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Bauingenieur - Ausgabe 02-2001, S. 62

Numerische Simulation des Schwingungsverhaltens von Hochhäusern unter Berücksichtigung der Boden-Bauwerk-Interaktion

Eine zuverlässige Analyse des dynamischen Verhaltens mit Berücksichtigung der Boden-Bauwerk-Interaktion ist für hohe Gebäude von entscheidender Bedeutung. Für eine wirklichkeitsnahe numerische Modellierung ist eine geeignete Kombination verschiedener Verfahren erforderlich: Der Baugrund wird mit einer Randelementmethode für dreidimensionale viskoelastische Gebiete modelliert, während der hohe, schlanke Aussteifungskern durch eine Finite-Element-Formulierung für eindimensionale Balken repräsentiert wird. Die Reduktion der Schubsteifigkeit durch Öffnungen im Kern, sowie offene und geschlossene Querschnittsbereiche mit veränderlichen Materialeigenschaften können berücksichtigt werden.
Mit diesem numerischen Modell werden zwei Gebäude analysiert: Es wird die Torsionssteifigkeit eines mehrzelligen, nicht symmetrischen Treppenhauskerns ermittelt, und das Finnlandhaus in Hamburg, ein Beispiel mit Boden-Bauwerk-Interaktion, hinsichtlich seines Schwingungsverhaltens untersucht. Die Berechnungen ergeben folgende Ergebnisse: Die Ermittlung der Querschnittswerte liefert auch für mehrzellige Treppenhauskerne realistische Ergebnisse. Die vereinfachten Annahmen analytischer Verfahren liegen stark auf der sicheren Seite, so dass die Anwendung eines Programms für realitätsnahe Berechnungen sinnvoll ist. Die Bestimmung der Eigenfrequenz am Beispiel des Finnlandhauses wird erfolgreich durchgeführt; die berechneten Boden- und Bauwerksverschiebungen können aufgrund z. T. unbekannter Randbedingungen und fehlender Vergleichsmessungen nur qualitativ beurteilt werden. Insgesamt kann festgestellt werden, dass das realisierte Simulationsmodell auch bei realitätsnahen Bauwerk-Boden-Interaktionsproblemen einsetzbar ist.

Dynamic behaviour of high rise buildings – numerical simulation with consideration of the soil-structure interaction

Especially for high rise buildings, a reliable analysis of the dynamic behavior with full consideration of the soil-structure interaction is very important. For a close-to-reality numerical modelling, a suitable combination of several procedures is necessary: The soil is modelled with the Boundary Element Method for three-dimensional viscoelastic domains, while the flexible high and slim shear core is represented by a Finite Element formulation for a one-dimensional beam. The reduction of the shear stiffness by openings in the stairway core, as well as open and closed cross section cells with variable material properties can be considered. With this numerical model two examples are calculated: The torsional stiffness of a multicell,non-symmetric staircase core is computed and an example with soilstructure interaction, the Finnland-building in Hamburg, is dynamically analyzed. These examinations lead to the following results: The calculation with
the described method of the torsional stiffness and other material- and geometry geometry-dependent values of multi-cell cores gives realistic results; an analytical calculation of those values is not satisfactory. For the second example a realistic resonant frequency is computed, while the calculated soil and structure displacements can only be qualitatively analyzed due to partly unknown boundary conditions and missing comparative measurements. Finally, it can be stated that the implemented simulation model, including soil-structure interaction problems, supplies close-to-reality results.

Autor(en):
Lehmann, L.; Antes, H.

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