Stahlgestützte Technologie revolutioniert die Gebäudedämpfung

Ein aus Stahl gebautes strukturelles Dämpfungssystem könnte hohe Gebäude bei Erdbeben sicherer machen und Windschwankungen reduzieren, ohne wertvolle Bodenfläche zu beanspruchen

Da die Immobilienpreise in expandierenden Städten auf der ganzen Welt weiter steigen, haben Bauträger mit dem Bau höherer, schlankerer Gebäude reagiert.

Zentral-London, Hongkong, New York, Toronto, Wellington, Manila; Sie alle verfügen über einige der hochwertigsten Immobilien der Welt, und da der Wunsch, im Zentrum dieser Geschäftszentren zu leben und zu arbeiten, weiterhin groß ist, haben die Entwickler den Blick in den Himmel gerichtet.

Moderne Bauweisen ermöglichen den Bau von Wolkenkratzern auf immer kleineren Grundstücken und entsprechender Schlankheit. Doch während diese schlanken Wolkenkratzer wichtige Unterkünfte bieten, neigen sie auch dazu, im Wind zu schwanken. „Die VCD-Module werden aus standardmäßigem japanischem SM490A-Baustahl hergestellt, der das viskoelastische 3M-Polymer einschließt. Es ist ein extrem haltbares Material.“ Der Effekt ist in den oberen Etagen stärker spürbar und obwohl es keine Auswirkungen auf die Sicherheit gibt, kann er bei den Bewohnern zu einer Art Reisekrankheit führen. Um dem Schwanken entgegenzuwirken, haben Entwickler Ingenieure und Designer aufgefordert, Dämpfungssysteme zu entwickeln, die dazu beitragen, diese Bewegung zu reduzieren.

Es gibt zwei bevorzugte Arten von Dämpfern, die im oberen Bereich des Gebäudes installiert werden. ein abgestimmter Massendämpfer, ein mechanisches System, das jede Bewegung absorbiert, und ein Dämpfer, der einen mit Wasser gefüllten Tank verwendet, um Gewicht hinzuzufügen und Schwankungen entgegenzuwirken.

Beide sind sperrig und benötigen 100 Quadratmeter Fläche auf zwei Stockwerken, und in Städten, in denen jeder Quadratzentimeter Boden einen hohen Wert hat, kann das teuer sein.

Die hohen Kosten bestehender Dämpfungssysteme waren einer der Gründe, warum das in Toronto ansässige Unternehmen Kinetica Dynamics in Zusammenarbeit mit dem Materialhersteller 3M und dem Stahlspezialisten Nippon Steel und Sumikin Engineering ein System entwickelt hat, das Windschwankungen oder Erdbebenbewegungen dämpfen kann, ohne wertvolle Bodenfläche zu beanspruchen.

Sein viskoelastischer Kopplungsdämpfer (VCD) nutzt die Kombination aus Scher- und Dehnungswiderstand viskoser Materialien und dem Dehnungsgedächtnis von elastischen Materialien, kombiniert in einem vom 3M-Team entwickelten viskoelastischen Polymer.

Der Hersteller Nippon Steel und Sumikin Engineering verwenden mehrere Schichten dieses viskoelastischen Materials und legen es zwischen Schichten aus hochfestem Stahl, um eines ihrer VCD-Module herzustellen.

Diese Module werden zur Baustelle transportiert, wo sie an in den Strukturbeton des Wolkenkratzers eingegossenen Stahlprofilen verankert werden. Diese „Einbettungen“ werden vor Ort von Stahlherstellern mit „Schablonen“ hergestellt, die als Toleranzwahrer dienen und eine spätere Befestigung der VCDs mit hochfesten Stahlbolzen ermöglichen. Dadurch wird sichergestellt, dass der Prozess vom kritischen Pfad des Bauzyklus abgelenkt werden kann, was Zeit spart und die Effizienz während des Baus steigert.

„Das bedeutet, dass Generalunternehmer die Arbeiten ausführen können, ohne Spezialistenteams hinzuziehen zu müssen. Das Eingießen der Einbettungen, bei denen es sich um Standardbaustahlprofile lokaler Hersteller handelt, ist ganz einfach“, erklärt Michael Montgomery, Chief Technical Officer und Geschäftsführer bei Kinetica.

Während des achtjährigen Entwicklungs- und Testprozesses an der University of Toronto hat er mit 3M und Nippon Steel sowie Sumikin Engineering an der Verwendung von VCDs in hohen verstärkten Strukturen gearbeitet und sieht nun, wie diese Technologie eingesetzt wird.

Dieses Testprogramm umfasste vollständige Dämpfertests zur Validierung der Stahl- und Viskoelastiktechnologie und zur Bestätigung der Wirksamkeit und Robustheit der Dämpfung. Sie zeigten erhebliche Leistungsverbesserungen gegenüber herkömmlichen Strukturaufbauten bei häufigen Wind- und Erdbebenstärken sowie strengere Tests bei Windstärken von Hurrikanen und extremen Erdbebenszenarien.

„Wir arbeiten seit vielen Jahren an diesen VCDs und stellen sicher, dass sie umfassend getestet werden. Die VCD-Module werden aus japanischem Standardbaustahl SM490A hergestellt, in den das viskoelastische Polymer von 3M eingelegt ist. Es handelt sich um ein äußerst haltbares Material“, erklärt Montgomery.

„Bei Tests haben wir herausgefunden, dass der Dämpfer ohne zusätzliche Verbindungsschicht zwischen Stahl und Polymer eine bessere Leistung erbringt. Die Stahlschrauben, die für die Klemmkraft sorgen, sind standardmäßig in Japan hergestellte A490-Sechskantstahlschrauben.“

Die Verteilung und Lage der Dämpfer rund um den Turmrahmen hängt vom Entwurf der Bau- und Erdbebeningenieure ab. In Gebieten mit erheblicher seismischer Aktivität können sie nicht nur das Ausmaß und die Heftigkeit der seismischen Vibrationen reduzieren, sondern auch den Umfang der Reparaturarbeiten nach dem Erdbeben.

„Bei Tests haben wir herausgefunden, dass der Dämpfer ohne zusätzliche Verbindungsschicht zwischen Stahl und Polymer eine bessere Leistung erbringt.“

Wenn ihre Kapazität auf vordefinierte Belastungen ausgelegt ist, wirken die VCD-Verbindungselemente als „Struktursicherungen“ und verhindern Schäden an benachbarten Strukturelementen. Nach einem extremen Erdbeben ist es lediglich erforderlich, diese Sicherungen zu überprüfen und gegebenenfalls auszutauschen oder zu reparieren.

Die VCDs von Kinetica, 3M und Nippon Steel und Sumikin Engineering wurden bereits in prestigeträchtigen Bauprojekten in Gebieten installiert, die sowohl hohen Windlasten als auch seismischen Aktivitäten ausgesetzt sind.

In Manila umfasst das Projekt Park Central Towers zwei Türme mit einer Höhe von 267 m und 217 m. Sie liegen in einer schweren Taifunregion und nur wenige Kilometer von einer großen Verwerfungslinie entfernt. In jedem Turm gibt es 32 VCDs, die die Wind- und seismische Belastung jedes Bauwerks reduzieren. Und in Toronto verfügt das 62-stöckige Y+C Condominium-Projekt über 42 VCDs, die die Stahlkopplungsträger im Mittelteil des Turms ersetzt haben.

Da die Zukunft von Wohn- und Büroflächen in Großstädten zunehmend auf Wolkenkratzer setzt, könnte sich das Potenzial dieser Stahlkonstruktionstechnologie zur Verbesserung von Sicherheit und Komfort bei gleichzeitiger Maximierung der Grundfläche als unschätzbar wertvoll erweisen.