reduzieren,
x während der Phase des Baugrubenaushubs wirken die Pfähle einer He-
bung des Baugrundes entgegen. Aufgrund der Entlastung des
Baugrundes durch den Aushub wirken sie als Zugglieder bzw. als Dübel,
x die KPP bietet bei exzentrisch beanspruchten Gründungskörpern die
Möglichkeit, durch eine entsprechende Anordnung und Konzentration der
Gründungspfähle unter dem exzentrisch angeordneten Hochhauskern
bzw. Megastützen die Reaktionskräfte der Gründung unter der resultie-
renden Bauwerkslast zu zentrieren, so dass Hoch- und Flachtrakte eines
Gebäudekomplexes auf einer durchgehenden fugenlosen Fundament-
platte gegründet werden können.
2.2.3.4 Einzelfundamente / Zuganker
Die Gründungsarten Einzelfundament und Zuganker kommen nur bei besonde-
ren Baugrundverhältnissen oder Tragwerksarten zur Anwendung, daher wird an
dieser Stelle nicht gesondert darauf eingegangen.
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
22
2.2.3.5 Kellerkasten
Bei Aussteifungssystemen mit aussteifendem Kern wird der Kern als einge-
spannter oder teilweise eingespannter Kragarm angenommen. Diese
Einspannung wird über die Einbeziehung der Kellerdecken und -wände reali-
siert. Sind Decken und Wände in den Untergeschossen schubsteif bis zur
Fundamentsohle miteinander verbunden, kann das Kernmoment stark reduziert
werden. Im Grenzfall einer starren Einspannung kommt es sogar zu einem Vor-
zeichenwechsel zwischen dem Kernmoment an der obersten Kellerdecke und
dem Moment an der Fundamentsohle. Der starke Momentenabfall hat eine
starke Schubbeanspruchung des Kerns zur Folge, die horizontale Kräfte sowohl
in Decken als auch Wänden hervorruft. Diese müssen berücksichtigt und bis in
die Bodenplatte verfolgt werden.
Bild 2.11:
Statisches System und Schnittgrößenverlauf bei eingespanntem Kern mit elastischer
horizontaler Lagerung [21], S.521
Weiterhin ist denkbar, den Kern in die Bodenplatte einzuspannen oder den Kern
auf der Sohle gelenkig zu lagern. Dadurch ergeben sich folgende statische Sys-
teme:
Bild 2.12:
Statisches System und Schnittgrößenverlauf bei eingespanntem Kern [21], S.521
Bild 2.13:
Statisches System und Schnittgrößenverlauf bei gelenkig gelagertem Kern mit elasti-
scher horizontaler Lagerung [21], S.521
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
23
2.2.4 Abgrenzungskriterien
2.2.4.1 Gebäudesteifigkeit
An die Horizontalsteifigkeit werden nach [22] regional unterschiedliche Anforde-
rungen gestellt. In den USA gilt eine Begrenzung der Horizontalverformung am
Gebäudekopf unter Wind von f
max
d
h/400. In China sind die Anforderungen we-
sentlich höher und werden vom Typ des Tragwerks abhängig gemacht. In
China wird eine Begrenzung der Auslenkung am Gebäudekopf von f
max
d
h/650
y
h/850 gefordert.
In Deutschland kann nach DIN 1045 für die Vordimensionierung eine ausrei-
chende Gebäudesteifigkeit mit der Labilitätszahl
D abgeschätzt werden.
h
I
E
v
p
h
c
cm
~
D
(2.2)
D
= Labilitätszahl [-]
h
= Gebäudehöhe [m]
p+v = über die Höhe verschmierte Vertikalbelastung auf Kern und
angeschlossene, auszusteifende Gelenkkette [MN/m]
E
cm
I
c
= Summe der Nennbiegesteifigkeiten (Zustand I) für die
betrachtete Richtung [MNm²]
Ändert sich die Steifigkeit des Gebäudes über die Höhe, muss für E
cm
I
c
eine
Ersatzsteifigkeit (E
~
I)
m
über die maximale Auslenkung am Gebäudekopf nach
[34], S.5.31 mit
f
8
wh
)
EI
(
4
m
(2.3)
h =
Gebäudehöhe
f
= max. Auslenkung am Gebäudekopf
w
= Windlast am Gesamtsystem als Streckenlast
bestimmt werden.
Ist
D d 0,6, so ist gemäß DIN 1045 kein weiterer Stabilitätsnachweis zu führen,
da der Einfluss der Verformungen auf die Schnittgrößen (Theorie II. Ordnung)
maximal 10% (f
II
d
1,10
~
f
I
) beträgt. Bei Einhaltung von
D d 0,6 kann man davon
ausgehen, dass die Kopfauslenkung f
max
d h/500 unter Windlasten ist.
Ergibt sich für das Aussteifungssystem
D
> 0,6, so ist nach DIN 1045 ein Nach-
weis nach Theorie II. Ordnung zu führen. Der Zuwachs der Beanspruchung wird
mit 1,75-fachen Lasten berechnet. Dabei ist außer den Horizontallasten eine
Schrägstellung
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
24
l
100
1
2
~
I
(2.4)
als verformungsauslösend anzusetzen. Nach EC 2 darf die Schiefstellung
I
2
in
Abhängigkeit der Anzahl der zusammenwirkenden senkrechten Bauteile noch
weiter abgemindert werden. Bei mehr als 10 zusammenwirkenden Bauteilen
beträgt der Beiwert
D
n
= 0,71.
Es reicht dabei aus, die Biegesteifigkeit für die Zuwächse der Beanspruchung
mit
I
II
EI
55
,
0
EI
~
|
am elastischen System zu berücksichtigen. Dies berücksich-
tigt, das durch die Mehrbeanspruchung weitere Bauteile in den Zustand II
übergehen.
Die Torsionssteifigkeit lässt sich auf ähnliche Weise abschätzen und beruht auf
den gleichen Überlegungen die zur Labilitätszahl
D angestellt sind. Dabei muss
ebenfalls
O d 0,6 sein
h
EC
r
v
p
h
M
n
1
i
2
i
i
m
1
i
2
i
i
~
U
~
O
¦
¦
(2.5)
v
i
= verschmierte Vertikallast im Strang i [MN/m]
r
i
= Abstand der Vertikalstränge [m]
p
i
= verschmierte Vertikallast im Aussteifungselement [MN/m]
U
i
= Abstand des Aussteifungselementes vom gemeinsamen
Schubmittelpunkt [m]
h
= Gebäudehöhe [m]
EC
M
= Wölbsteifigkeit des Aussteifungssystems [MNm
4
]
2.2.4.2 Schlankheit
Die Schlankheit eines Gebäudes wird durch das Verhältnis der kleinsten Ge-
bäudelänge im Grundriss zur Bauwerkshöhe bestimmt. Nach der Schlankheit
des Bauwerks ist ein Aussteifungssystem zu wählen. Dieser Zusammenhang
wird in Bild 2.1 und Bild 2.2 deutlich.
Nach [22] sind Schlankheiten von 1/4 bis 1/7 üblich. Bei einer Schlankheit von
1/4 eignet sich beispielsweise eine Aussteifung über Wandscheiben, bei einem
Verhältnis von 1/7 eignet sich ein Tube-in-Tube System. Bei Anordnung von
Tube auf Megastützen, Outriggers oder Bundeld Tubes sind auch Schlankhei-
ten von bis zu 1/10 möglich.
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
25
2.2.4.3 Beschleunigung
Nach [28] S.155 reagiert der Mensch sehr empfindlich auf Schwingungen.
Maßgebend ist die auf ihn einwirkende Beschleunigung. Im Bild 2.14 ist ein
Bewertungsdiagramm angegeben, das Richtgrenzen für Frequenzbereich an-
gibt, die für hohe und schlanke Bauwerke eine Rolle spielen.
Bild 2.14: Einfluss der Gebäudebewegung auf die Bewohner [28], S 155
In dem Diagramm wird die Amplitude (Kopfauslenkung des Gebäudes) auf der
Ordinate abgelesen und die Frequenz (Kehrwert der Schwingzeit) auf der Ab-
szisse.
Nach [21], S.518 kann die Schwingzeit (vgl. (2.20), (2.19), t = f
-1
) für Stahlbe-
tonhochhäuser mit
46
h
t
1
(2.6)
oder im weiterem Planungsstadium bei bekannter Steifigkeit des Aussteifungs-
systems und der Massenbelegung über die Gebäudehöhe mit
75
,
1
h
EI
r
75
,
1
²
h
t
1
D
(2.7)
t
1
= Eigenschwingzeit [s]
r
= Lastbelegung [MN/m]
h
= Gebäudehöhe [m]
EI
= Biegesteifigkeit Kern [MNm²]
D
= Labilitätszahl (vgl. (2.2))
abgeschätzt werden.
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
26
Die Grenzbeschleunigung für eine nicht spürbare Beschleunigung ist aus dem
Diagramm mit 0,5%g = 0,5%
~ 9,81 = 0,049 [m/s²] angebeben (g = Erdbe-
schleunigung 9,81 [m/s²]).
In [22] und [21], S.489 werden Grenzwerte für die Gebrauchstauglichkeit formu-
liert, die nach Bild 2.14 in den spürbaren Bereich fallen. Für eine
Wiederkehrperiode von einem Jahr sind 1%g
| 0,1 [m/s²], für eine Wiederkehr-
periode von 10 Jahren ein Wert von 2%g
y 2,5%g | 0,2 y 0,25 [m/s²] nicht zu
überschreiten. Dies ist nach Bild 2.14 schon deutlich im Bereich von lästigem
Empfinden anzusiedeln.
Zur Einhaltung der zulässigen Beschleunigungen müssen bei schlanken, leich-
ten Tragwerken Dämpfer- oder Tilgerkonstruktionen installiert werden, um die
Schwingungen zu begrenzen (s. Bild 2.14 Citicorp-Center, New York).
Bild 2.15:
Schwingungsdämpfer des Citicorp Centers (New York) [28], S.152
Bild 2.16:
Abklingkurve eines Großversuches (Stahlkamin) ohne und mit dynamischem Dämpfer
[28], S.153
"Die beiden größten bisher installierten dynamischen Schwingungsdämpfer
befinden sich im 279 m hohen Citicorp. Center in New York und im John Han-
cock Tower in Boston. Im ersten Fall ist ein 370 Tonnen (0,5% des
Gebäudegewichtes) schwerer Betonquader als schwingende Zusatzmasse im
63. Stockwerk eingesetzt. Er wird durch Einpressen von Öl zum Aufschwimmen
gebracht. Diese Aktivierung geschieht bei Horizontalbeschleunigungen des
Bauwerkes von 0,003 x Erdbeschleunigung. Die Federung erfolgt über zwei
pneumatische Zylinder, die Dämpfung wird hydraulisch erzeugt [...]. Das Sys-
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
27
tem kann auch als ,,aktiver Dämpfer" [...] durch Aktivierung der hydraulischen
Zylinder betrieben werden. Die Schwingungsamplitude des Gebäudes wird mit
diesem System auf +
30 cm begrenzt und es konnten ca. 3,5 - 4 Mio. $ beim
Bau eingespart werden, die sonst für zusätzliche Aussteifungen notwendig ge-
wesen wären (Baukosten des Gebäudes 150 Mio. $)." [28], S.152
In [28] wird allerdings angemerkt, dass erfahrungsgemäß selbst bei Erreichen
der Unzulässigkeitsgrenze für den Menschen noch lange keine Gefahr für das
Bauwerk besteht. Der Mensch hätte längst fluchtartig eine schwingende Struk-
tur verlassen, bevor mit einem Einsturz zu rechnen ist.
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
28
2.3 Einwirkungen
2.3.1 Horizontallasten
Der Entwurf des aussteifenden Tragwerks für ein Hochhaus ist maßgebend
durch die Horizontallasten beeinflusst. Um eine Aussage über die Bauwerksre-
aktion infolge dieser Lasten zu machen, ist eine wirklichkeitsnahe Beschreibung
der Windlasten und der Erdbebenlasten (sofern eine Erdbebengefahr vorliegt)
erforderlich. Als schwierig stellt sich die Erfassung der dynamischen Effekte
infolge der Horizontallasten dar, die aber meist durch den Ansatz von entspre-
chenden Ersatzlasten abgedeckt werden.
2.3.1.1 Windbelastung
Die Grundrissform, die Steifigkeit und die Massenverteilung und eventuell vor-
handene Nachbarbebauung eines Hochhauses beeinflussen die
Beanspruchungen sowohl in Windrichtung als auch quer dazu. Des weiteren
treten Torsionsbeanspruchungen auf.
Interferenzeffekte infolge der Nachbarbebauung berücksichtigen den Einfluss
schon vorhandener Bauwerke auf die Windlast des Tragwerks. Zudem muss
aber auch untersucht werden, ob das neue Bauwerk die Windeinwirkung an
bestehenden Bauwerken negativ beeinflusst. Während Abschirmeffekte auch
positive Auswirkungen haben können, kann durch Verwirbelungseffekte der
dynamische Lastanteil erheblich ansteigen. Diese Effekte werden meist im
Windkanalversuch ermittelt und können nur grobe Abschätzungen liefern.
In DIN 1055 Teil 4 [8] sind Windlasten für nicht schwingungsanfällige Bauwerke
aufgeführt. Als nicht schwingungsanfällig im Sinne der Norm sind Bauwerke, bei
denen die Verformungen infolge dynamischer Wirkung der Windkräfte die der
statisch wirkenden Windkräfte um nicht mehr als 10 % überschreiten.
Ob die Windlastannahmen nach DIN 1055 Teil 4 zur Anwendung kommen, wird
mit folgender Abgrenzung überprüft (die Eingangswerte
G
und f werden später
genauer erläutert), die in Bild 2.17 dargestellt ist:
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
29
Bild 2.17:
Grenze der Schwingungsanfälligkeit [8], S.2
Einerseits ist der Anwendungsbereich bei sehr schlanken Hochhäusern und
Stahlhochhäusern mit geringer Dämpfung schnell erschöpft, andererseits gibt
die Norm nur eine Spitzenwindgeschwindigkeit zur Bemessung des Bauwerks
vor, wobei die dynamische Windwirkung jedoch nur von der Windgeschwindig-
keitsschwankung um eine mittlere Windgeschwindigkeit hervorgerufen wird.
Der Ergänzungserlass zur DIN 1055 [12] zur wirklichkeitsnahen Erfassung der
Windwirkung an Hochhäusern macht auf Grundlage der Spektralmethode nach
Davenport [3] ein Verfahren verfügbar, das die Böigkeit des Windes und damit
die dynamische Windwirkung durch einen Böenreaktionsfaktor
I
R
erfasst. Die-
ser Faktor gibt das Verhältnis von maximaler zu mittlerer Windlast an und
beruht auf einem Ersatzlastverfahren.
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
30
Die Windlast q in [kN/m²] auf einen starren Baukörper ist beschrieben durch:
q = c
f
~
U
~
2
²
v
(2.8)
v =
Windgeschwindigkeit in [m/s]
U
= Luftdichte
800
1
[kNs²/m
4
]
c
f
=
aerodynamischer Kraftbeiwert (s.u.)
[8] gibt folgenden Zusammenhang für die Ermittlung des größten Gesamtbeit-
wertes max c
f
[-] bei 2,5
d h/r d10 an.
max c
f
|
¸
¹
·
¨
©
§
~
~
S
~
h
²
r
V
2
4
3
(2.9)
V =
Volumen des Hochhauses [m³]
r
= Radius des kleinsten das Punkthochhaus umhüllenden
Zylinders [m]
h =
Höhe des Bauwerks [m]
Hieraus wird besonders deutlich, dass geringe Änderungen der Gebäudekontur
z. B. durch Abflachen oder Abrunden der Ecken zu einer erhebliche Reduzie-
rung des kleinsten Radius r und damit der Windlasten führen kann.
Für Hochhäuser mit h/r > 10 ist auf [21], S.488 zu verweisen, wo für quaderför-
mige Hochhäuser ein c
f
von 1,2 und für Hochhäuser mit extremen
Seitenverhältnissen ein c
f
von 1,5 angegeben wird. Auf der sicheren Seite lie-
gend kann man diese Beiwerte auch bei h/r
d 10 verwenden.
Bei gedrungenen Hochhausgrundrissen mit der kleinsten Ansichtsbreite min a >
r ist die größte Gesamtwindlast in der ungünstigsten Wirkung auf die Ausstei-
fungselemente anzusetzen. Bei schlanken Hochhausgrundrissen, deren
Schmalseite a
d r ist, darf die Gesamtwindlast getrennt in zwei Richtungen, und
zwar in voller Größe normal zur größten Ansichtsfläche und mit dem halben
Wert tangential zu dieser Ansichtsfläche angesetzt werden. [8]
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
31
Zur Ermittlung der Grundgeschwindigkeit oder der mittleren Windgeschwindig-
keit benötigt man die Windgeschwindigkeit v
m
(10) in der Höhe z = 10 m. Es wird
das 10-Minuten-Mittel bei einem Wind mit der Wiederkehrperiode von 50 Jah-
ren angesetzt. In der Windkarte für Europa kann v
m
(10) abgelesen werden:
Bild 2.18:
Windgeschwindigkeiten in Europe (10-min-Mittel, 50 Jahreswind,
D = 0,15, h = 10 m)
[28]
Die Grundgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Höhe z [m] wird nach Davenport
[3] mit
v
m
(z) = v
m
(10)
~
D
¸
¹
·
¨
©
§
10
z
(2.10)
D
= Exponent zur Berücksichtigung der Bodenrauhigkeit
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
32
ermittelt. Der Exponent
D hängt dabei von der Bodenrauhigkeit ab. Je größer
die Bodenrauhigkeit ist, desto größer ist
D und um so höher reicht der Boden-
einfluss. Die Gradienthöhe z
G
, in der die Windgeschwindigkeit in die ungestörte
Gradientgeschwindigkeit v
G
übergeht, wächst mit zunehmender Bodenrauhig-
keit.
Bild 2.19:
Windprofile für die mittlere Windgeschwindigkeit über unterschiedlich rauem Gelände
[28], S.16
Für die Oberflächengestalt gilt bei
x
D
= 0,4: Städte mit dichter Hochhausbebauung, wie Manhattan, Chicago
etc.
x
D
= 0,28: Gelände mit hoher und unregelmäßiger Bebauung: Großstädte,
stark gegliedertes Gelände
x
D
= 0,22: Gleichmäßig bebautes Gelände, Gebäudehöhe 5 - 10 m: Klein-
städte, Wälder, Vororte großer Städte (in Europa)
x
D
= 0,16: Offenes Gelände mit sehr wenigen Störungen, das sind: offe-
nes Weide- oder Ackerland mit wenig Bäumen oder Hecken, Prärien,
Tundren, Küstenstreifen.
Der zu (2.10) gehörige Berechnungsstaudruck ergibt sich dann zu
q
m
(z) =
U
~
2
))²
z
(
v
(
m
= q
m
(10)
~
D
¸
¹
·
¨
©
§
2
10
z
. (2.11)
Die tatsächliche Bauwerksbelastung ergibt sich bei Berücksichtigung des auf
die Grundgeschwindigkeit bezogenen Böenreaktionsfaktors
I
R
nach [21] zu
¦
I
n
1
i
i
R
W
W
. (2.12)
z
G
=500m
z
G
=400m
z
G
=350m
z
G
=300m
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
33
Dabei sind
i
i
,
m
i
,
f
i
A
q
c
W
(2.13)
D
2
sF
B
r
1
R
S
I
(2.14)
mit den Faktoren
r =
Geländefaktor
B =
Böengrundanteil
s =
Größenfaktor
F =
Böenenergiefaktor
D =
Dämpfungsbeiwert
D
¸
¹
·
¨
©
§
10
h
2
,
1
r
(2.15)
dx
²)
x
1
(
x
120
/
b
x
1
1
450
/
h
x
1
1
9
8
B
3
/
4
h
/
900
0
~
~
~
~
³
(2.16)
)
h
(
v
b
f
10
1
1
)
h
(
v
3
h
f
8
1
1
3
s
m
0
m
0
~
~
S
(2.17)
3
/
4
2
0
2
0
)
x
1
(
x
3
4
F
S
mit
)
h
(
v
f
1200
x
m
0
0
(2.18)
h
= Bauwerkshöhe [m]
b
= mittlere Bauwerksbreite im oberen Gebäudedrittel [m]
f
0
= Grundeigenfrequenz der Bauwerksbiegeschwingung [Hz]
v
m
(h) = Grundgeschwindigkeit in Höhe z [m/s].
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
34
Die Grundeigenfrequenz (Grundtöne) f
0
von Hochhäusern hängt im wesentli-
chen von der Bauwerkshöhe und nur wenig von der Bauweise ab. Dabei sind
nach [28], S.36 für die Bauwerkshöhen
60 m
d
h
d
200 m
6
,
1
0
h
100
4
,
0
f
¸
¹
·
¨
©
§
(2.19)
h > 200 m
h
40
f
0
(2.20)
Die Abstufung der Grundeigenfrequenzen ist darauf zurückzuführen, dass für
die Bemessung der Struktur in großen Höhen nicht mehr zulässige Spannun-
gen maßgebend sind, sondern maximale Verformungen.
Der mechanische Dämpfungsbeiwert D beeinflusst das dynamischen Verhalten
des Hochhauses. Er kann in der Planungsphase nur sehr grob abgeschätzt
werden und ist abhängig von Baustoff, Art der Konstruktion und des globalen
Tragverhaltens. DIN 1055 gibt daher Werte für das logarithmische Dämpfungs-
dekrement
G
D
~
2
S
an, die eine grobe Abschätzung erlauben.
Dämpfungsdekrement
G nach [8]:
a)
Stahl- und Aluminiumkonstruktionen
geschraubt
(SL-Verbindung)
G = 0,05
geschraubt (GV- oder GVP-Verbindung)
G = 0,03
geschweißt
G = 0,02
Zuschlag für dämpfende Einbauten, z. B. Ausmauerung
'G = 0,02
Zuschlag für offene Geschraubte Verbindungen
'G = 0,03
b)
Beton- und Stahlbetonkonstruktionen
Zustand I (auch Spannbeton)
G = 0,04
Zustand II (nur für Konstruktionen anzusetzen, die sich im Gebrauchszu-
stand überwiegend im Zustand II befinden)
'G = 0,10
Zuschlag für dämpfende Einbauten, z. B. Ausmauerung
'G = 0,02
c)
Mauerwerkskonstruktionen
G = 0,12
d)
Holzkonstruktionen
G = 0,15
Reicht die Dämpfung des Hochhauses nicht aus, was häufig bei leichten,
schlanken Stahlhochhäusern der Fall seien kann, so kann man durch den Ein-
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
35
satz von Dämpfungsanlagen das dynamische Verhalten verbessern. Ein Bei-
spiel für viele Möglichkeiten der Hochhausdämpfung wird in Bild 2.15 angeführt.
In [12] wird eine einfachere Beziehung zur Abschätzung des log. Dämpfungs-
dekrements gegeben:
Bild 2.20:
Logarithmisches Dämpfungsdekrement für Standsicherheitsnachweise [12]
Nach Jeary [18], S.182 wird zur Ermittlung des Dämpfungsbeiwertes D für StB-
Tragwerke folgende Beziehungen angegeben:
h
)
h
(
u
10
f
76
,
0
15
,
0
(%)
D
d
5
,
0
0
~
(2.21)
u(h) = Amplitude der Schwingung am Kopf des Tragwerks [m]
h
= Tragwerkshöhe [m]
f
0
= Grundfrequenz des Tragwerks [Hz]
d
= Grundrissabmessung in Bewegungsrichtung [m]
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
36
2.3.1.1.1 Bauwerksreaktion in Windrichtung
Die maximale Horizontalauslenkung des Gebäudes ergibt sich unter Berück-
sichtigung des Böenreaktionsfaktors zu
¿
¾
½
¯
®
-
S
I
D
2
sF
B
r
1
)
z
(
u
)
z
(
u
)
z
(
u
m
m
R
(2.22)
mit der Kopfauslenkung u
m
(h) unter Annahme einer linerarisierten Eigenform
erhält man die generalisierte Masse
*
1
m und die generalisierte Belastung
*
1
q
*
1
0
*
1
m
m
²
f
2
p
)
h
(
u
S
(2.23)
mit
2
2
h
b
)
h
(
q
c
q
m
f
*
1
D
~
(2.24)
h
d
b
3
1
m
b
*
1
~
~
~
U
(2.25)
U
b
=
6 Vertikallasten / Gebäudevolumen [kg/m³]
Zur Ermittlung der Bauwerksbeschleunigung ist nur der dynamische Anteil von
Bedeutung:
D
2
sF
r
)
z
(
u
)²
f
2
(
)
z
(
u
m
0
S
S
(2.26)
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
37
2.3.1.1.2 Bauwerksreaktionen quer zur Windrichtung
Um eine Vorhersage über die Bauwerksreaktion quer zur Windrichtung zu ma-
chen liegt nach [21], S.485 ein halbempirisches Verfahren vor, das eine
Abschätzung nach der Theorie der Zufallsschwingungen eines schwach ge-
dämpften Einmassenschwingers zulässt.
D
)
f
(
S
m
)²
f
2
(
h
b
)
h
(
q
2
1
1
F
*
1
1
m
w
S
~
S
~
~
~
V
(2.27)
V
w
= Standartabweichung der Kopfauslenkung des Gebäudes quer
zur Windrichtung [m]
f
1
= 1. Eigenfrequenz des Gebäudes in Richtung quer zum
Wind [Hz]
*
1
m
= generalisierte Masse der ersten Eigenform [kg]
q
m
(h) = Staudruck zugehörig zur Grundgeschwindigkeit v
m
(h) in [N/m²]
S
F
= Normierte spektrale Dichte der zur 1. Eigenform zugehörigen
modalen Erregerkraft [-] entnimmt man unter Berücksichtigung
der Grundrissform mit dem Wert v
m
(h)/(f
1
~
b) Bild 7.24
Bild 2.21:
Normierte spektrale Dichten modaler Kräfte quer zur Windrichtung für freistehende
Gebäude mit Schlankheitsverhältnis h/b = 4
y8 [21], S.485
Für die Beurteilung der Beschleunigung und für die Bemessung des Tragwerks
sind in der Regel die Scheitelwerte von Interesse. Mit einem Spitzenfaktor g
f
=
3,5 erhält man die maximale Beschleunigung
D
)
f
(
S
d
)
h
(
q
2
3
g
w
1
F
b
m
f
max
S
U
~
~
(2.28)
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
38
und die Standartabweichung des Biegemomentes
D
)
f
(
S
²
h
b
)
h
(
q
2
1
g
M
1
F
m
f
max
,
y
S
~
~
~
~
~
(2.29)
Die ermittelten Bauwerksreaktionen in Windrichtung und quer dazu können als
statisch unabhängig voneinander angesehen werden. Man kann daher die Wer-
te vektoriell miteinander addieren und mit den zulässigen Werten vergleichen
(s. Kap. 2.2.4.3).
2.3.1.1.3 Torsionsanregung
Torsionseffekte infolge Wind treten dann auf, wenn Massen- und/oder Steifig-
keitsschwerpunkt nicht mit dem momentanen Angriffspunkt der Windkraft
übereinstimmen. Eine empirische Formel lässt eine Abschätzung des maxima-
len Torsionsmomentes M
t,max
zu [21], S.486.
^
`
)]
h
(
v
[
g
)]
h
(
v
[
M
)]
h
(
v
[
M
m
MT
T
m
m
,
T
m
max
,
T
V
<
(2.30)
<
= Reduktionsfaktor (i.d.R. 0,7 <
< < 1,0)
g
T
= Spitzenfaktor für Torsion, g
T
|3,8
M
T,m
= Torsionsmoment infolge Grundgeschwindigkeit
V
MT
= Standartabweichung des Torsionsmoments
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
39
Mit den empirischen Beziehungen
M
T,m
[v
m
(h)]
|
r
2
T
4
v
f
h
L
038
,
0
~
~
~
~
U
~
(2.31)
V
MT
[v
m
(h)]
|
68
,
2
r
2
T
4
v
f
h
L
D
1
00167
,
0
~
~
~
~
U
~
~
(2.32)
mit
L
f
)
h
(
v
v
T
m
r
(2.33)
und
A
ds
r
L
³
(2.34)
U
= Luftdichte (
U | 1,25 [kg/m³])
f
T
= Grundtorsionsfrequenz des Tragwerks [Hz]
D
= Dämpfungsbeiwert [%]
³
ds
r
= Integration über den Gebäudeumfang [m]
A
= Grundfläche des Gebäudes [m²]
Unter Annahme einer linearen Torsionseigenform, einer gleichmäßigen Mas-
senbelegung über dem Gebäudevolumen und unter Vernachlässigung höherer
Eigenformen kann der Maximalwert der Horizontalbeschleunigung im Abstand a
[m] von der Schwerachse des Gebäudes nach [21] mit
2
m
b
MT
T
r
h
d
b
a
g
2
a
~
~
~
~
U
~
V
~
~
|
~
4
(2.35)
4 = Scheitelwert der Winkelbeschleunigung [m/s²]
2
m
r = Trägheitsradius der Gebäudemasse [m²]
bestimmt werden.
Für Rechteckquerschnitte gilt
2
2
d
b
a
~
(2.36)
12
²
d
²
b
r
2
m
. (2.37)
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
40
2.3.1.2 Erdbebeneinwirkung
Erdbebenereinwirkungen bewirken eine dynamische Beanspruchung des Bau-
werks. Maßgebend für die Höhe der Beanspruchung sind nach [21], S.491
einerseits der Frequenzgehalt, Intensität und Dauer der Erdbebenerschütterung
anderseits das durch Masse, Steifigkeit und Dämpfung bestimmte Schwingver-
halten des Tragwerks.
Ein übertriebener Rechenaufwand rechtfertigt sich aufgrund der unzureichen-
den Kenntnis über die zur Bemessung notwendigen Bodenbeschleunigungen
oder des Bemessungsantwortspektrums nicht. Dies gilt insbesondere im Hin-
blick auf die Seismizität des Standorts, der lokalen Verhältnisse am Standort,
des Bauwerkstyps, die zulässige Grenzzustände des Tragverhaltens aber auch
in Bezug auf die Berechnungsmethoden. Ausschlaggebend für das Tragverhal-
ten unter Erdbebenbeanspruchung ist vielmehr die grundlegende Konzeption
des Tragwerks und dessen konstruktive Durchbildung. Es soll ein duktiles Trag-
verhalten erzeugt werden, das ein hohes plastisches Formänderungsvermögen
besitzt. Es sollen einerseits Systemumlagerungen möglich werden und sich
andererseits plastische Gelenke ausbilden können.
In [11] und [21], S.491 ff. werden einige dieser konstruktiven Maßnahmen an-
gegeben:
x Der Grundriss des Gebäudes soll möglichst gedrungen sein,
x Gebäude mit aufgelösten bzw. abgewinkelten Grundrissen oder mit hö-
henmäßiger Staffelung sind durch Dehnfugen in möglichst
quaderförmige Baukörper zu unterteilen. Zu vermeiden sind Baukörper
mit großen Massen auf schlanken Baugliedern (z.B. Hochhäuser mit
aufgelösten unteren Geschossen),
x ein regelmäßiger Grundriss (möglichst doppeltsymmetrisch) und klarer,
überschaubarer Kraftfluss sind oberstes Gebot,
x Aussteifungselemente sollen annähernd gleich steif sein und gleichmä-
ßig und möglichst symmetrisch über den Grundriss verteilt werden,
x Schwerpunkt der Steifigkeiten der aussteifenden Elemente und der Mas-
senschwerpunkt sollen dicht beieinander liegen, um größere
Torsionsschwingungen zu vermeiden,
x Ausbildung der Untergeschosse als steife Kästen (vgl. Kap. 2.2.3.5),
x sorgfältige Ausbildung von Verbindungen, Anschlüssen und Stößen (bei
der Ausbildung von Fugen ist eine Mindestfugenbreite von 2 cm einzu-
halten),
x bei
Pfahlgründungen
nur
Vertikalpfähle verwenden, da Schrägpfähle als
starre horizontale Lager ungünstige statische Systeme für die Abtragung
2 Entwurfskriterien für Hochhaustragwerke
41
der horizontalen Lasten aus Erdbeben ergeben.
Zu vermeiden sind nach [11]:
x Wände, die nicht durch alle Geschosse hindurchgehen bzw. Wände mit
großen Öffnungen, durch die die Steifigkeit über die Höhe große Unste-
tigkeiten aufweist,
x Bauteile, deren Standsicherheit schon durch kleinere Auflagerbewegun-
gen gefährdet ist,
x unterschiedliche Höhenlage der Decken (z.B. versetzte Geschosse),
x Gründungen in unterschiedlicher Tiefe, auf unterschiedlichen Grün-
dungselementen, auf verschiedenem Baugrund, an stärker geneigten
Hängen oder auf aktiven tektonischen Störungen.
Die Erdbebenbelastung wird in DIN 4149 [11] als Horizontalbeschleunigung
angegeben. Deutschland ist dabei in 4 Erdbebenzonen aufgeteilt
cal a = a
0
~
N
~
D
(2.38)
a
0
= Regelwert der Horizontalbeschleunigung:
Erdbebenzone 1: a
0
= 0,25 [m/s²]
Erdbebenzone 2: a
0
= 0,40 [m/s²]
Erdbebenzone 3: a
0
= 0,65 [m/s²]
Erdbebenzone 4: a
0
= 1,00 [m/s²]
N
= Baugrundfaktor
- hartes Festgestein in gleichmäßig festem Verband
N = 1,0
- weiches Festgestein und hartes Festgestein
mit wechselnder Schichtung oder starker Klüftung
N = 1,1 y 1,2
-
bei
Lockergestein
N = 1,2 y 1,4
D
= Abminderungsfaktor (hier nur für Hochhäuser):
Erdbebenzone 1:
D
= 0,6
Erdbebenzone 2:
D
= 0,7
Erdbebenzone 3:
D
= 0,8
Erdbebenzone 4:
D
= 0,9
In [11], S.6 wird zum Sicherheitsbeiwert
D
angemerkt, dass es
sich um einen rechnerischen Mindestwert handelt, der für den
Details
- Seiten
- Erscheinungsform
- Originalausgabe
- Jahr
- 2001
- ISBN (eBook)
- 9783832466848
- ISBN (Paperback)
- 9783838666846
- DOI
- 10.3239/9783832466848
- Dateigröße
- 11.8 MB
- Sprache
- Deutsch
- Institution / Hochschule
- Technische Universität Dortmund – Bauwesen
- Erscheinungsdatum
- 2003 (April)
- Note
- 1,0
- Schlagworte
- hochhäuser aussteifung outriggers sofistik entwurfskriterien
