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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.
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.
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.
Reinforced concrete (RC) structures with masonry infills are widely used for several types of buildings all over the world. However, it is well known that traditional masonry infills constructed with rigid contact to the surrounding RC frame performed rather poor in past earthquakes. Masonry infills showed severe in-plane damages and failed in many cases under out-of-plane seismic loading. As the undesired interactions between frames and infills changes the load transfer on building level, complete collapses of buildings were observed. A possible solution is uncoupling of masonry infills to the frame to reduce the infill contribution activated by the frame deformation under horizontal loading. The paper presents numerical simulations on RC frames equipped with the innovative decoupling system INODIS. The system was developed within the European project INSYSME and allows an effective uncoupling of frame and infill. The simulations are carried out with a micro-modelling approach, which is able to predict the complex nonlinear behaviour resulting from the different materials and their interaction. Each brick is modelled individually and connected taking into account nonlinearity of a brick mortar interface. The calibration of the model is based on small specimen tests and experimental results for one bay one storey frame are used for the validation. The validated model is further used for parametric studies on two storey and two bay infilled frames. The response and change of the structural stiffness are analysed and compared to the traditionally infilled frame. The results confirm the effectiveness of the INODIS system with less damage and relatively low contribution of the infill at high drift levels. In contrast to the uncoupled system configurations, traditionally infilled frames experienced brittle failure at rather low drift levels.
Reinforced concrete (RC) frames with masonry infills are frequently used in seismic regions all over the world. Generally masonry infills are considered as nonstructural elements and thus are typically neglected in the design process. However, the observations made after strong earthquakes have shown that masonry infills can modify the dynamic behavior of the structure significantly. The consequences were total collapses of buildings and loss of human lives. This paper presents the new system INODIS (Innovative Decoupled Infill System) developed within the European research project INSYSME (Innovative Systems for Earthquake Resistant Masonry Enclosures in RC Buildings). INODIS decouples the frame and the masonry infill by means of special U-shaped rubbers placed in between frame and infill. The effectiveness of the system was investigated by means of full scale tests on RC frames with masonry infills subjected to in-plane and out-of-plane loading. Furthermore small specimen tests were conducted to determine material characteristics of the components and the resistances of the connections. Finally, a micromodel was developed to simulate the in-plane behavior of RC frames infilled with AAC blocks with and without installation of the INODIS system.