Evaluierung der Erdbebensicherheit von maßgeblichen Mauerwerkshochbauten für das Katastrophenmanagement

Abstract

Diese Arbeit beschreibt die Evaluierung der Erdbebensicherheit von maßgeblichen unbewehrten Mauerwerkshochbauten für das Katastrophenmanagement. Einleitend wird ein Überblick über die geschichtliche Entwicklung des Materials und deren verschiedenen Anwendungsgebieten gegeben. Für die Beurteilung der Tragsicherheit eines Bauwerks ist es notwendig sowohl die Materialeigenschaften, als auch das Materialverhalten gegenüber verschiedenen Einwirkungen zu kennen. Um ein Makromodell (verschmiertes Modell) eines Materials erstellen zu können, werden hierzu die Formulierungen der klassischen Plastizitätstheorie angewendet. In Kapitel 2 dieser Arbeit werden die Grundlagen dieser Theorie erklärt, wobei die allgemeinen Formulierungen für den eindimensionalen sowie den mehrdimensionalen Spannungszustand beschrieben werden. Weiters ist eine ausführliche Literaturrecherche von vorhandenen Makromaterialmodellierungen für Mauerwerk geführt worden.<br />Diese ist chronologisch nach deren Entwicklung in Kapitel 3 zusammengefasst. Kapitel 4 fokussiert sich auf das Makromaterialmodell nach Ganz, wobei dieses erklärt und erläutert wird. Ganz beschreibt sein Materialgesetz mit verschiedenen Versagenskriterien, welche einzelne Fließflächen darstellen. Anschließend fügt er diese Fließflächen zu einem kombinierten Fließflächenmodell zusammen. In der seismischen Beurteilung (Assessment) von maßgeblichen unbewehrten Mauerwerkshochbauten für das Katastrophenmanagement ist es erforderlich, alle Tragreserven des Materials auszuschöpfen. Mauerwerk besitzt eine, wenn auch im Vergleich zur Druckfestigkeit geringe, Zugfestigkeit. Das ursprüngliche Modell nach Ganz wird in Kapitel 5 um die Fähigkeit der Aufnahme von Zugkräften erweitert und modifiziert. Somit ist eine neue Makromodellierung für unbewehrtes Mauerwerk in dieser Arbeit entstanden, wobei diese ebenfalls mit einer kombinierten Fließfläche beschrieben wird. Im nächsten Schritt werden in Kapitel 6 die Materialeigenschaften und Materialkenndaten von verschiedenen Forschungsarbeiten analysiert und präsentiert. Das neue Materialmodell wird in das Finite Elemente Programm ANSYS implementiert, wobei die hierfür notwendigen theoretischen Formulierungen in Kapitel 5 und Kapitel 7 beschrieben werden. Das implementierte Programm ist in der Lage, Mauerwerk auf seine Versagensarten zu analysieren und graphisch darzustellen. Das neue Materialmodell wird anhand von verschiedenen Laborversuchen verifiziert und auf seine Richtigkeit in Kapitel 8 bestätigt. Kapitel 9 behandelt das seismische Assessment von Mauerwerkshochbauten, wobei hier die Methode der "quasi nichtlinearen" Analyse eingeführt und präsentiert wird. Weiters wird hier auf potentielle Schwachstellen von unbewehrten Mauerwerkshochbauten gegenüber Erdbebenbeanspruchung sowie auf Verstärkungsmethoden eingegangen.<br />Kapitel 10 zeigt eine Anwendung der vorgestellten Methode, um das LKH Innsbruck auf seine Sicherheit gegenüber seismischen Einwirkungen zu analysieren. Um die dynamischen Eigenschaften des Bauwerks zu ermitteln, werden zunächst in-Situ Schwingungsversuche am Gebäude des LKH Innsbrucks durchgeführt. Die gewonnenen experimentellen Ergebnisse werden schließlich verwendet, um das numerische Finite Elemente Modell an die realen Gegebenheiten anzupassen. Die Analyse findet unter Verwendung des neuen Materialmodells statt, wobei die Effektivität des neu entwickelten Materialmodells präsentiert wird. Es ist damit möglich, komplexe Bauwerke zu analysieren und die Schäden nicht nur zu lokalisieren, sondern auch zu kategorisieren. Man kann mit diesem Modell einerseits gezielt abschätzen, welche Bauteile durch ein Erdbeben geschädigt werden und andererseits auch die für die Schädigung maßgebliche Versagensart identifizieren. Der Vorteil liegt beispielsweise in der gezielten Wahl der Verstärkungsmethode. Im Anhang B dieser Arbeit werden die in Österreich gültigen Normen ÖNORM B4015 und die Norm EN 1998-1 für Erdbebeningenieurwesen erläutert.<br />Insbesondere werden die in diesen Normen vorgeschlagenen Analysemethoden für Mauerwerksbauten vorgestellt. Der Einfluss der Schlankheit von unbewehrten Mauerwerkswänden wird in Anhang C erklärt. Des weiteren wird der Einfluss von einachsig gespannten Holzdecken in Mauerwerksbauten, welche eine übliche Konstruktionsart für bestehende Gebäude darstellen mit der Gegenüberstellung von steifen, scheibenartigen Stahlbetondecken in Anhang D anhand eines Beispiels diskutiert.<br />

This thesis describes the seismic assessment of buildings of strategic importance (lifeline structures), consisting of unreinforced masonry. An overview of the historical development and the different fields of application of masonry is given in the introduction.<br />It is necessary to have detailed knowledge about both the material parameters and the behavior of the material due to different excitations to perform structural assessment. To create a macromodel (smeared model) of a material, formulations according to the classical theory of plasticity are applied. Chapter 2 explains the general formulations of this theory in the one dimensional and multidimensional stress state.<br />Furthermore a detailed literature review of existing macro models for masonry in form of a chronically summary is given in Chapter 3. Chapter 4 is focused on the macro material model of Ganz. Ganz has developed a material law based on different failure criteria, which are expressed as a proper combination of yielding surfaces. In the seismic assessment of unreinforced masonry lifeline structures, it is necessary to use material strength reserves as far as possible.<br />Compared to the compression strength, masonry exhibits rather low portions of tension strength. The original model by Ganz is expanded in Chapter 5 to cover tension strength aspects. Therefore a new developed macro material model for unreinforced masonry is elaborated in this thesis, which consists of a modified combined yielding surface. The material properties of different research works are presented in Chapter 6. The new material model is implemented into the Finite Element software ANSYS. The theory of this implementation is given in Chapter 5 and Chapter 7. To verify the new implemented material model, calculated results are compared to different laboratory experiments in Chapter 8.<br />Chapter 9 deals with the seismic assessment of masonry structures, where the definition "quasi nonlinear" is introduced and explained.<br />Furthermore weak points in unreinforced masonry structures and retrofitting methods to strengthen masonry are presented. The new material model was used in Chapter 10 to assess the structure of the hospital LKH Innsbruck on its safety due to seismic excitation.<br />Therefore in-Situ vibration tests on the building of LKH Innsbruck are performed to evaluate the dynamic properties and behavior in advance.<br />The experimental results are used to calibrate the numerical Finite Element model to the real condition of the structure in a model updating process. The effectiveness of the new model is shown in cases where it is possible to analyse a complex structure due to its failures. The cracks can not only be localised, but also the type of failure can be identified. It is possible to prognosticate accurately, in which structural members cracks and the corresponding crack type will occur due to earthquake loading. Thus, choosing the best suitable method of retrofitting is supported efficiently. Annex B in this thesis gives an introduction of the codes for earthquake engineering ÖNORM B4015 (Austrian Seismic Code) and Eurocode EN 1998-1.<br />Especially the proposed analysis methods for masonry structures are presented.<br />The influence of slenderness of unreinforced masonry walls is explained in Annex C. Finally Annex D discusses the influence of a fictive unreinforced masonry structure with a uni-axially spanned timber slab in comparison to a rigid reinforced concrete slab.