Ableitung von Typologien adaptiver Hochhausstabtragwerke mittels der Methode der Einflussmatrizen

Abstract

Im Jahr 2015 haben 194 Länder und die Europäische Union im Pariser Klimaabkommen vereinbart, die Erderwärmung auf 1,5 °C zu beschränken. Um dies zu erreichen, müssen unter anderem alle produzierenden Industrien eine erhebliche Transformation umsetzen, um Produktion und Produkte nachhaltiger zu gestalten. Eine tragende Rolle kommt hierbei dem Bauwesen zu, da es für etwa die Hälfte der weltweiten Treibhausgas-Emissionen und ca. die Hälfte der weltweiten Energieaufwendung verantwortlich ist. Weiterhin führt der hohe Ressourcenverbrauch des Bauwesens zu einer Verknappung von wichtigen Baumaterialien, die zudem noch ungenügend rezykliert werden. In Verbindung mit der global wachsenden Bevölkerung und dem steigendem Wohlstand in den sogenannten „Entwicklungsländern“ wird deutlich, dass neue Technologien, Entwurfsmethoden und Tragwerkstypologien erforderlich sind, um die Umweltwirkung des Bauwesens zu verringern und das Pariser Klimaziel einzuhalten. Die vorliegende Arbeit greift den Lösungsansatz adaptiver Tragwerke auf. Adaptive Tragwerke sind mit Sensoren, Aktoren und Regelungseinheiten ausgestattet. Diese ermöglichen es, auf Basis einer hinterlegten Regelung das Tragverhalten der Tragwerke mechanisch an die aktuelle Belastungssituation anzupassen. Wird diese Anpassungsfähigkeit genutzt, um gezielt Beanspruchungszustände zu optimieren oder aktiv Verformungen zu reduzieren, können im Tragwerk Material und Emissionen eingespart werden. Der Fokus der Arbeit liegt auf adaptiven Hochhausstabtragwerken, da Hochhäuser eine mögliche Antwort auf die zunehmende Urbanisierung darstellen, sodass eine weitflächige Ausdehnung der Städte und die damit verbundene hohe Flächenversiegelung vermieden werden kann. Das Ziel dieser Arbeit ist die Ableitung von Typologien adaptiver Hochhausstabtragwerke, die zu Materialeinsparungen gegenüber konventionellen Tragwerken führen. Eine Bilanzierung der Emissionen erfolgt in dieser Arbeit nicht. Hieraus leiten sich die folgenden Forschungsfragen ab: • Was ist das Entwurfsproblem konventioneller passiver Hochhaustragwerke? Ermöglicht eine Adaption Materialeinsparungen? • Welches Aktuierungsziel führt bei Hochhaustragwerken zu Materialeinsparungen? Was ist das Entwurfsproblem adaptiver Hochhaustragwerke? • Mit welchem Aktuierungskonzept kann das Aktuierungsziel in unterschiedlichen Tragwerkstypologien erreicht werden? • In welcher Größenordnung liegen die potenziellen Materialeinsparungen? Die Beantwortung der Fragen erfolgt anhand von Literaturrecherchen sowie mit Hilfe von analytischer und numerischer Untersuchungen. Nach einer qualitativen Herleitung des primären Aktuierungsziels einer Verformungsadaption werden Aktuierungskonzepte für ausgewählte Hochhausstabtragwerkstypologien erarbeitet. Im ersten Schritt wird mithilfe von Einflussmatrizen die inhärente Adaptierbarkeit von vier Aussteifungsmodulen analysiert. Die mit Hilfe von verschiedener Aktuierungsprinzipien erzeugbaren Verformungsfiguren und zugehörigen Schnittgrößenverläufe werden untersucht und erklärt. Anschließend werden die Grundmodule zu abstrahierten Aussteifungssystemen zusammengesetzt und das Anwendungspotenzial unterschiedlicher Aktuierungskonzepte diskutiert. Im nächsten Schritt werden unterschiedliche Möglichkeiten erörtert, mit Hilfe derer die abstrahierten Aussteifungssysteme zu Hochhaustragwerken erweitert werden können. Auf dieser Basis wird als Viertes das Adaptionspotenzial ausgewählter konventioneller Hochhausstabtragwerkstypologien eingeordnet und neue Typologien abgeleitet. Abschließend werden für die untersuchten Hochhausstabtragwerkstypologien anhand von numerischen Parameterstudien die Materialeinsparungspotenziale abgeschätzt und die abgeleiteten Aktuierungskonzepte und Typologien simulativ validiert. Die Arbeit zeigt, dass Materialeinsparungen in erster Linie erzielt werden, wenn in der Bemessung des passiven Tragwerks ein Steifigkeitsproblem vorliegt. Je maßgebender das Steifigkeitsproblem, desto größer das Einsparungspotenzial durch Adaption, welches mit einer zunehmenden Schlankheit des Aussteifungssystems korrespondiert. Zwei grundlegende Aktuierungskonzepte werden entwickelt. Im ersten Aktuierungskonzept erfolgt die Verformungsadaption beanspruchungsfrei. Im zweiten Aktuierungskonzept ist die Verformungsadaption an eine Beanspruchungsmanipulation gekoppelt, welche zusätzliche Materialeinsparungen ermöglichen kann. Welches Aktuierungskonzept eingesetzt werden sollte, hängt von der Hochhaustragwerkstypologie ab und kann von dessen passivem Tragverhalten abgeleitet werden. Insgesamt kann aufgewiesen werden, dass eine mechanische Adaption von Hochhaustragwerken signifikante Materialeinsparungen ermöglicht und somit eine sinnvolle Lösung zur Reduktion der Umweltwirkung des Bauwesens darstellt, speziell in Anbetracht der zunehmenden Urbanisierung.