Evaluierung seismischer Verbesserungsmaßnahmen für historische Mauerwerksbauten in Wien

Abstract

Gründerzeithäuser stellen einen wesentlichen Bestandteil des Wiener Gebäudebestandes dar und prägen das Stadtbild in besonderem Maß. Aufgrund ihres Alters, ihrer historischen Bauweise sowie zahlreicher im Laufe der Zeit vorgenommener baulicher Veränderungen weisen diese Gebäude jedoch häufig einen unzureichenden seismischen Widerstand auf. Die Tragwerke wurden ursprünglich ohne Berücksichtigung von Erdbebeneinwirkungen errichtet und zeigen charakteristische konstruktive Schwachstellen. Im Erdbebenfall können diese zu erheblichen strukturellen Schäden sowie zu einem erhöhten Gefährdungspotenzial für Personenführen, wie das Erdbeben in Zagreb im Jahr 2020 gezeigt hat. Vor diesem Hintergrund gewinnt die gezielte seismische Ertüchtigung von Gründerzeithäusern zunehmend an Bedeutung, insbesondere im Hinblick auf aktuelle normative Anforderungen, den Schutz des Gebäudebestandes sowie nachhaltige Sanierungsstrategien. Ziel dieser Arbeit ist die analytische Untersuchung und vergleichende Bewertung ausgewählter seismischer Verbesserungsmaßnahmen für historische Mauerwerksbauten der Wiener Gründerzeit. Aufbauend auf systembedingten Schwachstellen und typischer Schadensbilder vorangegangener Erdbeben werden gängige Sanierungsmaßnahmen sowie Ertüchtigungsmaßnahmen, welche zur Erhöhung des seismischen Widerstandshistorischer Mauerwerksbauten eingesetzt werden können, detailliert beschrieben. Die analytischen Untersuchungen erfolgen anhand eines Referenzgebäudes, das hinsichtlich Geometrie, Tragwerksaufbau und Materialeigenschaften als repräsentativ für Wiener Gründerzeithäuser angesehen werden kann. Das Gebäude wird mithilfe der Erdbebensimulationssoftware „3Muri“ modelliert und mittels nichtlinearer statischer Pushover-Analysen bewertet. Zunächst wird der bestehende, nicht ertüchtigte Zustand analysiert, um das seismische Leistungsvermögen des Ausgangssystems zu beurteilen. Anschließend werden verschiedene Ertüchtigungsmaßnahmen jeweils isoliert modelliert und mit dem Referenzzustand verglichen, um deren Einfluss auf das globale Tragverhalten systematisch zu untersuchen. Untersucht werden unter anderem Maßnahmen zur Verbesserung der Deckenscheibenwirkung, wie Holz-Beton-Verbunddecken, der Einbau von Ringankern in unterschiedlichen Deckenebenen, lokale Aussteifungselemente in Form von Stahlrahmen, der Einsatz von Faserverbundwerkstoffen am Mauerwerk sowie die Verbesserung der Mauerwerkseigenschaftendurch Injektionen. Die Bewertung der Maßnahmen erfolgt anhand des Erdbebenerfüllungsfaktors, der Kapazitätskurven sowie der globalen Duktilität des Gebäudes. Ergänzend werden Veränderungen des Schadensbildes und des Versagensmechanismus qualitativ analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Wirksamkeit der untersuchten Ertüchtigungsmaßnahmen deutlich unterscheidet und stark von deren Art, Umfang und Anordnung dieser abhängt. Maßnahmen, die den Verbund zwischen Decken und Wänden verbessern und eine wirksame horizontale Lastverteilung ermöglichen, führen in der Regel zu einer signifikanten Erhöhung der globalen Tragfähigkeit. Gleichzeitig zeigt sich, dass eine Steifigkeitszunahme mit einer Reduktion der Duktilität einhergehen kann, was sich nachteilig auf das Verformungsvermögendes Systems auswirkt. Die Arbeit verdeutlicht damit, dass eine ausgewogene Kombination aus Steifigkeit, Tragfähigkeit und Duktilität für ein günstiges seismisches Verhalten entscheidend ist. Abschließend werden die Ergebnisse kritisch diskutiert und in einen praktischen Kontext eingeordnet. Die gewonnenen Erkenntnisse liefern eine Grundlage für die Abschätzung der Wirksamkeit einzelner Ertüchtigungsmaßnahmen und sollen Planerinnen und Planern bei der Auswahl geeigneter Strategien für die seismische Sanierung von Gründerzeithäusern unterstützen.

Buildings from the “Gründerzeit” period constitute a substantial part of Vienna’s building stock and significantly shape the cityscape. Owing to their age, historic construction methods, and numerous structural alterations carried out over time, these buildings often exhibit insufficient seismic resistance. The load-bearing structures were originally erected without consideration of seismic actions and display characteristic structural deficiencies that can lead to significant damage and an increased risk to occupants during earthquakes, as observed during the earthquake of Zagreb in 2020. Against this background, the targeted seismic retrofitting of Gründerzeit buildings has become increasingly important, particularly with regard to current normative requirements, the preservation of the existing building stock, and sustainable rehabilitation strategies. The objective of this thesis is the analytical investigation and comparative evaluation of selected seismic strengthening measures for historic masonry buildings from Vienna’s Gründerzeit period. Based on system related structural weaknesses and typical damage patterns observed in past earthquakes, commonly applied rehabilitation and strengthening measures aimed at increasing the seismic resistance of historic masonry structures are described in detail. The numerical investigations are carried out using a reference building that can be regarded as representative of Viennese Gründerzeit buildings in terms of geometry, structural configuration, and material properties. The building is modeled using the earthquake simulation software “3Muri” and assessed by means of nonlinear static pushover analyses. First, the existing, unstrengthened condition is analyzed in order to evaluate the seismic performance of the original structural system. Subsequently, various strengthening measures are modeled individually and compared with the reference state to systematically investigate their influence on the global structural behavior. The investigated measures include, among others, interventions to improve the diaphragm action of floor systems, such as timber–concrete composite slabs, the installation of ring beams at different floor levels, local stiffening elements in the form of steel frames, the use of fiber-reinforced composite materials on mansory, and the enhancement of masonry properties through injection techniques. The evaluation of the measures is based on the seismic performance factor, capacity curves, and the global ductility of the building. In addition, changes in damage patterns and failure mechanisms are qualitatively analyzed. The results show that the effectiveness of the investigated strengthening measures differs significantly and strongly depends on their type, extent, and arrangement of the measures. Measures that improve the connection between floors and walls and enable effective horizontal load distribution generally lead to a significant increase in global load-bearing capacity. At the same time, it becomes evident that a pronounced increase in stiffness may be accompanied by a reduction in ductility, which adversely affects the deformation capacity of the system. The study thus demonstrates that a balanced combination of stiffness, strength, and ductility is essential for favorable seismic behavior. Finally, the results are critically discussed and placed in a practical context. The findings provide a basis for estimating the effectiveness of individual strengthening measures and are intended to support engineers and planners in selecting appropriate strategies for the seismic rehabilitation of Gründerzeit buildings.