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Sep 13, 2023

Wie nutzt man die Glasmasse zur Dämpfung eines Gebäudes?

Datum: 12. Juli 2023 Je höher Gebäude werden, desto anspruchsvoller wird es, den auf das Bauwerk einwirkenden Kräften standzuhalten. Dies gilt insbesondere für häufig auftretende dynamische, windbedingte Belastungen

Datum: 12. Juli 2023

Je höher Gebäude wachsen, desto schwieriger wird es, den auf die Struktur einwirkenden Kräften standzuhalten. Dies gilt insbesondere für dynamische, windbedingte Belastungen, die üblicherweise durch eine Optimierung der Hüllenform zur Reduzierung von Turbulenzen und eine entsprechende Anpassung der Struktursteifigkeit abgedeckt werden. Zusätzliche Dämpfungssysteme ermöglichen eine direkte Einflussnahme auf das Bewegungsverhalten des Gebäudes und sind zahlreich möglich. Um ihren Nutzen zu nutzen, muss das Gebäudekonzept dies ermöglichen

Ziel des Projektteams ist es, im Rahmen eines vom Bundesministerium des Innern und für Heimat geförderten Verbundprojekts ein vollwertiges Leistungsmodell zu bauen, um die Idee zu testen, die bereits im transparenten Glas vorhandene Masse auszunutzen der Gebäudehülle zur Dämpfung.

Das ursprüngliche Konzept, die Außenhaut einer beweglichen Doppelfassade zur Reduzierung struktureller Vibrationen zu verwenden, wurde von Moon (2009) vorgeschlagen. Bei Moons Ansatz ist die Außenhaut der Double-Skin-Fassade senkrecht zur Gebäudestruktur beweglich. Die Windlasten werden zunächst auf die bewegliche Fassade eingeleitet und anschließend über Verbindungen mit geringer Steifigkeit auf den Baukörper übertragen. Durch diese Verbindungen können die dynamischen Windlasten von der Struktur isoliert werden. Dadurch werden Strukturschwingungen effektiv gemildert. Ein fataler Nachteil dieses Ansatzes besteht jedoch darin, dass die effiziente Bauschwingungsunterdrückung immer mit starken Fassadenbewegungen einhergeht, die praktisch nicht akzeptabel sind. Um diese Herausforderung zu meistern, untersuchte Moon (2011) zunächst beispielsweise verteilte abgestimmte Massendämpfer durch Hinzufügen zusätzlicher kleiner Dämpfungsmassen im Hohlraum der Doppelfassade. In einem zweiten Schritt untersuchte Moon (2016) das Wechselwirkungssystem aus abgestimmtem Massendämpfer und Double-Skin-Fassadendämpfer, das das Konzept der senkrecht beweglichen Fassade mit dem traditionellen abgestimmten Massendämpfersystem kombiniert. Die starken Fassadenbewegungen können mit diesen beiden vorgeschlagenen Methoden besser kontrolliert werden. Jedoch,

Das Team untersucht das Konzept der Verwendung paralleler beweglicher Verbindungen, wodurch keine zusätzliche Masse benötigt wird. Die Fassadenaußenhaut ist in Richtung senkrecht zur Primärstruktur fixiert, in Richtung parallel zur Primärstruktur jedoch beweglich. Die durch den Wind verursachten Bauwerksschwingungen versetzen die parallel beweglichen Fassaden in Schwingungen, was wiederum die Bauwerksbewegung dämpft. Mit diesem System können Obergeschosse eines Hochhauses eingebaut werden, um eine bessere Schwingungsdämpfung zu erreichen. Dieses gesamte System ähnelt physikalisch dem verteilten mehrfach abgestimmten Massendämpfer (d-MTMD), nutzt jedoch die vorhandene Fassadenmasse als Dämpfungsmasse und vereinfacht die Installation aufgrund des geringeren Gewichts pro Teil. Das macht das Konzept auch für die Nachrüstung interessant. Abschließend haben wir es als verteiltes Multiple-Tuned-Facade-Damping-System (d-MTFD) bezeichnet (Zhang 2020).

Andere Autoren konzentrierten sich auf numerische Berechnungen, um optimale Dämpfungsparameter zu finden, um Strukturbewegungen während der Erdbebenerregung zu reduzieren. (Abtahi et al. 2012; Fu 2013; Fu und Zhang 2016; Barone et al. 2015; Lori 2017; Pipitone et al. 2018). Barone et al. (2015) ermittelten die Reaktion während der zeitlichen Erdbebenbelastung und kamen zu dem Schluss, dass eine Reduzierung gegenüber dem ungedämpften Fall von bis zu 35 % ein realistisches Ziel sei. Pipitone et al. (2018) fanden ebenfalls eine Reduzierung erdbebenbedingter Bewegungen durch die Aktivierung der Masse einer Doppelfassade. Durch die Suche nach passenden Dämpfungsparametern gelangten die Autoren zu dem Schluss, dass verteilte Massendämpfer individuell angepasst werden können, um auf mehrere kritische Schwingungsmodi richtig zu reagieren. Es wurden jedoch keine strukturellen Details vorgeschlagen, um ein funktionierendes Vorhangfassadensystem zu realisieren, um die theoretischen Erkenntnisse zu überprüfen. Einen umfassenderen Überblick über den Stand der Technik der Schwingungskontrolle mit abgestimmten Massendämpfern bieten Rahimi et al. (2020).

Daher zeigt dieser Artikel den Stand der Technik in der Fassadengestaltung anhand mehrerer Projektfallstudien. Es wird eine realistische Menge an Glasmasse ermittelt, da davon ausgegangen wird, dass die vorhandene Masse erhalten bleibt. Der CO2-Fußabdruck der Fassade, insbesondere des Glases, wird sich an dieser Stelle nicht verändern. Aus den Fallstudienergebnissen werden konstruktive Gestaltungsdetails entwickelt und beschrieben, die den Anforderungen in der Vorhangfassadengestaltung entsprechen. Basierend auf einer Designbewertung wurde eine Auswahl getroffen und in einem experimentell getesteten Leistungsmodell umgesetzt. Der Schwerpunkt des Artikels liegt auf der Detaillierung des Designs und der Ermittlung praktischer Implikationen. Wir geben einen Ausblick auf die bevorstehende Leistungsbewertung bei windinduzierter Belastung. Die Überbrückung der Lücke zwischen Computermodellierung und vollständiger Umsetzung ist der neuartige Aspekt, der in dieser Studie vorgestellt wird.

Die zunehmende Geschwindigkeit sich entwickelnder Metropolen ist nicht zu übersehen (CTBUH 2018). Neue Gebäude sind tendenziell höher und schlanker (CTBUH 2020). Basierend auf der Zusammenfassung von Szołomicki et al. (2021), Abb. 1 gibt eine Grenzübersicht.

Es zeigt, dass nicht unbedingt die höchsten Gebäude auch die schlanksten sind, die Schlankheit erreicht jedoch vorübergehend ihren Höhepunkt in Höhen zwischen 472 m (Central Park Tower, New York) und 426 m (111 West 57 Street, New York). Diese sehr jungen Türme, die 2020 und 2021 fertiggestellt wurden, werden es ebenfalls in die Top 10 der höchsten Gebäude schaffen. Dies unterstreicht den aktuellen Trend, eine maximale Höhe bei geringem Platzbedarf auszunutzen. Außerdem sind vor allem die Vereinigten Staaten (13) und der Nahe Osten (7) am stärksten vertreten, während das erste große europäische Gebäude, das Laktha Center (St. Petersburg, Abb. 2), auf Platz 14 landet, ohne es in die Top 25 der schlanksten Gebäude zu schaffen Gebäude.

Mit zunehmender Gebäudehöhe nimmt auch das Struktursystem zu, das in allen Aspekten der Konstruktion (Endlast, Gebrauchstauglichkeit und Komfort) erforderlich ist, um Wind- und Erdbebenkräften standzuhalten. Helal et al. (2020) gaben an, dass die verkörperte Treibhausgasemission pro Fläche (NFA) zunimmt. Je höher (und möglicherweise schlanker) ein Gebäude wird, desto effizienter muss die Struktur sein, um die gleiche Menge an CO2-Einsparungen zu erzielen. Dies unterstreicht die Notwendigkeit hervorragender Dämpfungssysteme in diesem Zusammenhang. Das vorgestellte Konzept soll einen Beitrag zur Optimierung der Hauptstruktur leisten.

Wir stellen die Frage: Wie nutzt man die Glasmasse zur Dämpfung eines Gebäudes?

3.1. Anforderungen und Leistung

Die Produktnorm für Vorhangfassaden EN 13830 (2020) enthält den umfassendsten Anforderungskatalog für die Fassadenindustrie. Die Daten können für andere Arten von Gebäudehüllen verallgemeinert werden. Es definiert vier Hauptmerkmale, ihre jeweiligen Prüfverfahren und Konformitätsanforderungen:

Die Ergebnisse der vorgestellten Forschung zielen darauf ab, die Leistung durch die Hinzufügung des ungenutzten Dämpfungspotenzials zu erweitern, das Masse und Bewegung in Bezug auf Geschwindigkeit und Beschleunigung erfordert. Daher werden in den folgenden Abschnitten aktuelle Fassadensysteme und deren verfügbare Masse zusammengefasst.

3.2. Geschlossene Hohlraumfassaden (CCF)

Die Closed-Cavity-Fassade (CCF) ist eine geschlossene Doppelfassade, die 2008 von Josef Gartner für die Serienfertigung am Gebäude „InHaus2“ der Fraunhofer-Gesellschaft in Duisburg entwickelt wurde (Abb. 3). Bis heute wird es im Dienste nachhaltiger Gebäude umgesetzt, indem es führende Anforderungen an Wärmedämmung und Schallschutz abdeckt. Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, sind die Schweiz, das Vereinigte Königreich und Deutschland sehr gemeinsame Märkte. Da jedoch das Bedürfnis nach mehr Nachhaltigkeit wächst, wird diese Fassadenlösung auch auf den US-amerikanischen Markt exportiert.

Die Closed-Cavity-Fassade, die in Abb. 4 an eindrucksvollen Beispielen dargestellt ist, ist innen zwei- oder dreifach verglast und außen einfach verglast. Da der Hohlraum zwischen Innen- und Außenverglasung vollständig abgedichtet und vor Witterungseinflüssen geschützt ist, entstehen keine Verschmutzungen, die die Jalousien und den Sonnenschutz beeinträchtigen könnten. Dem Fassadenhohlraum wird ständig trockene und saubere Luft zugeführt, um eine Kondensation an der äußeren Glasscheibe zu verhindern.

Dieser geschlossene Fassadenhohlraum ist das entscheidende technische Merkmal zur Optimierung der Transparenz sowie der Wärme-, Sonnen- und Schalldämmung. Für den CCF können hochtransparente, eisenarme Verglasungen eingesetzt werden. So kann im geschützten Fassadenhohlraum ein hocheffizienter Sonnenschutz mit sensibler Steuerung oder Lichtlenkung installiert werden, der dann langfristig wirksam bleibt.

Die meiste Masse in einem Elementfassadensystem entsteht durch das Glas. Eine hochmoderne Closed-Cavity-Fassade besteht innen aus einer Isolierglaseinheit und außen aus einer Einfachverglasung. Tabelle 1 fasst beispielhafte CCF-Projekte mit ihrer jeweiligen Glasmasse in Hauptbereichen zusammen. Typischerweise können 25 bis 50 kg/m2 in der Außenscheibe ausgenutzt werden, was ein Drittel bis die Hälfte der gesamten Glasmasse ausmacht. Dabei ist natürlich zu beachten, dass die Größe des Glases durch die Abmessungen des Fassadenelements und die Belastungssituation bestimmt wird.

Tabelle 1: Beispielhafte Closed-Cavity-Fassadenprojekte und Glasmassen.

3.3. Doppelfassaden

Eine „Doppelfassade“ entsteht durch eine zusätzliche Verglasung, die außen vor der Hauptfassadeneinheit angebracht wird (Abb. 5). Der entstandene Hohlraum ist direkt mit der Außenluft verbunden und deckt das Jalousiesystem ab. Je nach Ausführungsart wird die Leistung zielgerichtet gesteigert. Die Entscheidung für eine Doppelfassade verbessert die Licht- und Wärmeverhältnisse der Innenräume und reduziert den Gesamtenergieverbrauch des Gebäudes. Dies verbessert den Komfort und das Wohlbefinden der Nutzer, da Beeinträchtigungen an klimatisierten und konventionellen Arbeitsplätzen, die den Komfort des Nutzers beeinträchtigen können, verhindert werden. Der Hauptunterschied zu einer Fassade mit geschlossenem Hohlraum besteht also in der Luftströmung zwischen der Außenatmosphäre und dem Hohlraum, während typische Glasanordnungen und -massen weitgehend unbeeinflusst bleiben, wie die Beispiele in Tabelle 2 zeigen. In Anbetracht dieser Situation eine doppelschalige Fassade ist ein optimaler Ausgangspunkt, um ein System mit beweglicher Außenhaut zu entwerfen.

Tabelle 2: Beispielhafte Doppelfassadenprojekte und Glasmassen.

4.1. CO2-Fußabdruck

Vorhangfassaden spielen sowohl in der Produktphase (verkörperter Kohlenstoff, Abb. 6) als auch in der Nutzungsphase (betrieblicher Energieverbrauch) eine wichtige Rolle für den endgültigen CO2-Fußabdruck eines Gebäudes. Das Bindeglied zwischen diesen beiden Themen ist der Fassadenbauer, der die Anforderungen des Eigentümers in einer Vorhangfassadenkonstruktion umsetzt. Eine konstruktive Optimierung der Rahmen und des Glases sowie die Bewertung und Optimierung von Verglasungs- und Sonnenschutzprodukten beeinflussen den thermischen Komfort des Nutzers. Darüber hinaus sind das Zusammenfügen und die ordnungsgemäße Abdichtung aller Komponenten sowie der Einbau in das Gebäude kritische Schritte im Prozess, die einen kontinuierlichen Prozess erfordern. Da sich diese Anforderungen überschneiden, muss eine Überlagerung definiert werden, um den minimalen Beitrag zu den Treibhausgasemissionen zu ermitteln. Helal et al. (2020) stellten fest, dass der Einfluss der Fassadenlasten auf die Treibhausgasemissionen des Tragwerkssystems eines Gebäudes als gering einzustufen ist. Diese Ergebnisse stehen jedoch in direktem Zusammenhang mit dem Eigengewicht. Jedes eingesparte Kilogramm Eigengewicht bei der konstruktiven Gestaltung der Fassade wirkt sich also direkt auf den verkörperten Kohlenstoff der Gebäudehülle und der Hauptstruktur aus. Ergebnisse von Helal et al. (2020) müssen die strukturelle Gestaltung der Vorhangfassade beeinflussen, da Aluminium und Glas einen erheblichen Anteil an Kohlenstoff enthalten.

4.2. Bestandteile des Fassadenkonzepts

4.2.1.Struktur und Konzept

Zwei unterschiedliche Konzepte, nämlich die senkrecht bewegliche Fassade und die parallel bewegliche Fassade, wurden untersucht und haben sich als wirksam bei der Reduzierung der Strukturschwingungen erwiesen. Allerdings geht bei senkrecht beweglichen Fassaden mit der Bauschwingungsreduzierung immer eine starke Fassadenbewegung einher, was eine praktische Umsetzung unmöglich macht. Daher ist der Ansatz einer parallel beweglichen Fassade praktischer. Dieses endgültige Strukturkonzept wird von Zhang et al. gut beschrieben. (2021) und Bleicher et al. (2021). Für das realisierte Mock-up wurden vom Team folgende Randbedingungen vorgeschlagen, die in wenigen Stichpunkten zusammengefasst werden können:

Im Gegensatz zu anderen Anforderungen steht bei der Optimierung die Dämpfungsleistung im Vordergrund. Daraus ergibt sich ein in Abb. 7 abgedrucktes Konzeptschema, dessen Hauptkomponenten in den folgenden Abschnitten beschriftet und detaillierter beschrieben werden.

4.2.2.Feste Innenhaut mit Triple-IGU

Die feste Innenhaut des Modells ist im Wesentlichen eine dreifach verglaste einschalige Fassadeneinheit, die den grundlegenden Leistungskriterien der Gebäudehülle entspricht. Typische Aluminiumprofile (EN AW 6060-T66) mit eloxierter Oberfläche E6 C0 (20 μm) wurden hergestellt, um zwei Hauptpfosten mit einer Länge von 2848 mm, einen unteren und oberen Riegel sowie einen zusätzlichen Mittelpfosten zu schaffen, der die gesamte Innenfläche in zwei Teile teilt Bereiche. Die thermische Trennung zwischen Außen- und Innenatmosphäre wird durch thermische Trennungen aus Polyamid und ein mit Argon gefülltes Low-E-beschichtetes Triple-I-GU realisiert. Da die verglaste Außenfläche maximiert wurde, um ein möglichst transparentes Design zu schaffen, besteht die Innenscheibe aus einem Verbundglasabschnitt, um den üblichen Anforderungen menschlicher Einwirkungen auf das Glas gerecht zu werden. Silikondichtungen zwischen Glas und Aluminiumrahmen verhindern das Eindringen von Wasser und ermöglichen eine luftdichte Abdichtung des Innenraums. Der Montageablauf ist in Abb. 8 dokumentiert.

Da sich die meisten Komponenten des beweglichen Teils im Hohlraum befinden, müssen sie über zu öffnende Fenster statt über festes Glas zugänglich sein. Diese sind für Wartungs- und Reparaturarbeiten sowie für die Reinigung während der Lebensdauer des Bauwerks erforderlich. Dies wird im Rahmen eines Projekts ausführlich besprochen.

Kernstück der festen Innenhaut sind die Verbindungselemente zum Gebäude. Um das erhebliche Eigengewicht auf die Halterungen zu übertragen, werden Edelstahleinsätze durch den oberen Querbalken geführt und mit den Radfüßen verbunden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die feste Haut die grundlegenden Anforderungen eines Gebäudenutzers abdeckt, ohne durch das neuartige System beeinträchtigt zu werden.

4.2.3.Bewegliche Außenhaut mit Verbundglas

Der bewegliche Rahmen, der das Verbundglas (1010,4 AN, 2583 mm x 2650 mm) trägt, ist der Teil des Modells, der sich bewegt, wenn das Gebäude windbedingten Vibrationen und anderen Arten erzwungener Bewegungen ausgesetzt ist. Obwohl es so konzipiert ist, dass Luft in den Hohlraum hinein und aus diesem heraus strömen kann, schützt es das Jalousiesystem und das interne Führungsschienensystem sowie die Komponenten des Dämpfersystems. Es ist wichtig, die Reibung des Führungsschienensystems auf ein Minimum zu reduzieren. Daher wird davon ausgegangen, dass der Schutz auch eine unerwünschte Kontamination des Hohlraums verringert.

Insgesamt wiegt der 2,8 m x 2,6 m große Rahmen 88 kg/m2. Das Ergebnis liegt über dem in Tabelle 1 und Tabelle 2 aufgeführten Durchschnittsgewicht. Das Ziel, ein Maximum an Glasgewicht zu mobilisieren, wurde durch die zusätzliche Mobilisierung des Aluminiumrahmens und des Stahlführungsschienensystems erweitert. Das Ergebnis gilt als perfekter Kompromiss zwischen Eigengewicht, das für die Bewegung mobilisiert wird, und Fassadenleistung. Einen nachhaltigen Ergebnisbeitrag begründet die im nächsten Abschnitt beschriebene Schienenauswahl.

4.2.4.Führungsschienensystem

Kernbestandteile des Entwurfs sind ein Schienenpaar am unteren und oberen Querbalken des beweglichen Teils und ein Satz vier Räder, die an der Hauptfassadeneinheit befestigt sind. Diese Option wurde gegenüber zwei anderen Optionen vorgezogen, da die Schienen aufgrund ihres im Vergleich zu den Rädern größeren Eigengewichts als bewegte Masse genutzt wurden. Ihre Ausrichtung wurde von unten nach oben gewählt, um eine Ansammlung von Schmutz im Bewegungspfad zu verhindern. Dadurch wird die Reibung minimiert und die Langzeitstabilität maximiert.

Alle Räder verfügen über große Edelstahlrollen, um Windkräften entgegenzuwirken, und einen Satz kleinerer Rollen, die senkrecht zu den großen Rollen am oberen Heckspiegel ausgerichtet sind, um das Eigengewicht zu tragen. In dieser Konfiguration war es möglich, die Schienen als Haken zu verwenden, um die bewegliche Haut in der Nähe der Verbindungspunkte zum Gebäude aufzuhängen (Abb. 9). Außerdem befanden sich die Räder etwa 500 mm von den Pfosten entfernt und hatten einen lichten Abstand, um einen Bewegungsweg von ± 500 mm zu ermöglichen.

Es wurde ein serienmäßiges Radsystem verwendet, das eine minimale Reibung ermöglicht und gleichzeitig in heißem und kaltem sowie trockenem und feuchtem Klima beständig ist. Daher wurden Metallrollen gegenüber Kunststoffrollen oder Reifen bevorzugt. Diese Wahl begrenzt auch die Menge an brennbarem Material und die Menge an Abriebspuren. Man befürchtete eine mögliche Lärmemission, die sich jedoch nicht bestätigte. Weitere Tests sind erforderlich, um Auswirkungen in einer realistischen Umgebung und im Langzeitbetrieb zu berücksichtigen.

Die größte Herausforderung bei der Konstruktion bestand darin, die Anpassung der Fertigungstoleranzen zu ermöglichen. Da die Räder und Schienen für das Projekt individuell angepasst wurden, musste die Tragkonstruktion eine Anpassung ermöglichen. Toleranzen nach oben und unten wurden durch Stahlbleche unterhalb der Grundplatte der Räder und Langlöcher der Stahlwinkelverbindungen zum Fassadenriegel ausgeglichen. Darüber hinaus führte das exzentrische Eigengewicht der beweglichen Außenhaut zu einer Torsion der Struktur, die durch Überhöhung der Stützen verhindert wurde.

4.2.5.Feder und Dämpfer

Der seitlichen Bewegung des beweglichen Teils wird durch Federn entgegengewirkt. Sie sorgen für die Rückwärtsbewegung. Zwischen den oberen Riegeln im Hohlraum wurde ein Doppelsatz aus vier Spiralfedern mit jeweils 81 N/mm in symmetrischer Ausrichtung entlang des Mittelpfostens eingebaut. In der Mitte waren sie durch ein Aluminiumrohr mit der beweglichen Außenhaut verbunden, während die anderen Enden über Stahlplatten mit den Hauptpfosten verbunden waren. Diese Konfiguration minimiert jegliche Auswirkungen durch exzentrische Belastung.

Durch eine seitliche Relativbewegung wird ein Satz Federn gedehnt, während der andere Satz freigegeben wird. Dadurch entsteht eine gegenwirkende Federkraft, die eine umgekehrte Beschleunigung einleitet, bis die Bewegung bei der größten Dehnung stoppt. In dieser Situation ermöglicht der freigegebene Freiheitsgrad eine ungehinderte Rückwärtsbewegung. Seine kinetische Energie wird durch die innere Reibung des Führungsschienensystems und die viskose Dämpfungskraft des Motors abgebaut. Die Exposition gegenüber der Umgebungsluft könnte eine Rolle spielen, wurde in dieser Studie jedoch als vernachlässigbar angesehen. Darüber hinaus hält die untere Schiene eine Zahnstange, die über ein Ritzel verbunden ist, um die seitliche Bewegung in eine Rotation umzuwandeln, die einen Generator antreibt. Als Generator dient ein Schrittmotor mit maßgeschneiderter Leistungselektronik. Dies ermöglicht einen einstellbaren Dämpfungskoeffizienten zusammen mit der Energiegewinnung.

4.3. Bemerkungen zum Fassadensystem

Nachdem eine einzelne Einheit, herausgelöst aus einer vollständigen Gebäudehülle, getestet wurde, müssen zusätzliche theoretische Überlegungen hinzugefügt werden.

Die Leistung des Prototyps im Originalmaßstab wurde mithilfe einer Hardware-in-the-Loop-Simulation (HiL) getestet. Der Prototyp fungiert als Hardwareteil, wie in Abb. 10 dargestellt.

Der Simulationsteil ist ein weit verbreitetes 76-stöckiges Hochhaus (Yang 2004) unter Windanregung mit einem fehlenden Fassadenelement. Das fehlende Fassadenelement im Simulationsteil ist unser gebauter Prototyp. Die Kommunikation zwischen Simulationsteil und Hardwareteil erfolgt über den Linearantrieb. Es reproduziert physisch die simulierte Bewegung der ausgewählten Etage des Benchmark-Gebäudes. Abschließend wird die Wechselwirkungskraft zwischen Fassadeninnenhaut und Fassadenaußenhaut über einen Kraftsensor gemessen und an den Simulationsteil zurückgeführt.

Der genetische Algorithmus mit mehreren Zielen wird angewendet, um das gesamte System unter gleichzeitiger Berücksichtigung zweier Ziele zu optimieren:

Sowohl passive als auch semiaktive Systeme werden optimiert und optimierte Parameter sowohl für den Simulationsteil als auch für den Hardwareteil für den experimentellen Test festgelegt. Die optimierten passiven und semiaktiven Systeme werden mit dem unkontrollierten Benchmark-Gebäude verglichen, wie in Abb. 11 dargestellt. Beide optimierten Systeme können Strukturschwingungen um 27,5 % reduzieren. Bei Verwendung einer semiaktiven Regelung kann die maximale relative Fassadenverschiebung im Vergleich zum passiven System bei gleicher Strukturschwingungsleistung um 33,7 % reduziert werden.

Der einstellbare Dämpfungskoeffizient im Anschluss wird durch den Schrittmotor zusammen mit einer speziell entwickelten Steuerschaltung erreicht. Der Schrittmotor fungiert nicht nur als einstellbarer Dämpfer, sondern auch als Energieernte. Die Verlustenergie kann über den Stromkreis als elektrische Energie gewonnen und in der Batterie gespeichert werden. Diese Energie kann zum Hochfahren der semiaktiven Steuerung genutzt werden. Erste Untersuchungen auf Basis der HiL-Simulationen deuten darauf hin, dass die gesamte geerntete Energie bei der betrachteten 10-m-Windgeschwindigkeit von 13,5 m/s ausreicht, um das eingebettete System (Mikrocontroller, Sensoren und Leistungselektronik) aller beweglichen Fassadenelemente, also eine autonome, zu versorgen Unter diesen Windbedingungen kann ein semiaktives System erreicht werden.

Der Bau schlankerer Wolkenkratzer und die dringende Notwendigkeit, in der Bauindustrie Netto-Null-Emissionen zu erreichen, führen zu steigenden Anforderungen an Design und Technik. Ein Beitrag besteht darin, vorhandene, in der Fassade eingeschlossene Masse zu mobilisieren und so herkömmliche Dämpfungssysteme zu ersetzen. Da frühere Studien das Potenzial gezeigt haben, beschreibt dieser Artikel die praktischen Auswirkungen der Realisierung eines Fassadenmodells in Originalgröße. Nach einer Zusammenfassung des Standes der Fassadengestaltung durch einen Projektreview werden die konstruktive Detaillierung und Herstellung vorgestellt und Implikationen sowie Alternativen diskutiert.

Das Projektteam entwarf und konstruierte ein vollständiges Leistungsmodell. Die Produktion lief mit mehreren schrittweisen Iterationsschritten und Verbesserungen reibungslos. Das Mock-up wurde fristgerecht geliefert und zeigte nach umfassenden Tests, dass das Prinzip in der Realität anwendbar ist (Abb. 12).

Themen wie Langzeitstabilität, wirtschaftliche Optimierung, thermische Performance des Gesamtsystems und Benutzerakzeptanz des Uhrwerks sind sicherlich Themen, die dem Ingenieur ad hoc in den Sinn kommen und die für eine Anwendung mit Sicherheit berücksichtigt werden müssen.

Gleichzeitig möchten wir einige architektonische Designentwürfe inspirieren, da ein solcher Entwurf höchstwahrscheinlich das Gebäude prägen wird und damit auch die Skylines moderner Metropolen prägen wird. In diesem Sinne bitten wir die kreativen Designer um Anregungen und Diskussion!

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Tabelle 3. Die 25 schlanksten und zehn höchsten Gebäude. Wichtige Gebäudedaten basierend auf Mehl (2020), CTBUH (2021) und Szołomicki et al. (2021)