Wie schützt diese „windresistente Wunderwaffe“ Wolkenkratzer im „harten Kampf“ gegen einen Taifun der Kategorie 14?

„Capricorn“, „Bebejia“, „Prasang“ … Seit September sind nacheinander starke Taifune in den östlichen und südlichen Küstengebieten meines Landes gelandet und haben starke Winde und heftige Regenfälle mit sich gebracht. Insbesondere bei „Bebejia“ betrug die maximale Windgeschwindigkeit in der Nähe des Zentrums 14 (42 Meter/Sekunde), als es landete, und der niedrigste zentrale Luftdruck lag bei 955 hPa. Es handelt sich um den stärksten Taifun seit 1949, der Shanghai erreichte.

Auf den sozialen Medien kursierenden Videos war zu sehen, dass der als „windresistentes Artefakt“ dienende Dämpfer im 125. Stock des Shanghai Tower, einem berühmten Wahrzeichen Shanghais, bei der Landung von „Bebejia“ deutlich mit einer Amplitude von etwa einem Meter hin und her schwang.

▲Der Dämpfer beginnt zu arbeiten. Quelle: Shangguan News

Während des letzten Taifuns filmten einige Leute Videos von Gebäuden, die im Wind zitterten, was bei vielen Internetnutzern zu Angstschreien führte! Manche Leute meinten sogar, dass mit dem Fundament des Gebäudes etwas nicht stimmte und es sich um eine „Schlamperei“ handele. Einige Internetnutzer glaubten nicht einmal, dass das Gebäude im Wind wackeln würde und sagten unverblümt, es sei „mit Photoshop bearbeitet“ worden!

Wackeln Gebäude wirklich, wenn ein Taifun wütet? Geht es dir wirklich gut? Wozu dient der Tausende Tonnen schwere Dämpfer?

Wolkenkratzer: Nicht nur bei Taifunen und Erdbeben, sondern auch in normalen Zeiten

Wenn Wolkenkratzer Taifunen und Erdbeben ausgesetzt sind, sind sie wechselnden Windlasten (d. h. der Kraft, die der Wind auf die Struktur ausübt) und Bodenvibrationen ausgesetzt, die eine wechselseitige dynamische Verformung hervorrufen, die jeder als „Erschütterung“ empfindet. Die Schwingung von Strukturen ist unvermeidbar und stellt die unvermeidliche Reaktion von Strukturen unter dynamischen Einflüssen dar.

Tatsächlich vibrieren Gebäude unter normalen Umständen, aber die Amplitude der Vibration ist sehr gering und für Menschen schwer wahrnehmbar. Bei starken Belastungen wie Taifunen und Erdbeben erhöht sich die Schwingungsamplitude des Gebäudes entsprechend. Darüber hinaus müssen Wolkenkratzer auch „rütteln“, um die enorme Energiemenge abzuleiten, die durch Taifuns und Erdbeben einwirkt.

Es ist offensichtlich, dass es keine wissenschaftliche Grundlage dafür gibt, ein Gebäude als „schlechte Konstruktion“ zu beurteilen, nur weil es während eines Taifuns wackelt.

Bevor mit dem Bau eines Gebäudes begonnen wird, müssen Ingenieure eine Tragwerksplanung durchführen. Ingenieure schätzen die Auswirkungen von Erdbeben und Taifunen ab, denen das Gebäude je nach geografischer Lage ausgesetzt sein kann, und erstellen entsprechende Entwürfe, um die strukturelle Reaktion des Gebäudes auf diese externen Belastungen (ein allgemeiner Begriff für alle externen Umweltkräfte, die auf die Struktur einwirken) zu minimieren.

In Küstengebieten mit starkem Wind sind Windlasten oft der entscheidende Faktor bei der Konstruktionsplanung, daher greifen Ingenieure häufig auf windbeständige Konstruktionen zurück. Eine windbeständige Konstruktion muss die Konstruktionsanforderungen hinsichtlich struktureller Festigkeit, Steifigkeit, Komfort, Ermüdungsbeständigkeit usw. erfüllen, um sicherzustellen, dass die Struktur unter Windlasten nicht einstürzt, reißt oder sich übermäßig verschiebt, wodurch die Sicherheit der Struktur gewährleistet wird.

Sie fragen sich vielleicht, warum Sie das Beben nicht spüren, wenn Sie sich während eines Taifuns in einem Gebäude befinden?

Tatsächlich sind die Hauptfaktoren, die das menschliche Wohlbefinden beeinflussen, die Schwingungsfrequenz, die Schwingungsbeschleunigung und die Schwingungsdauer. Die Dauer der Schwingung hängt hauptsächlich von der Dauer der Windeinwirkung ab und die Schwingungsfrequenz der Struktur lässt sich nur schwer anpassen. Daher wird bei der Konstruktionsplanung im Allgemeinen eine Methode zur Begrenzung der Beschleunigung struktureller Schwingungen angewendet, um den Menschen ein angenehmeres Gefühl zu geben.

▲ Komfort-Kontrollgrenze für menschliche Körpervibrationen＊1 gal = 1/100 m /s^2

Wenn die Schwingbeschleunigung eines Gebäudes 0,15 m/s^2 erreicht, spüren die Menschen im Gebäude, wie das Gebäude bebt.

Dämpfer: Wenn der Wind sich nicht bewegt, bewege ich mich nicht; Wenn der Wind nach Süden dreht, ziehe ich nach Norden.

Hochhäuser und Superhochhäuser neigen dazu, unter dem Einfluss von Höhenwindgeschwindigkeiten zu erschüttern, was nicht nur die strukturelle Ermüdung erhöht und die Sicherheit der Gebäude verringert, sondern bei den Bewohnern von Hochhäusern sogar zu deutlichem Schwindelgefühl führen kann. Daher ist die Nutzung physikalischer Prinzipien zur Reduzierung der Schwingungsreaktion und zur Verringerung der strukturellen Ermüdung ein wichtiges technisches Problem bei der erdbebensicheren Konstruktion von Superhochhäusern, und Dämpfer sind eine der angestrebten Lösungen.

Dieses Gerät wurde zuvor häufig in der Luft- und Raumfahrt, der Militärindustrie, der Waffen- und Automobilindustrie und anderen Branchen eingesetzt. Seit den 1970er Jahren wird es im Bauingenieurwesen, beispielsweise im Hoch-, Brücken- und Eisenbahnbau, eingesetzt. Insbesondere bei manchen Wolkenkratzern kann der Dämpfer, wenn das Gebäude unter der Einwirkung starken Windes schwankt, das Schwanken des Gebäudes ausgleichen, indem er eine Rückwärtsbewegung erzeugt, indem er sein eigenes enormes Gewicht nutzt, um der Auswirkung des Windes auf das Gebäude entgegenzuwirken und so dazu beiträgt, das Wackeln des Gebäudes zu verlangsamen.

Tian Wei, außerordentlicher Professor am Institut für Physik der Technischen Universität Shanghai und Mitglied des Wissenschaftspopularisierungskomitees der China Artificial Intelligence Society, erklärte in einem Interview mit den Medien weiter, dass das Funktionsprinzip des Dämpfers dem einer Person auf einer schwankenden „Internet-Promi-Brücke“ (Hängebrücke) ähnele, die ihren Körper in die entgegengesetzte Richtung der Schwingungen der „Internet-Promi-Brücke“ bewege, um das Gleichgewicht zu halten. Er sagte: „Wenn starker Wind aus einer bestimmten Richtung weht, wirkt das Gegengewicht wie ein riesiges ‚Pendel‘, das in die Richtung des Windes schwingt und eine Kraft entgegen der Windrichtung erzeugt. Dadurch wird das Schwanken des Gebäudes verringert und die Auswirkung des starken Windes auf das Gebäude ausgeglichen.“

Dämpfer können grundsätzlich in zwei Typen unterteilt werden: Energie absorbierende Dämpfer und abgestimmte Dämpfer. Aus energetischer Sicht ist der Energieeintrag in ein Gebäude durch einen Taifun oder ein Erdbeben konstant. Je mehr Energie also von der Energieabsorptionsvorrichtung abgeführt wird, desto weniger Energie muss die Struktur selbst abführen. Energieabsorbierende Dämpfer nutzen dieses Prinzip, um die Schwingungen von Gebäuden zu reduzieren. Die Petronas Twin Towers in Kuala Lumpur, Malaysia, verwenden energieabsorbierende Dämpfer, die die Luftbrücke zwischen den beiden Gebäuden nutzen, um die Erschütterungen zwischen den Gebäuden auszugleichen. Die energieabsorbierenden Dämpfer werden an den Verbindungsstellen zwischen der Luftbrücke und den Gebäuden eingesetzt. Unter dem Einfluss von Erdbeben oder Taifunen geht es als erstes in einen unelastischen Zustand über, verbraucht eine große Menge seismischer Energie und reduziert dadurch die Vibration der Struktur.

Abgestimmte Dämpfer übertragen die Energie eines Gebäudes durch Hinzufügen einer Unterkonstruktion auf die Unterkonstruktion. Diese Unterkonstruktionen wiegen oft Hunderte von Tonnen, und wenn ein Taifun oder Erdbeben das Gebäude zur Seite schüttelt, bewegen sich auch die Dämpfer, wobei ihre Trägheitsbewegung in die entgegengesetzte Richtung der Gebäudebewegung verläuft.

Entsprechend der unterschiedlichen Unterkonstruktion werden abgestimmte Dämpfer in abgestimmte Massendämpfer (TMD) und abgestimmte Flüssigkeitsdämpfer (TLD) unterteilt. Schwingungstilger werden häufig bei Projekten zur Windschwingungsdämpfung an Hochhausstrukturen eingesetzt, da sie eine gute Schwingungsdämpfungswirkung auf Hochhausstrukturen haben, die Gebäudefunktionen kaum beeinträchtigen, kostengünstig sind, wenig Platz beanspruchen und sich Installation, Wartung und Austausch leicht durchführen lassen.

Der Shanghai Tower ist 632 Meter hoch und damit das höchste Gebäude Chinas und das einzige Gebäude im Land, das höher als 600 Meter ist. Sein oberer Teil muss normalerweise starken Winden von mehreren zehn Metern pro Sekunde standhalten. Wenn ein Taifun auf den Shanghai Tower trifft, erschüttert ihn die Stadt. Die maximale Amplitude an der Spitze erreicht 1,4 Meter. Sein Dämpfer „Shanghai Smart Eye“ ist ein Wirbelstrom-Schwingungsdämpfer, eine innovative Technologie in meinem Land mit den Vorteilen hoher Reaktionsempfindlichkeit, starker Haltbarkeit, variabler Dämpfung und geringer Wartungskosten. Dieser Dämpfer ist mit einem Gewicht von 1.000 Tonnen zugleich der schwerste der Welt und macht etwa 0,118 % des Gebäudegewichts aus. Es ist im Inneren des Gebäudes an 12 25 Meter langen Stahlseilen aufgehängt und die maximale einseitige Schwingamplitude beträgt 2 Meter.

Die Klappe ist im dritten bis vierten Stock des Gebäudes installiert, 583 Meter über dem Boden. Bei starkem Wind schwingt dieses riesige Pendel in Windrichtung und reduziert so die Erschütterungen des Gebäudes durch sein eigenes Schwanken. Laut Angaben der Shanghai Construction Group, dem Erbauer des Shanghai Towers, kann dieser Dämpfer die durch Wind verursachte Spitzenbeschleunigung um mehr als 43 % reduzieren, sodass sich 90 % der Menschen im Gebäude wohler fühlen.

▲Chinas höchstes Gebäude – der Shanghai Tower. Bildquelle: Shangguan News

Müssen Dämpfer in allen Superhochhäusern eingebaut werden, da sie die Erschütterungen von Gebäuden verringern können? Einige Experten sagten, dass die Wind- und Erdbebensicherheit von Superhochhäusern hauptsächlich von der Gebäudestruktur und dem Erscheinungsbild abhängt und dass sie „in sich stark“ sein müssen. Die Rolle des Dämpfers ist eher das „Sahnehäubchen“. Einerseits werden dadurch Erschütterungen reduziert, das Erlebnis optimiert und die Qualität des Gebäudes verbessert; Andererseits erhöht es die Haltbarkeit der Struktur. Gemäß den einschlägigen Vorschriften unseres Landes ist der Einbau von Klappen in Gebäuden nicht vorgeschrieben.

Darüber hinaus ist der Wirkungsbereich des Dämpfers nach oben begrenzt. Beispielsweise ist für die Dämpfer des Shanghai Towers ein einseitiges Ausschwingen von zwei Metern als Grenzwert festgelegt. Wenn die Schwingung des Dämpfers eine bestimmte Amplitude überschreitet, wird er durch die Begrenzungsschutzvorrichtung blockiert, um die Gebäudestruktur und die umgebenden dekorativen Teile vor Stößen zu schützen.

Leichte Erschütterungen beeinträchtigen die Bausubstanz nicht

Müssen wir uns also bei Hochhäusern, die nicht mit Dämpfern ausgestattet sind, bei Taifunen Sorgen machen?

Zhang, ein Chefingenieur des Komitees für Wohnungsbau und Stadt-Land-Entwicklung der Stadt Fangchenggang, erklärte in einem Interview mit den Medien, dass die Bewohner einiger Gebäude in den oberen Stockwerken bei einem Taifun ein leichtes Beben spüren würden. Dies sei ein normales Phänomen und der Taifun habe keine negativen Auswirkungen auf die Struktur der Gebäude selbst. Gemäß den einschlägigen Vorschriften zur Gebäudeplanung dürfen Hochhäuser bei starkem Wind leicht schwanken, und bei Gebäuden mit mehr als 30 Stockwerken kommt es häufig zu Abweichungen von mehreren Zentimetern. Der Grad der Bodenerschütterung hängt vom Flächenverhältnis ab. Wenn die ebene Baufläche größer ist, ist die Amplitude der Erschütterungen relativ gering. während einige Stockwerke mit relativ schmalen, ebenen Bauflächen stärker vibrieren.

Mit meteorologischen Gleichungen lässt sich nach Aussage von Bauexperten berechnen, dass die Windgeschwindigkeiten in städtischen Gebieten tatsächlich höher sind als in Bodennähe. Daher sind Hochhäuser bei starkem Wind stärker betroffen, was in der Architektur als „windinduzierter Vibrationseffekt“ bezeichnet wird.

Ein weiterer Grund für die Zunahme der Windgeschwindigkeit in großen Höhen ist der „Schmalkanaleffekt“, der durch hohe Gebäude verursacht wird. Wenn sich die Durchzugsfläche des Windes aufgrund der Behinderung durch Hochhäuser um die Hälfte verringert, erhöht sich seine Durchzugsgeschwindigkeit etwa um das Doppelte. In engen Passagen hoher Gebäude wird der Wind noch stärker. Daher weist die Spitze eines sehr hohen Gebäudes im Allgemeinen eine Verschiebung auf, deren Ausmaß jedoch variiert. Je höher das Stockwerk, desto größer die Amplitude. Daher ist es für die Bewohner der obersten Etage normal, ein „Rütteln“ zu spüren, dies hat jedoch keinen Einfluss auf die Sicherheit der Gebäudestruktur selbst.

Beim Bau eines hohen Gebäudes muss der Wind als erstes berücksichtigt werden. Was die Anforderungen an die Windbeständigkeit betrifft, müssen Gebäude im Allgemeinen starken Winden standhalten können, die alle 50 Jahre einmal auftreten. An Hochhäuser werden höhere Anforderungen gestellt, sie müssen in der Regel starken Winden standhalten, die nur alle 100 Jahre auftreten. Solange das Gebäude streng nach der windbeständigen Konstruktion errichtet wird, besteht daher keine Gefahr. Wenn ein Hochhaus wackelt und Probleme wie beispielsweise herabfallende Wände auftreten, sollte die Öffentlichkeit aufmerksam sein und die Situation rechtzeitig der örtlichen Wohnungssicherheitsbehörde melden.

Quelle: Science Popularization China, Global Times, Red Star News, Shangguan News