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Frank Hartwig Kemper

Böeninduzierte Schwingungsanfälligkeit von durchlässigen Fassadenelementen unter Berücksichtigung nichtlinearer Struktureigenschaften im Grenzzustand der Ermüdung

ISBN:

978-3-8440-2338-1

Series:

Schriftenreihe Stahlbau - RWTH Aachen
Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Markus Feldmann
Aachen

Volume:

Keywords:

Durchlässige Fassaden; Windlasten; Strukturdynamik; Nichtlinearität; Ermüdung

Type of publication:

Thesis

Language:

German

Pages:

324 pages

Figures:

138 figures

Weight:

483 g

Format:

21 x 14,8 cm

Bindung:

Paperback

Price:

49,80 € / 62,25 SFr

Published:

November 2013

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Abstract:

Moderne architektonische Fassadenkonzepte setzen zunehmend auf durchlässige Strukturelemente um einzelne Bauwerksansichten zu akzentuieren und Transluzenz und Reflexion der Oberfläche gezielt zu steuern. Sowohl aus bauwerksaerodynamischer als auch aus dynamischer Sicht weisen solche filigranen Fassadenelemente eine Vielzahl von Besonderheiten auf, die sie von den traditionellen Konstruktionsformen unterscheiden. In dieser Arbeit werden insbesondere weitspannende, stark durchlässige Fassadenelemente aus verwobenen Edelstahldrähten behandelt, da an diesem System besonders komplexe Bemessungsfragen diskutiert werden können.

Durchlässige Fassaden lassen sich als alleiniger Bauwerksabschluss (z.B. bei Parkhäusern) einsetzen oder in Kombination mit konventionellen Fassadenelementen zur äußeren Modellierung und Betonung der Bauwerkssilhouette verwenden. Der Abstand zwischen den beiden Fassadenschalen kann dabei mitunter erheblich sein. Durch systematische Windkanaluntersuchungen und zusätzliche Originalmessungen werden in dieser Arbeit die lokalen Strömungscharakteristiken und damit die Einwirkungsseite für stark durchströmbare Fassadenelemente untersucht.

Vorgespannte Gewebestrukturen tragen die eingeprägten Belastungen nahezu ausschließlich über einen Normalkraftzuwachs in den tragenden Drähten ab die Verformungen der Fassadenelemente vollziehen sich dementsprechend geometrisch nichtlinear. Durch eine planmäßige und anhaltende Vorspannung können diese Verformungen gezielt begrenzt werden. Um die auftretenden Gewebeschwingungen bewerten zu können, werden Ergebnisse aus Simulationen im Zeit- und Frequenzbereich für unterschiedliche Parametervariationen dargestellt. Bei der Frequenzbereichsformulierung wird zur Berücksichtigung der Nichtlinearität ein Duffing-Oszillator modelliert. Das resultierende Antwortspektrum wird durch Annahme einer Bewegungsdifferentialgleichung mit variabler Systemfrequenz abgeleitet. Die Approximationsgüte wird schließlich durch den Vergleich mit einer zeitbezogenen Lösungsstrategie, auch für hochgradig nichtlineares Systemverhalten, belegt. Da ein praktikables Bemessungskonzept formuliert werden soll, besticht der vorgeschlagene Ansatz durch seine durchgängig analytische Formulierung.

Zu guter Letzt werden die entwickelten frequenzbasierten Verfahren systematisch angewendet und zur Förderung einer vereinfachten Nachweisführung weiter aufbereitet. Dazu wird zunächst der Einfluss der wichtigsten Parameter aus Struktur und Standort auf die zugehörigen Beanspruchungskollektive untersucht. Mittels Regression der jeweiligen Kollektivformen lassen sich die Beziehungen identifizieren und parametrisch abbilden. Die Häufigkeitsverteilung der Beanspruchungsgrößen kann somit für konkrete Strukturen direkt aus den angegebenen Regressionsparametern rekonstruiert werden, wodurch sich komplexe dynamische Berechnungen erübrigen. Eine weitere Verdichtung der Untersuchungsergebnisse wird erreicht, indem Schadensäquivalenzfaktoren bestimmt werden, die die zu Grunde liegende Kollektivform implizit beinhalten. Auf die die Berechnung des Schädigungsintegrals kann somit verzichtet werden, wenn die empfohlene Nachweisform angewendet wird.