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Die Erdbeben in Albstadt 1978 (Magnitude 5,7), Roermond 1992 (Magnitude 5,9) oder in Waldkirch 2004 (Magnitude 5,1) haben verdeutlicht, dass die erdbebensichere Auslegung von Mauerwerksbauten auch in Deutschland von großer Bedeutung ist. Bereits im Jahr 1981 wurde die DIN 4149 (1981) “Bauten in deutschen Erdbebengebieten – Lastannahmen, Bemessung und Ausführung üblicher Hochbauten“ eingeführt, in der aber für Mauerwerksbauten nur wenige Anforderungen gestellt wurden. Diese Norm wurde durch den NABau-Arbeitsausschuss “Erdbeben; Sonderfragen“ des Deutschen Instituts für Normung e.V. (DIN) auf Grundlage des Eurocode 8 (2004) vollständig überarbeitet und durch die DIN 4149 (2005) abgelöst, die umfangreiche Regelungen für die seismische Auslegung von Mauerwerksbauten enthält. Mittlerweile liegen die DIN EN 1998-1 (2010) und der Nationale Anhang DIN EN 1998-1/NA (2011) vor, die nach Einarbeitung der Ergebnisse der durchgeführten Anwendungserprobung bauaufsichtlich eingeführt und die DIN 4149 (2005) ersetzen werden. Der folgende Beitrag gibt einen Überblick über die seismische Berechnung und Bemessung von Mauerwerksbauten nach dem europäischen Regelwerk und illustriert deren Anwendung an einem baupraktischen Beispiel.
Der vorliegende Beitrag stellt den seismischen Nachweis von Mauerwerksbauten in Deutschland auf Grundlage der DIN EN 1998‐1/NA vor, wobei auch die wesentlichen Änderungen zu der Norm DIN 4149 vergleichend erläutert werden. Vorgestellt werden die Definition der Erdbebeneinwirkung, das seismische Verhalten von Mauerwerksbauten und die Erläuterung der Rechenverfahren. Darauf aufbauend wird die Anwendung an drei Praxisbeispielen demonstriert.
Die Erdbebensicherheit von Gebäuden aus Kalksandsteinmauerwerk ist aktuell nach DIN 4149 mit linearen Verfahren nachzuweisen. Dies führt in der praktischen Anwendung zu großen Problemen, da selbst traditionell übliche Grundrisse teilweise nicht mehr ohne zusätzliche Maßnahmen nachweisbar sind. Zur Lösung dieser Problematik wurden von der deutschen Mauerwerksindustrie auf nationaler und europäischer Ebene Forschungsprojekte initiiert, deren Ergebnisse in Form von statisch nichtlinearen Verfahren Eingang in den Nationalen Anhang zur DIN EN 1998-1 [12] gefunden haben. Mit den Verfahren wird die Nachweissituation zukünftig grundlegend verbessert, da mit diesen die Tragwerksreserven wesentlich besser ausgenutzt werden können. Im Folgenden wird die Anwendung der Verfahren am Beispiel einer Reihenhauszeile aus Kalksandsteinmauerwerk demonstriert. Der Nachweis der Reihenhäuser wurde im Rahmen einer Zustimmung im Einzelfall, die vom Bundesverband Kalksandsteinindustrie eV in Hannover koordiniert wurde, durch unabhängige Gutachter und die Bauaufsicht eingehend geprüft und für richtig befunden. Die Durchführung des Nachweises erfolgte auf Grundlage eines an der RWTH Aachen entwickelten neuen Nachweiskonzeptes. Die baupraktische Anwendbarkeit und einfache Nachvollziehbarkeit dieses Konzepts ist durch eine softwaretechnische Umsetzung sichergestellt.
Moderne Bauwerke müssen heute eine hohe energetische Leistungsfähigkeit aufweisen und gleichzeitig alle einwirkenden Lasten sicher abtragen. Dies stellt insbesondere in Erdbebengebieten hohe Anforderungen an die verwendeten Baustoffe. Am baupraktischen Beispiel einer Doppelhaushälfte wird demonstriert, dass die Symbiose aus energieeffizientem und gleichzeitig erdbebensicherem Bauen in der höchsten deutschen Erdbebenzone mit monolithischem Ziegelmauerwerk gut realisierbar ist. Als Ziegelmauerwerk werden für die Außenwände wärmetechnisch optimierte Hochlochziegel verwendet, die sowohl die Anforderungen der Energieeinsparverordnung 2009 als auch die Anforderungen an Mauerwerkbaustoffe nach den aktuellen Erdbebennormen erfüllen. Der Erdbebennachweis der Doppelhaushälfte erfolgt mit einem nichtlinearen Nachweisverfahren, das für eine einfache praktische Anwendung programmtechnisch umgesetzt wurde. Für den Nachweis wurden aus zyklischen Schubwandversuchen ermittelte Last-Verformungskurven verwendet. Das gesamte in Deutschland noch nicht normativ geregelte Nachweiskonzept wurde im Rahmen einer Zustimmung im Einzelfall geprüft und genehmigt.
Moderne Mauerwerksbauten müssen nach heutigen Anforderungen architektonisch, statisch, energetisch sowie schall- und brandschutztechnisch optimal ausgelegt sein. Aufgrund der Komplexität und engen Verzahnung der einzelnen Anforderungen ist eine integrale Gebäudeplanung zur Erzielung einer qualitativ hochwertigen Bauwerkslösung unbedingt notwendig. Diese erfordert von den Fachplanern vertieftes Spezialwissen in den verschiedenen Bereichen, um insbesondere die Schnittstellen und Bauwerksdetails korrekt zu planen und auszuführen. Der Beitrag stellt die integrale Gebäudeplanung am Beispiel eines Geschossbaus in Ziegelbauweise mit Lösungen für wesentliche Detailpunkte vor
Pseudo-dynamische Versuche an Reihenmittelhäusern – Vergleich mit aktuellen Berechnungsansätzen
(2008)
Berechnung und Bemessung von durch Erdbeben beanspruchten Mauerwerksbauten nach DIN 4149 (04.2005)
(2007)
Mauerwerksbauten in Deutschland sind mit Einführung des nationalen Anwendungsdokuments DIN EN 1998-1/NA auf Grundlage einer neuen probabilistischen Erdbebenkarte nachzuweisen. Für erfolgreiche Erdbebennachweise üblicher Grundrissformen von Mauerwerksbauten stehen in dem zukünftigen Anwendungsdokument neue rechnerische Nachweismöglichkeiten zur Verfügung, mit denen die Tragfähigkeitsreserven von Mauerwerksbauten in der Baupraxis mit einem überschaubaren Aufwand besser in Ansatz gebracht werden können. Das Standardrechenverfahren ist weiterhin der kraftbasierte Nachweis, der nun mit höheren Verhaltensbeiwerten im Vergleich zur DIN 4149 durchgeführt werden kann. Die höheren Verhaltensbeiwerte basieren auf der besseren Ausnutzung der gebäudespezifischen Verformungsfähigkeit und Energiedissipation sowie der Lastumverteilung der Schubkräfte im Grundriss mit Ansatz von Rahmentragwirkung durch Wand-Deckeninteraktionen. Alternativ dazu kann ein nichtlinearer Nachweis auf Grundlage von Pushover-Analysen zur Anwendung kommen. Vervollständigt werden die Regelungen für Mauerwerksbauten durch neue Regelungen für nichttragende Innenwände und Außenmauerschalen. Der vorliegende Beitrag stellt die Grundlagen und Hintergründe der neuen rechnerischen Nachweise in DIN EN 1998-1/NA vor und demonstriert deren Anwendung an einem Beispiel aus der Praxis.
In order for traditional masonry to stay a competitive building material in seismically active regions there is an urgent demand for modern, deformation-based verification procedures which exploit the nonlinear load bearing reserves. The Capacity Spectrum Method (CSM) is a widely accepted design approach in the field of reinforced concrete and steel construction. It compares the seismic action with the load-bearing capacity of the building considering nonlinear material behavior with its post-peak capacity. The bearing capacity of the building is calculated iteratively using single wall capacity curves. This paper presents a new approach for the bilinear approximation of single wall capacity curves in the style of EC6/EC8 respectively FEMA 306/FEMA 356 based on recent shear wall test results of the European Collective-Research Project “ESECMaSE”. The application of the CSM to masonry structures by using bilinear approximations of capacity curves as input is demonstrated on the example of a typical German residential home.
Past earthquakes demonstrated the high vulnerability of industrial facilities equipped with complex process technologies leading to serious damage of the process equipment and multiple and simultaneous release of hazardous substances in industrial facilities. Nevertheless, the design of industrial plants is inadequately described in recent codes and guidelines, as they do not consider the dynamic interaction between the structure and the installations and thus the effect of seismic response of the installations on the response of the structure and vice versa. The current code-based approach for the seismic design of industrial facilities is considered not enough for ensure proper safety conditions against exceptional event entailing loss of content and related consequences. Accordingly, SPIF project (Seismic Performance of Multi- Component Systems in Special Risk Industrial Facilities) was proposed within the framework of the European H2020 - SERA funding scheme (Seismology and Earthquake Engineering Research Infrastructure Alliance for Europe). The objective of the SPIF project is the investigation of the seismic behavior of a representative industrial structure equipped with complex process technology by means of shaking table tests. The test structure is a three-story moment resisting steel frame with vertical and horizontal vessels and cabinets, arranged on the three levels and connected by pipes. The dynamic behavior of the test structure and installations is investigated with and without base isolation. Furthermore, both firmly anchored and isolated components are taken into account to compare their dynamic behavior and interactions with each other. Artificial and synthetic ground motions are applied to study the seismic response at different PGA levels. After each test, dynamic identification measurements are carried out to characterize the system condition. The contribution presents the numerical simulations to calibrate the tests on the prototype, the experimental setup of the investigated structure and installations, selected measurement data and finally describes preliminary experimental results.
Past earthquakes demonstrated the high vulnerability of industrial facilities equipped with complex process technologies leading to serious damage of the process equipment and multiple and simultaneous release of hazardous substances in industrial facilities. Nevertheless, the design of industrial plants is inadequately described in recent codes and guidelines, as they do not consider the dynamic interaction between the structure and the installations and thus the effect of seismic response of the installations on the response of the structure and vice versa. The current code-based approach for the seismic design of industrial facilities is considered not enough for ensure proper safety conditions against exceptional event entailing loss of content and related consequences. Accordingly, SPIF project (Seismic Performance of Multi-Component Systems in Special Risk Industrial Facilities) was proposed within the framework of the European H2020 - SERA funding scheme (Seismology and Earthquake Engineering Research Infrastructure Alliance for Europe). The objective of the SPIF project is the investigation of the seismic behaviour of a representative industrial structure equipped with complex process technology by means of shaking table tests. The test structure is a three-story moment resisting steel frame with vertical and horizontal vessels and cabinets, arranged on the three levels and connected by pipes. The dynamic behaviour of the test structure and of its relative several installations is investigated. Furthermore, both process components and primary structure interactions are considered and analyzed. Several PGA-scaled artificial ground motions are applied to study the seismic response at different levels. After each test, dynamic identification measurements are carried out to characterize the system condition. The contribution presents the experimental setup of the investigated structure and installations, selected measurement data and describes the obtained damage. Furthermore, important findings for the definition of performance limits, the effectiveness of floor response spectra in industrial facilities will be presented and discussed.
In this paper, a coupled multiphase model considering both non-linearities of water retention curves and solid state modeling is proposed. The solid displacements and the pressures of both water and air phases are unknowns of the proposed model. The finite element method is used to solve the governing differential equations. The proposed method is demonstrated through simulation of seepage test and partially consolidation problem. Then, implementation of the model is done by using hypoplasticity for the solid phase and analyzing the fully saturated triaxial experiments. In integration of the constitutive law error controlling is improved and comparisons done accordingly. In this work, the advantages and limitations of the numerical model are discussed.
Multi-dimensional fragility analysis of a RC building with components using response surface method
(2017)
Conventional fragility curves describe the vulnerability of the main structure under external hazards. However, in complex structures such as nuclear power plants, the safety or the risk depends also on the components associated with a system. The classical fault tree analysis gives an overall view of the failure and contains several subsystems to the main event, however, the interactions in the subsystems are not well represented. In order to represent the interaction of the components, a method suggested by Cimellaro et al. (2006) using multidimensional performance limit state functions to obtain the system fragility curves is adopted. This approach gives the possibility of deriving the cumulative fragility taking into account the interaction of the response of different components. In this paper, this approach is used to evaluate seismic risk of a representative electrical building infrastructure, including the component, of a nuclear power plant. A simplified model of the structure, with nonlinear material behavior is employed for the analysis in Abaqus©. The input variables considered are the material parameters, boundary conditions and the seismic input. The variability of the seismic input is obtained from selected ground motion time histories of spectrum compatible synthetic ccelerograms. Unlike the usual Monte Carlo methods used for the probabilistic analysis of the structure, a computationally effective response surface method is used. This method reduces the computational effort of the calculations by reducing the required
number of samples.
Experimental investigation of behaviour of masonry infilled RC frames under out-of-plane loading
(2021)
Masonry infills are commonly used as exterior or interior walls in reinforced concrete (RC) frame structures and they can be encountered all over the world, including earthquake prone regions. Since the middle of the 20th century the behaviour of these non-structural elements under seismic loading has been studied in numerous experimental campaigns. However, most of the studies were carried out by means of in-plane tests, while there is a lack of out-of-plane experimental investigations. In this paper, the out-of-plane tests carried out on full scale masonry infilled frames are described. The results of the out-of-plane tests are presented in terms of force-displacement curves and measured out-of-plane displacements. Finally, the reliability of existing analytical approaches developed to estimate the out-of-plane strength of masonry infills is examined on presented experimental results.
Damage of reinforced concrete (RC) frames with masonry infill walls has been observed after many earthquakes. Brittle behaviour of the masonry infills in combination with the ductile behaviour of the RC frames makes infill walls prone to damage during earthquakes. Interstory deformations lead to an interaction between the infill and the RC frame, which affects the structural response. The result of this interaction is significant damage to the infill wall and sometimes to the surrounding structural system too. In most design codes, infill walls are considered as non-structural elements and neglected in the design process, because taking into account the infills and considering the interaction between frame and infill in software packages can be complicated and impractical. A good way to avoid negative aspects arising from this behavior is to ensure no or low-interaction of the frame and infill wall, for instance by decoupling the infill from the frame. This paper presents the numerical study performed to investigate new connection system called INODIS (Innovative Decoupled Infill System) for decoupling infill walls from surrounding frame with the aim to postpone infill activation to high interstory drifts thus reducing infill/frame interaction and minimizing damage to both infills and frames. The experimental results are first used for calibration and validation of the numerical model, which is then employed for investigating the influence of the material parameters as well as infill’s and frame’s geometry on the in-plane behaviour of the infilled frames with the INODIS system. For all the investigated situations, simulation results show significant improvements in behaviour for decoupled infilled RC frames in comparison to the traditionally infilled frames.
The sandfish (Scincus scincus) is a lizard having the remarkable ability to move through desert sand for significant distances. It is well adapted to living in loose sand by virtue of a combination of morphological and behavioural specializations. We investigated the bodyform of the sandfish using 3D-laserscanning and explored its locomotion in loose desert sand using fast nuclear magnetic resonance (NMR) imaging. The sandfish exhibits an in-plane meandering motion with a frequency of about 3 Hz and an amplitude of about half its body length accompanied by swimming-like (or trotting) movements of its limbs. No torsion of the body was observed, a movement required for a digging-behaviour. Simple calculations based on the Janssen model for granular material related to our findings on bodyform and locomotor behaviour render a local decompaction of the sand surrounding the moving sandfish very likely. Thus the sand locally behaves as a viscous fluid and not as a solid material. In this fluidised sand the sandfish is able to “swim” using its limbs.
Am 1. Oktober 2013 ist das auf drei Jahre angelegte EU-Forschungsprojekt INSYSME – Innovative Systeme für erdbebentaugliche Ausfachungswände aus Ziegelmauerwerk in Stahlbetonrahmentragwerken – gestartet. Unter der Koordination der Universität Padua beteiligen sich 16 Partner aus sechs europäischen Ländern (Deutschland, Griechenland, Italien, Portugal, Rumänien, Türkei). Als deutsche Partner nehmen die Arbeitsgemeinschaft Mauerziegel aus Bonn, die Universität Kassel sowie das Ingenieurbüro SDA-engineering GmbH aus Herzogenrath, teil. Ziel der deutschen Partner ist die Entwicklung von innovativen Ausfachungssystemen aus monolithischem wärmedämmenden Ziegelmauerwerk, mit denen nicht nur eine erhöhte Erdbebensicherheit, sondern auch die sichere Erfüllung der steigenden Anforderungen aus Windbeanspruchungen gewährleistet werden können. Die Forschungsergebnisse sollen vom Partner SDA-engineering GmbH in die bereits seit einigen Jahren verfügbare Softwarelösung MINEA [1] integriert werden. Weitere Informationen stehen auf den Websites des Projektes [2] zur Verfügung. Im vorliegenden Beitrag werden nach einer kurzen thematischen Einführung die Ergebnisse von Tastversuchen an senkrecht zur Ebene belasteten Ausfachungswänden aus Planziegelmauerwerk vorgestellt. Im Anschluss wird das geplante Arbeitsprogramm der deutschen Partner im Projekt INSYSME beschrieben.
EU-Projekt INSYSME : innovative Systeme für erdbebentaugliche Ausfachungswände aus Ziegelmauerwerk
(2014)
This paper proposes a quick and simplified method to describe masonry vaults in global seismic analyses of buildings. An equivalent macro-element constituted by a set of six trusses, two for each transverse, longitudinal and diagonal direction, is introduced. The equivalent trusses, whose stiffness is calculated by fully modeled vaults of different geometry, mechanical properties and boundary conditions, simulate the vault in both global analysis and local analysis, such as kinematic or rocking approaches. A parametric study was carried out to investigate the influence of geometrical characteristics and mechanical features on the equivalent stiffness values. The method was numerically validated by performing modal and transient analysis on a three naves-church in the elastic range. Vibration modes and displacement time-histories were compared showing satisfying agreement between the complete and the simplified models. This procedure is particularly useful in engineering practice because it allows to assess, in a simplified way, the effectiveness of strengthening interventions for reducing horizontal relative displacements between vault supports.