Analytische Untersuchung von gedämpften Outrigger-Systemen für die Anwendung bei schwingungsanfälligen Hochhäusern

Abstract

Durch das globale Bevölkerungswachstum und die damit einhergehende Urbanisierung ist es in vielen Großstädten und Metropolen notwendig geworden, Hochhäuser zu errichten, um genügend Platz für Büro- und Wohnflächen zu bieten. Je höher dabei gebaut wird, desto mehr sind diese Gebäude starken dynamischen horizontalen Belastungen wie Wind und Erdbeben ausgesetzt. Um die daraus resultierenden Schwingungen zu reduzieren, wurden die gedämpften Outrigger-Systeme (Damped Outrigger-Systems, DOS) eingeführt, in denen Dämpferelemente zwischen ein Aussteifungsgeschoss, den Outrigger, und die äußeren Stützen des Hochhauses installiert werden. Dadurch soll zusätzliche Dämpfung im Gebäude erreicht werden. In dieser Arbeit werden international durchgeführte Studien zu DOS zusammengefasst und anschließend verschiedene Arten von DOS untersucht, bspw. DOS mit negativer Steifigkeit oder mit Inerter-Elementen. Dafür wird ein analytisches Modell eines Hochhauses mit DOS gebildet und seine dynamischen Eigenschaften ermittelt. Mithilfe dieser Attribute kann anschließend eine Zeitverlaufsberechnung einer Erdbebenbelastung des Hochhauses durchgeführt werden. Als beispielhaftes Hochhaus wird der aktuell im Bau befindliche DC2-Tower in Wien betrachtet und analysiert. Es lässt sich als Ergebnis festhalten, dass viele verschiedene Parameter einen starken Einfluss auf die Schwingungseigenschaften von Hochhäusern haben. So ist beispielsweise das Steifigkeitsverhältnis zwischen innerem Kern und äußeren Stützen maßgebend, wie auch die Position der DOS im Hochhaus. Es können für einfache DOS mit viskosen Dämpfern hohe modale Dämpfungen erreicht werden. Dadurch werden auch die Schwingungsdauer, die Schwingwege und Schwingbeschleunigungen von Hochhäusern während eines Erdbebens stark reduziert.

Due to global population growth and the associated urbanization, it has become necessary in many large cities and metropolises to build high-rise buildings to provide enough space for office and residential space. The higher they are, the more these high-rise buildings are exposed to strong dynamic horizontal loads such as wind and earthquakes. In order to reduce the resulting vibrations, damped Outrigger-Systems (DOS) were introduced, in which damper elements are installed between an outrigger and the outer columns of the building. This is intended to achieve additional damping in the high-rise building.In this work, international studies on DOS are summarized and then different types of DOS are examined, e.g. with negative stiffness or with inerter elements. For this purpose, an analytical model of a high-rise building with DOS is created and its dynamic properties are determined.Using these attributes, the behaviour of the building under an earthquake load is calculated. As an example of a building, the DC2 Tower, who is currently under construction, in Vienna is examined and exposed to an earthquake. As a result, it can be stated that many different parameters have a strong influence on the dynamic properties of high-rise buildings. For example, the stiffness ratio between the inner core and the outer supports is crucial, as is the position of the DOS in the building. High modal damping can be achieved for simple DOS with viscous dampers. Following, the implementation of DOS in a high-rise building can also greatly reduce the duration and the vibration deflection and acceleration during an earthquake.