Historische freistehende Zierelemente unter Erdbebenbeanspruchung

Abstract

Erdbeben mit vergleichsweise niedrigen Magnituden können an historischen Gebäuden Schäden mit schwerwiegenden Folgen für Menschen und Sachgüter verursachen. Bei vergangenen Beben wurde beobachtet, dass dabei eine besondere Gefahr von nichttragenden Bauteilen wie historischen Zierelementen ausgeht. Dazu zählen zum Beispiel freistehende Attikafiguren, -vasen und Balustraden. Vor allem in hochfrequentierten historischen Stadtzentren ist durch diese Bauteile ein erhöhtes Schadensrisiko gegeben. Da die Bemessung der seismischen Standfestigkeit freistehender Zierelemente gemäß den derzeit geltenden Standards mit Unsicherheiten verbunden ist, sollen in der vorliegenden Forschungsarbeit spezifische Parameter bestimmt werden, die künftig eine fachgemäße seismische Beurteilung ermöglichen. Darauf basierend soll bei Sanierungsmaßnahmen der Fokus auf eine akzeptable Balance zwischen Vulnerabilität und Intervention gelegt werden, um das repräsentative kulturelle Erbe nicht unverhältnismäßig zu verändern. Anhand einer umfassenden Betrachtung analytischer Bemessungsansätze wurde die Anwendbarkeit von State-of-the-Art-Methoden erläutert und diskutiert. Um den aufgezeigten Unsicherheiten in der Bestimmung seismischer Einwirkungen zu begegnen, wurden pro-babilistische Zeitverlaufsberechnungen durchgeführt. Durch die Implementierung eines homogenisierten Mauerwerks-Materialmodells wurden induzierte Nichtlinearitäten und deren Auswirkungen auf die horizontale Stockwerksbeschleunigungsantwort in der Finite Elemente Analyse berücksichtigt. Resultate der Simulationen wurden abschließend für experimentelle Shake-Table Versuche herangezogen, um den seismischen Widerstand von freistehenden Attikafiguren unter spezifischen Beschleunigungsantworten zu bestimmen. Neben der Entwicklung einer normbasierenden Erdbebenkapazitätsbemessung für frei-stehende Zierelemente wurden Chancen zur detaillierten Bestimmung der seismischen Einwirkung anhand typischer Tragstrukturen demonstriert. Unter Einbeziehung möglicher Erdbebenszenarien mit synthetisch generierten Erdbebenzeitverläufen wurde das Über- und Unterschätzungspotential von geltenden Standards aufgezeigt. Durch die Kopplung der Simulationen mit experimentellen Shake-Table Versuchen wurden abschließend wesentliche Parameter zur seismischen Beurteilung der Widerstandsfähigkeit gefunden. Die vorliegende Forschungsarbeit erweitert wissenschaftliche Ergebnisse zu nichttragenden Bauteilen im historischen Baubestand und ermöglicht die Formulierung einer adäquaten Einschätzung des Gefährdungspotentials historischer Zierelemente. Weiterer Forschungsbe darf liegt noch in der Untersuchung von Auswirkungen durch Exzentrizitäten der primären als auch sekundären Bauteile. Zusätzlich sollten auch Effekte vertikaler Stockwerksbeschleunigungen betrachtet werden.

Earthquakes with comparatively low magnitudes can cause serious damage to historic buildings. Past earthquakes showed that especially freestanding historic nonstructural facade components, such as statues, balustrades and ornamental vases are highly at risk. Large numbers of these historic nonstructural components are present in highly frequented historic city centers and pose a significant danger to people and property in case of overturning during an earthquake. Since the seismic assessment of nonstructural components using simplified methods according to valid standards is influenced by uncertanties, specific seismic parameters for historic building constructions were investigated. The objective of my research is to find suitable design methods, focusing on an acceptable balance between vulnerability and intervention that reduces the risk of damage without negatively impacting cultural heritage. In the first part, the applicability of different state of the art design methods was investigated and discussed. In order to counteract uncertanties of these design methods, an extensive probabilistic case study was conducted in the second part to investigate horizontal floor accelerations with time-history calculations. To take specific failure mechanisms of old masonry into account, a homogenized elasto-plastic macro-model was implemented. Thus nonlinear effects were accounted for with finite element analysis to determine horizontal floor accelerations. In the final part, results of the simulations were used for experimental shake-table tests assessing overturning resistance of freestanding rooftop statue-pedestal systems. In addition to the development of a specific simplified design method for freestanding historic nonstructural fnade components, a method for predicting detailed seismic demands was introduced. A set of synthetically generated ground motions was used as input to representative old masonry structure models. My results indicate that there is significant overand underestimation in the abolute distribution of the horizontal floor accelerations. By coupling the numeric simulations with experimental shake-table experiments, specific parameters to assess overturning resistance were determined. My research extends prior findings on nonstructural components especially for historic building constructions. The chosen methodology offers chances for proper seismic hazard assessment for freestanding historic nonstructural fnade components. Further research is still required to investigate effects of eccentricities of primary and secondary components and effects of vertical floor accelerations.