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

Norda, Hannah; Meskouris, Konstantin

doi:4813

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

2013

VerantwortlichkeitsangabeHannah Norda

Ausgabe1. Aufl.

ImpressumAachen : Printproduction M. Wolff 2013

UmfangIV, 122 S. : Ill., graph. Darst.

ISBN978-3-941704-39-8

ReiheMitteilungen des Lehrstuhls für Baustatik und Baudynamik, Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen ; 24 = 13/2

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

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Meskouris, Konstantin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-12-19

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-48130
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/228642/files/4813.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Baustatik und Baudynamik (311810)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Erdbeben (Genormte SW) ; Mauerwerk (Genormte SW) ; Dämpfung (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; unbewehrtes Mauerwerk (frei) ; statisch nichtlineare Verfahren (frei) ; Pushoverberechnung (frei) ; earthquake (frei) ; seismic design (frei) ; unreinforced masonry (frei) ; pushover analysis (frei) ; deformation-based verification procedure (frei) ; energy dissipation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

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.

Construction and verification of masonry buildings under earthquake loading is usually done by determining of all relevant maximum values of forces, displacements and deformations. There are different classes of methods for the prediction of the behaviour of the construction. The main focus of this contribution lies on nonlinear static procedures, which have the advantage that no complex time history calculation is necessary and nonlinear material properties can be inherently considered. This makes them very interesting for practical application. Additionally, they allow for an explicit consideration of nonlinear reserves. Firstly the basic principles of nonlinear static procedures are described in detail and their potentials and limitations are discussed in this contribution. In the centre of interest is the procedure of DIN EN 1998-1 which will become widely used with the introduction of this standard in Germany. The basis for all these procedures is the pushover curve, which depicts the displacement of a control node for increasing horizontal loads considering the nonlinear behaviour of the system. The verification within these procedures is then done by comparing this capacity with the seismic demand taking the energy dissipation into account. Based on a comparison of different common methods with time history calculations, recommendations for a secure application and important input parameters are derived. Irrespective of the verification method, the correct estimation of the dissipated energy always plays a key role. Therefore a suitable inelastic spectrum or damping approach is necessary. Nonlinear static procedures can be subdivided into multimodal procedures and those considering only the fundamental mode. The second class of methods is sufficiently accurate if the fundamental vibration mode is dominating the structural behaviour. However, for certain ground plans or mass distributions, higher modes can have a significant influence on the vibration characteristics of the building. If higher modes have an influence on the structural behaviour under earthquake loading, multimodal procedures lead to a better match between reality and modelling result. An overview of current state-of-the-art multimodal procedures is given and an enhanced concept is developed. This concept, the nonlinear adaptive multimodal interaction analysis (AMI), is based on multiple pushover analyses to determine the maximum inter storey drift. This parameter is especially important for masonry buildings. Within one pushover analysis changes of dynamic parameters and the load distribution are considered which occur due to local failures of the structure. The load distributions are determined from combinations of all relevant modes which ensure that the most unfavourable combination for each storey is always considered. Therefore the concept is always on the safe side. For the applicability of nonlinear static procedures to unreinforced masonry buildings, a structural building model is necessary. On the one hand, the building model must represent the failure modes of single walls (flexural failure, sliding shear failure and diagonal tension shear failure) and on the other hand the structural behaviour. This includes the interaction between walls and slabs and the redistribution of loads. In this contribution a macro element is presented which captures all of these effects. Besides the structural building model, a realistic estimation of the energy dissipation of the entire building is necessary to predict the behaviour under earthquake loading by nonlinear static procedures. Especially for masonry buildings a damping model is necessary which represents the dissipated energy as a function of the failure modes of single walls. Based on experimental results a novel damping approach is presented which is shown to be capable of predicting the hysteretic damping due to the modes of failure and ductility. The presented nonlinear concept in combination with the developed damping model allows to fully exploit the capacity of masonry as a construction material. This makes masonry a viable construction material for various construction tasks again.

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