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Schwingungsdämpfung und Energiegewinnung mit beweglichen Doppelfassaden. Entwurf, Optimierung und Validierung eines autarken verteilten semi-aktiven Systems zur Reduktion Wind-induzierter Schwingungen bei schlanken Hochhäusern


Bleicher, Achim (Verfasser, Projektleiter); Zhang, Yangwen; Wulff, Wulf; Schauer, Thomas (Verfasser, Projektleiter); Wernicke, Laurenz
Quelle: BBSR-Online-Publikation
Bonn (Deutschland)
Selbstverlag
2022, 98 S., Abb., Tab., Lit.
Serie: BBSR-Online-Publikation, Nr.08/2022

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[Quelle: https://d-nb.info]

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Weltweit werden immer mehr „superschlanke“ Hochhäuser gebaut, da sie bei einer dichten städtischen Flächennutzung erhebliche wirtschaftliche Vorteile bieten. Jedoch sind sie sehr anfällig für Windanregungen. Schwingungstilger sind passiv als auch aktiv Stand der Technik und haben sich als effiziente Lösungen zur Dämpfung Wind-induzierter Strukturschwingungen erwiesen. Dieser Ansatz benötigt jedoch zusätzliche Masse und einen großen Bauraum in den begehrten obersten Etagen. In diesem Forschungsprojekt wurde ein neuer semiaktiver und verteilter Fassadendämpfer untersucht, der die Masse der Außenhaut einer Doppelfassade im Sinne der Ressourceneffizienz als Dämpfungsmasse nutzt. Für die Realisierung einer zeitlich veränderlichen Dämpfung wurde ein mechatronischer Schwingungsdämpfer inklusive Energie-Harvester entwickelt, der Energie in einer Batterie speichert. Zur Validierung der Konzepte und zum Nachweis des autarken Betriebs des geregelten Dämpfungssystems wurde in Zusammenarbeit mit der Josef Gartner GmbH ein bewegliches Doppelfassadenelement als Prototyp realisiert und auf einem Versuchsstand installiert. Dies erlaubt die Durchführung von Hardware-in-the-Loop Simulationen, bei denen ein gesamtes Gebäude simuliert wird und ein einzelnes Fassadenelement als Hardware physisch aktiv ist und sein Verhalten untersucht werden kann. Die Machbarkeit einer autarken semiaktiven Dämpfung mit parallel beweglichen Prallscheiben an Doppelfassaden konnte somit erfolgreich demonstriert werden. Der Ansatz liefert einen Beitrag, den CO2-Fußabdruck eines Hochhauses zu reduzieren.




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Erarbeitung einer Handlungsanleitung zur Bewertung der Absturzsicherung von Fenstern in der Gebäudehülle und deren Einbau sowie einer Erläuterung zur Anwendung der ETB-Richtlinie
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Bauteile der Gebäudehülle mit absturzsichernden Eigenschaften sind gegenüber statischen und stoßartigen Belastungen bezüglich der ausreichenden Tragfähigkeit des Bauteils einschließlich der Verankerung im tragenden Untergrund nachzuweisen. Die anzuwendenden Regelwerke wurden zu deutlich unterschiedlichen Zeitpunkten erarbeitet und veröffentlicht. Insbesondere die ETB Richtlinie stammt aus dem Jahr 1985 und entspricht nicht mehr den heutigen Sicherheitskonzepten. Daher war es das Ziel des beantragten Vorhabens eine Anleitung zu erarbeiten, die die notwendige Nachweisführung für absturzsichernde Fenster sowie die hierfür möglichen Nachweiswege eindeutig festlegt. Des Weiteren sollte analysiert werden, wie und unter welchen Randbedingungen beim Nachweis der Fensterbefestigung die statische Ersatzlast für den Anprall auf mehrere Befestigungspunkte verteilt werden kann. Um das Forschungsziel zu erreichen wurden die aktuellen Anforderungen bzgl. der Nachweiswege und Nachweisverfahren für absturzsichernde Fenster analysiert und auf Konsistenz hinsichtlich der unterschiedlichen zu verwendenden Regelwerke überprüft.


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Innovative Entwicklungen im Bereich der Ultrahochleistungsbetone (UHPC) ermöglichen den Bau filigraner und nachhaltiger Architekturbetonfassaden mit wenigen Zentimetern Bauteildicke. Aufwendige Bewehrungslösungen stellen jedoch ein Hemmnis für den flächendeckenden Einsatz von UHPC-Fassaden dar. Für die Ausführung unbewehrter Fassadenplatten fehlen weitergehende Erkenntnisse zu den Einwirkungen und den Widerständen in der Bemessung. Die großformatige Ausführung der Fassadenplatten aus Ultrahochleistungsbeton bedingt eine mehrfach punktgestützte Lagerung, die eine statische Unbestimmtheit erzeugt. Indirekte Einwirkungen wie Temperaturänderungen, das Schwinden der Vorsatzschale aus Ultrahochleistungsbeton oder hygrische Einwirkungen bewirken daher zusätzliche Beanspruchungen der Fassadenplatte und dessen Verankerung, die in der Bemessung zu berücksichtigen sind. In der Bemessung sind weiterhin mehraxiale Spannungszustände, Maßstabseffekte und der Einfluss erhöhter Temperaturen auf die Festigkeit des Ultrahochleistungsbetons zu berücksichtigen. Durch das Forschungsvorhaben wurde es ermöglicht, tiefgreifende Untersuchungen zum Trag- und Verformungsverhalten von filigranen, unbewehrten großformatigen Fassadenplatten aus Ultrahochleistungsbeton durchzuführen und die genannten Erkenntnislücken zu schließen.


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Im Projekt PLOTBOT/CRAWLER der Forschungsplattform BAU KUNST ERFINDEN an der Universität Kassel wurde ein neuartiger, webbasierter und sensorgeführter Bewegungsautomat für den Auftrag und die Erneuerung komplexer Schichtsysteme zur Funktionalisierung von Gebäudeoberflächen entwickelt. Mittels einer konsistent verzahnten Werkzeug?Software?Logik werden Oberflächen von Bauelementen beliebiger Geometrie instantan angesteuert oder nach einer zuvor digital erstellten Bearbeitungssystematik beschichtet. Das Forschungsvorhaben bietet in dieser Hinsicht einen eigenständigen und zugleich exemplarischen Ansatz. Neuartig und von Vorteil ist die Zusammenführung und die eindeutige Schnittstellendefinition des Verbunds von "Hightech" (Plotbot/ Crawler) und "Lowtech" (Fassadenelement). Die Entwicklung derartiger Systeme für das Bauwesen ist bislang wenig fortgeschritten.


Integration Scan-Basierter-Techniken und Parametrischer-Methoden in einen Prozess zur Verbesserung der Effizienz im Planungs- und Bauablauf komplexer Fassaden
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Das Projekt untersuchte inwiefern Scan-basierte Techniken (terrestrische 3d-Scans bzw. deren Auswertung) geeignet sind für die Einbindung in parametrische Planungsprozesse für Fassaden. Grundsätzliche Feststellung ist, dass obwohl für die einzelnen Arbeitsschritte des Vermessens und auch der Planung von Fassaden entsprechende digitale Werkzeuge existieren, die bestehenden Werkzeuge aufgrund ihrer jeweiligen Bedienungskonzepte nicht direkt zueinander kompatibel sind. Bei der Auswertung von Punktwolken wird üblicherweise Software verwendet, deren Ergebnis variiert je nach Interaktion des Benutzers mit der grafischen Benutzeroberfläche. Parametrische Planungsmethoden hingegen verwenden möglichst Funktionen, deren Argumente in replizierbarer Art aus vorherigen Schritten abgeleitet werden. Bedarf an weiterführender Forschung in diesem Bereich ist anzunehmen.


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In der bauakustischen Planung von Gebäuden werden Angaben zur Luftschalldämmung von Außenbauteilen benötigt. Für opake Ausfachungen (Paneele) lassen sich solche Angaben - im Gegensatz zu transparenten Ausfachungen (Verglasungen) - derzeit nur anhand von Messungen im Labor nachweisen. Eine Möglichkeit zur Planung und Nachweisführung über ein Tabellenverfahren existiert nicht. Durch die Erarbeitung eines Bauteilkatalogs für opake Ausfachungen könnten für standardisierte Paneele Angaben zur Luftschalldämmung ohne Messungen nachgewiesen werden. Die so verfügbaren Informationen zu den akustischen Eigenschaften könnten dann genutzt werden, um die Luftschalldämmung des kompletten Bauelementes (Fenster- bzw. Vorhangfassade) zu bestimmen. Die noch vorhandene Lücke (fehlende Eingangsdaten der Luftschalldämmung von Paneelen) bei der Bestimmung der Luftschalldämmung von Vorhangfassaden wäre somit geschlossen. Dadurch reduziert sich der Aufwand zum Nachweis erheblich. Dies beeinflusst sowohl die Kosten als auch den zeitlichen Ablauf in der Planung. Zusätzlich erhöht sich durch eine fundierte Datenbasis die Planungssicherheit.


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Folgende Literaturnachweise stammen aus der Datenbank RSWB®plus. Die Datenbank unterstützt schnell und zielsicher Fachleute aus Planungsfirmen, Industrie und Forschung, sowie Lehrkräfte und Studierende in der akademischen Ausbildung bei Nachweis und Beschaffung von Fachinformation zum Planen und Bauen.

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Eierle, Benno; Jehl, Wolfgang; Sack, Norbert
Anwendung der ETB-Richtline auf Befestigungselemente von Fenstern und Fassaden
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