Verhalten von Stahlbetonrahmen mit entkoppelten Mauerwerksausfachungen und Öffnungen unter seismischen Einwirkungen

Projekttitel:Verhalten von Stahlbetonrahmen mit entkoppelten Mauerwerksausfachungen und Öffnungen unter seismischen Einwirkungen
Fördergeber:Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD)
Doktorandenprogramm in Deutschland, Förderprogramm: 57440921
Projektpartner:RWTH Aachen University
Center for Wind and Earthquake Engineering / Lehrstuhl für Baustatik und Baudynamik
Prof. Dr.-Ing. Christoph Butenweg
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Sven Klinkel
M. Sc. Aleksa Milijaš

University of Belgrade – Faculty of Civil Engineering
Chair of Engineering Mechanics and Theory of Structures
Dr. Marko Marinković, Assistant Professor
Projektbetreuer:Prof. Dr.-Ing. Christoph Butenweg
Tel: +49 (0) 241 – 60 09 53 16 0
butenweg@lbb.rwth-aachen.de
Projektlaufzeit:
2019 – 2022

Stahlbetonrahmenkonstruktionen mit Mauerwerksausfachungen stellen weltweit einen großen Anteil des Gebäudebestands in erdbebenaktiven Regionen dar. Die Ausfachungen werden sowohl als äußerer Gebäudeabschluss als auch für die Unterteilung im Inneren des Gebäudes eingesetzt. Als nichttragende Bauteile ermöglichen Ausfachungen im Sinne moderner architektonischer Anforderungen eine flexible Grundrissnutzung über die Lebenszeit des Bauwerks. Darüber hinaus bieten Mauerwerksausfachungen sehr gute Eigenschaften hinsichtlich Schalldämmung, Brandschutz und Wärmedämmung. Die Kombination von Stahlbetonrahmen mit hohen Verformungsfähigkeiten und im Vergleich dazu sehr steifen Mauerwerksausfachungen erfordert jedoch eine sorgfältige Planung und Ausführung der Mauerwerksausfachungen. Traditionell werden die Ausfachungen vollständig ohne Spaltmaße in den Rahmen eingemauert, so dass es zu Wechselwirkungen zwischen Rahmen und Ausfachung kommt. Dies führt auf Wandebene zu lokalen Schäden und kann durch die Aktivierung der Ausfachungen signifikante Änderungen des dynamischen Verhaltens des Gesamtgebäudes zur Folge haben. Hierbei können auch ungünstige Torsionswirkungen entstehen, die ein Gebäudeversagen initiieren können.

Zusätzlich werden die Ausfachungen durch Trägheitskräfte senkrecht zur Ebene belastet, so dass dem Anschluss der Ausfachungen an den umlaufenden Rahmen eine wichtige Bedeutung zukommt. Der Anschluss muss so gestaltet werden, dass die Kräfte senkrecht zur Wand auch bei sich einstellenden größeren Rahmenverformungen in Wandebene sicher abgeleitet werden. Diese kombinierte Beanspruchung von Ausfachungswänden in und senkrecht zur Wandebene findet in der Praxis bislang keine Berücksichtigung, da die gängigen Erdbebennormen die Belastungen getrennt voneinander betrachten und nachweisen. Auch werden Vorschädigungen der Anschlüsse zum Rahmen infolge des zyklischen Charakters der seismischer Einwirkungen und der Wechselbeanspruchungen in und senkrecht zur Ebene nicht betrachtet. Dies führt im Erdbebenfall zu großen Gebäudeschäden mit einem Versagen ganzer Ausfachungsflächen. Abbildung 1 zeigt beispielhaft den Schäden von Ausfachungswänden an Gebäuden verursacht durch die Erdbeben in der Emilia Romagna (2012).

Abbildung 1: Schäden an Ausfachungen in Italien: Emilia Romagna (2012)

An dem Verhalten von Mauerwerksausfachungen unter seismischen Beanspruchungen wird seit Jahrzehnten intensiv geforscht, z.B. [2], [3], [4], [5], [6]. Die Vielzahl der Forschungsarbeiten und die immer wieder auftretenden Erdbebenschäden verdeutlichen die Schwierigkeit traditionelle Mauerwerksausfachungen mit Vollkontakt zum Rahmen erdbebensicher auszulegen. Deshalb wurden verschiedene Lösungsstrategien zur Erhöhung der Erdbebensicherheit von Ausfachungsmauerwerk entwickelt, die den in Abbildung 2 dargestellten drei Ansätzen zugeordnet werden können. Der erste Ansatz (Abbildung 2a) sieht eine Verstärkung der Ausfachung und deren kraftschlüssige Anbindung an den Stahlbetonrahmen vor. Der zweite Ansatz verbessert die Verformungsfähigkeit der Ausfachung durch die Anordnung von zusätzlichen Gleitebenen (Abbildung 2b). Der dritte Ansatz ist eine Entkopplung von Ausfachung und Rahmen, so dass der Ausfachung die Rahmenverformungen nicht aufgezwungen werden (Abbildung 2c)

Abbildung 2: Ansätze zur Verbesserung des seismischen Verhaltens von Mauerwerksausfachungen

Im Rahmen der durch den DAAD finanzierten Promotionsarbeit wird zunächst das Verhalten von traditionell ausgefachten Stahlbetonrahmen mit Öffnungen unter Belastungen in und senkrecht zur Rahmenebene detailliert untersucht. Im nächsten Schritt wird ein Entkopplungssystem entwickelt, mit dem eine sichere Ausführung von ausgefachten Stahlbetonrahmen in Erdbebengebieten mit und ohne Öffnungen möglich ist. Die Entwicklungen werden basierend auf Kleinbauteilversuchen, zyklischen Schubwandversuchen und numerischen Simulationen durchgeführt. Das geplante Versuchsprogramm ist in Tabelle 1 zusammengestellt. Die Effektivität des Entkopplungssystems soll durch den Vergleich von Versuchs- und Simulationsergebnissen an traditionell ausgefachten und entkoppelten Stahlbetonrahmen demonstriert werden.

Tabelle 1: Versuchsprogramm für die zyklischen Wandversuche

Literatur

  1. Dazio A, Beyer K, Braune F, Fritsche S, Mittaz, X (2009). Das Mw= 6.3 Erdbeben von L’Aquila am 6. April 2009. Bericht der SGEB-Erkundungsmission vom 15-18 2009.
  2. Al-Chaar G, Issa M, Sweeney S. (2002). Behavior of masonry-infilled nonductile reinforced concrete frames. Journal of Structural Engineering, 128(8), 1055-1063.
  3. Mehrabi AB, Benson Shing P, Schuller MP, Noland JL (1996). Experimental evaluation of masonry-infilled RC frames. Journal of Structural engineering, 122(3), 228-237.
  4. Hak, S., Morandi, P., & Magenes, G. (2017). Prediction of inter-storey drifts for regular RC structures with masonry infills based on bare frame modelling. Bulletin of Earthquake Engineering, 1-29.
  5. Furtado, A., Rodrigues, H., & Arêde, A. (2015). Modelling of masonry infill walls participation in the seismic behaviour of RC buildings using OpenSees. International Journal of Advanced Structural Engineering (IJASE), 7(2), 117-127.
  6. Butenweg, C., Meyer, U., Fehling, E.: EU-Projekt INSYSME: Innovative Techniken für erdbebensichere Ausfachungswände aus Ziegelmauerwerk in Stahlbetonrahmentragwerken, Mauerwerk, Band 18, Nr. 2, S. 78 – 81, 2014.