Vergleichende Versuche zur Schubmittelpunktslage in Hochhauskernen

Abstract

Die Lage des Schubmittelpunktes ist besonders bei aussteifenden auteilen wie Hochhauskernen von besonderem Interesse. Da bei diesen System abwechselnd offene und geschlossene Querschnitte ¨uber die H¨ohe verteilt sind, kommt es zu einer Lage¨anderung des Schubmittelpunktes ¨uber die Höhe. Im Jahr 2013 wurde am Institut f¨ur Hochbau und Technologie auf der Technischen Universität Wien ein Versuch zur Schubmittelpunktslage in Hochhauskernen durchgeführt. Dabei wurden sieben Querschnittsprofile im Maßstab M 1:50 mit verschieden angeordneten Öffnungen im physikalischen Versuchsstand exzentrisch horizontal belastet und die Lage des Schubmittelpunktes über die Höhe ermittelt. Die Lagerung entsprach dabei dem in der Realität existenten Fall eines vertikalen Kragarms mit einer Einspannung. Die Ergebnisse wurden mit jenen einer numerischen Simulation eines Finite-Elemente-Programms verglichen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde vergleichend zu den vorhandenen Ergebnissen des Versuches mit einer Einspannung ein physikalischer Versuchsstand mit einer Gabellagerung aufgebaut. Es wurden die selben Profile verwendet, die Lagerung erfolgte diesmal jedoch horizontal. Durch eine vertikale exzentrische Belastung wurde ¨uber die Höhe bzw. Länge des Profils die Lage des Schubmittelpunkts ermittelt. Dieser Versuch wurde ebenfalls mittels eines Finite-Elemente-Programms modelliert und numerisch simuliert. Um Aussagen über den Einfluss einer Änderung der Lagerungsbedingungen auf die Schubmittelpunktslage zu erhalten, wurden abschließend alle Versuchsergebnisse miteinander verglichen. Dabei wurden sämtliche Ergebnisse der physikalischen Versuche mit einer Einspannung sowie mit einer Gabellagerung und die jeweiligen numerischen Simulationen einander gegen¨ubergestellt. Die Arbeit beinhaltet weiters einen geschichtlichen Hintergrund ¨uber die Entwicklung der Torsionstheorie in der Baustatik sowie die theoretischen Grundlagen zur Berechnung von Torsionsproblemen. Es wird dabei auch besonders auf die Problematik in aussteifenden Hochhauskernen eingegangen.

The location of the shear center in stiffening components such as high-rise cores is of particular interest. In this systems alternately open and closed cross sections are distributed over the height. Therefore a change of position of the shear center depending on the height can be observed. In 2013 an experiment on the shear center location was performed at the Institute for Building Construction and Technology at the Vienna University of Technology. In this process, seven profiles on a scale of 1:50 with differently positioned perforations have been investigated. A horizontal eccentric load within a physical test allowed the determination of the shear center location over the height. Like in the application the static system was realized as a vertical cantilever arm with a rigid clamping. The results have been compared to those of a finite element analysis. To make the present work comparable to the existing results from 2013, another physical test with two clevis bearings was set up. The same profiles were used, but the bearings changed from a vertical to a horizontal orientation. This time the location of the shear center over the height was determined by a vertical eccentric load. Just like in 2013, the results of the physical measurement were opposed to numerical simulations of a finite element program. To obtain a qualitative statement on the influence of changing bearing conditions on the shear center location, the results were set against each other. All the data of the physical experiment with rigid clamping and clevis bearings as well as the corresponding numerical simulations were compared in diagrams. Furthermore the work includes a historical background on the development of torsion in building mechanics and the theoretical basis for the calculation of torsion problems. Especially the torsion problems in stiffening high-rise cores are discussed.