Evaluierung der Erdbebensicherheit von maßgeblichen Mauerwerkshochbauten für das Katastrophenmanagement

Suikai Lu
2014, 292 S., 77 Farbabb. 297 mm, Softcover
GRIN Verlag
ISBN 978-3-656-56405-8

Inhalt

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 Mauerwerkshochbauten wird behandelt, wobei hier die Methode der "quasi nichtlinearen" Analyse eingeführt und präsentiert wird. Des Weiteren wird hier auf potentielle Schwachstellen von unbewehrten Mauerwerkshochbauten gegenüber Erdbebenbeanspruchung sowie auf Verstärkungsmethoden eingegangen. Abschließend wird eine Anwendung der vorgestellten Methode gezeigt, bei der das LKH Innsbruck auf seine Sicherheit gegenüber seismischen Einwirkungen analysiert wird.

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In der Arbeit werden Faserverbundwerkstoffe (FVW) auf ihre Eignung für die Verstärkung von Mauerwerk hin untersucht. Mit Hilfe von Faserflächengebilden, die nachträglich mittels Mörtel oder Klebstoff auf der Wandoberfläche angebracht werden, wird dem Mauerwerk eine zusätzliche auf Zug verstärkende Komponente hinzugefügt. Umfangreiche Versuche mit speziell weiterentwickelten FVW werden durchgeführt, um die Effektivität dieser Materialien zu zeigen. Auf der Grundlage der Untersuchungen werden Bemessungsmethoden entwickelt. Die Untersuchungen sind so aufgebaut, dass vom Verbundverhalten der einzelnen Fasern bis hin zur Wirkung an einem kompletten Gebäude vorgegangen wird. Dazu wurden Zuguntersuchungen zur Beschreibung des Verbundes, Schubuntersuchungen an 3-Stein-Kleinkörpern, kleine statisch-zyklische Schubwandversuche, Biegeversuche an Wandsegmenten, großformatige dynamisch belastete Wandplatten und 5 Gebäudeversuche unter realistischer Echtzeit-Erdbebenbeschleunigung durchgeführt. Die Arbeit versucht dabei auch ein breites Spektrum an Materialien, Belastungsarten wie Scheibenschub und Plattenbiegung unter statischen und dynamischen Bedingungen, sowie verschiedene Gebäudetypen abzudecken.

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Im historischen Gebäudebestand kann bei gestalterisch anspruchsvollen Fassaden der Wärmeschutz der Gebäudehülle häufig nur durch lnnendämmungen verbessert werden. lnnendämmungen sind bei fachgerechter Planung und sorgfältiger Ausführung auch auf hohem Wärmeschutzniveau schadensfrei möglich. Der Einfluss von Wärmebrücken steigt jedoch mit zunehmendem Dämmniveau stark an. Häufig werden bei hohem energetischem Wärmeschutzniveau Lösungen ausgeführt, die sehr aufwändig und entsprechend kostenintensiv sind. Mit der Arbeit wird anhand von Berechnungen und an ausgeführten Beispielen untersucht, ob weniger aufwändige Konstruktionen auch funktionieren. Dabei werden die erforderlichen Maßnahmen ermittelt, die je nach Bauart variieren können. Die Untersuchung beschäftigt sich mit den Grenzen des sinnvollen Wärmeschutzes bei Altbauten und damit, ob energetische Modernisierungen an kritischen Konstruktionen zu Schäden führen können. Im Rahmen der Forschungsarbeit wurden die Angaben zu 28 Objekten ausgewertet, zehn der Gebäude konnten besichtigt werden.

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Im Rahmen des Forschungsprojektes "Mauerwerk unter kombinierter Beanspruchung" wurden am Institut für Baustatik und Konstruktion der ETH Zürich Versuche an 28 Mauerwerkswänden und 20 Kleinkörpern durchgeführt. Ziel dieser Versuche war es, das Trag- und Bruchverhalten von kombiniert beanspruchtem Mauerwerk zu untersuchen. Als Versuchsparameter wurden gewählt: Steinsorte, Normalkraftniveau, Neigung der Lagerfugen und Vestärkung der Wände durch Lagerfugenbewehrung oder Vorspannung. Bei den Wandversuchen wurden die stockwerkshohen Wände zunächst einer Normalkraft Q unterworfen, die in der Folge konstant gehalten wurde. Anschließend wurde die Fußverdrehung delta durch Aufbringen eines Momentes Q.e sukzessive gesteigert, bis ein Versagen auftrat. Dabei wurden Normalkräfte, Fußverdrehungen, Vorspannkräfte, Durchbiegungen, Verzerrungen und Risse gemessen.

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Im Rahmen der Bearbeitung des Forschungsprojektes wurde untersucht, wie sich Art und Abmessungen der Mörtelfugen, Feuchtegehalt, Grifftaschen, Steinabmessungen und Ausrichtung der Hohlräume und Luftkammern auf die äquivalente Wärmeleitfähigkeit des Mauerwerks auswirken. Hierfür wurden umfangreiche Messungen und Berechnungen an Mauerwerk mit verschiedenen Methoden gemacht und die Ergebnisse miteinander verglichen. Aufbauend auf den Ergebnissen für die einzelnen Einflüsse werden Schwellen-U-Werte für das Mauerwerk festgelegt, für die die o.g. Einflüsse das 3 Prozent-Kriterium aus DIN EN ISO 6946 übersteigen. Weiterhin werden die Verfahren zur Bestimmung von wärmetechnischen Nenn- und Bemessungswerten für Mauerwerk in DIN 4108-4 und DIN EN 1745 miteinander verglichen. Einige im europäischen Kontext unklare Aspekte in der DIN 4108-4 werden dargestellt und Empfehlungen zur Anpassung ausgearbeitet. Der verwendete Mörtel und die vorliegende Lagerfugendicke haben einen großen Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit des Mauerwerks. Schon 2 mm Dünnbettmörtel mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,4 W/(m?K) führen zu einer Erhöhung des U-Werts der Wand von ca. 3 Prozent. Da die Einflüsse auf den U-Wert kumuliert werden müssen, wird schnell die 3 Prozent Bagatellgrenze erreicht. Einen großen Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit und den U-Wert von Mauerwerk hat auch die durch Sorption aus der Luft aufgenommene Feuchte. Bei numerischen Simulationen ist darauf zu achten, dass für alle beteiligten Materialien der jeweilige Feuchtekorrekturfaktor angesetzt wird. Weitere Untersuchungen zeigen, dass die bisher in numerischen Simulationen vernachlässigten Einflüsse der Anisotropie des Ziegelscherbens unbedingt berücksichtigt werden sollten. Durch die Nicht-Berücksichtigung der Anisotropie liegen die Simulationsergebnisse zwischen 6 und 8 Prozent zu niedrig und damit deutlich zu günstig.

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Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, die in Vorgängerprojekten unter Laborklima gewonnenen Erkenntnisse in den Kontext realitätsnaher Bedingungen zu stellen. Hierfür wurden Proben sowohl bis zu 5 Jahre ausgelagert als auch für 1-2 Monate einer 1 prozentigen CO2-Atmosphäre ausgesetzt. Es wurde die Festigkeit, der Carbonatisierungsgrad und die Phasenzusammensetzung untersucht. Zusätzlich wurden im Anlieferungszustand Schwinduntersuchungen durchgeführt. In den Ergebnissen der Schwinduntersuchungen konnten die drei im Vorgängerprojekt identifizierten Typen der Schwinddehnungsentwicklung beobachtet werden. Mit Ausnahme der untersuchten Proben aus einem Herstellwerk näherten sich die gemessenen Werte der Schwinddehnung asymptotisch einem Grenzwert an. Die mechanischen und mineralogischen Untersuchungen ergaben bis auf die oben genannte Ausnahme eines Herstellwerks keine nennenswerten Abweichungen. Aufgrund der Ergebnisse dieses Forschungsprojekts und seiner Vorgängerprojekte kann das Risiko für carbonatisierungsbedingte Druckfestigkeitsverluste für die untersuchten Steine eines Herstellwerks unter allen untersuchten Lagerungsbedingungen als gegeben angenommen werden. Ansonsten wird es als eher gering eingeschätzt. Ein Restrisiko kann jedoch vor allem bei niedrigen Rohdichteklassen insbesondere dann gegeben sein, wenn stark erhöhte CO2-Belastungen auftreten (z. B. Sektkeltereien u. dgl.) und ggf. noch weitere Faktoren wie beispielsweise hohe Feuchte oder Dauerbelastung relevant werden können. Weiterhin wurden im Forschungsvorhaben diverse Prüfverfahren diskutiert, mit denen mögliche verbleibende Anwendungsrisiken frühzeitig erkannt bzw. ausgeschlossen werden können. Dabei zeigte sich, dass die Schnellcarbonatisierung unter den eingesetzten Randbedingungen keinen sinnvollen Zeitrafferversuch darstellt. Vielmehr erscheinen Schwinduntersuchungen analog zu DIN EN 880 in Kombination mit einer Auswertung des Verlaufs der Schwindverformungsentwicklung am ehesten geeignet zu sein, als ein erstes Indiz ein potenzielles Carbo

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Historische Mauerwerksbauwerke im Bestand haben aufgrund unterschiedlicher Einwirkungen (z.B. aus Eigengewicht, Schädigungen und Baugrundsenkungen) einen unbekannten Dehnungszustand. Seine mathematische Abschätzung muss wegen der vielfältigen Imponderabilien notwendigerweise sehr konservativ erfolgen. Der verfügbare Nutzlastanteil wird entsprechend stark reduziert und ein rechnerischer Nachweis für angestrebte Verkehrslasten gelingt nicht. Durch möglichst zutreffende experimentelle In-Situ-Ermittlung des "eingefrorenen" Dehnungszustands kann die zulässige Nutzlast erheblich gesteigert und manches Bauwerk vor dem (unnötigen) Abriss bewahrt und/oder höher ausgelastet werden. Die durch das Verfahren der Freischneidetechnik gewonnenen Messergebnisse werden in eine statische Berechnung eingeführt, um diese zu stützen und ggf. vorhandene Tragreserven zu erschließen. Die effektive Tragsicherheit historischer Mauerwerksbauten soll so mit vergleichsweise geringem Aufwand und minimalinvasiv zuverlässig bestimmt werden.

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Nach DIN 1053-1 ist die Haftscherfestigkeit an Mauermörteln gemäß DIN 18555-5 an Prüfkörpern (Zweisteinkörper) aus Referenzsteinen zu bestimmen. Die so ermittelte Haftscherfestigkeit bildet u.a. die Grundlage für die Bemessung von Mauerwerk auf Biegung und Schub. Die europäisch harmonisierte Norm für Mauermörtel DIN EN 998-2 sieht die Prüfung der Haftscherfestigkeit nach DIN EN 1052-3 vor. Die Prüfung nach dieser Norm unterscheidet sich von der Prüfung nach DIN 18555-5. Nach DIN EN 1052-3 erfolgt die Prüfung unter Einbeziehung unterschiedlicher Auflasten an Dreisteinkörpern. Weiterhin kann die Prüfung unter gewissen Voraussetzungen auch mit großformartigen Steinen durchgeführt werden. DIN EN 1052-3 wurde seit ihrer Entstehung mehrfach überarbeitet, so dass derzeit eine gesicherte Korrelation zwischen den Ergebnissen der beiden Prüfnormen nicht bekannt ist. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, durch ergänzende Versuche mit Normal-, Leicht- und Dünnbettmörtel die vorhandenen Lücken hinsichtlich der nach den beiden Prüfnormen ermittelten Haftscherfestigkeiten zu schließen. Letztlich soll das in DIN V 18580 bzw. DIN V 20000-412 festgelegte Verhältnis der Haftscherfestigkeit nach DIN EN 1052-3 zur Haftscherfestigkeit nach DIN 18555-5 von 0,5 überprüft werden. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurden vergleichende Versuche zur Haftscherfestigkeit nach DIN 18555-5 und DIN EN 1052-3 durchgeführt.

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Einbruchhemmung mit Mauerwerk aus Leichtbeton
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