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Erdbebensicherheit von Mauerwerksbauten

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

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Inhalt

Verfügbare Formate

Inhaltsverzeichnis

Tabelle Verzeichnis 6
Bilderverzeichnis 8
1 Einführung 12
1.1 Problemstellung, Ziel der Forschungsaufgabe 12
1.2 Lösungsansatz 14
2 Stand von Nachweis durch Einhaltung von Konstruktionsregeln 15
2.1 Allgemeines 15
2.2 Allgemeine konstruktive Anforderungen für Mauerwerksbauten in Erdbebengebieten 15
2.3 Zusätzliche Konstruktionsregeln nach DIN 4149-1: 1981 16
2.4 Zusätzliche Konstruktionsregeln nach DIN 4149-1: 2002 16
2.4.1 Material für Mauerwerk 16
2.4.2 Gebäudegestaltung im Grundriss und Aufriss 17
2.4.3 Geschossanzahl 17
2.4.4 Schubwände 17
2.5 Zusätzliche Konstruktionsregeln nach DIN 4149-1: 2005, ENV 1998-1-3 und prEN 1998-1 18
2.5.1 Material für Mauerwerk 18
2.5.2 Gebäudegestaltung im Grundriss und Aufriss 19
2.5.3 Geschossanzahl 19
2.5.4 Schubwände 20
2.6 Zusammenfassung und Bewertung der vorhandenen Konstruktionsregeln 24
3 Erdbebeneinwirkung 25
3.1 Ausbreitung von Erdbebenwellen 25
3.2 Generierung einer Beschleunigungs-Zeit-Funktion 26
3.2.1 Allgemeines 26
3.2.2 Erzeugung einer Zufallsfunktion x(t) für die Herdzone des Erdbebens 27
3.2.3 FOURIER-Transformation 27
3.2.4 Filterfunktionen 28
3.2.5 Elastisches Antwortspektrum 29
3.2.6 Intensitätsfunktion 34
3.2.7 Beispiel 35
4 Erdbebenanalyse 37
4.1 Allgemeines 37
4.2 Zeitverlaufsmethode zur Erdbebenanalyse 38
4.2.1 Allgemeines 38
4.2.2 Modifiziertes NEWTON-RAPHSON-Verfahren 40
4.3 Kombination der Erdbebeneinwirkung mit anderen Lasten 41
5 Mauerwerksmodellierung 43
5.1 Mauerwerksmodellierung 43
5.2 Materialmodelle für Mauerwerk 45
5.2.1 Schubbruchtheorie nach Mann/Müller 45
5.2.2 Schubbruchtheorie nach Graubner/Simon 48
5.2.3 Schubbruchtheorie nach Ganz/ Mojsilovi? 52
5.3 Erdbebenversuche an unbewehrtem Mauerwerk 54
5.3.1 Pseudodynamische Erdbebenversuche (TU München) 54
5.3.2 Zyklische Versuche (Universität Dortmund) 57
5.3.3 Rütteltischversuche (ZAG Ljubljana) 59
5.4 Stoffgesetz nach der Plastizitätstheorie 60
5.4.1 Grundlage der Plastizitätstheorie 60
5.4.2 Mehrflächige Fließfigur 64
5.5 Implementierung des Materialgesetzes von Mann/Müller in ANSYS 65
5.6 Überprüfung des Materialgesetzes 69
6 Schädigungsanalyse 70
6.1 Schädigungsphänomene 70
6.2 Modellierung nichtlinearer Tragwerksschädigung als Schädigungsprozess 70
6.2.1 Deterministische Grundlösung zur Modellierung der Schädigungsprozess von Mauerwerkkonstruktionen 70
6.2.2 Globale Schädigungsindikatoren 71
7 Numerische Untersuchungen 73
7.1 Materialeigenschaften 73
7.2 Belastung 73
7.3 Referenz-Reihenhaus 74
7.3.1 Geometriedaten 74
7.3.2 Berechnungsmodell 76
7.3.3 Untersuchungsparameter 76
7.3.4 Ergebnisse 78
7.3.5 Bewertung der Ergebnisse 80
7.4 Referenz-Mehrfamilienhaus 81
7.4.1 Geometriedaten 81
7.4.2 Berechnungsmodell 82
7.4.3 Untersuchungsparameter 83
7.4.4 Ergebnisse 85
7.4.5 Bewertung der Ergebnisse 87
7.5 Referenz-Einfamilienhäuser 88
7.5.1 Geometriedaten 88
7.5.2 Berechnungsmodell 89
7.5.3 Untersuchungsparameter 91
7.5.4 Ergebnisse 91
7.5.5 Bewertung der Ergebnisse 93
8 Detaillierte Anforderungen für "einfache Mauerwerksbauten" in Erdbebenzone 1 94
8.1 Detaillierte Anforderungen für typisches Reihenhaus 94
8.1.1 Geometrie 94
8.1.2 Materialkombination 94
8.1.3 Schubwände 94
8.2 Detaillierte Anforderungen für typisches Mehrfamilienhaus 95
8.2.1 Geometrie 95
8.2.2 Materialkombination 96
8.2.3 Schubwände 96
8.3 Detaillierter Anforderungen für typisches Einfamilienhaus 97
8.3.1 Geometrie 97
8.3.2 Materialkombination 98
8.3.3 Schubwände 98
9 Zusammenfassung und Ausblick 99
10 Quellen 102
ANLAGEN 106
A1 Untergrundverhältnisse, Geologie und Baugrund nach DIN 4149-1: 2005 106
A1.1 Allgemeines 106
A1.2 Geologische Untergrundklassen 106
A1.3 Baugrundklassen 106
A2 Erdbebenbelastung in Erdbebenzone 1 109
A2.1 Horizontale Bodenbeschleunigungs-Zeit-Funktionen 110
A2.2 Vertikale Bodenbeschleunigungs-Zeit-Funktionen 120
A3 Bewehrtes Mauerwerk 125

Publikationslisten zum Thema:
Mauerwerksbau, Erdbebensicherheit, Modell(numerisch), Simulation(numerisch), Konstruktion, Stein, Mörtel, Tragverhalten, Eurocode 8, Mehrfamilienhaus, Einfamilienhaus, Reihenhaus, Berechnungsmodell, Modellierung, Finite-Elemente-Methode, Konstruktionsregel, Erdbebeneinwirkung,

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Für die Beurteilung der Tragsicherheit eines Bauwerks ist es notwendig sowohl die Materialeigenschaften, als auch das Materialverhalten gegenüber verschiedenen Einwirkungen zu kennen. Um ein Makromodell (verschmiertes Modell) eines Materials erstellen zu können, werden hierzu die Formulierungen der klassischen Plastizitätstheorie angewendet. Es werden die Grundlagen dieser Theorie erklärt, wobei die allgemeinen Formulierungen für den eindimensionalen sowie den mehrdimensionalen Spannungszustand beschrieben werden. Des Weiteren ist eine ausführliche Literaturrecherche von vorhandenen Makromaterialmodellierungen für Mauerwerk geführt worden. Das Makromaterialmodell nach Ganz wird erklärt und erläutert. Ganz beschreibt sein Materialgesetz mit verschiedenen Versagenskriterien, welche einzelne Fließflächen darstellen. Anschließend fügt er diese Fließflächen zu einem kombinierten Fließflächenmodell zusammen. In der seismischen Beurteilung (Assessment) von maßgeblichen unbewehrten Mauerwerkshochbauten für das Katastrophenmanagement ist es erforderlich, alle Tragreserven des Materials auszuschöpfen. Mauerwerk besitzt eine wenn auch im Vergleich zur Druckfestigkeit geringe Zugfestigkeit. Das ursprüngliche Modell nach Ganz wird um die Fähigkeit der Aufnahme von Zugkräften erweitert und modifiziert. Somit ist eine neue Makromodellierung für unbewehrtes Mauerwerk entstanden, wobei diese ebenfalls mit einer kombinierten Fließfläche beschrieben wird. Im nächsten Schritt werden die Materialeigenschaften und Materialkenndaten von verschiedenen Forschungsarbeiten analysiert und präsentiert. Das neue Materialmodell wird in das Finite Elemente Programm ANSYS implementiert, wobei die hierfür notwendigen theoretischen Formulierungen beschrieben werden. Das implementierte Programm ist in der Lage, Mauerwerk auf seine Versagensarten zu analysieren und graphisch darzustellen. Das neue Materialmodell wird anhand von verschiedenen Laborversuchen verifiziert und auf seine Richtigkeit bestätigt. Das seismische Assessment von Mauerwerkshoch

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Forschungsberichte

Anmeldung zum Informationsdienst Bauforschung aktuell

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Vergleich der neuen Erdbebenkarten in Deutschland und mit den Anrainerstaaten
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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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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.

Wolfram Jäger, Song Ha Nguyen, Peter Schöps
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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.

H. Budelmann, E. Gunkler, U. Husemann
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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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