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Leistungsbasiertes Winddesign könnte Gebäude verbessern, sagen Ingenieure

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Erste Hinweise zur anspruchsvollen Statikmethode folgen in Kürze

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Statiker, die durch leistungsorientierte Windgestaltung die Effizienz, Zuverlässigkeit und Widerstandsfähigkeit von Gebäuden verbessern wollen, sind auf dem besten Weg. Und obwohl es ein Jahrzehnt oder länger dauern könnte, bis PBWD bei den Praktikern zum Mainstream wird, begrüßen die Autoren der ersten beiden PBWD-Dokumente, die beide in diesem Jahr zum ersten Mal erscheinen, sie als Meilensteine.

"PBWD bietet die Möglichkeit, einzigartige Tragwerksysteme für Gebäude mit atypischen Formen oder aerodynamischen Eigenschaften zu entwickeln, die nicht den Beschränkungen der vorgeschriebenen codebasierten Windkraft-Widerstandssysteme entsprechen", sagte Donald R. Scott, Senior Principal bei PCS Structural Solutions, beim Structures Congress 2019. Die vom Structural Engineering Institute (SEI) der American Society of Civil Engineers (ASCE) organisierte Konferenz, die vom 24. bis 27. April in Orlando stattfand, zog 1.058 Teilnehmer an.

Scott ist der leitende Ermittler, der das Team von 14 Strukturexperten leitet, die den Prestandard for Performance-Based Wind Design schreiben, das erste Dokument, das jemals zur Unterstützung von PBWD erstellt wurde. Fünf Peer Reviewer gießen derzeit über den endgültigen Entwurf. Das ASCE/SEI-Dokument, das mit einem Zuschuss der Charles Pankow Foundation in Höhe von 150.000 US-Dollar finanziert wird, wird bis Ende Juli auf den Websites der Pankow Foundation und ASCE/SEI zum kostenlosen Download zur Verfügung stehen.

Die Veröffentlichung ist als Vorläufer einer PBWD-Norm gedacht, die schließlich in den Modellbau-Code aufgenommen wird und den Designern eine kodifizierte Alternative zu den vorgeschriebenen oder Kochbuchbestimmungen des Codes bietet.

Hohe Gebäude

Nach der Vornorm schreibt der ASCE/SEI-Arbeitsausschuss für die Planung und Ausführung von hohen Gebäuden für den Windbereich ein eigenes Konsensusdokument. Design and Performance of Tall Buildings for Wind, geschrieben von acht Experten, stellt Best Practices für die Planung von Hochhäusern zusammen, um vorgegebene Leistungsziele bei Windanforderungen zu erreichen. Es stellt einen Konsens zwischen Designbüros, Windingenieuren und der Wissenschaft dar.

Die Publikation beschreibt Aspekte der Windgestaltung und -leistung, die in vielen Codes nicht spezifiziert sind, so Preetam Biswas, Associate Director von Skidmore, Owings & Merrill und Vorsitzender des Task Committee. Die Autoren des Handbuchs und des Vorstandards koordinieren ihre Arbeit, sagte er.

Der Entwurf des Handbuchs ist zu 95% vollständig und wird voraussichtlich bis Ende des Jahres in digitaler Form vorliegen. Eine gedruckte Version sollte auf dem Structures Congress 2020 vom 5. bis 8. April in St. Louis verfügbar sein.

Momentum baut sich auf

Momentum entwickelt für alle Arten von leistungsbasiertem Design, einem ausgeklügelten Engineering-Ansatz, der auf fortschrittlichen Analyse- und Konstruktionsmethoden basiert, die es Ingenieuren ermöglichen, das Verhalten einer Struktur zuverlässig vorherzusagen, wenn sie einer definierten Belastung ausgesetzt ist, sei es Wind, Erdbeben oder Feuer.

Der einzige Weg, die Genehmigung für ein PBWD zu erhalten, ist, die alternativen Mittel und Methoden der Bereitstellung des Codes zu durchlaufen. Nur wenige wollen dies tun, weil Baubeamte, die mit PBWD nicht vertraut sind, zögern, die Entwürfe zu genehmigen. Darüber hinaus verlangt eine PBWD eine Peer Review. Das bedeutet einen längeren und potenziell schwierigeren Genehmigungsprozess, der viele Bauherren inne hat.

PBD in jeglicher Form "erfordert spezielles Fachwissen oder Wissen", sagte Ronald O. Hamburger, Senior Principal bei Simpson Gumpertz & Heger und Vater des 20 Jahre alten performance-based seismic design (PBSD) Ansatzes für Gebäudesanierungen. "Es ist nicht für jeden etwas", fügte er hinzu.

Mögliche Vorteile

Die Ingenieure sind sich einig, dass für die Verbreitung von PBWD viel Arbeit zu leisten ist, um nicht nur Ingenieure, sondern auch Architekten, Entwickler, andere Interessengruppen und insbesondere Code-Offizielle über die potenziellen Vorteile und Risiken des Ansatzes aufzuklären. Die Leitlinien sollen dazu beitragen, umsichtige Praktiken zu etablieren und einen gewissen Schutz im Hinblick auf die rechtliche Haftung für die vorhergesagte Leistung zu bieten, so die Beteiligten.

Die Vorteile von PBWD werden vielen Praktikern und Eigentümern überaus klar sein, doch andere müssen vielleicht überzeugt werden, wie die Autoren beider Dokumente. Für den Anfang müssen Eigentümer und Planer gelehrt werden, dass die Leistung von Entwürfen, die durch die Einhaltung der vorgeschriebenen Anforderungen der Bauvorschriften produziert werden, möglicherweise nicht ausreicht, sagte Scott

"Viele Projektbeteiligte glauben, dass, wenn ihr Gebäude nach den Bestimmungen der Bauordnung geplant wird, es alle Windverhältnisse übersteht und betriebsbereit bleibt; die Bauordnung basiert jedoch nur auf Anforderungen an die Lebenssicherheit", fügte er hinzu.

Die Aufklärung der Interessengruppen über die Vorteile der Zahlung eines kleinen Zuschlags im Voraus für Gebäude, um eine gewünschte und bessere Leistung bei Windverhältnissen zu erreichen - wie z.B. kontinuierlicher Betrieb zur Vermeidung von Geschäftsverlusten nach Stürmen und Hurrikanen - ähnelt den Hindernissen, mit denen diejenigen konfrontiert sind, die leistungsbasiertes seismisches Design einführten, das heute weltweit gängige Designpraxis ist, sagte Scott.

Abgesehen von den Herausforderungen nennt Ron Klemencic, der Vater von PBSD für hohe Gebäude, PBD "Spaß, man kann Physik, Mathematik und mehr nutzen, um bessere Gebäude zu bauen", sagte Klemencic, Chairman und CEO von Magnusson Klemencic Associates (MKA).

"Für PBSD haben wir es zuerst getan und dann das Buch geschrieben. Für PBWD schreiben wir das Buch und machen es dann", fügte Klemencic hinzu, der auch Direktor der Pankower Stiftung ist.

Die Dokumente führen den Einsatz nichtlinearer dynamischer Analysen für die Windgestaltung, begrenzte Nichtlinearität der wichtigsten wind force-resistenten Systemelemente, systembasierte Leistungskriterien und wesentliche Verbesserungen der Leistungsanforderungen an die Gebäudehülle ein.

Drei Methoden

Der Vorstandard beschreibt drei mögliche Methoden zur Implementierung von PBWD. Die Methoden unterscheiden sich in ihrer Komplexität und Strenge. Das Einfachste erfordert nur eine bescheidene Menge der ausgeklügelten nichtlinearen Response History Analyse, sagte Klemencic.

Insbesondere wird die Vornorm eine empfohlene Alternative zu den vorgeschriebenen Verfahren darstellen, die in der national verabschiedeten Norm, den Mindestbeiwerten und den dazugehörigen Kriterien für Gebäude und andere Bauwerke (ASCE/SEI 7) und dem Internationalen Baurecht enthalten sind. Die Zielgruppe für den Vorstandard sind Statiker, Architekten, Planer und Planer von Bauteilen und Verkleidungen sowie Baubeamte, die sich mit der Windgestaltung und Überprüfung von Gebäuden befassen.

Ordnungsgemäß umgesetzt, wird das Dokument zu Gebäuden führen, die in der Lage sind, die von ASCE/SEI 7 festgelegten Windperformanceziele zuverlässig zu erreichen, und in vielen Fällen zu überlegener Leistung, sagten die Autoren. "Einzelne Nutzer, die über ein Verständnis der Windenergie verfügen, können die Bestimmungen der Vornorm anpassen und modifizieren, um als Grundlage für Entwürfe zu dienen, die darauf abzielen, höhere Windperformanceziele zu erreichen als spezifisch vorgesehen", heißt es im endgültigen Entwurf.

Scott sagte, dass PBWD auch den Planern von Gebäudehüllen die Möglichkeit bietet, die Verkleidung und andere Konstruktionen von Gebäudehüllen-Systemen zu verbessern, um die Schäden, die durch windbedingte Regen- und Wasserinfiltration verursacht werden, erheblich zu begrenzen. Aber der Einsatz von PBWD für Gebäudehüllensysteme wird von den Herstellern von Gebäudehüllen verlangen, die Leistung ihrer Produkte zu verbessern, um die spezifizierten Kriterien zu erfüllen, sagte Scott.

Konfliktlösung

Ein weiterer Vorteil, PBWD ermöglicht die Lösung von Konflikten, die bei der Planung von Gebäuden auftreten können, die mehreren Gefahren ausgesetzt sind. Beispielsweise kann ein Konflikt entstehen, wenn sowohl PBSD-Vorschriften als auch codebasierte, vorschriftsmäßige Windvorschriften für die Gestaltung hoher Gebäude verwendet werden, sagt Scott.

Seismische Effekte werden die Gestaltung der unteren Ebenen des Gebäudes steuern, während Windeffekte die oberen Ebenen steuern. Da Windvorschriften verlangen, dass alle Elemente der Struktur unter Windlasten elastisch bleiben und in ihren vorgespannten Zustand zurückkehren - die Vorteile der PBSD-Vorschriften, die es ermöglichen, dass ausgewählte Elemente in seltenen Fällen unelastisch werden und nicht 100% zurückfedern - können möglicherweise nicht erreicht werden. Dieser Konflikt mindert die seismische Gesamtleistung des Gebäudes.

Der Einsatz von PBWD, das unelastisches Verhalten ermöglicht, wird es ermöglichen, diesen Konflikt zu lösen und Entwürfe zur Verbesserung der Gesamtleistung des Gebäudes zu ermöglichen, sagte Scott.

Weiterentwicklung

Es gibt mehrere Aspekte der PBWD, die weiterentwickelt und an Gebäudeentwürfen getestet werden müssen, bevor sie zu Standardbestimmungen der ASCE 7 werden, so Jennifer Goupil, ASCE/SEI's Senior Manager of Engineering. Das PBD-Task Committee des ASCE 7-22 Windlastunterausschusses arbeitet an der Entwicklung von Aspekten dieser Art von Designs.

Der Ausschuss untersucht 16 Gebäude, um die Anwendbarkeit der Bestimmungen der Vornorm zu ermitteln und ein allgemeines Zielsystem für Gebäude zu entwickeln, die mit PBWD entworfen wurden. Eines der Gebäude ist der 850 Fuß hohe Rainier Square Tower, der von MKA geplant und in Seattle im Bau ist.

Diese Bemühungen werden mindestens ein weiteres Jahr benötigen, um sie abzuschließen und zu bewerten, sagte Goupil. Nachdem die Forschung ausgewertet ist und der Beruf den Vorstandard verwendet, "können wir den Zeitrahmen für die Entwicklung des Standards besprechen", sagte sie.

So wie die PEER TBI-Richtlinien für die leistungsbezogene Erdbebenplanung von Hochbauten derzeit verwendet und von vielen Baubehörden akzeptiert werden, ist das Ziel der Gestalter des Vorstandards, dass der PBWD-Ansatz ähnlich mit Eigentümern und Baubehörden diskutiert wird, erklärte Goupil.

Fortgeschrittene Analytik

Die fortschrittlichen Analyse- und Designmethoden, die zur Implementierung von PBWD erforderlich sind, werden die Ingenieure herausfordern, in ihrer technischen Leistungsfähigkeit zu wachsen, wie die Autoren feststellten. Windberater werden besonders mit einer erhöhten Arbeitsbelastung konfrontiert, da PBWD Windkanaltests und die Unterstützung eines Windingenieurs für Belastungsvorgänge ähnlich wie Seismologen erfordert, die standortspezifische Bodenbewegungsaufzeichnungen für PBSD liefern.

Aber Klemencic behauptet, dass "PBWD voraussichtlich um Größenordnungen wirkungsvoller sein wird als PBSD[weil] viel mehr Gebäude im ganzen Land und auf der ganzen Welt von der Methodik profitieren werden, die zu effizienteren, zuverlässigeren und widerstandsfähigeren Designs führt"