Beitrag zum statischen nichtlinearen Erdbebennachweis von unbewehrten Mauerwerksbauten unter Berücksichtigung einer und höherer Modalformen

• Contribution to static nonlinear verification procedures for unreinforced masonry buildings under earthquake loading considering one and higher modes

Norda, Hannah; Meskouris, Konstantin (Thesis advisor)

1. Aufl.. - Aachen : Printproduction M. Wolff (2013)
Doktorarbeit

In: Mitteilungen des Lehrstuhls für Baustatik und Baudynamik, Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen 24 = 13/2
Seite(n)/Artikel-Nr.: IV, 122 S. : Ill., graph. Darst.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Kurzfassung

Der Entwurf und Nachweis von Mauerwerksbauten unter seismischer Belastung erfolgt üblicherweise durch die Bestimmung der relevanten Maximalwerte auftretender Kräfte und Verschiebungen während eines Erdbebens, wofür unterschiedliche Methoden zur Verfügung stehen. Das Hauptaugenmerk der Untersuchungen in dieser Arbeit liegt auf den statischen nichtlinearen Methoden, da bei ihnen keine komplexen Zeitverlaufsberechnungen erforderlich sind, nichtlineare Materialeigenschaften direkt erfasst werden, vorhandene Tragwerksreserven genutzt werden können und sie somit für praktische Anwendungen sehr attraktiv sind. In der Arbeit werden zunächst die theoretischen Grundlagen zu allen Aspekten der statischen nichtlinearen Verfahren erläutert. Dabei liegt der Fokus auf dem nichtlinearen Verfahren der DIN EN 1998-1, da es mit der baldigen Einführung dieser Norm in Deutschland stärkere Bedeutung erlangen wird. Statische nichtlineare Verfahren basieren auf der Repräsentation der Gebäudekapazität durch eine sogenannte Pushover-Kurve, die das Verhalten des Gebäudes unter konstanter vertikaler Belastung bei steigenden horizontalen Lasten darstellt. Der eigentliche Nachweis erfolgt durch einen Vergleich von vorhandener und erforderlicher Verformungsfähigkeit unter Berücksichtigung des Energiedissipationsvermögens. Anhand eines Vergleichs unterschiedlicher bekannter Verfahren und einer Gegenüberstellung mit Ergebnissen von Zeitverlaufsberechnungen wird die Bedeutung der Wahl bestimmter Verfahrensparameter hervorgehoben. Es wird in der Arbeit insbesondere gezeigt, dass das gesamte Gebäudeverhalten nur dann realitätsnah prognostiziert werden kann, wenn das tatsächliche Dissipationsvermögen des Bauwerks mit dem angesetzten übereinstimmt, so dass der realistischen Bestimmung des Dissipationsvermögens eine Schlüsselrolle für die Anwendung von statischen nichtlinearen Verfahren zukommt. Aufbauend auf der Analyse der bekannten Verfahren werden ihre Defizite aufgezeigt und verbesserte Lösungskonzepte entwickelt. So sind die meisten normativ geregelten Verfahren lediglich auf Gebäude anwendbar, deren Schwingverhalten maßgeblich durch die erste Eigenform beeinflusst wird, und die existierenden Verfahren zur Berücksichtigung höherer Eigenformen weisen klare Defizite auf. Um auch für Gebäude, bei denen höhere Eigenformen einen signifikanten Einfluss haben, eine realistische Prognose des Gebäudeverhaltens unter seismischer Belastung zu ermöglichen, wird in der Arbeit auf Basis der etablierten Verfahren ein neuartiges multimodales Nachweiskonzept entwickelt. Dieses Konzept, die nichtlineare adaptive multimodale Interaktionsanalyse (AMI), ermöglicht durch multiple Pushover-Analysen insbesondere die realitätsnahe Bestimmung der maximalen relativen Geschossverschiebungen, welche das Verhalten von Mauerwerksbauten maßgebend beeinflussen. Innerhalb dieser Pushover-Analysen wird jeweils die Änderung des Schwingverhaltens und der Lastverteilung im Gebäude infolge lokalen Versagens oder plastischer Deformationen berücksichtigt Die ungünstigste Kombination der Beanspruchung wird in dem Verfahren durch Berücksichtigung aller möglichen Additionen bzw. Subtraktionen der einzelnen Modalbeiträge ermittelt. Durch den Einsatz dieser Kombinationsregel ist das Verfahren immer auf der sicheren Seite, da für alle Konfigurationen und Anregungen jeweils die ungünstigste Kombination erfasst wird. Zur Anwendung der adaptiven multimodalen Interaktionsanalyse ist ein Gebäudemodell erforderlich, das das charakteristische Materialverhalten korrekt abbildet. Dazu gehören bei Mauerwerk hauptsächlich die drei typischen Versagensformen: Biegung und Längskraft, Schubversagen infolge Reibungsversagen und Schubversagen infolge Steinzugversagen. Darüber hinaus sind die auftretenden Interaktions- und Umlagerungseffekte von großer Bedeutung. In der Arbeit wird ein Makroelement präsentiert, das all diese Effekte erfasst. Die Bedeutung einer realistischen Bestimmung des Dissipationsvermögens des Tragwerks wurde bereits herausgestellt, speziell für den Nachweis von Mauerwerksbauten ist neben dem Gebäudemodell daher ein Dämpfungsmodell erforderlich, das das Dissipationsvermögen in Abhängigkeit der Versagensformen berücksichtigt, da die hysteretische Energiedissipation stark mit der auftretenden Schädigung korreliert. Ausgehend von einer Analyse zahlreicher Versuche wird ein Modell für die Dämpfung in Abhängigkeit der Versagensform und der Duktilität bestimmt. Dies ermöglicht es, bei der Verwendung gedämpfter Spektren im Rahmen des Nachweiskonzeptes wandindividuelle Dämpfungsmechanismen zu erfassen. Mit dem neuen Nachweiskonzept und den darin enthaltenen Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik steht damit ein Werkzeug zur Verfügung, das es erlaubt, die Vorteile statischer nichtlinearer Verfahren in vollem Umfang auch bei Gebäuden aus Mauerwerk auszuschöpfen und damit den zulässigen Anwendungsbereichs dieses Werkstoffs zu erweitern.

Einrichtungen

• Lehrstuhl und Institut für Baustatik und Baudynamik [311810]