Abschlusspräsentation Baudynamik und Erdbeben 1

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1 Abschlusspräsentation Baudynamik und Erdbeben 1 Thema: EARTHQUAKE RESISTANT ENGINEERING STRUCTURES- RETROFITTING Erdbebensichere Ingenieurbauwerke- Nachrüstung/Ertüchtigung 1

2 Gliederung Kurze Zusammenfassung von 10 Beiträgen um einen inhaltlichen Überblick über das Thema bzw. der Ertüchtigungsmaßnamen zu geben von weiteren 8 besonders interessanten Beiträgen 2

3 Kurzzusammenfassung 353: Verwendung von künstlichem neuronalem Netzwerk zur Abschätzung des Verhaltens von bewehrten Beton- nachgerüstet/ saniert mit faserbewehrtem Polymer neuronales Netzwerk: können beliebig komplexe Funktionen approximieren, Aufgaben erlernen und Probleme lösen, bei denen eine explizite Modellierung schwierig bis nicht durchführbar ist Durchführung von 200 Versuchen von Beton mit faserbewehtem Polymer als Verstärkung Anschließende Simulation von künstlich neuronalem Netzwerken Einbeziehung der verschiedenen Parameter bei der Simulationsdurchführung Durchmesser und Höhe von der Säule, Materialbeschaffenheit des faserbewehrten Polymers und Druckspannung des unverstärkten Betons Versuchsergebnisse in guter Übereinstimmung mit der neuronalen Netzwerk- Simulation. Festigkeitswerte fcc aus Simulation und Experimente 3

4 Kurzzusammenfassung 513: Zugspannung von Verbundankern welche in Betonen geringer Festigkeiten eingebettet sind. Zugspannungsermittlung des Ankers über das Verhältnis Bewehrungsdurchmesser im Betonbauteil (mit einer definierten Größe) und der Betondeckung Aussage über Sprödbruchversagen Durchführung von 80 Versuchen mit unterschiedlichen Bewehrungsdurchmesser und unterschiedlicher Betondeckung Versuchsanordnung 4

5 Kurzzusammenfassung 698: Nachrüstung von Gebäuden aus Stahlbeton mit viskosen Dämpfer Durchführung einer Bemessung von linearen, viskosen Dämpfer für ein 4-geschoßiges Bauwerk aus Stahlbeton Energiedissipation von Bauwerk und Dämpfer sind bekannt Ergebnisse zeigen wie effizient diese Dämpfer für eine Nachrüstung sind Anordnung der bemessenen Dämpfer in 4-geschoßigem Bauwerk 5

6 Kurzzusammenfassung 714: Verhalten von vorgefertigten Betonwänden aus Versuchen mit Erdbebenbeanspruchung Versuchsdurchführung von: Einzelnen einstöckigen Paneelen mit und ohne Öffnungen Zweistöckige, H-förmige Konstruktionen Ergebnisse zeigen das diese Betonpaneele aussichtsreiche Konstruktionen bei: Mittlerer- und Hoher Erdbebenbeanspruchung Erfordernis für weitere Forschungen für Wand-Wand bzw. Wand-Decken Verhaltensweise Aufbau Stahlbeton- Paneele 6

7 Kurzzusammenfassung 840: Adhäsion zwischen Verstärkungsmaterialen und Mauerwerkskonstruktionen: von Versuchen zu numerischer Modellierung Ergebnis von Verbund/ Adhäsion von Verstärkungsmaterialien aus Polymer oder Zementbasierenden Stoffen mit dem Mauerwerk Erforschung des Einflusses der mechanischen Eigenschaften auf die Verbund- oder Adhäsionsspannung Versuche an Einzelproben welche aus drei verschiedenen Verbundsystemen bestanden (glasfaser- und karbonfaser- verstärktes Polymer bzw. karbonfaser- verstärkter Zementmörtel) an verschiedenen Mauerwerksarten durchgeführt. Die Analyse der durchgeführten Versuche ergab: Der Wert der Bruchenergie wird sehr von der Art des Mauerwerks und des Verbundmaterials beeinflusst. wie erwartet, ist die Bruchenergie umso größer je stärker das Mauerwerk ist eine weniger- als eine lineare Beziehung kann zwischen der mittleren Druckfestigkeit des Mauerwerks und dem zugehörigen Wert der Bruchenergie angegeben werden. 7

8 Kurzzusammenfassung 856: Schubertüchtigung von quadratischen hohlen Stahlbetonpfeilern Modellierung experimentelle Auswertung der seismischen Nachrüstung von hohlen Stahlbeton Pfeilern mit CFRP (karbonverstärktes Polymer) um Schubversagen zu verhindern Bewertung der Versuche hinsichtlich: Effizienz der Schubnachrüstungsstrategie der Einfluss verschiedener Querbewehrung auf die Schubtragfähigkeit Die Ergebnisse nach der Nachrüstung haben zudem ergeben, dass einen 40% höhere Biegebeanspruchung möglich war und damit die Strategie angemessen ist, um ein zufriedenstellendes Duktilitätsverhalten zu ermöglichen. 8

9 Kurzzusammenfassung 1055: Optimale Verteilung und Dimensionierung der Reibungsdämpfer zur Erdbebenbeherrschung einfache leistungsabhängige Aufbaumethode für die Dimensionierung und Aufteilung von Reibungsdämpfer innerhalb bestehender Rahmenstrukturen, zur Kontrolle seismischen Verhaltens Die Methode erlaubt die Bestimmung der Verbandsteifigkeit aller hinzugefügten Dämpfungseinrichtungen unter einer konstanten vorbestimmten Verschiebung durch die ledigliche Verwendung von Analyse-Werkzeug 9

10 Kurzzusammenfassung 1366: Seismische Nachrüstungstechnik von Stahlbetonstützen mit ultra hochfesten Faserbetonflügelwänden dünne und leichte Fertigteilflügelwände aus ultra hochfesten Faserbeton (UFC) als Nachrüstung Kapazität- und Duktilitätsuntersuchung der nachgerüsteten Stahlbetonstütze Verbindungsmethode über installierte Anker oder nur Epoxydharzkleber zwischen Stütze und Flügelwände Darstellung der verschiedenen Verbindungsmöglichkeiten zwischen Stütze und Flügelwand 10

11 Kurzzusammenfassung 1767: Experimentelle Untersuchung von Stahlbeton- einbringenden Konstruktionsmaßnahmen als Nachrüstung - Pretest Analyse Einbringen einer Stahlbetonwand in eine Rahmenstruktur ist eine häufig angewandte Nachrüsttechnik Stahlbeton als Material für eine ganze oder teilweise Ausfüllung der Öffnungen zwischen den umliegenden Stützen und Balken oder entsprechender Verbindung Versuche an mehrstöckigen Rahmenstrukturen mit eingefügter Stahlbetonwand wurden durchgeführt Untersuchungsergebnisse zeigen, dass STB-Einfüllungen eine wirksame Nachrüstungsmethode sind Rahmenstruktur mit STB- Füllwand 11

12 Kurzzusammenfassung 1857: Diagnose bestehender Schornsteine und Ausbaulösung für 180 m hohen Stahlbetonschornstein Experimentelle Verfahren zur Diagnose der bestehenden Bedingungen der Tragstruktur und Lösung zur Verstärkung und Instandsetzung von 180 m hohen Stahlbetonschornsteinen des Heizkraftwerks Oslomej, Republik Mazedonien Mit den durchgeführten statischen und dynamischen Analysen, mit definierten mathematischen Modellen und der erzielten Ergebnisse (dynamische Eigenschaften, Verschiebungen und statische Größen), wurde die Notwendigkeit und die Auswirkungen von Ausbau und Reparatur der Struktur definiert Ertüchtigung durch Karbon- Faserverstärkte Polymerumhüllung (blau gekennzeichnet) 12

13 329: Vorläufige Erdbebensanierung der Stadtmauern in Istanbul Betrachtet wird ein Turm der 5,5 km langen Stadtmauer in Istanbul wo alle m ein Turm steht. Stadtmauer Istanbul Vorläufige Sanierungen ist eine Alternative zu den konventionellen Ertüchtigungen Lösung soll eine Ertüchtigung sein, die unter Aufrechterhaltung der Konstruktion während der Sanierung durchgeführt wird Nach der Bestimmung der Erdbebenanfälligkeit der Türme, wurden Analysen zur Abklärung der Wirkung der vorgeschlagenen Sanierungsmaßname durchgeführt. Die angewendete Methode kann für hohe Mauerwerksbauten angewendet werden wo aufgrund von großen Rissanordnungen und Querverschiebungen die Sicherheit gefährdet ist 13

14 329: Vorläufige Erdbebensanierung der Stadtmauern in Istanbul Eckausbildung der Vorspannmaßnahme Das verwendete System ist eine Vorspannmaßnahme, die auf das bestehende Bauwerk aufgebracht wird Spannkabel zur Verringerung der horizontalen Verformung Kabel werden horizontal paarweise eingebaut und sind in einem Abstand von 5 m angeordnet Durchmesser der Kabel beträgt 1 cm Kabel werden an beschichtete Stahlankerplatten fixiert, welche wiederum auf Neoprenlager an der Mauer montiert sind Um ein kippen des Bauwerkes zu vermeiden, kann dieses System auch vertikal angewendet werden FE-Modell des Turmes 14

15 329: Vorläufige Erdbebensanierung der Stadtmauern in Istanbul FE-Modell des Turmes System soll für Bauten, welche einer Gefahr hinsichtlich Erdbeben ausgesetzt sind oder die kurz vor einem Erbeben stehen, angewendet werden Vorteile einer schnellen Montage (vor allem bis 10m Turmhöhe) und der niedrigen kosten Es kann auf die architektonische Komponente Bezug genommen werden durch entsprechende Farbauswahl der Materialen Möglichkeit verschaffen die Planung und Ausführung einer dauerhaften Ertüchtigung zu überstehen Maßnahme ist insbesondere für historisch zu Schützende bauten von Bedeutung 15

16 446: Dynamische Ertüchtigung vom Stahlbeton- Rahmenstrukturen Bemessungsrichtlinien geben Empfehlungen für eine seismische Abschätzung und Sanierung Maßnahmen wie Ertüchtigungen oder Änderung an der Konstruktion wurden bereits angewendet Zusätzlich ist es möglich, die Nutzungsart zu ändern, die seismische Belastung zu reduzieren, Trennung des Fundaments vom Boden oder anordnen einer Zusatzdämpfung In vielen Fällen kann der erforderliche Sicherheitsstandard nicht alleine durch eine Sanierungsmaßnahme erreicht werden Kombination aus klassischer Sanierungstechnik und dynamischer Abstimmung der Steifigkeit und Massen wird am Beispiel von Stahlbetonrahmen dargestellt mögliche Kombination stellen Schwingungsdämpfer dar, die die Dämpfung erhöhen, und FRP (Faserverstärktes Polymer) zur Erhöhung der Verformungen und Duktilität der Konstruktion besseres Systemverhalten wird dadurch erzielt Schwingungsdämpfer sind Masse (3-5% der Gesamtmasse)-Feder-Dämpfungssysteme die so eingestellt sind, dass sie in Resonanz mit der Eigenfrequenz des Bauwerks liegen sind daher fähig das unerwünschte Ansprechverhalten der Konstruktion zu tilgen Masse-Feder-Dämpfungssystem in einem bestimmten Frequenzbereich effizient Verwendung in Hochhäusern, bei Windbeanspruchung, bei Schornsteinen oder Fußgängerbrücken Neuerdings auch als Ertüchtigung gegen Erdbeben 16

17 446: Dynamische Ertüchtigung vom Stahlbeton- Rahmenstrukturen Die Auswirkungen der verschiedenen Ertüchtigungsvarianten werden anhand eines Beispieles erläutert Beispiel Rahmen: 17

18 446: Dynamische Ertüchtigung vom Stahlbeton- Rahmenstrukturen In den folgenden Zeit-Verschiebungs/Beschleunigungsdarstellungen werden die Unterschiede der verschiedenen Maßnahmen sichtbar: originaler Rahmen Ertüchtigung des Rahmen mit Bügel und Längsbewehrung Rahmen mit Schwingungsdämpfer 18

19 446: Dynamische Ertüchtigung vom Stahlbeton- Rahmenstrukturen In der folgenden Darstellung werden die Unterschiede der verschiedenen Maßnahmen sichtbar: originaler Rahmen Ertüchtigung des Rahmen mit Bügel und Längsbewehrung Rahmen mit Schwingungsdämpfer Es ist ersichtlich, dass die Maßnahmen durch den Schwingungsdämpfer am günstigsten sind und die maximalen Auslenkungen des ertüchtigten Rahmes (Bügel und Längsbewehrung )am größten sind. Die Auswertung von kombinierten Ertüchtigungen sind noch in Auswertung 19

20 565: Ertüchtigung durch Erhöhung der Biegetragfähigkeit von Stahlbetonsäulen mit oberflächennahen faserverstärkten Polymerstäben Die Nachfrage nach Materialien für Ertüchtigungen sind vor allem für Stützen gestiegen CFRP (karbon-faserverstärktes Polymer) ist eines davon, welches entweder durch umhüllen oder durch oberflächennahe Aufbringung (NSM) verwendet wird um die Biegefähigkeit einer Stütze zu erhöhen. Es wurde die Biegefähigkeit als auch die Duktilität betrachtet indem oberflächennahe FRP- Stäbe aufgebracht wurden. NSM wird durch einschneiden von Schlitzen, einlegen der Stäbe und ein anschließendes ausfüllen des Schlitzes mit Epoxydharz oder Mörtel durchgeführt Das Verhalten wurde von Finite- Elemente- Programme analysiert und schließlich mit Laborversuchen verglichen. Die Ergebnisse zeigten, dass diese Technik einen Verbesserung hinsichtlich Biegefähigkeit und Duktilität ist Versuchsanordnung 3 Stützen werden simuliert: Eine ohne Verstärkung, einen mit CFRP- Stäben an jeder Seite und eine mit CFRP- Stäben an jeder Seite plus 2 Lagen FRP Folie. Belastung: zyklische Querbelastung und einer vertikalen Belastung. 20

21 565: Ertüchtigung durch Erhöhung der Biegetragfähigkeit von Stahlbetonsäulen mit oberflächennahen faserverstärkten Polymerstäben Stütze ohne Verstärkung Biegekapazität bzw. Arbeitsvermögen (Energieaufnahme) 21

22 565: Ertüchtigung durch Erhöhung der Biegetragfähigkeit von Stahlbetonsäulen mit oberflächennahen faserverstärkten Polymerstäben Duktilitätsmaß der einzelnen Säulen Das Duktilitätsmaß ergibt sich hier aus der Verformung bei 80% der Tragfähigkeit δ u (abfallender Ast) und der Verformung zu Fließbeginn δ y Daraus ist ersichtlich, dass das Duktilitätsmaß von der unverstärkten Stütze (1,78) zur einfach - verstärkten um 24% ansteigt bzw. zur doppelt - verstärkten Stütze um 100%. Durch diese Verstärkungsmaßnahmen wird eine Steigerung der Last erzielt, die Biegefähigkeit erhöht und die Energieaufnahme steigt 22

23 777: Experimentelle Erforschung des Verhaltens in der Fuge von durchlöcherten Mauerwerkswänden infolge Erbeben, welche mit CFP- Schichten verstärkt wurden Bei den Versuchen in dieser Studie wurden die Wände mit einer Öffnung ausgeführt und mit vertikaler Last belastet, zusätzlich erfolgt eine horizontale seismische Belastung Versuchsanordnung der Wände In einem weiteren Schritt wurden die bereits geprüften Wände mit Verstärkungen ertüchtigt. Die Verstärkungen waren zum einen mit: CFRP- Schichten (karbon- faserverstärkte Polymerschichten) in vordefinierter Anordnung ; CFRP- Schichten in vordefinierter Anordnung samt Injektion der Risse mit Epoxydharz 23

24 777: Experimentelle Erforschung des Verhaltens in der Fuge von durchlöcherten Mauerwerkswänden infolge Erbeben, welche mit CFP- Schichten verstärkt wurden Ertüchtigung der Wände Beispiel für die Steifigkeit vor und nach der Ertüchtigung (Ertüchtigung mit zusätzlicher Rissinjektion) Das Ergebnis der Versuche zeigte einen Anstieg der vertikalen Spannung, der Verformungskapazität und auch des Duktilitätsfaktors bei den Wänden mit Rissinjektion und CFRP Verstärkung Bei den lediglich mit CFRP- verstärkten Wänden wurde kein Anstieg der vertikalen Spannung festgestellt sondern lediglich 90% der unverstärkten intakten Wand erreicht 24

25 864: Experimentelle und analytische Prüfung von fehlerhaften Rahmen die mit Chevron Verband nachgerüstet wurden experimentelle und analytische Untersuchungen von Chevron Verbänden als Verstärkungsmethode, um die Leistungsfähigkeit der seismisch mangelhaften Stahlbeton- Strukturen zu verbessern Es wurden fünf Proben, drei verstärkt und zwei als Referenz- Portalrahmen gebaut und unter konstanter Last und zunehmender, zyklischen, seitliche Verschiebungsauslenkung getestet Testergebnisse: Chevron Verbände als Nachrüstungsmethode erhöhen die Steifigkeit und seitliche Belastbarkeit deutlich nach dem Knicken des Verbandes wird jedoch die seitliche Belastbarkeit schnell abgebaut Versuchsanordnung 25

26 864: Experimentelle und analytische Prüfung von fehlerhaften Rahmen die mit Chevron Verband nachgerüstet wurden Detailausbildung Basierend auf den Versuchsergebnissen und Anwendungen beschränkt auf den Hochbau, wird angenommen, dass ein relativ schlanker Chevron Verband, trotz des Eintretens des frühen Knickens unter axialer Beanspruchung, bei Flachbau Nachrüstungen aufgrund ihrer Wirtschaftlichkeit und einfachen Installation wirksam sein können 26

27 910: Eine globale Methode zur Abschätzung seismischer Anfälligkeit und Ertüchtigung von Brücken in Frankreich SISMOA Methode geschaffen: um eine qualitative Abschätzung der seismischen Gefährdung der bestehenden Brücken zu haben, die auf geometrische und typologischen Kriterien basieren Kombination von der Anfälligkeit, Gefahren-Indizes und der strategischen Bedeutung der Brücke, ermöglicht die Annäherung einer Bestimmung, welche Brücken genauer analysiert und schließlich nach Priorität nachgerüstet werden sollten Diese Leitlinien sollen die kritischen Themen abdecken wie: Welche Brücken sind vorrangig zu behandeln? Welche Art von Analysemethoden ist bei seismischen Schwachstellenbewertungen zu verwenden? Welches Maß an Leistung ist durch die seismische Nachrüstung zu erreichen? Und zu welchen Kosten? Hinsichtlich Priorität der Brücke soll folgende Darstellung dienen, welche in: seismische Aktivitäten am Brückenstandort, Anfälligkeit der Konstruktion, soziale/ wirtschaftliche Bedeutung der Brücke unterteilt ist Prioritätendreieck 27

28 910: Eine globale Methode zur Abschätzung seismischer Anfälligkeit und Ertüchtigung von Brücken in Frankreich seismische Aktivitäten am Brückenstandort: basiert auf der Zoneneinteilung nach seismischen Aktivitäten seismische Anfälligkeitsuntersuchung der Konstruktion Angewendet wird die SISMOA- Methode, die die verschiedenen Konstruktionselemente, deren Eigenschaften, Baujahr, Umgebungseinflüsse,.. bewertet. z.b.:verschiedenen Auflagertypen die unterschiedlich bewertet werden 28

29 910: Eine globale Methode zur Abschätzung seismischer Anfälligkeit und Ertüchtigung von Brücken in Frankreich soziale/ wirtschaftliche Bedeutung der Brücke menschlichen Opfer beim Einsturz einer Brücke; strategischen Zugang zu wichtigen Einrichtungen wie Krankenhäusern, Flughäfen oder Feuerwehrleute; sind alternative Routen verfügbar; die Anzahl der Fahrspuren; durchschnittlicher Verkehr; die lokale wirtschaftliche Rolle; der Eigenwert der Struktur Maßnahmen zur Ertüchtigung für unterschiedliche Brückentypen: strukturelle Erweichung (z. B. durch Modifizierung der Elastomer- Auflagereigenschaften), die Verbesserung der Pfeilerduktilität, Stärkung der schwachen/empfindlichen Elemente (Pfeiler oder Fundamente) oder zunehmende strukturelle Dämpfung durch zusätzliche externe Dämpfer... 29

30 1109: Nachrüstung und Modernisierung von Stahlbetonrahmenbauwerken mit Hilfe von Streckgitterplatten Verwendung von Streckgitterplatten (EMP) zur Nachrüstung oder Verbesserung von Steifigkeit, Festigkeit und Dehnbarkeit bestehender Rahmen Streckgitter arbeitet als zusätzliches horizontales Widerstandssystem Das hysteretische Verhalten von EMP ist fast gleich wie bei Stahlplatten Schubwänden (SPSW), die üblicherweise in den USA, Kanada und Japan verwendet werden Das seismische Verhalten der Streckgitterplatten wurde sowohl in Versuchen als auch numerisch untersucht Ein Vergleich zwischen dem Verhalten der nicht nachgerüstet und modernisierten Konstruktionen zeigt, dass die vorgeschlagene Lösung wirksam gegen die seismischen Einflüsse auf die Konstruktion ist Streckgitter 30

31 1109: Nachrüstung und Modernisierung von Stahlbetonrahmenbauwerken mit Hilfe von Streckgitterplatten Kapazität- und Verschiebungskurve von einem Rahmen vor und nach der Ertüchtigung durch Push-over Analyse Ertüchtigung besteht aus der Montage von Streckgitterplatten in der schwächeren, weicheren Geschoßen Das Nachrüstungssystem führt zu einer Erhöhung der Festigkeit, Steifigkeit und Duktilität. Die Energie die von Streckgitterplatten abgeführt wird beträgt rund 50% der Gesamtenergie Obwohl Streckgitterplatten den Versagensmechanismus nicht ändern- aber eine Zunahme der Festigkeit, Steifigkeit und Dehnbarkeit der Konstruktion kann erreicht werden 31

32 1223: Untersuchung des Verhaltens von geschraubten Winkelanschlüssen durch eine Explosionsbelastung nach dem Erdbeben Verhalten von geschraubten Winkelverbindungen unter Explosionsbelastung (pseudostatische Lasten wurden verwendet) mit Hilfe der Finite- Elemente- Methode untersucht 4 Anschlussmodelle bestehend aus: zwei verschieden Ober-und Sitzwinkel Verbindungen ohne Stegwinkel und zwei verschiedenen Ober-und Sitzwinkel Verbindungen mit Stegwinkel Die Modelle sind unter Explosionslasten nach TM Code geprüft und die kritischen Bereiche in den Verbindungen wurden bestimmt Ergebnisse zeigen, dass die Anforderungen des TM Codes nicht für Verbindungen unter Explosionslasten geeignet sind. Ausbildung der Versuchsanordnung 32

33 1223: Untersuchung des Verhaltens von geschraubten Winkelanschlüssen durch eine Explosionsbelastung nach dem Erdbeben FE- Model unter Explosionsbelastung Prognostizierte Verformung für die Verbindung Bei dieser prognostizierten Verformung ist zu erkennen, dass der obere und untere Anschlusswinkel verformt und der Träger horizontal verdreht ist. Die Stütze hingegen hat keine bedeutsame Verformung erlitten. Basierend auf den Ergebnissen dieser Forschung sind einige Korrekturen für den TM Code vorgeschlagen und das Verhalten dieser Verbindungen unter Explosionslasten beschrieben worden. 33