DISSERTATION

Evaluierung der Erdbebensicherheit von maßgeblichen

Mauerwerkshochbauten für das

Katastrophenmanagement

eingereicht von Dipl.-Ing. Suikai Lu

1 Evaluierung der Erdbebensicherheit von maßgeblichen Mauerwerkshochbauten für das Katastrophenmanagement

Meinen Eltern; Fr. Yuxian Lu und Hr. Dipl.-Ing. GuoCai Lu gewidmet

2 Evaluierung der Erdbebensicherheit von maßgeblichen Mauerwerkshochbauten für das Katastrophenmanagement

„Ob du sie (die Mutmaßungen) akzeptierst oder nicht, wird keinerlei Auswirkungen auf die Realität haben, Traumfinder. Du magst dich entschließen, nicht an einstürzendes Mauerwerk zu glauben, falls diese Vorstellung dir zuwider ist, doch wenn dir ein Ziegel auf den Schädel fällt, befördert er dich nichtsdestotrotz ins Jenseits.“

3 Evaluierung der Erdbebensicherheit von maßgeblichen Mauerwerkshochbauten für das Katastrophenmanagement

Vorwort

Die vorliegende Arbeit entstand teilweise während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter bei der Firma arsenal research, Österreichisches Forschungs- und Prüfzentrum Arsenal Ges.m.b.H., Geschäftsfeld Verkehrswege.

Mein besonderer Dank gilt meinem Professor, Doktorvater und 1. Dissertationsgutachter Herrn Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Rudolf Heuer - TU Wien, der mir bereits während meiner Studienzeit den Ansporn zu einer wissenschaftlichen Weiterbildung vermittelte und mich auch in die Welt der Mechanik einführte. Ebenso möchte ich mich bei Herrn Prof. Heuer für seinen Einsatz und Hilfe auch in persönlichen und privaten Belangen herzlichst danken. Durch seinen Einsatz ist es mir u.a. ermöglicht worden während meines Diplomstudiums meine Masters Thesis an der Stanford University, John A. Blume Earthquake Engineering Center, USA, zu verfassen. Herr Prof. Heuer hat mich während der letzten Jahre ständig motiviert und durch zahlreiche Diskussionen, teilweise auch außerhalb seiner Sprechstunden, immer wieder aufgebaut und die Dissertation in die hier vorliegende Form gelenkt.

4 Evaluierung der Erdbebensicherheit von maßgeblichen Mauerwerkshochbauten für das Katastrophenmanagement

Weiters gebühren Herrn Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Christoph Adam - TU Wien, Herrn Dipl.-Ing. Michael Kogler - Wienerberger Ziegelindustrie AG, Herrn Dipl.-Ing. Dr. techn. Vladimir Benko - TU Wien, Frau Dipl.-Ing. Dr. techn. Yvonne Spira - TU Wien und Herrn Univ. Doz. Dipl.-Ing. Dr. techn. Roman Lackner - TU Wien, mein aufrichtigster Dank für die vielen fachlichen Diskussionen und Ratschläge; ohne ihr Mitwirken wäre diese Arbeit unter ungleich schwierigeren Bedingungen durchführbar gewesen.

Auch gebührt mein Dank meinen Freunden und all jenen, die mir nahe stehen und mich stets unterstützten.

5 Evaluierung der Erdbebensicherheit von maßgeblichen Mauerwerkshochbauten für das Katastrophenmanagement

Kurzfassung

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. Diese ist chronologisch nach deren Entwicklung in Kapitel 3 zusammengefasst. Kapitel 4 fokussiert sich auf das Makromaterialmodell nach Ganz [35], wobei dieses erklärt und erläutert wird. Ganz [35] 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 [35] 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

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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.

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 [90] und die Norm EN 1998-1 [87] für Erdbebeningenieurwesen erläutert. 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.

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Abstract

8 Evaluierung der Erdbebensicherheit von maßgeblichen Mauerwerkshochbauten für das Katastrophenmanagement

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 [90] (Austrian Seismic Code) and Eurocode EN 1998-1 [87]. Especially the proposed analysis methods for masonry structures are presented. 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...