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Boden-Bauwerk-Fluid-Interaktion flüssigkeitsgefüllter Tankbauwerke auf nachgiebigen, vielfach geschichteten Böden unter seismischer Einwirkung

  Link zum kostenlosen Volltext   

[Quelle: https://d-nb.info]

Ziel dieser Thesis ist die seismische Analyse der Boden-Bauwerk-Fluid-Interaktion (BBFI) von flüssigkeitsgefüllten Tankbauwerken, gegründet auf nachgiebigen, vielfach geschichteten Böden. Die Flüssigkeitsbewegung im Erdbebenfall unterteilt sich in eine konvektive Schwappbewegung und eine gemeinsame impulsive Biegeschwingung von Fluid und Tankschale. Infolge der Fluidbewegung stellen sich dynamische Flüssigkeitsdrücke ein. Aus diesen folgt die Spannungsverteilung in der Tankschale, welche zur Bemessung der Struktur dient. Die Lagerung der Struktur auf nachgiebigen Böden hat einen deutlichen Einfluss auf die Gesamtdynamik der Tankschale. Ein leistungsfähiges Modell ist erforderlich, um alle dynamischen Interaktionseffekte gemeinsam darzustellen und Spannungsverläufe im Erdbebenfall zu berechnen. Ein Ingenieurmodell zur zielgerichteten und effektiven ganzheitlichen Berechnungen der BBFI wird vorgestellt. Mit einem praxistauglichen Ein-Schritt-Verfahren werden dynamische Flüssigkeitsdrücke und Spannungsverteilungen in der Tankschale berechnet. Im Sinne der Substrukturmethode wird das Gesamtmodell in Bodenmodell und Bauwerk-Fluid-System unterteilt. Diese werden zunächst einzeln betrachtet und zur finalen Analyse gekoppelt. Die Routine SSI-SALT nutzt die Precise-Stiffness-Matrix-Method als Bodenmodell und das Added-Mass-Verfahren zur Simulation der Tankschale, um die BBFI-Effekte möglichst genau abzubilden, aber in praxisorientierten Untersuchungen anwendbar zu bleiben. Die Tankschale wird mit den Impedanzfunktionen des Fundament-Boden-Systems gekoppelt. Als Einwirkung auf die Tankschale werden sowohl normative Antwortspektren, als auch dem Bodenaufbau entsprechend amplifizierte Erdbebenspektren eingesetzt. Am Gesamtsystem können ohne weitere Zwischenschritte die Spannungsverläufe infolge Erdbebeneinwirkung berechnet werden. Im Vergleich zur starren Lagerung erlauben nachgiebige Böden eine größere Starrkörperrotation von Fundament und Tankschale. Dementsprechend wird die Schale weniger stark verformt, was einen geringeren impulsiven Druck nach sich zieht. Eine stärkere Anregung führt zwangsläufig zu größeren Fluiddrücken. Der tatsächliche dynamische Druck folgt aus der Kombination von Lagerungsbedingung und Einwirkung. Der Einfluss der BBFI überträgt sich von den Drücken auf die Spannungsverteilung. Als maßgebliche Einflussgrößen auf die Gesamtdynamik werden die Tankparameter Schlankheit und das Verhältnis von Wandstärke zu Tankradius identifiziert. Aus dem Tankradius folgt der Radius des Fundamentes, der gemeinsam mit der Bodenschichtung den führenden Einfluss auf den Impedanzverlauf hat. Dieser wird, ebenso wie die Bodenbewegung, von dem Schubmodul und der Mächtigkeit der Bodenschichten beherrscht. Die komplexe Wechselwirkung zwischen den einzelnen Größen erlaubt keine pauschale Abschätzung der Spannungsverteilung für Tanks auf nachgiebigen Böden. Vielmehr muss für jeden Standort und Tank eine BBFI-Analyse durchgeführt werden, was mit SSI-SALT mit vertretbarem Aufwand möglich ist.

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Muhammed Al Koussini, Christoph Butenweg, Norbert Gebbeken
Vergleich der neuen Erdbebenkarten in Deutschland und mit den Anrainerstaaten
Abschlussbericht.
Bauforschung, Band T 3386
2021, 71 S., 66 Abb. u. 13 Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Im Rahmen dieses Forschungsberichts erfolgt ein Vergleich der seismischen Einwirkungen in deutschen Erdbebengebieten nach DIN En 1998-1/NA-2020 mit den Einwirkungsniveaus in den Anrainerstaaten Niederlande, Belgien, Luxemburg, Polen, Tschechien, Österreich, Schweiz, Frankreich, und Italien. Zusätzlich werden Portugal, Italien und Griechenland hinzugezogen, obwohl diese Länder nicht direkt an Deutschland grenzen. Für jedes der genannten Länder erfolgt eine Auswertung der aktuellen normativen Dokumente für die Definition der Antwortspektren und ein Vergleich mit dem neuen Nationalen Anwendungsdokument für Deutschland. Im Anschluss erfolgt die Gegenüberstellung der Erdbebeneinwirkungen in den Grenzbereichen zwischen Deutschland und den Anrainerstaaten sowie ein Vergleich der Antwortspektren im Hinblick auf die Spektralform und die Amplifikationsfaktoren. Den Abschluss des Berichts bildet eine zusammenfassende Beurteilung der Untersuchungsergebnisse.

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Ulrike Kuhlmann, Frank Brühl
Robustheit durch duktile Anschlüsse im Holzbau
Bauforschung, Band T 3312
2015, 125 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Robustheit gegenüber außergewöhnlichen Einwirkungen ist eine Forderung an Tragwerke, die immer mehr an Bedeutung gewinnt. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Auslegung von duktilen Anschlüssen, um einem sicherheitsgefährdenden, spröden Anschlussversagen entgegenzuwirken. Des Weiteren wird die Anschlussduktilität im Hinblick auf die Robustheit eines Tragwerkes am Beispiel einer seismischen Belastung bewertet. Duktile Anschlüsse entziehen sich durch Verformungen einer weiteren Belastung. Dadurch sind derartige Systeme in der Lage, durch Schnittgrößenumlagerung außergewöhnliche Belastungen zu kompensieren. Um Kenntnisse über die Verformbarkeit von Verbindungsmitteln zu erhalten, sind verschiedene Verbindungsmittel hinsichtlich ihres duktilen Verhaltes untersucht worden. Hierbei zeigte sich, dass neben stiftförmigen Verbindungsmitteln auch Dübel besonderer Bauart über eine beachtliche Verformbarkeit verfügen. Aufgrund der Bestimmungen nach DIN EN 26891 wurden die Versuche jedoch bei einer Verformung von 15 mm abgebrochen, sodass die ermittelte Kenngröße nicht das gesamte Verformungsvermögen widerspiegelt. Im Rahmen eines weiteren Forschungsvorhabens wurden Stabdübelanschlüsse entworfen und hinsichtlich ihres plastischen Verhaltens ausgewertet. Dabei wurde der Stabdübeldurchmesser sowie die Anordnung der Verbindungsmittel variiert. Die Versuchsergebnisse zeigten ein ausgeprägtes Verformungsverhalten. Basierend auf den vorangegangenen Untersuchungen wurden im Rahmen dieses Forschungsvorhabens, quasi-statisch, zyklische Verbindungen geprüft, um duktile Anschlüsse unter einer seismischen Belastung bewerten zu können. Es zeigte sich, dass derartige Verbindungen neben einer ausgeprägten statischen Verformbarkeit ebenfalls über eine beachtliche Verformbarkeit unter einer zyklischen Beanspruchung verfügen. Holz besitzt streuende Materialeigenschaften, die das Trag- und Verformungsverhalten beeinflussen. Neben dem Einfluss des streuenden E-Moduls auf die Trägerendrotationen wurde ein erster Faktor bestimmt, der sicherstellt

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Konrad Zilch, Stefanie Grabowski, Wolfgang Scheufler
Experimentelle Untersuchung des nichtlinearen Tragverhaltens zusammengesetzter Schubwandquerschnitte aus unbewehrtem Mauerwerk unter Erdbebenbelastung. Abschlussbericht
Bau- und Wohnforschung, Band F 2523
2009, 201 S., 225 Abb., 33 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Ziel der Forschungsarbeiten war, den Einfluss des Zusammenwirkens von zusammengesetzten Schubwandquerschnitten auf das Trag- und Verformungsverhalten in üblichen Hochbauten für den Lastfall Erdbeben im Rahmen experimenteller Untersuchungen zu erfassen. Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt dabei auf Gebieten geringer Seismizität wie sie in Deutschland und Mitteleuropa vorzufinden sind. Für die Versuchskörper wurden ausschließlich praxisrelevante Stein-Mörtel-Kombinationen aus Ziegel- bzw. Kalksandsteinmauerwerk mit Dünnbettfugen verwendet. Die experimentellen Untersuchungen an geschosshohen zusammengesetzten Schubwandquerschnitten umfassen zum einen statisch-zyklische und zum anderen pseudodynamische Versuche. Bei beiden Versuchsmethoden wurden die Mauerwerkskörper unter kombinierter Druck- und Schubbeanspruchung in Scheibenebene geprüft, um eine möglichst realitätsnahe Belastung (Kräfte und Verschiebungen) der Wände im Versuch zu simulieren. Als Referenzgebäude für die pseudodynamischen Versuche wurde auf Basis von Voruntersuchungen ein übliches dreigeschossiges Reihenmittelhaus in Mauerwerksbauweise mit Stahlbetongeschossdecken ausgewählt, bei dem die horizontale Lastabtragung durch quer zu den Längswänden stehende Schubwände erfolgt. Die numerische Modellierung dieser Struktur für die pseudodynamischen Versuche erfolgte dabei mit einem nichtlinearen FEM-Solver. Zur Erfassung der verschiedenen Einflüsse auf die Schubtragfähigkeit wurde bei den Versuchen neben der Variation von Steinart, Steingeometrie und Verbindungstechnik auch die Prüfkörpergeometrie in Ahnlehnung an übliche Wandabmessungen eines Reihenmittelhauses verändert. Es konnte gezeigt werden, dass die Querwände einen erheblichen Einfluss auf das Trag- und Verformungsverhalten der Schubwände haben. Die Ergebnisse werden jedoch maßgeblich von der Ausführung der Verbindung von Schub- und Querwand, der verwendeten Steinart- bzw. Steingeometrie, der Normalspannung bzw. deren Verteilung über den Wandquerschnitt, und der Prüfkörpergeometrie beeinflusst.

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Wolfram Jäger, Song Ha Nguyen, Peter Schöps
Erdbebensicherheit von Mauerwerksbauten
Konstruktive Maßnahmen zur Gewährleistung der Erdbebensicherheit im Mauerwerksbau
Bau- und Wohnforschung, Band F 2475
2006, 128 S., m. 71 Abb.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Das Ziel des Forschungsvorhabens war es, in einem "Schwachbebengebiet" wie Deutschland auf zusätzliche und vor allem aufwendige Nachweise zu verzichten und stattdessen Stein-Mörtel-Kombinationen und konstruktive Bedingungen auf der Basis von anspruchsvollen theoretischen und numerischen Modellen herauszuarbeiten, mit denen die Erdbebensicherheit in typischen Mauerwerksbauten in Deutschland ohne weitere Nachweisführungen gegeben ist. Dazu wurden die Anforderungen für Schubwände in Abhängigkeit von Stein-Mörtel-Kombinationen, Geschosshöhe und Anzahl der Vollgeschosse für einige typische Referenz-Mauerwerksbauten auf der Basis von realitätsnahen numerischen Modellen rechnerisch ermittelt. Zur wirklichkeitsnahen Berechnung des Verhaltens von Mauerwerk unter Erdbebenlast wurde die Zeitverlaufsmethode angewendet. Dabei sind die Erdbebeneinwirkungen als Beschleunigungs-Zeit-Funktionen der Bodenbewegung dargestellt worden. Die Kalibrierung des verschmierten FE-Materialmodells erfolgte an Versuchsergebnissen aus der Literatur. Während sich bei dem betrachteten Reihenhaus im Wesentlichen ähnliche Anforderungen wie nach DIN 4149: 2004 ergeben haben, sind für die untersuchten Mehrfamilienhausgrundrisse geringere Anforderungen ermittelt worden. Für Mauerwerk aus Porenbeton ergaben sich für beide Gebäudearten sogar deutlich geringere Anforderungen. Bei Einfamilienhäusern ist die benötigte Schubwandquerschnittsfläche nicht so sehr von der Stein-Mörtel-Kombination und der Geschosshöhe abhängig, sondern hauptsächlich von der Lage des Schubmittelpunktes. Das heißt, die Position der Innenwände hat hier eine wesentliche Bedeutung. Der Einfluss von Bewehrung ergab bei einer punktuellen Untersuchung am Mehrfamilienhaus unter statischer Belastung eine deutliche Tragfähigkeitssteigerung.

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H. Budelmann, E. Gunkler, U. Husemann
Rationell hergestellte Wände aus vorgespanntem großformatigem Mauerwerk mit hohem Erdbebenwiderstand
Abschlussbericht
Bau- und Wohnforschung, Band F 2459
2005, 73 S., m. zahlr. Abb. 29,5 cm,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Untersuchung der das Schubtrag- und Verformungsverhalten verbessernden Wirkung der Vorspannung in Mauerwerkswänden mit angekoppelter Decke, gerade im Hinblick auf erdbebenbedingte Einwirkungen. Das Forschungsvorhaben gliedert sich in folgende drei Teilbereiche: a) Untersuchung unterschiedlicher Spannverfahren und Spannwerkzeuge. b) Experimentelle Untersuchungen an vorgespannten Mauerwerkswänden unter Erdbebeneinwirkungen. Dazu gehören auch Materialprüfungen an Mörtel, Steinen und Mauerwerk sowie die eigentlichen Wandversuche. c) Ingenieurmodell für erdbebenbeanspruchtes vorgespanntes Mauerwerk. Hierzu zählen rechnerische Voruntersuchungen, Nachrechnen der Wandversuche mittels FEM Parameterstudien und die Bestimmung des Verhaltensfaktors q. An vier verschiedenen Wandkörpern wurden statisch zyklische Schubversuche durchgeführt. Neben der Nachrechnung der Versuchsergebnisse mit dem FEM Programm Atena wurde die Schubkapazität der Versuchswände bestimmt und mit nach einem Modell von Bachmann/Lang ermittelten Werten verglichen. Die Nachrechnungen zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen Versuch und Rechnung.

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Zeitschriftenartikel

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Schwarz, Jochen; Genes, Mehmet Cemal; Abrahamczyk, Lars
Erdbebenserie in der Grenzregion Türkei-Syrien: Fragen und erste Erkenntnisse
Bauingenieur, 2023

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Karic, Amel; Sonnek, Raphael; Deix, Karl; Kolbitsch, Andreas
Nachbemessungsstrategie für gemauerte, gründerzeitliche Schubwände
Bauingenieur, 2023

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Karic, Amel; Atali?, Josip; Rudisch, Andreas; Kolbitsch, Andreas
Erdbebenschäden an gründerzeitlichen Mauerwerksbauten - Wechselwirkung zwischen tragender Gebäudestruktur und nichttragenden Bauelementen
Bauingenieur, 2023

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Quenneville, Pierre; Hashemi, Ashkan; Zarnani, Pouyan
Eine belastbare seismische Verbindung für erdbebensichere Strukturen. Selbstzentrierender Reibungsdämpfer
Bauingenieur, 2023

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Geiler, Eva
"Ideen in standsichere Lösungen umsetzen"
BTR Bühnentechnische Rundschau, 2022

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