Untersuchungen zum Schubmittelpunktsverlauf von Hochhauskernen mit Öffnungsreihen

Abstract

Der Schubmittelpunkt eines rechteckigen, dünnwandigen und geschlossenen Querschnitts mit konstanter Wanddicke fällt mit dem Schwerpunkt zusammen. Wird dieser Querschnitt an einer Seite geöffnet, ändert sich die Lage des Schubmittelpunkts so, dass er sich außerhalb des Querschnitts befindet. In Hochhäusern werden aussteifende Kerne häufig zur Unterbringung von Liftschächten verwendet. Aufgrund der geschoßweisen Anordnung von Liftöffnungen treten geschlossene und offene Querschnittsabschnitte in abwechselnder Reihenfolge auf. Zur Untersuchung, in welcher Form und nach welchen Gesetzmäßigkeiten sich der Schubmittelpunkt über die Höhe des Hochhauskerns mit einer Öffnungsreihe bewegt, wurden sieben sich hinsichtlich ihrer Öffnungsanzahl, -anordnung und -größe unterscheidende Kerne im Maßstab 1:50 hergestellt. Die Auffindung des Schubmittelpunktverlaufs eines Modellkörpers erfolgte einerseits über Messungen in physikalischen Versuchen und andererseits durch numerische Simulationen. Sowohl der entwickelte Versuchsaufbau als auch die Vorgehensweise der numerischen Simulationen werden erläutert. Ein Zusammenhang zwischen der Periodizität der Schubmittelpunktsverläufe und der Öffnungsanordnungen bzw. -größen konnte beobachtet werden. Zusätzlich war eine Abnahme der Exzentrizitäten der Schubmittelpunkte mit abnehmender Distanz zur Einspannung der Probekörper zu erkennen. Im Vergleich zu den physikalischen Versuchen war diese Abnahme in den numerischen Simulationen stärker ausgeprägt.

The shear center of a rectangular, thin-walled, and closed cross section with a constant thickness coincides with its center of gravity. If the profile is not closed but opened at one side of the rectangle, the shear center moves from the inside to the outside of the cross section. In high-rise buildings stiffening cores are often used as elevator shafts which require wall openings in each floor. Thus alternating sections of closed and opened profiles occur along the height of the core. In this work, seven 1:50 scaled models of high-rise cores have been investigated, where numbers, positions, and sizes of the perforations have been varied. A set-up for the measurement of the movement of the shear center along the height has been developed. Physical measurements and numerical simulations have been carried out. A general coincidence is observed regarding the geometric patterns of the perforations and the periodicity of the shear center movements. In addition, the eccentricity of the shear center seems to decrease with decreasing distance to the rigid clamping. This relationship is more pronounced in the simulations as compared to the experimental results.