Anwendung der Kapazitätsspektrum-Methode zum Nachweis von Mauerwerksbauten unter Erdbebenbelastung

Forschungsprojekt der Forschungsgemeinschaft

der Ziegelindustrie e.V. (FGZ) ProjektnummerAiF 15824NProjektfördererBMWi über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen

„Otto von Guericke“ e.V. (AiF)DurchführungInstitut für Ziegelforschung Essen e.V. (IZF) und RWTH Aachen, Lehrstuhl für Baustatik und ­Bauphysik (LBB)ProjektleiterDipl.-Ing. Michael Ruppik (IZF),

Dr.-Ing. Christoph Butenweg (LBB)

1 Hintergrund und Problemstellung

Die Bemessung von Mauerwerksbauten unter Erdbeben­belastung erfolgt traditionell zunächst kraftbasiert linear. Die nichtlinearen Tragwerksreserven werden dann vereinfacht, mittels des sogenannten Verhaltensbeiwertes q, berücksichtigt, der das Verformungsvermögen des Bauwerks in Abhängigkeit des Baustoffs (Stahl, Stahlbeton, Mauerwerk, Holz, usw.) erfasst. Der für unbewehrtes Mauerwerk gemäß DIN 4149 und DIN EN 1998 anzusetzende Wert q = 1,5 kann in Kombination mit den höheren Erdbebenlasten nach neuer Erdbebennorm dazu führen, dass bewährte Konstruktionstypen in deutschen Erdbebengebieten oftmals nicht nach­gewiesen werden können, obwohl diese ihre Standsicherheit in zurückliegenden Erdbeben bereits unter Beweis gestellt haben.

Zur Behebung dieser Diskrepanz wurde von Bachmann und Lang (2002) ein verformungsbasiertes Nachweiskonzept (Kapazitätsspektrum-Methode) entwickelt, das jedoch auf regelmäßige Mauerwerksbauten beschränkt war und die Effekte zyklischer Wandbeanspruchungen im nichtlinearen Bereich nicht berücksichtigte. Gefördert von der Deutschen Gesellschaft für Mauerwerksbau (DGfM) entwickelte der Lehrstuhl für Baustatik und Baudynamikder RWTH Aachen das Verfahren weiter, sodass auch beliebige Grundrisskonfigurationen unter Berücksichtigung von Torsionseffekten untersucht werden konnten.

Eine realistische Bemessung mit dem neuen, verformungsbasierten Konzept ist jedoch nur möglich, wenn die zyklischen Last-Verformungskurven von Wänden für verschiedene Auflastniveaus und Geometrieverhältnisse einer Stein-/Mörtel-Kombination bekannt sind. Diese Grundlage zur Anwendung des neuen verformungsbasierten Konzeptes war für Ziegelmauerwerk nicht gegeben. Gründe dafür ­waren unvollständige Versuchsergebnisse und ein fehlender konzeptueller Ansatz zur systematischen Aufstellung der Kurven in einer Berechnungssoftware.

 

2 Ziel

Es sollte eine neue Methodik zur systematischen Bestimmung von zyklischen Schubwandkurven als Eingangswerte für die verformungsbasierte Bemessung mit der Kapazitätsspektrum-Methode entwickelt werden.

 

3 Vorgehensweise

Es wurden experimentelle Schubwandversuche und numerische Simulationen durchgeführt, die der Definition eines Rasters von Last-Verformungskurven dienten. Für die notwendige Interpolation zwischen den Kurven wurde ein spezieller Interpolationsalgorithmus entwickelt, der prototypisch auf eine reale Doppelhaushälfte angewendet wurde. Die Anwendung wurde von der Landesstelle für Bautechnik in Tübingen geprüft und für richtig befunden. Es zeigte sich jedoch, dass die Erstellung eines Rasters aus Last-Verformungskurven aufgrund der benötigten Anzahl von Versuchen wirtschaftlich nicht darstellbar ist. Deshalb entwickelte man ein grundlegend neues Konzept. Für die Ableitung des Konzepts wurden die Last-Verformungskurven aus dem vorliegenden Projekt und aus dem EU-Projekt ESECMaSE (2009) im Hinblick auf die maximalen Traglasten und Verformungsfähigkeiten systematisch ausgewertet.

 

4 Ergebnisse

Die Lastverformungskurven können durch Festlegung der Anfangssteifigkeit, der maximalen Traglast und der maximalen Verformung bilinear approximiert werden. Mit dieser bilinearen Approximation können für beliebig vorgegebene Randbedingungen von Schubwänden die Schubwandkurven aufgestellt werden. Eine Interpolation erübrigt sich somit.

Das Konzept ist bereits im Nationalen Anwendungsdokument zur DIN EN 1998-1 (2010) aufgenommen worden und steht mit der speziell für den Mauerwerksbau entwickelten Software MINEA (2012) der Baupraxis zur Verfügung. Der Eingang in die Praxis ist somit bereits in der Projektlaufzeit erfolgt, was den hohen Nutzen des durchgeführten Projektes zeigt.

 

Dieses Forschungsprojekt der Forschungsgemeinschaft der Ziegelindustrie e.V. (FGZ) wurde unter der Nummer AiF 15824N vom BMWi über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF) gefördert und vom Institut für Ziegelforschung Essen e.V. gemeinsam mit dem Lehrstuhl für Baustatik und Baudynamik der RWTH Aachen durchgeführt.

Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht. Der 49 Seiten lange Schlussbericht kann bei der Forschungsgemeinschaft der Ziegelindustrie e.V. in Berlin angefordert werden.