Erdbebenanalyse von Hochbauten aus Stahlbetonfertigteilen in Großtafelbauart

Abstract

Die Stadt Wien ist eine der größten Städte in der Europäischen Union und die Bevölkerung wächst kontinuierlich. Wohngebäude aus Fertigteilen bieten die Möglichkeit schnell preiswerten und nachhaltigen Wohnraum, in einer hohen Ausführungsqualität, für einen wachsenden Bedarf zu schaffen.Die Raumtrennung im Geschoßwohnbau erfolgt durch massive Stahlbetontragwände, welche sich einerseits hervorragend zur Aufnahme von vertikalen sowie horizontalen Kräften eignen und andererseits einen wirtschaftlichen Einsatz von Fertigteilelementen der Großta-felbauweise ermöglicht. Die Verwendung von Elementdecken in Kombination mit Vollfertig-teilwänden stellt die häufigste Kombination bei Verwendung von Fertigteilen im Geschoßwohnbau dar. Fugen zwischen den einzelnen Fertigteilelementen sind inhärent und weichen die Tragstruktur eines Gebäudes, im Vergleich zu einem monolithisch hergestellten Bauwerk, auf. Vor allem stellen Fugen bei einer seismischen Einwirkung kritische Strukturbereiche dar und haben maßgeblich Einfluss auf die Tragwerksantwort im Erdbebenfall. Die Fertigteilproblematik lässt sich prinzipiell auf eine Fugenproblematik reduzieren.Da Erdbeben jederzeit und ohne Vorwarnung auftreten können müssen Gebäude entsprechend der heute gültigen Normenwerke und den darin beschriebenen Bemessungsansätzen bemessen werden. Die in der Praxis gängigen linear-elastischen Berechnungsverfahren zur Bemessung von Bauwerken gegenüber Erdbeben können das Systemverhalten von Hochbauten aus Fertigteilen nur bedingt wiedergeben. Das nichtlineare Verhalten der Fugen bei Fertigteilelementen und die durch plastische Schubmechanismen in den Fugen dissipierende Energie kann bei diesen numerischen Näherungsverfahren nicht berücksichtigt werden.Im Rahmen dieser Arbeit werden daher die Vor- und Nachteile der zur Verfügung stehenden Erdbebenbemessungsansätze diskutiert und eine alternative Berechnungsmethode, die Lumped Plasticity Model Methode, zur Auslegung von Wohngebäuden in Großtafelbauweise vorgestellt. Es wird ein fiktives Wohngebäude zuerst mit dem in der Praxis üblichen Verfahren berechnet und danach mit dem Lumped Plasticity Model verglichen. Weicht das tatsächliche Tragverhalten bei der Erdbebenbemessung von Gebäuden mittels linear elastischen Berechnungsmethoden im Allgemeinen von der Rechenannahme ab, wodurch sich unkontrolliert von Zeit und Ort plastische Gelenke im Tragwerk bilden können, so ermöglicht die Lumped Plasticity Model Methode es dem Tragwerksplaner ein Bild über mögliche Versagensmechanismen zu erhalten. Dies ist möglich, da bei dieser Methode eine Hierarchie des Tragwiderstandes im Tragsystem festgelegt wird und die Energie, die durch seismische Einwirkungen in das Bauwerk eingetragen wird, durch plastische Verdrehungen innerhalb der kritischen Bereiche dissipiert. Eine wichtige Rolle kommt dabei der Wahl der Länge des plastischen Gelenkes zu, da diese die zur Verfügung stehende Krümmungsduktilität und damit die Rotationsfähigkeit der Tragwand maßgeblich beeinflusst.

The city of Vienna is one of the largest cities in the European Union and its population is growing continuously. Residential buildings made of precast reinforce concrete offer the opportunity to quickly create inexpensive and sustainable living space in a high quality for a growing demand.The room separation in multi-storey residential building consists of reinforced concrete structural walls which, on the one hand, are excellent for absorbing vertical and horizontal forces and, on the other hand, enable the economical use of prefabricated elements of the large panel construction. The use of prefabricated ceilings in combination with precast con-crete structural walls is the most common combination when using prefabricated elements in multi-storey residential buildings. Joints between individual prefabricated elements are inherent and soften the structure of a building compared to a cast in place building. The problem with precast reinforced concrete structures can be reduced to a problem of joints.Since earthquakes can occur at any time and without warning, buildings must be built in accordance with the current codes and the design approaches described therein. The linear-elastic calculation methods commonly used in practice for dimensioning structures against earthquakes can therefore only partially reflect the system behavior of buildings made out of precast reinforced concrete elements. The non-linear behavior of the joints in precast ele-ments and the energy dissipating in the joints due to plastic shear mechanisms cannot be taken into account in these numerical approximation methods.In the present work, the advantages and disadvantages of the available earthquake design approaches are discussed and an alternative method, the lumped plasticity model method, for the design of residential buildings with precast concrete structural wall is presented. A ficti-tious residential building is first calculated using the method commonly used in practice and then compared with the lumped plasticity model. In general the linear elastic earthquake design approach doesn’t reflect the true behavior of a building, so regions with plastic mech-anism can ́t be determined reliably. Using the lumped plasticity model the first step is to choose a kinematically admissible plastic mechanism, so the regions for energy dissipation are determined with a very high degree of precision. The choice of the length of the rota-tional plastic hinges has a major impact on the overall seismic performance of a building because it does affect the curvature ductility of structural walls which affects the overall displacement ductility.