Schwingungsüberwachung ermöglicht Verzicht auf Schwingungstilger im Wiener DC Tower 2

Während des Baus des DC Towers 2 in Wien standen die Ingenieure vor einer entscheidenden Frage: Muss das Hochhaus zur Begrenzung windinduzierter Schwingungen mit einem kostenintensiven Schwingungstilger ausgestattet werden? Durch den Einsatz von Echtzeit-Schwingungsüberwachung und einem Digital-Twin-Modell in Kombination mit MEMS-Sensoren von Dewesoft erfasste REVOTEC zt gmbh in Zusammenarbeit mit PORR Bau GmbH kontinuierlich strukturelle Messdaten, um die Steifigkeit und die Eigenfrequenzen des Bauwerks zu prognostizieren. Das Ergebnis waren präzise Erkenntnisse, die es letztlich ermöglichten, auf einen Schwingungstilger zu verzichten, wodurch mehrere Geschosse für andere Nutzungen zur Verfügung standen und Kosten in Millionenhöhe eingespart wurden.

Einleitung

Im Hochbau werden Schwingungstilger in hohen Gebäuden, Brücken und ähnlichen Bauwerken eingesetzt, um strukturelle Schwingungen zu reduzieren. Sie bestehen aus einer großen Masse, die über ein Feder-Dämpfer-System mit der tragenden Struktur verbunden ist. 

Der Tilger wird gezielt auf die Resonanzfrequenz des Bauwerks abgestimmt, sodass er gegenphasig zu dessen Bewegung schwingt. Dadurch nimmt er Schwingungsenergie auf und dissipiert sie, was Querbewegungen – beispielsweise infolge von Wind oder Erdbeben – wirksam mindert. Solche Systeme sind jedoch mit erheblichen Kosten verbunden.

In der österreichischen Hauptstadt Wien entstand im Stadtteil Donau City ein vom französischen Architekten Dominique Perrault entworfenes Hochhausensemble aus drei Gebäuden – die DC Towers (Donau City Towers). Das mit 220 m (250 m inklusive Antenne) höchste der Gebäude, der DC Tower 1, wurde 2013 fertiggestellt, der 110 m hohe DC Tower 3 folgte 2022, und der DC Tower 2 befindet sich derzeit in der Endphase der Fertigstellung.

Projektpartner

Während der Bauphase des DC Towers 2 wollte das österreichische Bauunternehmen PORR Bau GmbH möglichst frühzeitig klären, ob ein Schwingungstilger notwendig wäre, um die Sicherheit des Gebäudes und den Nutzerkomfort zu gewährleisten.  Diese Entscheidung war von großer Bedeutung, da die Integration eines solchen Tilgers erhebliche Kosten verursacht und mehrere Geschosse in Anspruch nimmt, die andernfalls als Wohn- oder Nutzflächen zur Verfügung stünden. 

Die PORR Bau GmbH ist in Österreich und Mitteleuropa in den Bereichen öffentliche Dienstleistungen, Hoch- und Tiefbau, Industrie- und Ingenieurbau, Rohstoffgewinnung, Spezialtiefbau, Tunnelbau, Umwelttechnik sowie Verkehrswegebau tätig.

In Zusammenarbeit mit der Abteilung „Technologiemanagement und Innovation“ der PORR Bau GmbH implementierten die Bauunternehmen REVOTEC zt gmbh und ghp gmeiner haferl&partner zt gmbh eine Echtzeitüberwachung und ein parallel zum Baufortschritt laufend aktualisiertes Digital-Twin-Modell für die Schwingungsanalyse des DC Towers 2, um unter Einsatz von Dewesoft-Technik datenbasierte Entscheidungen zu ermöglichen.

Der DC Tower 2 ist etwa 175 Meter hoch und umfasst 53 oberirdische Geschosse sowie sechs Untergeschosse. Bei einem Grundriss mit etwa 59 m Länge und 26 m Breite ergibt sich eine Bruttogeschossfläche von insgesamt rund 62.800 m², die Raum für Büroflächen, Restaurants, Geschäfte sowie 314 Wohnungen und 216 Pkw-Stellplätze bietet. 

Die vom Spezialtiefbauteam der PORR Bau GmbH ausgeführten Baumaßnahmen umfassten unter anderem Aushubarbeiten bis in eine Tiefe von 22,7 m unter Einsatz fortschrittlicher Verfahren wie Schlitzwänden und Injektionsankern. Der DC Tower 2 ist als fugenlose Stahlbetonkonstruktion ausgeführt und verfügt über einen aussteifenden Kern und zwei Querschubwände zur Aufnahme der horizontalen Lasten. Die Fertigstellung des Gebäudes ist für den Herbst 2026 vorgesehen.

Problemstellung

Aufgrund ihrer Bauart sind Hochhäuser Umwelteinflüssen wie Wind oder Erdbeben besonders stark ausgesetzt. Schwingungen müssen daher unter bestimmten Grenzwerten gehalten werden – erstens, um die Integrität der Struktur sicherzustellen, und zweitens, um den Komfort der Bewohner zu gewährleisten. Personen, die nachts in ihren Wohnungen schlafen, sind in der Regel empfindlicher gegenüber Schwingungen als solche, die tagsüber in einem Büro arbeiten. 

Um Windeinflüsse zu kompensieren, ist im oberen Bereich des benachbarten Gebäudes (DC Tower 1) ein 350 Tonnen schwerer Schwingungstilger in Form eines Pendels installiert, an dessen Planung Martin Haferl, Tragwerksplaner bei ghp gmeiner haferl&partner zt gmbh, beteiligt war. Bei Bauwerksbewegungen schwingt dieses Pendel gegenphasig zur Struktur. Dabei dissipieren die eingesetzten Dämpfungselemente die kinetische Energie des Pendels und verringern so die Oszillationen des Turms.

Die Frage war, ob der DC Tower 2 ebenfalls einen solchen Tilger benötigt und wie sich dies möglichst frühzeitig – noch während der Bauphase des Hochhauses – feststellen ließ. Diese Entscheidung war von großer Bedeutung, da die Integration eines Schwingungstilgers mit erheblichen Kosten verbunden ist und mehrere Geschosse beansprucht, die andernfalls als Wohn- oder Nutzflächen zur Verfügung stünden.

Strategie und Herausforderungen

Da der Teil von Wien, in dem sich das Hochhausensemble befindet, für starke Winde bekannt ist, wurden die dynamischen, windinduzierten Schwingungen bereits untersucht und dokumentiert. Der Komfortgrenzwert – d. h. die maximale horizontale Beschleunigung an der Turmspitze – liegt bei 1,5 % g für Windlasten mit einer Wiederkehrperiode von zehn Jahren. Windkanalversuche und Simulationen des DC Towers 2 zeigten einen leicht höheren Wert von 1,59 % g, weshalb in der Entwurfsphase ein passiver Schwingungstilger für erforderlich gehalten wurde. Frühere Studien hatten jedoch auch eine Abweichung zwischen den Entwurfsannahmen und den tatsächlich ermittelten modalen Parametern gezeigt, die die realen Schwingungseigenschaften des Turms charakterisieren.

Die dringende Notwendigkeit, über die Installation eines passiven Schwingungstilgers zu entscheiden, veranlasste die PORR Bau GmbH und die REVOTEC zt gmbh, einen Rahmen zu entwickeln, der die Echtzeitüberwachung mit einem 3D-Digital-Twin-Modell des Turms koppelte, um die tatsächlichen Eigenfrequenzen und Dämpfungsverhältnisse während der Bauphase in Echtzeit zu erfassen.

Die Schwingungsmessungen begannen, als das Gebäude ein Viertel seiner Endhöhe erreicht hatte. Danach erweiterten die Ingenieure die Messkette schrittweise und passten das 3D-Digital-Twin-Modell kontinuierlich an, während das Gebäude wuchs.

Permanentes Schwingungsüberwachungssystem

Die Ingenieure installierten das permanente Schwingungsüberwachungssystem während der Bauphase des DC Towers 2. Es umfasste einen Schaltschrank, eine Wetterstation und Beschleunigungssensoren. Es ist allgemein bekannt, dass Schubwände und Kernwände in Hochhäusern einen größeren Anteil der horizontalen Lasten aufnehmen als Stützen. Entsprechend berücksichtigte das Messlayout zur Bewertung der modalen Parameter und der windinduzierten Schwingungen des DC Towers 2 ausschließlich den Umfang des aussteifenden Kerns.

Die in der Entwurfsphase abgeschätzten Eigenfrequenzen des Turms und die zugehörigen Schwingungsmoden dienten als Grundlage für die Auslegung der Messkonfiguration, wobei in Höhenabständen von jeweils einem Viertel der Endhöhe des Turms je drei Beschleunigungssensoren auf einem Geschoss installiert wurden. Die Anordnung sollte nicht nur die translatorischen Schwingungsmoden – also die Biegemoden – in der schwachen X- und starken Y-Richtung des Turms erfassen, sondern auch dessen Torsionsmode und die gekoppelten translatorisch-torsionalen Moden. 

Obwohl ein einzelner Beschleunigungssensor die Eigenfrequenzen des Turms erfassen konnte, war eine eindeutige Zuordnung zu den Eigenschwingungsformen des Bauwerks nur durch die Installation von drei Beschleunigungssensoren pro Messniveau möglich.

Deshalb installierten die Ingenieure je drei Sensoren in Höhenabständen von einem Viertel der Endhöhe des Turms und nutzten die Echtzeitüberwachungsdaten zur Erstellung eines Digital-Twin-Modells, das die Schwingungsmoden in 3D abbildet. Konkret wurden hierfür das 16. Geschoss bei 49,6 m, das 28. Geschoss bei 88,0 m, das 41. Geschoss bei 129,6 m sowie das 53. Geschoss bei 166,3 m gewählt. Insgesamt kamen im Endzustand somit 12 Beschleunigungssensoren (S1–S12) zum Einsatz.

Auf dem Baustellenkran K2 installierten die Ingenieure zusätzlich eine Wetterstation zur Echtzeitüberwachung der Umwelteinwirkungen, wie z. B. der dynamischen Windlasten, auf die modalen Parameter und die erzwungenen Schwingungen des DC Towers 2. Der Kran K2 wurde aufgrund seiner Nähe zur Donau ausgewählt. Die Wetterstation erfasste die Windgeschwindigkeit und -richtung in Echtzeit. 

Durch die Kombination der Winddaten aus der Wetterstation mit den windinduzierten Schwingungsdaten der Beschleunigungssensoren am DC Tower 2 konnten die Ingenieure erzwungene Schwingungen genau bewerten und die Schwingungsamplituden spezifischen Windlasten zuordnen. Ein elektrischer Schaltschrank steuerte und überwachte das Messsystem und gewährleistete die zuverlässige Aufzeichnung, Verarbeitung und Übertragung der erfassten Daten.

Komponentenliste

• 12 x IOLITEi-3xMEMS-ACC-INC – je drei MEMS-Sensoren in vier verschiedenen Geschossen zur Schwingungsmessung

• 2 x IOLITE-POWER-INJECTOR

• Lufft WS700-UMB Intelligente Wettersensorik

• DewesoftX – Datenerfassungs- und Signalverarbeitungssoftware

• SerialCOM-Plugin von Dewesoft – Software-Kommunikations-Plugin

• Standard-Ethernet-Kabel

• Software ARTeMIS OMA von Structural Vibration Solutions

Sensoren und Abtastrate der Datenerfassung

Die Schwingungsbeschleunigungen des Turms wurden mit zwölf triaxialen MEMS-Beschleunigungssensoren des Typs Dewesoft IOLITEi-3xMEMS-ACC-INC erfasst, die zur Vermeidung von Beschädigungen fest am mechanischen Chassis montiert waren. Da die Analog-Digital-Wandlung innerhalb der MEMS-Sensoren erfolgt, werden Störeinflüsse durch die analoge Verkabelung vermieden. Zusätzlich ermöglicht eine -INC-Option den Einsatz der Sensoren als Neigungsmesser zur Erfassung der statischen Roll- und Nickwinkel des Gebäudes um seine X- und Y-Achsen. Hierfür ist eine integrierte Temperatur-Offset-Driftkompensation vorhanden.

Die Sensoren verfügen über eine hohe Bandbreite von 0–1 kHz und eignen sich damit zur Messung niederfrequenter Schwingungen unter 1 Hz, wie sie für den DC Tower 2 entsprechend den statischen Entwurfsannahmen zu erwarten waren. In der vorliegenden Anwendung wurden Schwingungsbeschleunigungen in X- und Y-Richtung mit einem Messbereich von ±2 g und einer Abtastrate von 100 Hz aufgezeichnet.

Zur Erfassung von Windgeschwindigkeit und Windrichtung wurde das Sensormodell Lufft WS700-UBM verwendet. Dieser All-in-One-Wettersensor erfasst zusätzlich auch die Lufttemperatur, die relative Luftfeuchte, den Luftdruck, den Niederschlag sowie die Sonneneinstrahlung. Der Messbereich der Windrichtung reicht von 0° bis 359,9°. In der vorliegenden Anwendung war der Sensor nach Norden ausgerichtet, sodass 0° dem Norden, 90° dem Osten, 180° dem Süden und 270° dem Westen entsprachen.

Windgeschwindigkeit und Windrichtung wurden mit einer Abtastrate von 1 Hz aufgezeichnet. Die Wetterstation stellte die Daten über eine serielle COM-Schnittstelle unter Verwendung des SerialCOM-Plugins der DewesoftX-Software von Dewesoft bereit. Diese Wetterdaten wurden synchron mit den Schwingungsdaten erfasst.

Störungen – schweres Hochwasser und Kurzschluss

Während der Messkampagne wurde Europa zwischen dem 14. und 21.09.2024 von außergewöhnlich starken Niederschlägen getroffen. Dabei kam es zunächst in Österreich und der Tschechischen Republik zu Überschwemmungen, die sich dann nach Polen, Rumänien und in die Slowakei ausbreiteten und schließlich Deutschland und Ungarn erreichten. Insbesondere für Niederösterreich, nahe Wien, stuften Meteorologen das Hochwasser als ein 30- bis 100-Jahres-Ereignis ein.

Zu diesem Zeitpunkt hatten die Bauarbeiten am DC Tower 2 etwa ein Viertel der Endhöhe erreicht. Die Windgeschwindigkeit und -richtung wurden von der installierten Wetterstation ab Beginn der Errichtung des Turms aufgezeichnet (grüner Punkt in Abb. 7). Am 15. September 2024, als das Hochwasser Wien erreichte, wurde eine maximale Windgeschwindigkeit von ca. 60 km/h gemessen (roter Punkt).

Der erste Sensor (S1, hellblauer Punkt) zur Erfassung der Umgebungs- und erzwungenen Schwingungsantworten des Gebäudes wurde in einer Höhe von einem Viertel der Endhöhe des Turms installiert. Die aufgezeichneten Daten entsprechen den Beschleunigungen in X- und Y-Richtung im Zeitbereich. Abb. 8 zeigt die von Sensor S1 während eines zehnminütigen Zeitraums in der Nacht des schweren Hochwassers in Wien aufgezeichnete Beschleunigungswerte. 

Während der Bauphase erhielten die Ingenieure alle zehn Minuten ähnliche Diagramme für die jeweils bereits installierten Sensoren. Die Sensoren S2 und S3 (gelber Punkt) wurden unmittelbar nach dem Hochwasserereignis installiert, die restlichen Sensoren S4–S12 (in Abb. 7 durch blaue, violette und orange Punkte dargestellt) folgten entsprechend dem weiteren Baufortschritt. 

Aufgrund eines Kurzschlusses im Messsystem infolge des schweren Hochwassers fielen der Sensor S1 und die Wetterstation vorübergehend aus, das System wurde jedoch wenige Tage später wieder in Betrieb genommen (gelber Punkt in Abb. 7).

Messergebnisse - Bauphase

Die permanent aufgezeichneten Beschleunigungen des Turms in X- und Y-Richtung waren auf der REVOTEC-Plattform verfügbar und wurden mit der firmeneigenen Software Revo-Visual ausgewertet. Diese Software ermittelt die komplexen Beträge der Spektren der schnellen Fourier-Transformation (FFT). 

Anhand dieser Spektren konnten die Eigenfrequenzen des DC Towers 2 während der gesamten Bauphase identifiziert werden. Die Spitzen im Frequenzspektrum der X-Komponente entsprechen dabei Eigenfrequenzen von Schwingungsmoden mit Auslenkung in X-Richtung; dies gilt entsprechend für die Y-Richtung. 

Die Installation von drei Sensoren pro Geschoss in Höhenabständen von je einem Viertel der Endhöhe des Turms erwies sich als wesentlich für die Identifikation der globalen Schwingungsmoden des Turms im jeweiligen tatsächlichen Bauzustand und für ihren Vergleich mit den in der Entwurfsphase prognostizierten Schwingungsmoden (Biegemoden in X- und Y-Richtung sowie eine Torsionsmode).

Die Spektren aller installierten Sensoren (S1–S12) zeigten Spitzen bei identischen Werten der Eigenfrequenzen f₁, f₂ und f₃. Zu erkennen ist auch, dass die Werte von f₁, f₂ und f₃ mit dem Fortschritt der Bauarbeiten (Abb. 11 b) und zunehmender Turmhöhe (Abb. 11 a) abnahmen. Während der Bauphase wurde eine Kletterschalung eingesetzt, um den Turmkern schneller errichten zu können als die Geschossdecken. 

Zu Beginn der Messungen registrierte Sensor S1 lediglich die Eigenfrequenzen f₁ und f₂ (gestrichelte hellblaue Linie in Abb. 11). Das erklärt sich dadurch, dass der aussteifende Kern in Y-Richtung eine größere Trägheit aufwies als in X-Richtung. 

Wie aus den Aufzeichnungen der Wetterstation ersichtlich, konnte f₃ – trotz des nahezu starren Verhaltens des Bauwerks in Y-Richtung – aufgrund der starken Winde in Wien in der Woche vor und während des schweren Hochwassers tatsächlich bereits bei der ersten Viertelhöhe des DC Towers 2 (16. Geschoss) identifiziert werden. 

In Abb. 11 kennzeichnet die gestrichelte rote Linie das Aussetzen der Messdatenaufzeichnung infolge des schweren Hochwassers. Bis zur Reparatur des Sensors (gestrichelte gelbe Linie) standen keine Daten zur Verfügung. Eine weitere Datenlücke entstand aufgrund von Bauarbeiten (gestrichelte graue Linie), bis die Stromversorgung wiederhergestellt war (gestrichelte grüne Linie).

Digital-Twin-Modell und 3D-Eigenformen

Die den Eigenfrequenzen f₁, f₂ und f₃ des DC Towers 2 entsprechenden globalen Schwingungsmoden wurden in einer 3D-Ansicht dargestellt. Ermöglicht wurde diese Ansicht durch das parallel zum Baufortschritt in einer Spezialsoftware erstellte Digital-Twin-Modell. Ermöglicht wurde diese Ansicht durch das parallel zum Baufortschritt in der Software ARTeMIS OMA (von Structural Vibration Solutions) erstellte Digital-Twin-Modell. 

Das Digital-Twin-Modell wurde zunächst unter Verwendung von Echtzeit-Beschleunigungsaufzeichnungen von drei Sensoren (S1–S3, im 16. Geschoss) entwickelt und dann schrittweise unter Einbeziehung aller installierten Sensoren (S1–S12) erweitert. 

Die Ingenieure positionierten die Sensoren im Modell entsprechend ihrer realen Platzierung im Turm, und die Aufzeichnungen erfassten die Schwingungsantwort des DC Towers 2 auf dynamische Windeinwirkungen und ambientale Anregungen.

Mittels Durchführung einer Betriebsmodalanalyse (Operational Modal Analysis, OMA) ist ARTeMIS OMA in der Lage, die Schwingungsmoden, Eigenfrequenzen und Dämpfungsverhältnisse des realen DC Towers 2 im Bauzustand auch ohne FEM-Strukturmodell zu bestimmen. Diese Analyse basiert ausschließlich auf Ausgangsdaten, nämlich auf den strukturellen Schwingungsantworten (z. B. Beschleunigungen), die unter unkontrollierten Anregungsbedingungen (dynamische Windeinwirkung) aufgezeichnet werden.

In der OMA wird das Eingangssignal der Anregung als unbekannt betrachtet und häufig als weißes gaußsches Rauschen modelliert. Für die Modalschätzung des DC Towers 2 verwendete ARTeMIS OMA die erweiterte Frequenzbereichszerlegung (Enhanced Frequency Domain Decomposition, EFDD). Diese zerlegt die Antwort der Struktur näherungsweise in eine Reihe unabhängiger Einmassenschwinger (je einer pro Mode). Hierbei werden aus den Echtzeitaufzeichnungen Spektraldichtematrizen berechnet und einer Singulärwertzerlegung (Singular Value Decomposition, SVD) unterzogen. 

Für jede Frequenz gibt es ebenso viele Singulärwerte wie Messkanäle vorhanden sind. Die Ingenieure wählten anschließend die Spitzen der Singulärwerte aus und verwendeten die zugehörigen Singulärvektoren als identifizierte Modenformen, um die Spektralglocke des Einmassenschwingers für jede Mode zu definieren, auf deren Grundlage dann die Frequenz und das Dämpfungsverhältnis abgeschätzt wurden.

Sensor S1 identifizierte in Messphase 1 am 07.09.2024 (also bei einer Turmhöhe von einem Viertel der Endhöhe) die Eigenfrequenzen des DC Towers 2. Diese betrugen f₁ = 1,06 Hz, f₂ = 1,27 Hz und f₃ = 1,47 Hz. Zudem wurden die zugehörigen Schwingungsmoden in Draufsicht bestimmt (siehe Abb. 10). 

Zur Darstellung der Schwingungsmoden in einer 3D-Ansicht des Digital-Twin-Modells war es jedoch erforderlich, drei Sensoren pro Geschoss zu installieren. Abb. 12 zeigt die 3D-Schwingungsmoden (Biegung in X-Richtung, Torsion und Biegung in Y-Richtung) in Phase 1, die in ARTeMIS OMA unter Verwendung der drei auf einem Viertel der Endhöhe des Turms installierten Sensoren bestimmt wurden.

Während das Digital-Twin-Modell parallel zum Fortschritt der Bauarbeiten wuchs, nahmen die Eigenfrequenzen kontinuierlich ab. Die Formen der ersten drei Moden (f₁, f₂, f₃) blieben dabei jedoch nahezu unverändert. Mit der zunehmenden Anzahl installierter Sensoren konnten später zusätzliche Schwingungsmoden (f₄, f₅) bestimmt werden. 

Abb. 13 zeigt die bestimmten 3D-Schwingungsmoden bei einer Turmhöhe von drei Vierteln der Endhöhe (Phase 3) am 06.05.2025 mit den Frequenzen f₁ = 0,28 Hz, f₂ = 0,41 Hz, f₃ = 0,51 Hz, f₄ = 1,22 Hz und f₅ = 1,38 Hz.

Ergebnisdiskussion - Bauphase

Die hier vorgestellte, mit einem Digital-Twin-Modell gekoppelte Echtzeitüberwachung zielte darauf ab, die Lücke zwischen den Entwurfsannahmen und den tatsächlichen Eigenfrequenzen des Turms – und damit seiner realen Steifigkeit – zu schließen. Die in den verschiedenen Bauphasen gewonnenen Ergebnisse halfen, diese Abweichungen bereits vor Abschluss der Bauarbeiten bzw. vor Beginn der Betriebsphase zu identifizieren und die endgültigen tatsächlichen Eigenfrequenzen des DC Towers 2 zu prognostizieren.

Die in ARTeMIS OMA ermittelten und in einer 3D-Ansicht dargestellten Schwingungsmoden des DC Towers 2 entsprachen den Erwartungen aus der Entwurfsphase. Die den Moden zugeordneten Eigenfrequenzen lagen jedoch in der Entwurfsannahme deutlich unter den Werten, die mit dem gekoppelten Ansatz aus Echtzeitüberwachung und Digital-Twin-Modell gewonnen wurden.

Dies bedeutet, dass der DC Tower 2 tatsächlich erheblich steifer ist als in der Entwurfsphase angenommen. Die für eine Turmhöhe von einem Viertel der Endhöhe erwarteten Eigenfrequenzen betrugen f₁ = 0,67 Hz, f₂ = 0,93 Hz und f₃ = 1,04 Hz und lagen damit um 58 %, 37 % bzw. 41 % unter den mit dem gekoppelten Ansatz ermittelten Werten. Folglich waren auch die für den Endzustand des Turms erwarteten Eigenfrequenzen vergleichsweise niedrig. 

Die auf den statischen Entwurfsannahmen basierende erwartete Endsteifigkeit führte zu einer Überschätzung der Spitzenbeschleunigung des Turms, die einen entscheidenden Parameter für die Entscheidung über den Einbau eines passiven Schwingungstilgers zur Reduzierung erzwungener Schwingungen infolge dynamischer Windeinwirkung darstellte. Die Ingenieure forderten, dass die Spitzenbeschleunigung des DC Towers 2 für eine Wiederkehrperiode von zehn Jahren 1,5 % g nicht überschreiten dürfe. Die in der Entwurfsphase abgeschätzte Spitzenbeschleunigung überschritt diesen Grenzwert jedoch.

Darüber hinaus zeigte der gekoppelte Ansatz, dass die Eigenfrequenzen des DC Towers 2 bis zum Erreichen der halben Endhöhe des Turms signifikant abnahmen. Danach verlief diese Abnahme weniger steil. 

Die Ingenieure entschieden daher, die endgültigen tatsächlichen Eigenfrequenzen – und damit die reale Steifigkeit des DC Towers 2 – nicht ausschließlich anhand des gekoppelten Ansatzes abzuschätzen, sondern auch eng mit den Planungsingenieuren zusammenarbeiteten. Der gekoppelte Ansatz war für die Planungsingenieure von wesentlicher Bedeutung für die Kalibrierung des FEM-Modells des Turms anhand der gemessenen Eigenfrequenzen und für die Vorhersage der Steifigkeit im Endzustand. 

Eine alternative Prognosemethode besteht darin, die gemessenen Frequenzen in Abhängigkeit von der Turmhöhe zu regressieren, wobei die Frequenzen mit zunehmender Höhe abnehmen. Dabei ist jedoch Sorgfalt bei der Wahl des Regressionsmodells geboten, da sich dieses durch zusätzliche Messungen während der Bauphase erheblich verändern und seine Genauigkeit zunehmen kann. Auf Grundlage der Ergebnisse für den DC Tower 2 empfahlen die Ingenieure, eine Regressionsanalyse der bis zu einer Turmhöhe von drei Vierteln der Endhöhe gemessenen Frequenzen durchzuführen.

Eigenfrequenzprognose

Angesichts der Abweichungen zwischen den gemessenen Frequenzen und den für ein Viertel der Endhöhe des Turms erwarteten Werten sowie der unmittelbaren Notwendigkeit, die tatsächliche Steifigkeit des DC Towers 2 im Endzustand zu bestimmen, entschieden die Ingenieure, diese auf Grundlage der verfügbaren Daten der zuerst installierten Sensoren S1–S3 abzuschätzen. 

Für die Prognose wurden Beschleunigungsaufzeichnungen vom 04.11.2024 verwendet, als ausschließlich die Sensoren S1–S3 (auf einem Viertel der Endhöhe des Turms) installiert waren, der Turmkern das 30. Geschoss und die Geschossdecken das 26. Geschoss erreicht hatten. Die zu diesem Zeitpunkt gemessenen Eigenfrequenzen betrugen f₁ = 0,65 Hz, f₂ = 0,82 Hz und f₃ = 0,99 Hz und lagen damit um 23 %, 12 % bzw. 16 % über den Entwurfsannahmen.

Die Planungsingenieure reduzierten das FEM-Modell auf den Bauzustand des DC Towers 2 am 04.11.2024 und kalibrierten es so, dass es die gemessenen Eigenfrequenzen unter Berücksichtigung der tatsächlichen Steifigkeit abbildete. Dazu erhöhten sie den Elastizitätsmodul des Betons des Turmkerns um 20 % und legten starre Bodenrandbedingungen zugrunde. 

Anschließend erweiterten sie das FEM-Modell, wodurch sie die Eigenfrequenzen des DC Towers 2 in seinem Endzustand bestimmen konnten. Die Ingenieure prognostizierten die endgültige tatsächliche Steifigkeit des Turms mit hoher Genauigkeit. Die berechneten Eigenfrequenzen betrugen f₁ = 0,21 Hz, f₂ = 0,30 Hz und f₃ = 0,39 Hz bei Berücksichtigung von Eigen- und Nutzlasten sowie f₁ = 0,25 Hz, f₂ = 0,37 Hz und f₃ = 0,47 Hz bei ausschließlicher Berücksichtigung der Eigenlasten.

Auf Grundlage der prognostizierten Eigenfrequenzen des DC Towers 2 berechneten die Windingenieure dann die maximale Spitzenbeschleunigung im Endzustand. Für einen Wind mit einer Wiederkehrperiode von 10 Jahren ergab sich eine erwartete Spitzenbeschleunigung von 1,11 % g, womit der Grenzwert von 1,5 % g nicht überschritten wurde. 

Bemerkenswert ist, dass sich die in der Entwurfsphase angenommene Spitzenbeschleunigung unter Berücksichtigung des auf dem vorgeschlagenen Ansatz basierenden Prognosewertes um 30 % reduzierte. Diese Prognose zeigte, dass ein passiver Schwingungstilger nicht mehr erforderlich war, wodurch sich der Installationsaufwand verringerte und Kosten eingespart wurden.

Zur zusätzlichen Absicherung führten die Ingenieure eine Validierung der Prognose durch. Hierzu verfeinerten sie das kalibrierte und erweiterte FEM-Modell weiter, um die Eigenfrequenzen des Turms in verschiedenen Bauzuständen vorherzusagen, und überprüften die ermittelten Werte anhand von Messungen, die bis zur Fertigstellung des Projekts zweiwöchentlich durchgeführt wurden. Dabei zeigte sich eine durchgehend gute Übereinstimmung.

Ergebnisse - Endphase

Die im Frequenzbereich gewonnenen Ergebnisse für den Endzustand des DC Towers 2 umfassten die Eigenfrequenzen und die zugehörigen Dämpfungsverhältnisse am Ende der Bauphase sowie die in einer 3D-Ansicht dargestellten Schwingungsmoden. 

Die Eigenfrequenzen, die anhand des in ARTeMIS OMA erstellten Digital-Twin-Modells unter Berücksichtigung der Beschleunigungsaufzeichnungen der Sensoren S1–S12 vom 31.05.2025 identifiziert wurden, betrugen f₁ = 0,26 Hz, f₂ = 0,39 Hz, f₃ = 0,48 Hz, f₄ = 1,15 Hz und f₅ = 1,30 Hz bei ausschließlicher Berücksichtigung der Eigenlasten. Die im Endzustand beobachteten Schwingungsmoden waren also praktisch identisch mit jenen, die während der Bauphase bestimmt worden waren.

Darüber hinaus war es möglich, die tatsächliche Spitzenbeschleunigung im Zeitbereich zu erfassen, ihren Maximalwert zu bestimmen und die zugehörige Auslenkung des Turms mithilfe des Digital-Twin-Modells in einer 3D-Ansicht zu visualisieren. Da die X-Achse die für den Turmkern kritische Richtung darstellte, betrachteten die Ingenieure die maximale Spitzenbeschleunigung in X-Richtung.

Am 31.05.2025 betrug die von der Wetterstation erfasste maximale Windgeschwindigkeit 9,9 km/h, was im DC Tower 2 nur sehr geringe Schwingungen verursachte. Daher entschieden die Ingenieure, die Spitzenbeschleunigung auch bei höheren Windgeschwindigkeiten zu untersuchen, und zogen zur Bewertung der Spitzenbeschleunigung in X-Richtung zusätzlich die am 25.06.2025 gemessene maximale Windgeschwindigkeit von 46,08 km/h heran. 

Der Sensor S12 zeichnete am 25.06.2025 um 14:59 Uhr eine maximale Spitzenbeschleunigung in X-Richtung von 0,011 m/s² auf, die deutlich unter dem Grenzwert von 1,5 % g bzw. 0,147 m/s² für einen Wind mit einer Wiederkehrperiode von zehn Jahren lag. Die der maximalen Spitzenbeschleunigung in X-Richtung am 25.06.2025 entsprechende Auslenkung des Turms ist in der nachstehenden Grafik dargestellt.

Ergebnisdiskussion - Endphase

Die von den Ingenieuren am Ende der Bauphase unter ausschließlicher Berücksichtigung der Lasten der Tragstruktur ermittelten Eigenfrequenzen stimmten mit den prognostizierten Werten überein. Die Prognose, die auf dem entwickelten Ansatz zur Kopplung von während der Bauphase gemessenen Echtzeitdaten mit dem Digital-Twin-Modell des DC Towers 2 sowie auf dem kalibrierten und erweiterten FEM-Modell beruhte, erwies sich als zutreffend. Dies ermöglichte es den Ingenieuren, die Eigenfrequenzen – also die Steifigkeit des Turms – im Endzustand zuverlässig vorherzusagen.

Die Ingenieure bewerteten die prognostizierte Spitzenbeschleunigung von 1,11 % g, die aus den für den Endzustand vorhergesagten und dann verifizierten Eigenfrequenzen abgeleitet wurde, als genau und belastbar. Der in der Entwurfsphase für einen Wind mit einer Wiederkehrperiode von zehn Jahren angenommene Wert reduzierte sich, wie durch den entwickelten Ansatz prognostiziert, um 30 %. Darüber hinaus ist die für diesen Wind erwartete Spitzenbeschleunigung nicht direkt mit der im Endzustand bei einer Windgeschwindigkeit von 46,08 km/h gemessenen Beschleunigung vergleichbar. 

Aufgrund der hervorragenden Übereinstimmung zwischen den gemessenen Eigenfrequenzen und den prognostizierten Werten konnten die Ingenieure jedoch mit hoher Zuverlässigkeit bestätigen, dass die durch dynamische Windeinwirkungen mit einer Wiederkehrperiode von zehn Jahren induzierte Spitzenbeschleunigung des DC Towers 2 den zur Gewährleistung des Wohnkomforts in den oberen Geschossen einzuhaltenden Grenzwert von 1,5 % g nicht überschritt. Diese Erkenntnis erlaubte es, auf den Einbau eines passiven Schwingungstilgers im DC Tower 2 zu verzichten und die Baukosten so um rund zwei Millionen Euro zu reduzieren.

Fazit

Der neuartige Ansatz, der während der Bauphase eine Echtzeitüberwachung mit einem Digital-Twin-Modell des DC Towers 2 koppelte, ermöglichte eine zuverlässige Prognose der Eigenfrequenzen und der Steifigkeit des Turms im Endzustand. Hierzu nutzten die Ingenieure die im Rahmen der Echtzeitüberwachung am Turm erfassten Beschleunigungswerte für die fortlaufende Weiterentwicklung des Digital-Twin-Modells parallel zur Bauausführung. 

Das Digital-Twin-Modell erlaubte es, die relevanten Eigenfrequenzen (f), die zugehörigen Dämpfungsverhältnisse (ζ) und die Schwingungsmoden des Turms in Echtzeit zu bestimmen. Die gewählte Anordnung der Sensoren ermöglichte es dabei, nicht nur Biege-, sondern auch Torsionsschwingungsmoden zu identifizieren. Die Eigenfrequenzen nahmen mit zunehmender Turmhöhe kontinuierlich ab, bis der Turm seinen Endzustand erreichte.

So betrug die der Biegung in der schwachen X-Achse entsprechende erste Eigenfrequenz bei einer Turmhöhe von einem Viertel der Endhöhe 1,06 Hz und im Endzustand 0,26 Hz. Die Formen der ersten drei Schwingungsmoden (Biegung in X-Richtung, Torsion um die Z-Achse und Biegung in Y-Richtung), die vom Digital-Twin-Modell bei einem Viertel der Bauhöhe identifiziert wurden, blieb bis zum Ende der Bauphase praktisch unverändert. Ab etwa drei Vierteln der Endhöhe wurden am Digital-Twin-Modell zwei zusätzliche Moden sichtbar.

Der entwickelte Ansatz war für die Entwurfsingenieure von zentraler Bedeutung für die Kalibrierung des FEM-Modells des Turms bei einem Viertel der Endhöhe. Sie erfolgte anhand der mit dem Digital-Twin-Modell unter Berücksichtigung der Messdaten der ersten drei installierten Sensoren ermittelten tatsächlichen Eigenfrequenzen. Nach der Kalibrierung erweiterten die Ingenieure das FEM-Modell, um die endgültigen Frequenz- und Amplitudenwerte vorherzusagen. 

Die für den Endzustand des Turms prognostizierten Eigenfrequenzen stimmten mit jenen überein, die von den Ingenieuren aus den am Ende der Bauphase erfassten Daten ermittelt wurden. Dies bestätigte, dass die in der Entwurfsphase angenommenen Eigenfrequenzen (d. h. die Steifigkeit des Turms) niedriger waren als die Werte im realen Zustand. Die bei einer Turmhöhe von einem Viertel der Endhöhe für den Endzustand prognostizierten Frequenzen wurden zudem den Windingenieuren zur präzisen Bewertung der maximalen Spitzenbeschleunigung zur Verfügung gestellt. 

Auf dieser Grundlage konnten die Ingenieure die in der Entwurfsphase für einen Wind mit einer Wiederkehrperiode von zehn Jahren angenommene Spitzenbeschleunigung im Vergleich zum Wert, der mit dem gekoppelten Ansatz ermittelt wurde, um 30 % reduzieren. Dies führte zum Verzicht auf einen passiven Schwingungstilger im DC Tower 2 und damit zur Einsparung des damit verbundenen Installationsaufwands und der entsprechenden Kosten.

Die Ingenieure untersuchten außerdem die anhand des Digital-Twin-Modells über die gesamte Bauphase – vom Anfangs- bis zum Endzustand – ermittelten Dämpfungsverhältnisse. Diese wiesen eine Streuung um Mittelwerte von ζ₁ = 2,1 %, ζ₂ = 1,0 % und ζ₃ = 1,0 % auf und entsprachen damit den Entwurfsannahmen für den DC Tower 2.

Quellen

• Echtzeitüberwachung in Kombination mit einem Digitalen-Zwilling zur Schwingungsanalyse des DC2-Towers. Von Luz Elizabeth Vasquez Munoz, Herbert W Müllner, Christian Rauch, und Michael Reiterer. Tagungsband der 19. D-A-CH-Konferenz, Wien, Österreich, September 2025.