In unserem letzten Blog haben wir vorgestellt, wie man mithilfe von SAP2000® die Auslegung von RINGFEDER® Reibungsfedern durchführt, um damit eine Gebäudestruktur effizient gegen Erdbeben zu schützen. Ein Praxisbeispiel aus Griechenland zeigt die Vorteile gegenüber der konventionellen Lösung.
Der Flughafen Athen-Eleftherios Venizelos ist der internationale Verkehrsflughafen der griechischen Hauptstadt Athen, welcher im Jahr 2001 eröffnet wurde. Als größter Flughafen des Landes erreichte er 2023 ein Passagiervolumen von 28,2 Millionen Fluggästen. Das Dach der Abflughalle spannt 60 m und ist aufwendig für etwaig auftretende Erdbeben ausgelegt. Die hohen horizontalen Erdbebenlasten werden mit komplexen Reiblagern in Kombination mit viskosen Dämpfungselementen abgetragen. Im Rahmen einer Fallstudie durch die Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau wurde der alternative Einsatz von Zug-Druck Einrichtungen mit RINGFEDER® Reibungsfedern anstelle der komplizierten Lagerung untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass der alternative Ansatz mit Reibungsfedern die Erdbebenlasten in der gleichen Größenordnung reduziert, jedoch erhebliche Vorteile in Bezug auf Wartungen und Rückzentrierung nach einem Erdbebenereignis bietet. Das Gebäude muss hohen Bodenbeschleunigungen von 0,16 g standhalten. Problematisch ist dabei das 60 m x 60 m lang gespannte Stahlfachwerkdach in der Abflughalle. Durch die hohen Beschleunigungen entstehen horizontale Lasten, die in die umliegenden Strukturen abgetragen werden müssen.
Das Dach wird auf vier verschiedenen Stahlbetontragwerken abgestützt, die sich bei einem Erdbeben ebenfalls unterschiedlich bewegen. Eine steife Verbindung zwischen dem Stahlfachwerkdach und den Betonstrukturen würde zu großen Kräften führen.
Daher wurden Reiblager und zusätzlich viskose Dämpfungselemente gewählt, mit denen die sichere Bemessung gelang. Zeitnah nach dem Einbau der Dämpfer im Jahr 1999 ereignete sich ein Erdbeben, wobei es in Teilen von Athen zu umfangreichen Schäden an Gebäuden gekommen ist. Der Athener Flughafen blieb dabei unbeschädigt.
An der RPTU im Fachgebiet Statik und Dynamik der Tragwerke wurde das Stahlfachwerk im Hinblick auf den Einsatz von Zug-Druck Einrichtungen mit Reibungsfedern untersucht. Mit nichtlinearen Zeitverlaufsberechnungen an einem FE-Modell wurde die Wirkungsweise der Reibungsfedern modelliert und analysiert, danach die Ergebnisse, mit denen der hydraulischen Dämpfer und einer Stahlstruktur ohne zusätzliche Dämpfer verglichen. Das numerische Modell bestätigt, dass wenn keine Dämpfer eingesetzt werden, sehr hohe Erdbebenlasten entstehen, welche ohne zusätzliche Verstärkungen nicht abgetragen werden können.
Abbildung 2: Berechnungsmodell Abflughalle Athener Flughafen SAP2000®
Die Zeitverlaufsberechnungen zeigen, dass an den äußeren Auflagern Kräfte von 322 kN entstehen würden. Wird das System hingegen mit hydraulischen Dämpfern oder Zug-Druck Einrichtungen ausgestattet, werden die Schnittgrößen so weit reduziert, dass keine Schäden zu erwarten sind. Die äußeren Auflagerkräfte werden durch die Zug-Druck Einrichtung auf 81 kN reduziert.
Abbildung 3: Eingesetzte Hydraulikdämpfer
Für die Berechnung wurden RINGFEDER® Reibungsfedern mit einer maximalen Kraft von 83 kN und 30 Elementen verwendet. Mit der angesetzten Vorspannung von 30 % ergibt sich ein verfügbarer Federweg von 37,8 mm, welcher zu 94 % ausgenutzt wird. Durch den Einsatz von Zug-Druck Einrichtungen wird der dämpfende Effekt vollständig wirksam. Die Auslegung der Reibungsfeder erfolgt mithilfe zweier Kriterien. Die Lasten, die durch die Reibungsfeder an den entsprechenden Knoten in die Stahlstruktur bzw. Auflagern eingeleitet werden und den zulässigen Verformungen. Beide Werte werden durch die Steifigkeit und Größe der Reibungsfeder flexibel gesteuert und sind vollumfänglich auf die Anforderungen des Gebäudes anpassbar.
Im numerischen Vergleich zwischen herkömmlichen hydraulischen Dämpfern und den Zug-Druck Einrichtungen mit Reibungsfedern zeigt sich, dass generell beide Systeme geeignet sind, um die Tragfähigkeit des Athener Flughafens für eine Erdbebenbelastung herzustellen. Bei den Zug-Druck Einrichtungen sind jedoch einige konstruktive Vorteile zu nennen. Sie sind wartungsfrei, es kann kein umweltschädliches Öl austreten und sie bieten eine automatische Rückzentrierung nach einem Erdbebenereignis, sodass bleibende Verformungen und somit teure Schäden ausgeschlossen werden. Sie verhalten sich günstig im Brandfall und sind äußerst robust. Selbst wenn ein Ring in einer Reibungsfederbaugruppe bricht, bleibt die Lastübertragung bei minimal geringerem Federweg erhalten. Zug-Druck Einrichtungen oder Dämpfer mit RINGFEDER® Reibungsfedern stellen somit eine sehr geeignete Lösung für die Erdbebenauslegung dar.