DE202005015904U1

DE202005015904U1 - Hochhaus mit einem Tragwerk

Info

Publication number: DE202005015904U1
Application number: DE202005015904U
Authority: DE
Original assignee: Hochtief Solutions AG
Current assignee: GUENDEL, MAX, DIPL.-ING., DE; HAUKE, BERNHARD, DIPL.-ING., DE
Priority date: 2005-10-07
Filing date: 2005-10-07
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2015-10-08

Abstract

Für sehr erhebliche mechanische Beanspruchungen sowie für starke Brandeinwirkung, beispielsweise resultierend aus einem Flugzeuganprall oder aus Explosionen, ausgelegtes Hochhaus mit einem Tragwerk aus einer Außenhülle (1) und einem von der Außenhülle (1) umgebenen inneren Kern (2), wobei die Außenhülle (1) ein Fachwerk aus Verbundstützen (3) aufweist und wobei der innere Kern (2) vertikale Fluchtwege begrenzende Wände (4) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hochhaus mit einem Tragwerk aus einer Außenhülle und einen von der Außenhülle umgebenen inneren Kern. Ein solches Hochhaus weist eine Vielzahl von Stockwerken auf, die durch horizontale Decken voneinander getrennt sind.
Bei den aus der Praxis bekannten Hochhäusern der eingangs genannten Art werden vertikale Lasten normalerweise von horizontalen Komponenten, wie Decken und Unterzügen zu vertikalen Komponenten, beispielsweise zu Stützen und Wänden weitergeleitet und von diesen abgetragen. Die Wände des inneren Kerns werden üblicherweise für den vertikalen und horizontalen Lastabtrag dimensioniert. Der Brandschutz soll bei diesen bekannten Hochhäusern durch Brandschutzverkleidungen oder durch Brandschutzbeton oder durch Spritzputz sichergestellt werden. Bei normalen Belastungen haben sich diese aus der Praxis bekannten Hochhäuser bewährt. Das gilt aber nicht für extreme Belastungen wie beispielsweise starke Explosionen oder einen Flugzeuganprall. Wenn bei solchen extremen mechanischen Belastungen insbesondere einzelne vertikale Stützen des Hochhauses ausfallen, müssen horizontale Komponenten des Hochhauses sehr große Spannweiten überbrücken. Andere benachbarte vertikale Stützen müssen dementsprechend relativ hohe Zusatzlasten aufnehmen. Im Übrigen werden durch diese mechanischen Beanspruchungen die bekannten Brandschutzkomponenten oftmals stark beschädigt und verlieren ihre Wirksamkeit. Auch die Wände des inneren Kerns sind bei den bekannten Hochhäusern für extreme horizontale Belastungen, insbesondere aus aufprallenden Trümmerteilen nicht ausgelegt. Die bekannten Hochhäuser können bei den beschriebenen erheblichen mechanischen Einwirkungen, beispielsweise durch Flugzeuganprall und/oder Explosionen sowie bei Brandeinwirkungen durch Beschädigungen so weitgehend beeinträchtigt werden, dass sie im Extremfall vollständig zusammenstürzen.
Demgegenüber liegt der Erfindung das technische Problem zugrunde, ein Hochhaus der eingangs genannten Art anzugeben, das auch für sehr erhebliche mechanische Beanspruchungen sowie für starke Brandeinwirkungen ausgelegt ist und das die vorstehend beschriebenen Nachteile nicht aufweist.
Zur Lösung dieses technischen Problems lehrt die Erfindung ein Hochhaus mit einem Tragwerk aus einer Außenhülle und einem von der Außenhülle umgebenen inneren Kern, wobei die Außenhülle ein Fachwerk aus Verbundstützen aufweist und wobei der innere Kern vertikale Fluchtwege begrenzende Wände aufweist.
Tragwerk meint im Rahmen der Erfindung eine tragende Konstruktion des Hochhauses. Die Außenhülle meint insbesondere die tragende Konstruktion in der Fassadenebene sowie die Fassade des Hochhauses. Der Kern besteht aus stabilen Wänden und liegt im Inneren des Hochhauses. Die stabilen Wände begrenzen insbesondere vertikale Fluchtwege wie Treppenhäuser und Aufzüge. Die Wände des Kerns schließen vorzugsweise auch Ver- und Entsorgungseinrichtungen des Hochhauses ein, beispielsweise Lüftungssysteme oder Leitungen einer Sprinkleranlage für den Brandfall oder Elektroleitungen. – Mit dem Begriff Verbundstütze ist eine Stütze gemeint, die aus zumindest zwei unterschiedlichen Werkstoffen besteht bzw. zusammengesetzt ist. Zweckmäßigerweise sind die erfindungsgemäßen Verbundstützen in die Fassade bzw. in die Fassadenwand integriert. Das Fachwerk aus den Verbundstützen weist eine Vielzahl von Kreuzungsstellen bzw. Knotenpunkten auf.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Außenhülle ein flächiges rautenförmiges Fachwerk aufweist. Eine Vielzahl von Rauten bilden also die flächige Außenhülle des Hochhauses. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung sind dabei die von den Verbundstützen gebildeten Rauten gleichgroß bzw. in etwa gleichgroß. Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung, dass das Fachwerk aus Verbundstützen unterschiedlich große Rauten aufweisen kann.
Zweckmäßigerweise sind die Verbundstützen gerade ausgebildet. Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist zumindest ein Teil der Verbundstützen an den Kreuzungspunkten bzw. Knotenpunkten des rautenförmigen Fachwerkes miteinander verbunden. Gemäß einer Ausführungsform entspricht die Länge einer Verbundstütze der Seitenlänge einer Raute bzw. in etwa der Seitenlänge einer Raute. Vorzugsweise sind die Verbundstützen über in den Kreuzungspunkten angeordnete kreuzförmige bzw. im Wesentlichen kreuzförmige Verbindungselemente miteinander verbunden.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundstützen einen Mantel aus Metall, vorzugsweise aus Stahl und ein von dem Mantel umgebenes festes nichtmetallisches Kernmaterial aufweisen, das bevorzugt aus Beton besteht. Eine Verbundstütze bzw. ihr Metallmantel hat vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt. Dann handelt es sich bei den Verbundstützen also vorzugsweise um ausbetonierte Rundrohre. Der Durchmesser der Verbundstützen beträgt zweckmäßigerweise 0,3 bis 3,0 m, vorzugsweise 1 bis 2 m und bevorzugt 1,3 bis 1,7 m. Der Mantel der erfindungsgemäßen Verbundstützen bildet ein Hohlprofil, das einerseits als Schalung für den Beton dient und andererseits einen Schutzmantel für den Beton gegenüber mechanischen Einwirkungen, wie Explosionen, Anprall, Trümmern und dergleichen darstellt. Der in dem Mantel befindliche Beton dient insbesondere dem Brandschutz und gewährleistet ebenfalls einen effektiven Widerstand gegen mechanische Kräfte, insbesondere gegenüber Druckkräften.
Nach besonders bevorzugter Ausführungsform der Erfindung weisen die Verbundstützen jeweils zumindest ein Bewehrungsprofil auf, das sich längs der Verbundstütze durch das Kernmaterial erstreckt. Dieses Bewehrungsprofil bzw. lineare Bewehrungsprofil wird also ebenfalls von dem Mantel aus Metall bzw. von dem Stahlmantel umgeben. Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass das Bewehrungsprofil aus Metall, vorzugsweise aus Stahl besteht. Das Bewehrungsprofil hat zweckmäßigerweise einen kreuzförmigen Querschnitt und die sich kreuzenden Profilteile erstrecken sich vorzugsweise über zumindest den größten Teil des Durchmessers der Verbundstützen. Das Bewehrungsprofil einer Verbundstütze dient zur Aufnahme von Druck- und Zugkräften bei mechanischen Beanspruchungen der Verbundstützen. Es liegt im Übrigen im Rahmen der Erfindung, dass der Metallmantel bzw. der Stahlmantel einer Verbundstütze vollständig bzw. im Wesentlichen vollständig mit dem Kernmaterial einerseits und dem Bewehrungsprofil andererseits ausgefüllt ist.
Der innere Kern ist der normalerweise mittig innenliegende zentrale Kern des Hochhauses. Die Wände des inneren Kerns sind in jedem Stockwerk bzw. quasi in jedem Stockwerk des Hochhauses vorhanden. Sie erstrecken sich vertikal durch das gesamte Hochhaus. Die Wände des inneren Kerns bestehen zweckmäßigerweise aus Stahlbeton. Diese Wände des inneren Kerns begrenzen insbesondere die vertikalen Fluchtwege bzw. die Aufzüge des Hochhauses. In diesen Wänden sind deshalb zweckmäßigerweise in jedem Stockwerk Zugänge zu den Fluchtwegen vorhanden. Der innere Kern weist vorzugsweise massive Wände auf, die bevorzugt eine Dicke von 30 bis 150 cm, sehr bevorzugt eine Dicke von 60 bis 80 cm aufweisen.
Eine Ausführungsform, der im Rahmen der Erfindung ganz besondere Bedeutung zukommt, ist dadurch gekennzeichnet, dass an das Fachwerk der Außenhülle Verbundstützen angeschlossen sind, die sich in das Innere des Hochhauses erstrecken. Bei dieser Ausführungsform setzt sich das Fachwerk der Außenhülle gleichsam als dreidimensionales Fachwerk im Hochhausinneren fort. Dieses dreidimensionale Fachwerk aus Verbundstützen umgibt vorzugsweise den inneren Kern und ist sehr bevorzugt am inneren Kern abgestützt.
Nach besonders bevorzugter Ausführungsform der Erfindung sind die das dreidimensionale Fachwerk im Hochhausinneren bildenden Verbundstützen zumindest bereichsweise tetraederbildend miteinander verbunden. Mit anderen Worten bilden die Verbundstützen im Hochhausinneren eine Tetraederstruktur aus einer Mehrzahl bzw. Vielzahl von Tetraedern. Dabei können auch Verbundstützen der Außenhülle Bestandteile der Tetraeder sein. Zweckmäßigerweise stützen sich die zur Tetraederstruktur kombinierten Verbundstützen am inneren Kern ab. Vorzugsweise umgibt die Tetraederstruktur den inneren Kern des Hochhauses vollständig.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die die Stockwerke trennenden Decken in bestimmten Abständen als verstärkte Decken mit Verstärkungskomponenten ausgebildet sind. Mit anderen Worten ist ein Teil der Decken des Hochhauses in üblicher Weise als Normaldecken ausgebildet und ein kleinerer Teil der Decken sind verstärkte Decken mit Verstärkungskomponenten. Dass die Decken in bestimmten Abständen als verstärkte Decken ausgebildet sind, meint, dass beispielsweise jede vierte oder fünfte oder sechste Decke als verstärkte Decke ausgebildet ist. Eine verstärkte Decke ist dabei im Vergleich zu den normalen Decken für höhere Lasten bzw. Trümmerlasten ausgelegt. Die verstärkten Decken sind beispielsweise als Verbunddecken ausgebildet. Außerdem weisen die verstärkten Decken vorzugsweise eine höhere Brandschutzeffektivität auf. Dadurch, dass die Decken erfindungsgemäß in diskreten Abständen (beispielsweise jede fünfte Decke) für eine höhere Lastaufnahme und für einen höheren Brandschutz ausgelegt sind, kann ein Ausbreiten eines Feuers, beispielsweise nach einem Flugzeuganprall und ein sich fortsetzendes Zusammenstürzen von Hochhausteilen effektiv vermieden werden.
Nach besonders bevorzugter Ausführungsform der Erfindung weisen die verstärkten Decken Deckenträger aus Stahl mit einer Füllung aus Beton bzw. Kam merbeton auf. Auf diese Weise kann ein besonders explosionssicherer Brandschutz erreicht werden. Die solchermaßen ausgestalteten Decken weisen eine hohe Feuerwiderstandsdauer auf. – Es liegt im Übrigen im Rahmen der Erfindung, dass die Decken des erfindungsgemäßen Hochhauses an ihren Rändern nach oben hervorstehende Randschwellen aufweisen. Dadurch bildet die Decke gleichsam eine Wanne bzw. Betonwanne, in der sich ausbreitendes Kerosin im Falle eines Flugzeuganpralls kontrolliert aufgefangen werden kann. Hierdurch wird vermieden, dass dieses Kerosin beispielsweise in die vertikalen Fluchtwege des inneren Kerns gelangen kann.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das erfindungsgemäße Tragwerk des Hochhauses funktionssicher auch extreme mechanische Belastungen, die insbesondere aus Explosionen oder aus einem Flugzeuganprall resultieren, aufnehmen kann. Das Tragwerk weist eine hohe Stabilität bzw. Festigkeit auf und zeichnet sich insbesondere durch eine hohe Redundanz aus. Wenn beispielsweise einzelne Verbundstützen bei einem Flugzeuganprall beschädigt werden bzw. ausfallen, kann ein effektiver Lastabtrag über alternative Lastpfade erfolgen. Mit anderen Worten wird mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Hochhauses erreicht, dass beispielsweise bei einem Flugzeuganprall lediglich lokale Beschädigungen auftreten und vor allem kein progressiver Kollaps des gesamten Gebäudes auftritt. Im Ergebnis resultiert aus der erfindungsgemäßen Ausbildung eine einsturzsichere druckabfedernde Außenhülle bzw. Fassadenkonstruktion als auch ein standfester stabiler innerer Kern. Wesentlich ist weiterhin, dass mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen sowohl eine hohe mechanische Widerstandsfähigkeit erzielt werden kann als auch ein sehr wirksamer Brandschutz. Der erreichte Brandschutz wirkt sich auch dahingehend aus, dass auftretendes Feuer sich nicht unkontrolliert im Gebäude ausbreiten kann sondern auf einzelne Gebäudebereiche lokalisiert bleibt. Erfindungsgemäß wird erreicht, dass sowohl bei erheblichen mechanischen Beanspruchungen als auch bei einer Brandbeanspruchung nur einzelne Teile des Hochhauses be schädigt werden und die gesamte Struktur bzw. das Tragwerk insgesamt erhalten bleibt. Erhebliche mechanische Beanspruchungen meint dabei insbesondere einen Flugzeuganprall oder Explosionen außerhalb oder innerhalb des Hochhauses.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Hochhauses,
2 den Gegenstand gemäß 1 ausschnittsweise im Detail,
3 einen vergrößerten Ausschnitt aus 2,
4 eine perspektivische Ansicht einer Verbundstütze,
5 eine perspektivische Ansicht eines Teils des erfindungsgemäßen Hochhauses und
6 eine perspektivische Ansicht einer verstärkten Decke des Hochhauses.
Die Figuren zeigen ein erfindungsgemäßes Hochhaus mit einem Tragwerk aus einer Außenhülle 1 und einem von der Außenhülle 1 umgebenen inneren Kern 2. Die Außenhülle 1 befindet sich im Bereich der Fassade des Hochhauses und diese Außenhülle 1 weist ein Fachwerk aus Verbundstützen 3 auf. Der innere Kern 2 ist im Ausführungsbeispiel im Querschnitt rechteckförmig aufgebaut und besteht aus stabilen Wänden 4, die nicht näher dargestellte Fluchtwege, wie Treppenhäuser und Aufzüge, begrenzen bzw. schützen. Außerdem sind innerhalb des inneren Kerns 2 vorzugsweise Ver- und Entsorgungseinrichtungen des Hochhauses untergebracht, wie Elektroanlagen, Wasseranlagen, Sprinkleranlagen und Lüftungssysteme. Die Dicke der Wände 4 des inneren Kerns 2 beträgt vorzugsweise 60 bis 80 cm. Die Wände 4 des Kerns 2 können insbesondere Lasten aus Trümmern bzw. Flugzeugtrümmern aufnehmen und ein Eindringen von Kerosin in den Kern 2 verhindern.
In den Figuren ist erkennbar, dass die Außenhülle 1 ein rautenförmiges flächiges Fachwerk aus den Verbundstützen 3 aufweist. Eine Vielzahl von Rauten bildet also die Außenhülle 1 des Hochhauses. Die Verbundstützen 3 sind an den Kreuzungspunkten bzw. Knotenpunkten der Rauten miteinander verbunden (3). Dazu sind kreuzförmige Verbindungselemente 5 vorhanden. Zweckmäßigerweise haben die linearen Verbundstützen eine Länge, die in etwa der Seitenlänge der Rauten entspricht. In den Figuren ist weiterhin erkennbar, dass die spitzen Winkel der Rauten vorzugsweise in vertikaler Richtung bzw. nach oben und unten orientiert sind.
Die Verbundstützen 3 weisen einen Mantel 6 aus Stahl auf, der einen Betonkern 7 umgibt. Außerdem erstreckt sich durch eine Verbundstütze 3 ein im Querschnitt kreuzförmiges Bewehrungsprofil 8 aus Stahl. Dieser Aufbau der Verbundstützen 3 hat sich besonders bewährt. Der Durchmesser der Verbundstützen 3 beträgt im Ausführungsbeispiel 1,5 m.
Nach besonders bevorzugter Ausführungsform der Erfindung sind an das Fachwerk der Außenhülle 1 weitere Verbundstützen 3 angeschlossen, die sich in das Innere des Hochhauses erstrecken. Das ist in der 5 erkennbar. Die das dreidimensionale Fachwerk im Hochhausinneren bildenden Verbundstützen 3 sind hier tetraederbildend miteinander verbunden. Mit anderen Worten bilden diese Verbundstützen 3 eine Tetraederstruktur aus. Die in das Innere des Hochhauses ragenden Verbundstützen 3 sind zweckmäßigerweise mit dem inneren Kern 2 verbunden.
Wenn beispielsweise ein Flugzeug abstürzt und auf das rautenförmige Fachwerk der Außenhülle 1 trifft, können die Verbundstützen 3 dieser Außenhülle 1 die Stoßlast aus dem Flugzeugabsturz teilweise aufnehmen. Soweit die Stoßlast nicht aufgenommen werden kann, kommt es zu einem Versagen einzelner Verbundstützen 3. Trotz dieses Versagens einzelner Verbundstützen 3 ist das erfindungsgemäße Tragsystem nichtsdestoweniger in der Lage den Lastabtrag und die Standsicherheit des gesamten Hochhauses zu gewährleisten. Im Übrigen sind die Wände 4 des inneren Kerns 2 so dimensioniert, dass bei einem solchen Flugzeuganprall eventuell bis zum Kern 2 gelangende Flugzeugtrümmer keine nennenswerten Schäden anrichten. Diese Wände 4 bestehen aus Stahlbeton und haben bevorzugt eine Dicke von 50 bis 90 cm, sehr bevorzugt von 60 bis 80 cm. Die Wände 4 des inneren Kerns 2 verhindern außerdem das Eindringen von Kerosin in das Innere des Kerns 2.
Nach besonders bevorzugter Ausführungsform und im Ausführungsbeispiel sind die die Stockwerke trennenden Decken 9 in bestimmten Abständen als verstärkte Decken 10 ausgebildet. Im Ausführungsbeispiel (siehe insbesondere 5) ist jede fünfte Decke als verstärkte Decke 10 ausgebildet. Bei einem Flugzeuganprall fallen Trümmerstücke auf die darunter liegenden Decken 9. Die normal ausgelegten Decken 9 werden teilweise zerstört, während die darunter liegende verstärkte Decke 10 für die Trümmerbelastungen ausgelegt wird und dieser Belastung standhält, so dass ein progressiver Kollaps des Gebäudes verhindert werden kann. Vorzugsweise und im Ausführungsbeispiel (6) weisen die verstärkten Decken 10 Deckenträger 11 auf, die sowohl aus Stahl als auch aus Beton bestehen. Auf diese Weise wird die verstärkte Decke 10 einerseits gegenüber mechanischen Beanspruchungen durch Trümmer gesichert und andererseits wird ein effektiver Brandschutz sichergestellt, so dass ein Ausbreiten eines Feuers vermieden werden kann. Im Übrigen weisen die verstärkten Decken 10 und eventuell auch die normalen Decken 9 eine nach oben herausragende Randschwelle 12 auf, so dass gleichsam eine Wanne bzw. Betonwanne ausgebildet wird, in der bei einem Flugzeuganprall austretendes Kerosin kontrolliert aufgefangen werden kann.
Hervorzuheben ist noch, dass nach besonders bevorzugter Ausführungsform der Erfindung Rautenecken 13 im Bereich der verstärkten Decken 10 angeordnet sind. Auf diese Weise ergibt sich ein besonders stabiles bzw. festes Tragwerk.

Claims

Für sehr erhebliche mechanische Beanspruchungen sowie für starke Brandeinwirkung, beispielsweise resultierend aus einem Flugzeuganprall oder aus Explosionen, ausgelegtes Hochhaus mit einem Tragwerk aus einer Außenhülle (1) und einem von der Außenhülle (1) umgebenen inneren Kern (2), wobei die Außenhülle (1) ein Fachwerk aus Verbundstützen (3) aufweist und wobei der innere Kern (2) vertikale Fluchtwege begrenzende Wände (4) aufweist.
Hochhaus nach Anspruch 1, wobei die Außenhülle (1) ein rautenförmiges flächiges Fachwerk aufweist.
Hochhaus nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei zumindest ein Teil der Verbundstützen (3) an den Kreuzungspunkten des Fachwerkes miteinander verbunden sind.
Hochhaus nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Verbundstützen (3) einen Mantel (6) aus Metall, vorzugsweise aus Stahl und ein von dem Mantel (6) umgebenes festes nichtmetallisches Kernmaterial aufweisen, das bevorzugt aus Beton besteht.
Hochhaus nach Anspruch 4, wobei die Verbundstützen (3) jeweils zumindest ein Bewehrungsprofil (8) aufweisen, das sich längs der Verbundstütze (3) durch das Kernmaterial erstreckt.
Hochhaus nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei an das Fachwerk der Außenhülle (1) Verbundstützen (3) angeschlossen sind, die sich in das Innere des Hochhauses erstrecken.
Hochhaus nach Anspruch 6, wobei die das Fachwerk im Hochhausinneren bildenden Verbundstützen (3) zumindest bereichsweise tetraederbildend miteinander verbunden sind.
Hochhaus nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die die Stockwerke trennenden Decken (9) in bestimmten Abständen als verstärkte Decken (10) mit Verstärkungskomponenten ausgebildet sind.
Hochhaus nach Anspruch 8, wobei die verstärkten Decken (10) Deckenträger (11) aus Stahl mit einer Füllung aus Beton als Verstärkungskomponenten aufweisen.