Kürzlich haben das Imperial College London und das Ingenieurberatungsunternehmen Arup gemeinsam eine formelle Veröffentlichung ihrer Forschung zur Selbst-Dämpfungstechnologie für Hochhäuser abgeschlossen. Diese Technologie nutzt die Masse der Gebäudeetagen, um Energie aus Windlasten und Erdbeben zu absorbieren, und kann die Spitzenbeschleunigung von Hochhäusern um über 70 % sowie das Basismoment um 50 % reduzieren. Sie bietet damit einen neuen technischen Ansatz für die Wind- und Erdbebenbemessung von Hochhäusern.
Das System ist von der traditionellen japanischen Pagodenbauweise inspiriert: Eine Gruppe nutzbarer Etagen nahe der Gebäudespitze wird leicht vom zentralen Kern getrennt und über Federn und Dämpfer verbunden. Bei starkem Wind oder Erdbeben können sich diese Etagen relativ zum Kern geringfügig bewegen und durch ihr Eigengewicht Schwingungsenergie absorbieren und dissipieren. Die betroffenen Etagen bleiben als normale Gebäudeflächen nutzbar, ohne dass auf dem Dach spezielle große Gegengewichte installiert werden müssen.
Bestehende Hochhäuser kontrollieren Schwingungen üblicherweise durch erhöhte strukturelle Steifigkeit oder den Einbau von Schwingungstilgern (Tuned Mass Dampers). Letztere erfordern das Aufhängen von Gegengewichten mit einem Gewicht von mehreren hundert Tonnen an der Gebäudespitze, was Etagenfläche und strukturelle Tragfähigkeit beansprucht und eine Abstimmung auf die Gebäudeschwingungsfrequenz erfordert. Das neue System nutzt direkt die vorhandene Gebäudemasse zur Dämpfung, benötigt keine zusätzlichen Gegengewichte in vergleichbarem Umfang und ist nicht auf eine einzelne Frequenzabstimmung angewiesen.
Das Forschungsteam erstellte auf Basis eines 300 Meter hohen Gebäudes ein dynamisches Modell im Maßstab 1:300 und führte aeroelastische Windkanaltests durch. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Struktur ohne Dämpfungssystem wurde die Spitzenbeschleunigung des Versuchsmodells um bis zu 71 % und das Basismoment um über 50 % reduziert. Unter Windlastbedingungen mit einer Wiederkehrperiode von 50 Jahren blieb die relative Verschiebung zwischen den beweglichen Etagen und dem Kern unter 50 Millimetern.
Begleitende Erdbeben-Zeitverlaufs-Simulationen zeigen, dass das System die Verschiebung der Gebäudespitze im Durchschnitt um 42 % und die Verschiebung der beweglichen Etagen um bis zu 74 % reduzieren kann. Da die Auswirkungen von Windlasten und Erdbeben auf die Hauptstruktur und das Fundament gleichzeitig abnehmen, können Planer die Materialauslegung von Kern, Stützen und Fundament entsprechend optimieren und so den zusätzlichen Beton- und Stahlverbrauch zur Aufnahme seitlicher Lasten reduzieren.
Die im System verwendeten Federn, Dämpfer und Lager gehören zur bestehenden Bautechnik. Als nächsten Schritt plant das Forschungsteam Versuche mit größeren Modulen beweglicher Etagen und beabsichtigt, das System in die Planung realer Hochhäuser zu integrieren, um es zu validieren. Die zugrunde liegenden Prinzipien könnten zudem für weitgespannte Brücken, Offshore-Strukturen, Windkraftanlagen und Kommunikationstürme weiterentwickelt werden.