Numerische Simulation von unbewehrten und textilverstärkten Mauerwerksscheiben unter zyklischer Belastung

  • Numerical simulation of unreinforced and textile strengthened masonry shear walls under cyclic loading

Kalker, Ines; Meskouris, Konstantin (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2007)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Kurzfassung

Seit Jahrtausenden errichtet der Mensch Bauwerke zum Schutz vor Einwirkungen der Natur. Dabei entwickelte sich früh die wohl einfachste Art des Bauens: mehr oder minder bearbeitete Steine werden aufeinander geschichtet, Mörtel, Lehm oder ein anderes Bindemittel, das zwischen die Steine eingebracht wird, hält sie in ihrer Position und stellt die Kraftweiterleitung in den Baugrund sicher. Nahezu alle historischen Bauten in den verschiedensten Ländern der Welt wurden auf diese Art und Weise errichtet. Zweifelsfrei hat sich der Mauerwerksbau über die Jahrhunderte immer weiter entwickelt, so dass durch Optimierung der Steinform, der Steinart, des verwendeten Bindemittels und vieler anderer Faktoren heute große Festigkeiten erreicht werden können. Mauerwerk ist auf Grund der guten Druckfestigkeitseigenschaften vorrangig für die Abtragung vertikaler Lasten infolge Eigengewicht und Nutzlasten geeignet. Die Aufnahme von Horizontalkräften ist jedoch auf Grund der geringen Zugfestigkeit stark eingeschränkt. Besonders problematisch ist die Aufnahme von Horizontalkräften infolge Erdbeben, da es sich bei Mauerwerk um einen spröden Baustoff mit geringer Duktilität handelt. Trotz dieser Eigenschaften war und ist Mauerwerk aufgrund der lokalen Verfügbarkeit und der hervorragenden Wärmedämmeigenschaften in vielen erdbebengefährdeten Ländern noch immer die vorherrschende Bauweise. Eine Möglichkeit, die Kapazität von Mauerwerksbauten unter Erdbebenbelastung entscheidend zu verbessern, ist die Ertüchtigung von Mauerwerk mit flächenhafter textiler Verstärkung. Textile Verstärkungen erhöhen die Mauerwerkszugfestigkeit und -duktilität, ohne das Mauerwerk mit großem zusätzlichem Gewicht zu belasten. Ein weiterer Vorteil ist der flexible Einsatz auf bestehende und neu zu errichtende Mauerwerksbauten. Obwohl die Effektivität textiler Verstärkungen bekannt ist, existieren bislang keine geeigneten numerischen Modelle für die Berechnung der Kapazität von textilverstärkten Mauerwerksschubwänden unter zyklischen und dynamischen Belastungen. In der vorliegenden Arbeit wurde ein verschmiertes Modell entwickelt, um Mauerwerk, welches durch ein in Zementmörtelmatrix eingebettetes bidirektionales Textilgewebe mit variabler Orientierung verstärkt wird, abzubilden. Das spröde, nichtlineare Mauerwerksverhalten wird mit Hilfe eines zyklischen zweidimensionalen nichtlinearen Makromodells beschrieben, welches auf dem Prinzip der äquivalenten einachsigen Dehnung von DARWIN and PECKNOLD basiert. Die Grundidee dieses Konzeptes ist die entkoppelte Formulierung der zweiaxialen Spannungs-Dehnungs-Beziehung für jede Hauptspannungsrichtung. Der aktuelle Spannungszustand ist daher nicht nur vom momentanen Dehnungszustand sondern auch von der Belastungsgeschichte abhängig. Hauptvorteile dieser Formulierung sind die Anwendbarkeit für zyklische Belastung sowie die Verwendung von einaxialen Materialparametern und Spannungs-Dehnungs-Beziehungen, welche durch einfache einaxiale Versuche bestimmt werden können. Das verwendete Versagenskriterium definiert die zweiaxialen Zug- und Druckfestigkeiten als Funktionen des Hauptspannungsverhältnisses für verschiedene Lagerfugenorientierungen. Versagt das verstärkte Mauerwerk auf Zug, so wird der Tension-Stiffening-Effekt infolge des Mitwirkens des Mauerwerks zwischen den Rissen mit Hilfe einer modifizierten Textilkennlinie abgebildet. Die nichtlineare Kennlinie wird als Polygon approximiert, dessen Stützstellen durch die mittlere Textildehnung zwischen zwei Rissen und die korrespondierende Textilspannung im Riss für verschiedene Rissbildungsgrade definiert werden. Der mittlere Rissabstand wird in Abhängigkeit von der Einleitungslänge unter Berücksichtigung der Streuung der Mauerwerkszugfestigkeit für einen bestimmten Rissbildungsgrad nach KRELLER ermittelt. Die resultierende Textilrissspannung wird mittels Kräftegleichgewichtsbetrachtungen am Risselement unter Berücksichtung des Winkels zwischen Verstärkungsrichtung und Rissorientierung ermittelt. Die Anwendung des in das FE-Softwareprogramm ANSYS implementierten Modells wurde durch die Simulation von unbewehrten und textilverstärkten Mauerwerksschubwänden gezeigt. Die Berechnungen wurden an vertikal und horizontal belasteten Wänden unterschiedlicher Geometrien durchgeführt. Wie die Simulationen gezeigt haben, ist das Materialmodell in der Lage, die für die Mauerwerkswände charakteristischen Versagensarten abzubilden. Auch die Abhängigkeit zwischen Versagensmechanismus und Materialduktilität wird dabei widergespiegelt. Insgesamt konnte die Gültigkeit des Modells für verschiedene Mauerwerksarten gezeigt werden.

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