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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.
The chapter initially provides a summary of the contents of Eurocode 8, its aim being to offer both to the students and to practising engineers an easy introduction into the calculation and dimensioning procedures of this earthquake code. Specifically, the general rules for earthquake-resistant structures, the definition of design response spectra taking behaviour and importance factors into account, the application of linear and non-linear calculation methods and the structural safety verifications at the serviceability and ultimate limit state are presented. The application of linear and non-linear calculation methods and corresponding seismic design rules is demonstrated on practical examples for reinforced concrete, steel and masonry buildings. Furthermore, the seismic assessment of existing buildings is discussed and illustrated on the example of a typical historical masonry building in Italy. The examples are worked out in detail and each step of the design process, from the preliminary analysis to the final design, is explained in detail.
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.
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.
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.
New coupled finite-infinite element approach for wave propagation simulation of unbounded soil media
(2014)
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.
Evaluation of fragility curves for a three-storey-reinforced-concrete mock-up of SMART 2013 project
(2016)
A methodology for assessment, seismic verification and strengthening of existing masonry buildings is presented in this paper. The verification is performed using a calculation model calibrated with the results from ambient vibration measurements. The calibrated model serves as an input for a deformation-based verification procedure based on the Capacity Spectrum Method (CSM). The bearing capacity of the building is calculated from experimental capacity curves of the individual walls idealized with bilinear elastic-perfectly plastic curves. The experimental capacity curves were obtained from in-plane cyclic loading tests on unreinforced and strengthened masonry walls with reinforced concrete jackets. The seismic action is compared with the load-bearing capacity of the building considering non-linear material behavior with its post-peak capacity. The application of the CSM to masonry buildings and the influence of a traditional strengthening method are demonstrated on the example of a public school building in Skopje, Macedonia.
Textile reinforced concrete. Part I: Process model for collaborative research and development
(2003)
A concept for the analysis and optimal design of reinforced concrete structures is described. It is based on a nonlinear optimization algorithm and a finite element program for linear and nonlinear analysis of structures. With the aim of minimal cost design a two stage optimization using efficient gradient algorithm is developed. The optimization problems on global (structural) and local (crosssectional) level are formulated. A parallelization concept for solving the two stage optimization problem in minimal time is presented. Examples are included to illustrate the practical use and the effectively of the parallelization in the area of engineering design.
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.
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.
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.
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.
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.