Numerische Validierung eines innovativen 3D-Berechnungsverfahrens von Hochhäusern unter Berücksichtigung von Bauteil- und Bodensteifigkeit

Abstract

Zum Abschluss des Forschungsprojektes der PORR Bau GmbH, das von 2015 bis 2022 lief, und wodurch Daten von Dehnungs- und Setzungssenoren von insgesamt vier gebauten Hochhäusern bzw. Großprojekten vorliegen, konnte letztendlich eine innovative Berechnungsmethode für dreidimensionale Gebäudemodelle entwickelt werden. Diese baut auf einem Steifigkeitskombinationsvektor auf, der programmunabhängig und frei von der Modellierungsqualität des verantwortlichen Tragwerksplaners anwendbar ist. Weiters wird der Bettungsmodul zur Lagerung der Bodenplatte innerhalb der vom Bodengutachten vorgegebenen Grenzen durch Teilung der Bodenplatte in Quadranten variiert. Zur numerischen Validierung der innovativen Berechnungsmethode wurden im Rahmen dieser Diplomarbeit ca. 200 Simulationen für zwei der vier Großprojekte durchgeführt. Durch Vergleich mit den realen Gebäudekräften, welche auf den gemessenen Dehnungen basieren, ist eine eindeutige Identifikation des Steifigkeitskombinationsvektor für die tragenden Bauteile möglich. Die so erhaltenen Berechnungsergebnisse für vertikale, tragende Betonelemente, wie Stützen und Wandscheiben, zeigen die geringsten Unterschiede mit den Messergebnissen der verschiedenen Hochbauten. Die Messergebnisse der Dehnungssenoren wurden mit einer eigens entwickelten Materialcharakterisierung, die auf den Beziehungen des Modelcodes beruht und Kriechen, den Ausschal- und Erstbelastungszeitpunkt bzw. die Betonreife berücksichtigt, in Gebäudekräfte umgerechnet. Durch Anwendung des vorliegenden Steifigkeitskombinationsvektors an einer beliebigen Gebäudestruktur ist es somit möglich, mit Hilfe eines Eingussmodells die nichtlinearen Betoneigenschaften (Schwinden, Kriechen, Betonreife) und die zeitabhängigen Effekte (Bauphasen) abzudecken. Weitergehende Analysen zeigten, dass die Anwendung der Methode erst ab Gebäuden mit mindestens 10 Obergeschossen zu nennenswerten Unterschieden bei den Stützen- und Wandkräften führen. Durch die Anwendung des innovativen Verfahrens bei zukünftigen Bauprojekten wird die Wahrscheinlichkeit von Über- bzw. Unterdimensionierungen von Tragkonstruktionen reduziert. Dies wirkt sich positiv auf die Gebäudesicherheit aus, da die Wahrscheinlichkeit von Unterdimensionierungen sinkt. Aufgrund der reduzierten Überdimensionierungen kann Material eingespart werden und somit sinkt der CO2-Verbrauch bei der Herstellung von Gebäuden.

At the end of the research project of PORR Bau GmbH, which ran from 2015 to 2022, and which provides data from strain and settlement sensors of a total of four built high-rise buildings or largescale projects, an innovative calculation method for three-dimensional building models was finally developed. This is based on a stiffness combination vector that can be used independently of the program and free of the modeling quality of the responsible structural engineer. Furthermore, the bedding modulus for base slabs is varied within the limits specified by the soil survey by dividing the base slab into quadrants. For the numerical validation of the innovative calculation method, about 200 simulations are carried out for two of the four major projects as part of this diploma thesis. By comparison with the real building forces, which are based on the measured strains, a clear identification of the stiffness combination vector for the load-bearing components is possible. The calculation results obtained in this way for vertical, load-bearing concrete elements, such as columns and walls, show the smallest differences with the measurement results of the various buildings. The measurement results of the strain sensors were converted into building forces using a specially developed material characterization, which is based on the relationships of the model code and considers creeping, shrinkage, the initial loading time and the concrete maturity, respectively. By applying the present stiffness combination vector to any building structure, it is thus possible to cover the nonlinear concrete properties (shrinkage, creep, concrete maturity) and the timedependent effects (construction phases) with the help of a finite element model. Further analyses showed that the application of the method only leads to significant differences in column and wall forces from buildings with at least 10 upper floors. By applying the innovative process to future construction projects, the probability of over- or under-sizing of supporting structures will be reduced. This has a positive effect on building safety, as the likelihood of undersizing decreases. Due to the reduced oversizing, material can be saved and thus CO2 consumption for the construction of buildings is reduced.