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Influence of slab deflection on the out-of-plane capacity of unreinforced masonry partition walls
(2023)
Severe damage of non-structural elements is noticed in previous earthquakes, causing high economic losses and posing a life threat for the people. Masonry partition walls are one of the most commonly used non-structural elements. Therefore, their behaviour under earthquake loading in out-of-plane (OOP) direction is investigated by several researches in the past years. However, none of the existing experimental campaigns or analytical approaches consider the influence of prior slab deflection on OOP response of partition walls. Moreover, none of the existing construction techniques for the connection of partition walls with surrounding reinforced concrete (RC) is investigated for the combined slab deflection and OOP loading. However, the inevitable time-dependent behaviour of RC slabs leads to high values of final slab deflections which can further influence boundary conditions of partition walls. Therefore, a comprehensive study on the influence of slab deflection on the OOP capacity of masonry partitions is conducted. In the first step, experimental tests are carried out. Results of experimental tests are further used for the calibration of the numerical model employed for a parametric study. Based on the results, behaviour under combined loading for different construction techniques is explained. The results show that slab deflection leads either to severe damage or to a high reduction of OOP capacity. Existing practical solutions do not account for these effects. In this contribution, recommendations to overcome the problems of combined slab deflection and OOP loading on masonry partition walls are given. Possible interaction of in-plane (IP) loading, with the combined slab deflection and OOP loading on partition walls, is not investigated in this study.
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.
Im Norden von Serbien erfolgt in Novi Sad der Neubau eines modernen Forschungsgebäudes für das BioSense-Institut mit finanzieller Unterstützung durch die Eu-ropäische Union. Der Gebäudeteil mit Laboren wird zum Schutz und zur Sicherstellung des reibungslosen Betriebs der sensiblen und kapitalintensiven technischen Einbauten mit ei-ner Erdbebenisolierung mit integrierter Körperschallisolation versehen. Zusätzlich wird der entkoppelte Laborteil des For-schungsgebäudes mit einem BIM-basierten Bauwerksmonito-ring versehen, um Änderungen des Gebäudezustands jederzeit abfragen und beurteilen zu können.
Monte Carlo Tree Search (MCTS) is a search technique that in the last decade emerged as a major breakthrough for Artificial Intelligence applications regarding board- and video-games. In 2016, AlphaGo, an MCTS-based software agent, outperformed the human world champion of the board game Go. This game was for long considered almost infeasible for machines, due to its immense search space and the need for a long-term strategy. Since this historical success, MCTS is considered as an effective new approach for many other scientific and technical problems. Interestingly, civil structural engineering, as a discipline, offers many tasks whose solution may benefit from intelligent search and in particular from adopting MCTS as a search tool. In this work, we show how MCTS can be adapted to search for suitable solutions of a structural engineering design problem. The problem consists of choosing the load-bearing elements in a reference reinforced concrete structure, so to achieve a set of specific dynamic characteristics. In the paper, we report the results obtained by applying both a plain and a hybrid version of single-agent MCTS. The hybrid approach consists of an integration of both MCTS and classic Genetic Algorithm (GA), the latter also serving as a term of comparison for the results. The study’s outcomes may open new perspectives for the adoption of MCTS as a design tool for civil engineers.
Recent earthquakes as the 2012 Emilia earthquake sequence showed that recently built unreinforced masonry (URM) buildings behaved much better than expected and sustained, despite the maximum PGA values ranged between 0.20–0.30 g, either minor damage or structural damage that is deemed repairable. Especially low-rise residential and commercial masonry buildings with a code-conforming seismic design and detailing behaved in general very well without substantial damages. The low damage grades of modern masonry buildings that was observed during this earthquake series highlighted again that codified design procedures based on linear analysis can be rather conservative. Although advances in simulation tools make nonlinear calculation methods more readily accessible to designers, linear analyses will still be the standard design method for years to come. The present paper aims to improve the linear seismic design method by providing a proper definition of the q-factor of URM buildings. These q-factors are derived for low-rise URM buildings with rigid diaphragms which represent recent construction practise in low to moderate seismic areas of Italy and Germany. The behaviour factor components for deformation and energy dissipation capacity and for overstrength due to the redistribution of forces are derived by means of pushover analyses. Furthermore, considerations on the behaviour factor component due to other sources of overstrength in masonry buildings are presented. As a result of the investigations, rationally based values of the behaviour factor q to be used in linear analyses in the range of 2.0–3.0 are proposed.
Aufgrund der gestiegenen Anforderungen durch höhere Ein-wirkungen aus Wind und Erdbeben ist eine Verbesserung und Optimierung der Berechnungs- und Bemessungsansätze für Mauerwerksbauten erforderlich. Eine bessere Ausnutzung der Tragwerksreserven ist durch die Berücksichtigung der Rah-mentragwirkung mit einer Aktivierung der Deckenscheiben in den Rechenmodellen möglich, die in der Praxis aufgrund der Komplexität der Wand-Decken-Interaktion bislang nicht aus-genutzt wird. Im vorliegenden Aufsatz wird ein vereinfachter Ansatz auf Grundlage der mitwirkenden Plattenbreite von Schubwänden aus Mauerwerk vorgestellt, der die wesentli-chen Einfl ussfaktoren in parametrisierten Tabellen erfasst. Damit steht den Tragwerksplanern ein einfach anwendbares Werkzeug zur Verfügung, um die Rahmentragwirkung in der Mauerwerksbemessung anzusetzen.
Because of simple construction process, high energy efficiency, significant fire resistance and excellent sound isolation, masonry infilled reinforced concrete (RC) frame structures are very popular in most of the countries in the world, as well as in seismic active areas. However, many RC frame structures with masonry infills were seriously damaged during earthquake events, as the traditional infills are generally constructed with direct contact to the RC frame which brings undesirable infill/frame interaction. This interaction leads to the activation of the equivalent diagonal strut in the infill panel, due to the RC frame deformation, and combined with seismically induced loads perpendicular to the infill panel often causes total collapses of the masonry infills and heavy damages to the RC frames. This fact was the motivation for developing different approaches for improving the behaviour of masonry infills, where infill isolation (decoupling) from the frame has been more intensively studied in the last decade. In-plane isolation of the infill wall reduces infill activation, but causes the need for additional measures to restrain out-of-plane movements. This can be provided by installing steel anchors, as proposed by some researchers. Within the framework of European research project INSYSME (Innovative Systems for Earthquake Resistant Masonry Enclosures in Reinforced Concrete Buildings) the system based on a use of elastomers for in-plane decoupling and steel anchors for out-of-plane restrain was tested. This constructive solution was tested and deeply investigated during the experimental campaign where traditional and decoupled masonry infilled RC frames with anchors were subjected to separate and combined in-plane and out-of-plane loading. Based on a detailed evaluation and comparison of the test results, the performance and effectiveness of the developed system are illustrated.
Past earthquakes demonstrated the high vulnerability of industrial facilities equipped with complex process technologies leading to serious damage of process equipment and multiple and simultaneous release of hazardous substances. Nonetheless, current standards for seismic design of industrial facilities are considered inadequate to guarantee proper safety conditions against exceptional events entailing loss of containment and related consequences. On these premises, the 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. In detail, the objective of the SPIF project is the investigation of the seismic behaviour of a representative industrial multi-storey frame structure equipped with complex process components by means of shaking table tests. Along this main vein and in a performance-based design perspective, the issues investigated in depth are the interaction between a primary moment resisting frame (MRF) steel structure and secondary process components that influence the performance of the whole system; and a proper check of floor spectra predictions. The evaluation of experimental data clearly shows a favourable performance of the MRF structure, some weaknesses of local details due to the interaction between floor crossbeams and process components and, finally, the overconservatism of current design standards w.r.t. floor spectra predictions.
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.
Erdbebennachweis von Mauerwerksbauten mit realistischen Modellen und erhöhten Verhaltensbeiwerten
(2021)
Die Anwendung des linearen Nachweiskonzepts auf Mauerwerksbauten führt dazu, dass bereits heute Standsicherheitsnachweise für Gebäude mit üblichen Grundrissen in Gebieten mit moderaten Erdbebeneinwirkungen nicht mehr geführt werden können. Diese Problematik wird sich in Deutschland mit der Einführung kontinuierlicher probabilistischer Erdbebenkarten weiter verschärfen. Aufgrund der Erhöhung der seismischen Einwirkungen, die sich vielerorts ergibt, ist es erforderlich, die vorhandenen, bislang nicht berücksichtigten Tragfähigkeitsreserven in nachvollziehbaren Nachweiskonzepten in der Baupraxis verfügbar zu machen. Der vorliegende Beitrag stellt ein Konzept für die gebäudespezifische Ermittlung von erhöhten Verhaltensbeiwerten vor. Die Verhaltensbeiwerte setzen sich aus drei Anteilen zusammen, mit denen die Lastumverteilung im Grundriss, die Verformungsfähigkeit und Energiedissipation sowie die Überfestigkeiten berücksichtigt werden. Für die rechnerische Ermittlung dieser drei Anteile wird ein nichtlineares Nachweiskonzept auf Grundlage von Pushover-Analysen vorgeschlagen, in denen die Interaktionen von Wänden und Geschossdecken durch einen Einspanngrad beschrieben werden. Für die Bestimmung der Einspanngrade wird ein nichtlinearer Modellierungsansatz eingeführt, mit dem die Interaktion von Wänden und Decken abgebildet werden kann. Die Anwendung des Konzepts mit erhöhten gebäudespezifischen Verhaltensbeiwerten wird am Beispiel eines Mehrfamilienhauses aus Kalksandsteinen demonstriert. Die Ergebnisse der linearen Nachweise mit erhöhten Verhaltensbeiwerten für dieses Gebäude liegen deutlich näher an den Ergebnissen nichtlinearer Nachweise und somit bleiben übliche Grundrisse in Erdbebengebieten mit den traditionellen linearen Rechenansätzen nachweisbar.
Erdbebennachweis von Mauerwerksbauten mit realistischen Modellen und erhöhten Verhaltensbeiwerten
(2020)
Die Anwendung des linearen Nachweiskonzepts auf Mauerwerksbauten führt dazu, dass bereits heute Standsicherheitsnachweise für Gebäude mit üblichen Grundrissen in Gebieten mit moderaten Erdbebeneinwirkungen nicht mehr geführt werden können. Diese Problematik wird sich in Deutschland mit der Einführung kontinuierlicher probabilistischer Erdbebenkarten weiter verschärfen. Aufgrund der Erhöhung der seismischen Einwirkungen, die sich vielerorts ergibt, ist es erforderlich, die vorhandenen, bislang nicht berücksichtigten Tragfähigkeitsreserven in nachvollziehbaren Nachweiskonzepten in der Baupraxis verfügbar zu machen. Der vorliegende Beitrag stellt ein Konzept für die gebäudespezifische Ermittlung von erhöhten Verhaltensbeiwerten vor. Die Verhaltensbeiwerte setzen sich aus drei Anteilen zusammen, mit denen die Lastumverteilung im Grundriss, die Verformungsfähigkeit und Energiedissipation sowie die Überfestigkeiten berücksichtigt werden. Für die rechnerische Ermittlung dieser drei Anteile wird ein nichtlineares Nachweiskonzept auf Grundlage von Pushover-Analysen vorgeschlagen, in denen die Interaktionen von Wänden und Geschossdecken durch einen Einspanngrad beschrieben werden. Für die Bestimmung der Einspanngrade wird ein nichtlinearer Modellierungsansatz eingeführt, mit dem die Interaktion von Wänden und Decken abgebildet werden kann. Die Anwendung des Konzepts mit erhöhten gebäudespezifischen Verhaltensbeiwerten wird am Beispiel eines Mehrfamilienhauses aus Kalksandsteinen demonstriert. Die Ergebnisse der linearen Nachweise mit erhöhten Verhaltensbeiwerten für dieses Gebäude liegen deutlich näher an den Ergebnissen nichtlinearer Nachweise und somit bleiben übliche Grundrisse in Erdbebengebieten mit den traditionellen linearen Rechenansätzen nachweisbar.
Stahlbetonrahmentragwerke mit Ausfachungen aus Mauerwerk weisen nach Erdbeben häufig schwere Schäden auf. Gründe hierfür sind die Beanspruchungen der Ausfachungswände durch die aufgezwungenen Rahmenverformungen in Wandebene und die gleichzeitig auftretenden Trägheitskräfte senkrecht zur Wandebene in Kombination mit der konstruktiven Ausführung des Ausfachungsmauerwerks. Die Ausfachung wird in der Regel knirsch gegen die Rahmenstützen gemauert, wobei der Verschluss der oberen Fuge mit Mörtel oder Montageschaum erfolgt. Dadurch kommt es im Erdbebenfall zu lokalen Interaktionen zwischen Ausfachung und Rahmen, die in der Folge zu einem Versagen einzelner Ausfachungswände oder zu einem sukzessiven Versagen des Gesamtgebäudes führen können. Die beobachteten Schäden waren die Motivation dafür, in dem europäischen Forschungsprojekt INSYSME für Stahlbetonrahmentragwerke mit Ausfachungen aus hochwärmedämmenden Ziegelmauerwerk innovative Lösungen zur Verbesserung des seismischen Verhaltens zu entwickeln. Der vorliegende Beitrag stellt die im Rahmen des Projekts von den deutschen Projektpartnern (Universität Kassel, SDA-engineering GmbH) entwickelten Lösungen vor und vergleicht deren seismisches Verhalten mit der traditionellen Ausführung der Ausfachungswände. Grundlage für den Vergleich sind statisch-zyklische Wandversuche und Simulationen auf Wandebene. Aus den Ergebnissen werden Empfehlungen für die erdbebensichere Auslegung von Stahlbetonrahmentragwerken mit Ausfachungen aus Ziegelmauerwerk abgeleitet.
Mit finanzieller Unterstützung der Deutschen Gesellschaft für Mauerwerks- und Wohnungsbau e.V. (DGfM) und des Deutschen Instituts für Bautechnik in Berlin (DIBt) wurden zwei aufeinander aufbauende Forschungsvorhaben zur Verbesserung der seismischen Nachweise von Mauerwerksbauten in deutschen Erdbebengebieten durchgeführt. Zunächst wurde das seismische Verhalten von drei modernen unbewehrten Mauerwerksgebäuden in der Region Emilia Romagna in Italien während der Erdbebenserie im Jahr 2012 in Kooperation mit der Universität Pavia eingehend untersucht. Aufbauend auf den Erkenntnissen dieser Untersuchungen wurde ein verbessertes seismisches Bemessungskonzept für unbewehrte Mauerwerksbauten erarbeitet. Der Beitrag stellt die wesentlichen Ergebnisse dieser Forschungsarbeiten und deren Eingang in die Normung vor.
Armiranobetonske (AB) zgrade sa zidanom ispunom
se izvode u mnogim zemljama širom sveta. Iako se
zidana ispuna posmatra kao nekonstruktivni element, ona
značajno utiče na promenu dinamičkih karakteristika AB
ramovskih konstrukcija u toku zemljotresnog dejstva.
Odskora, značajan napor je utrošen na istraživanje
izolovanih ispuna, koje su odvojene od okolnog rama
obično ostavljanjem prostora između rama i ispune. U
ovom slučaju deformacija rama ne aktivira ispunu i na taj
način ispuna ne utiče na ponašanje rama. Ovaj rad
predstavlja rezultate istraživanja ponašanja AB
ramovskih zgrada sa INODIS sistemom koji izoluje ispunu
u odnosu na okolni ram. Uticaj izolovane ispune je prvo
ispitan na jednospratnim i jednobrodnim ramovima. Ovo
je iskorišćeno kao osnova za parametarsku analizu na
višespratnim i višebrodnim ramovima, kao i na primeru
zgrade. Promena krutosti i dinamičkih karakteristika je
analizirano kao i odgovor pri zemljotresnom dejstvu.
Izvršeno je poređenje sa praznom ramovskom
konstrukcijom kao i ramovima ispunjenim ispunom na
tradicionalni način. Rezultati pokazuju da je ponašanje
ramova sa izolovanom ispunom slično ponašanju praznih
ramova, dok je ponašanje ramova sa tradicionalnom
ispunom daleko drugačije i zahteva kompleksne
numeričke modele. Ovo znači da ukoliko se primeni
adekvatna konstruktivna mera izolacije ispune, proračun
ramovskim zgrada sa zidanom ispunom se može
značajno pojednostaviti.
The 2012 Emilia-Romagna earthquake, that mainly struck the homonymous Italian region provoking 28 casualties and damage to thousands of structures and infrastructures, is an exceptional source of information to question, investigate, and challenge the validity of seismic fragility functions and loss curves from an empirical standpoint. Among the most recent seismic events taking place in Europe, that of Emilia-Romagna is quite likely one of the best documented, not only in terms of experienced damages, but also for what concerns occurred losses and necessary reconstruction costs. In fact, in order to manage the compensations in a fair way both to citizens and business owners, soon after the seismic sequence, the regional administrative authority started (1) collecting damage and consequence-related data, (2) evaluating information sources and (3) taking care of the cross-checking of various reports. A specific database—so-called Sistema Informativo Gestione Europa (SFINGE)—was devoted to damaged business activities. As a result, 7 years after the seismic events, scientists can rely on a one-of-a-kind, vast and consistent database, containing information about (among other things): (1) buildings’ location and dimensions, (2) occurred structural damages, (3) experienced direct economic losses and (4) related reconstruction costs. The present work is focused on a specific data subset of SFINGE, whose elements are Long-Span-Beam buildings (mostly precast) deployed for business activities in industry, trade or agriculture. With the available set of data, empirical fragility functions, cost and loss ratio curves are elaborated, that may be included within existing Performance Based Earthquake Engineering assessment toolkits.
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.
Im Rahmen des europäischen Verbundprojekts INSYSME wurden von den deutschen Partnern die Systeme IMES und INODIS zur Verbesserung des seismischen Verhaltens von ausgefachten Stahlbetonrahmen entwickelt. Ziel beider Systeme ist es, Stahlbetonrahmen und Ausfachung zu entkoppeln, anstatt die Tragfähigkeit durch aufwendige und kostspielige zusätzliche Bewehrungseinlagen zu erhöhen. Erste Ergebnisse des Systems IMES für Belastungen in und senkrecht zu der Wandebene werden vorgestellt.
Stahlbetonrahmentragwerke mit Mauerwerksausfachungen weisen nach Erdbebenereignissen häufig schwere Schäden auf, da die Ausfachungen ohne weitere konstruktive Maßnahmen mit vollem Kontakt zum Stahlbetonrahmen eingemauert werden. Durch die unplanmäßige Beteiligung am horizontalen Lastabtrag erfahren die Ausfachungen Belastungen in Wandebene und beeinflussen das globale Schwingungsverhalten der Rahmentragwerke. In Kombination mit den gleichzeitig auftretenden seismischen Trägheitskräften senkrecht zur Wand führt dies in vielen Fällen zu einem Versagen der mit niedrigen Festigkeiten ausgeführten Ausfachungen. Dies war der Anlass in dem europäischen Forschungsprojekt INSYSME ein Entkopplungssystem zu entwickeln, mit dem Rahmen und Ausfachung durch ein spezielles Profil aus Elastomeren entkoppelt werden.
Das Profil ermöglicht Relativverschiebungen zwischen Rahmen und Ausfachung und stellt gleichzeitig die Aufnahme von Belastungen senkrecht zur Wand sicher. Der Beitrag erläutert zunächst den Aufbau des Systems und gibt einen Überblick über die in Kleinbauteilversuchen ermittelten Tragfähigkeiten. Zudem werden experimentelle Untersuchungen an mit hochwärmedämmenden Mauerziegeln ausgefachten Stahlbetonrahmen mit und ohne Entkopplungssystem für getrennte und kombinierte Belastungen in und senkrecht zur Wandebene vorgestellt. Auf Grundlage einer Versuchsauswertung und eines Ergebnisvergleichs werden Wirkungsweise und Effektivität des entwickelten Entkopplungssystems demonstriert.
In recent years, many onshore wind turbines are erected in seismic active regions and on soils with poor load bearing capacity, where pile grids are inevitable to transfer the loads into the ground. In this contribution, a realistic multi pile grid is designed to analyze the dynamics of a wind turbine tower including frequency dependent soil-structure-interaction. It turns out that different foundations on varying soil configurations heavily influence the vibration response. While the vibration amplitude is mostly attenuated, certain unfavorable combinations of structure and soil parameters lead to amplification in the range of the system's natural frequencies. This testifies the need for overall dynamic analysis in the assessment of the dynamic stability and the holistic frequency tuning of the turbines.
The article presents the investigation of the seismic behaviour of a modern URM building located in the municipality of Finale Emilia in province of Modena, Northern Italy. The building is situated in the centre of the series of the 2012 Northern Italy earthquakes and has not suffered any damage during the earthquake series in 2012. The observed earthquake resistance of the building is compared with predicted resistances based on linear and nonlinear design approaches according to Eurocode. Furthermore, probabilistic analyses based on nonlinear calculation models taking into account scattering of the most relevant input parameters are carried out to identify their influence to the results and to derive fragility curves.
Im Rahmen des europäischen Verbundprojekts INSYSME wurden von den deutschen Partnern die Systeme IMES und INODIS zur Verbesserung des seismischen Verhaltens von ausgefachten Stahlbetonrahmen entwickelt. Ziel beider Systeme ist es, Stahlbetonrahmen und Ausfachung zu entkoppeln, anstatt die Tragfähigkeit durch aufwendige und kostspielige zusätzliche Bewehrungseinlagen zu erhöhen. Erste Ergebnisse des Systems IMES für Belastungen in und senkrecht zu der Wandebene werden vorgestellt.
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.
Silos generally work as storage structures between supply and demand for various goods, and their structural safety has long been of interest to the civil engineering profession. This is especially true for dynamically loaded silos, e.g., in case of seismic excitation. Particularly thin-walled cylindrical silos are highly vulnerable to seismic induced pressures, which can cause critical buckling phenomena of the silo shell. The analysis of silos can be carried out in two different ways. In the first, the seismic loading is modeled through statically equivalent loads acting on the shell. Alternatively, a time history analysis might be carried out, in which nonlinear phenomena due to the filling as well as the interaction between the shell and the granular material are taken into account. The paper presents a comparison of these approaches. The model used for the nonlinear time history analysis considers the granular material by means of the intergranular strain approach for hypoplasticity theory. The interaction effects between the granular material and the shell is represented by contact elements. Additionally, soil–structure interaction effects are taken into account.
A refined substructure technique in the frequency domain is developed, which permits consideration of the interaction effects among adjacent containers through the supporting deformable soil medium. The tank-liquid systems are represented by means of mechanical models, whereas discrete springs and dashpots stand for the soil beneath the foundations. The proposed model is employed to assess the responses of adjacent circular, cylindrical tanks for harmonic and seismic excitations over wide range of tank proportions and soil conditions. The influence of the number, spatial arrangement of the containers and their distance on the overall system's behavior is addressed. The results indicate that the cross-interaction effects can substantially alter the impulsive components of response of each individual element in a tank farm. The degree of this impact is primarily controlled by the tank proportions and the proximity of the predominant natural frequencies of the shell-liquid-soil systems and the input seismic motion. The group effects should be not a priori disregarded, unless the tanks are founded on shallow soil deposit overlying very stiff material or bedrock.
The behaviour of infilled reinforced concrete frames under horizontal load has been widely investigated, both experimentally and numerically. Since experimental tests represent large investments, numerical simulations offer an efficient approach for a more comprehensive analysis. When RC frames with masonry infill walls are subjected to horizontal loading, their behaviour is highly non-linear after a certain limit, which makes their analysis quite difficult. The non-linear behaviour results from the complex inelastic material properties of the concrete, infill wall and conditions at the wall-frame interface. In order to investigate this non-linear behaviour in detail, a finite element model using a micro modelling approach is developed, which is able to predict the complex non-linear behaviour resulting from the different materials and their interaction. Concrete and bricks are represented by a non-linear material model, while each reinforcement bar is represented as an individual part installed in the concrete part and behaving elasto-plastically. Each brick is modelled individually and connected taking into account the non-linearity of a brick mortar interface. The same approach is followed using two finite element software packages and the results are compared with the experimental results. The numerical models show a good agreement with the experiments in predicting the overall behaviour, but also very good matching for strength capacity and drift. The results emphasize the quality and the valuable contribution of the numerical models for use in parametric studies, which are needed for the derivation of design recommendations for infilled frame structures.
Eine seismische Anregung verursacht in einem Flüssigkeitstank einen kombinierten Spannungszustand, was zu einem Stabilitätsversagen der häufig sehr dünnwandigen Konstruktionen führen kann. Für die Durchführung von Stabilitätsnachweisen stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung. Üblicherweise werden aus Gründen der Einfachheit spannungsbasierte Verfahren angewendet. Diese sind für Einheitslastfälle experimentell abgesichert, wobei eine Übertragung auf kombinierte Spannungszustände wie im Erdbebenfall nur begrenzt möglich ist. Alternativ kann ein globales, numerisches Konzept, das LBA/MNA-Verfahren, angewendet werden. Das Verfahren kombiniert eine materiell nichtlineare Berechnung (MNA) mit einer linearen Beulanalyse (LBA) und erfasst die Interaktion verschiedener gleichzeitig auftretender Beanspruchungen implizit im Nachweis. Dieser Beitrag demonstriert die Anwendung der Verfahren am Beispiel verschiedener Tankgeometrien mit Höhe/Radius-Verhältnissen zwischen 1 ≤ H/R ≤ 2 und Radius/Tankwand-Verhältnissen zwischen 500 ≤ R/t ≤ 1000 und diskutiert zusätzlich die Defizite der spannungsbasierten Nachweisverfahren.
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.
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.
EU-Projekt INSYSME : innovative Systeme für erdbebentaugliche Ausfachungswände aus Ziegelmauerwerk
(2014)
Die PIA GmbH prüft seit fast 8 Jahren die Standsicherheit von Behältern für Kleinkläranlagen. Diese bestehen in der Regel aus Kunststoff oder Beton und müssen über ihre gesamte Lebensdauer den Beanspruchungen aus Handhabung, Einbau und Betrieb standhalten. Die Standsicherheit kann nach EN 12566 wahlweise durch einen rechnerischen Nachweis oder durch einen praktischen Nachweis wie die Bruchlastprüfung oder die Prüfung in der Grube erfolgen.
Die erdbebensichere Auslegung von erdverlegten Rohrleitungssystemen ist von wesentlicher Bedeutung zur Sicherstellung der Funktionalität der Versorgungsinfrastruktur nach einem Erdbebenereignis. Zur Vermeidung von Netzausfällen ist es erforderlich, die räumlich weit ausgedehnten Leitungssysteme mit geeigneten rechnerischen Modellen seismisch zu bemessen. Der vorliegende Beitrag behandelt die Beanspruchung von Rohrleitungssystemen durch seismische Welleneinwirkung und stellt geeignete Näherungsansätze und ein detailliertes Rechenmodell für seismische Leitungsanalysen vor. Mit den Ansätzen wird in Berechnungsbeispielen der Einfluss wesentlicher Parameter auf die seismisch induzierten Dehnungen in Rohrleitungssystemen untersucht.
Bei der Ausarbeitung des nationalen Anwendungsdokumentes zur DIN EN 1998-1 waren die in der ENV-Fassung enthaltenen vereinfachten Regeln im Lichte aktueller Forschungsergebnisse zu überprüfen und zu überarbeiten. Die gleiche Aufgabe stellte sich auch für die Neufassung der DIN 4149. In beiden Fällen sind neben konstruktiven Regeln für die Art und Anordnung der zur Gebäudeaussteifung heranzuziehenden Wände im Grundriss Tabellen enthalten, die unter bestimmten Bedingungen den Entfall eines rechnerischen Nachweises der Tragwände im Erdbebenfall ermöglichen. Dies ist für Schwachbebengebiete, wie sie in Deutschland und anderen Ländern Mitteleuropas anzutreffen sind, sinnvoll, um unnötigen Rechenaufwand sowie Probleme mit der Führbarkeit von Nachweisen so weit wie möglich auszuschalten. Im vorliegenden Beitrag werden die Hintergründe der vereinfachten Regeln diskutiert und die Ergebnisse der Anwendung mit verschiedenen Rechenverfahren verglichen und bewertet.
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
Möglichkeiten und Grenzen der Anwendbarkeit statisch nichtlinearer Verfahren nach DIN EN 1998-1
(2011)
Objective: As high-field cardiac MRI (CMR) becomes more widespread the propensity of ECG to interference from electromagnetic fields (EMF) and to magneto-hydrodynamic (MHD) effects increases and with it the motivation for a CMR triggering alternative. This study explores the suitability of acoustic cardiac triggering (ACT) for left ventricular (LV) function assessment in healthy subjects (n=14). Methods: Quantitative analysis of 2D CINE steady-state free precession (SSFP) images was conducted to compare ACT’s performance with vector ECG (VCG). Endocardial border sharpness (EBS) was examined paralleled by quantitative LV function assessment. Results: Unlike VCG, ACT provided signal traces free of interference from EMF or MHD effects. In the case of correct Rwave recognition, VCG-triggered 2D CINE SSFP was immune to cardiac motion effects—even at 3.0 T. However, VCG-triggered 2D SSFP CINE imaging was prone to cardiac motion and EBS degradation if R-wave misregistration occurred. ACT-triggered acquisitions yielded LV parameters (end-diastolic volume (EDV), endsystolic volume (ESV), stroke volume (SV), ejection fraction (EF) and left ventricular mass (LVM)) comparable with those derived fromVCG-triggered acquisitions (1.5 T: ESVVCG=(56± 17) ml, EDVVCG=(151±32)ml, LVMVCG=(97±27) g, SVVCG=(94± 19)ml, EFVCG=(63±5)% cf. ESVACT= (56±18) ml, EDVACT=(147±36) ml, LVMACT=(102±29) g, SVACT=(91± 22) ml, EFACT=(62±6)%; 3.0 T: ESVVCG=(55±21) ml, EDVVCG=(151±32) ml, LVMVCG=(101±27) g, SVVCG=(96±15) ml, EFVCG=(65±7)% cf. ESVACT=(54±20) ml, EDVACT=(146±35) ml, LVMACT= (101±30) g, SVACT=(92±17) ml, EFACT=(64±6)%). Conclusions: ACT’s intrinsic insensitivity to interference from electromagnetic fields renders
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.
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.
Pseudo-dynamische Versuche an Reihenmittelhäusern – Vergleich mit aktuellen Berechnungsansätzen
(2008)