YTONG Porenbeton. Erdbebensicherheit im Mauerwerksbau

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1 YTONG Porenbeton Erdbebensicherheit im Mauerwerksbau

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3 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Einleitung... 4 Grundlagen zu den Erdbebeneinwirkungen nach den neuen Normen... 5 Entwurfs- und Projektierungshinweise... 6 Entwicklung eines Grundrisses Grundriss mit nur einer langen Wand in einer Richtung Schlusswort Literaturverzeichnis... 15

4 Einleitung Einleitung Die Sensibilität in der Bevölkerung gegenüber Naturkatastrophen nimmt auch in der Schweiz mehr und mehr zu. Erdbeben stellen unter den Naturgefahren das grösste Risiko dar. Ein Erdbeben wie jenes von Basel im Jahre 1356 oder im Wallis 1855 würde in der Schweiz heute zu grossen Schäden an Gebäuden und Menschen führen. Mauerwerksgebäude verhalten sich in einem Erdbeben besonders empfindlich. Mit der Einführung der neuen Normen wird dieser Problematik verschärft Rechnung getragen. Die vorliegende Broschüre soll Architekten, Ingenieuren und Planern eine einfache Hilfe zum erdbebengerechten Entwerfen und Projektieren von Mauerwerksgebäuden sein. Der Mauerwerksbau hat in der Schweiz Tradition. Gebäude in der Erdbebenzone 1 und 2 werden oft in unbewehrtem Mauerwerk gebaut. Für Gebäude der Bauwerksklasse III (BWK III), wie z.b. Akutspitäler welche nach einem Erdbeben von grosser Wichtigkeit sind, schreibt die Norm duktiles (nach Norm bewehrtes) Mauerwerk vor. Ebenfalls duktiles Mauerwerk schreibt die Norm für Gebäude mit grösseren Menschenansammlungen (BWK II) der Zone 3 vor. In einem ersten Teil der Broschüre werden summarisch die Grundlagen zu den Erdbebeneinwirkungen nach den neuen Normen erarbeitet. Im zweiten Teil werden Hinweise zum Entwurf und der Projektierung gegeben, welche anhand von Gebäudegrundrissen im dritten Teil diskutiert werden.

5 Grundlagen zu den Erdbebeneinwirkungen nach den neuen Normen Grundlagen zu den Erdbebeneinwirkungen nach den neuen Normen Abhängig in welcher Zone und auf welchem Baugrund ein Gebäude steht, welches Schwingverhalten ein Gebäude zeigt und welcher Bauwerksklasse ein Gebäude zugeteilt ist, resultieren stark unterschiedliche Erdbebeneinwirkungen. In der untenstehenden Grafik wird gezeigt, wie die Erdbebeneinwirkungen nach den neuen Normen infolge der genannten Parameter ändern. Erdbebeneinwirkung abhängig vom Standort des Gebäudes Erdbebeneinwirkung abhängig von der Bauwerksklasse (BWK) BWK I (Wohngebäude, Industrie- Lagergebäude...)..Faktor 1 BWK II (Spitäler, Schulen Einkaufszentren...)..Faktor 1.2 Bodenbeschleunigung: BWK III (Akutspitäler)..Faktor 1.4 Zone 1: 0.6 m/s 2 Zone 2: 1.0 m/s 2 Zone 3a: 1.3 m/s 2 Zone 3b: 1.6m/s 2 Erdbebeneinwirkung abhängig vom Schwingungsverhalten des Gebäudes und der Bodenklasse Erdbebeneinwirkung abhängig von der Verformungsfähigkeit eines Gebäudes Unbewehrtes Mauerwerk Faktor 0.67 Duktiles Mauerwerk Faktor 0.40 Stahlbeton Faktor 0.50 bis 0.25 Holzbau Faktor 0.67 bis 0.33 Diese Faktoren entsprechen den Reziprokwerten der q-werte der SIA-Normen Baugrundklasse A Baugrundklasse B Baugrundklasse C Baugrundklasse D Schwingzeit T (s) Baugrundklasse E

6 Entwurfs- und Projektierungshinweise Entwurfs- und Projektierungshinweise 1. Zwei lange Wände in jeder Richtung Abstand > 75 % der Gebäudebreite Abstand > 75 % der Gebäudebreite 2. Symmetrie der Wände im Grundriss In jeder Richtung des Gebäudes sind mindestens. 2 lange Wände vorzusehen, um ein Gebäude gegen Erdbebeneinwirkungen in optimaler Art und Weise zu stabilisieren. S = D Als lang gelten in Zone 1 Wände, die ca. ¹/3 bis ½ der Seitenlänge des Grundrisses in der betrachteten Richtung haben. Damit das Gebäude genügend torsionssteif wird, müssen mindestens zwei parallele Wände eines Gebäudes einen Abstand von mehr als 75 % der Gebäudebreite haben. Mit der Gebäudebreite ist hier die Abmessung des Gebäudes quer zu den betrachteten Wänden gemeint. Kurze Wände tragen in Analogie zu Stützen vorwiegend Vertikallasten ab. Im vorliegenden Beispiel sind dies die Wände in Gebäudemitte. Schubwände die zur Aufnahme von Erdbebeneinwirkungen bestimmt sind, müssen eine Mindeststärke von 15 cm aufweisen. Ihre Höhe darf die 17-fache Dicke nicht überschreiten. Die Wände sollten im Grundriss möglichst symmetrisch angeordnet werden. Die Symmetrie bewirkt, dass Schwerpunkt S und Schubmittelpunkt D zusammenfallen. Je weiter diese zwei Punkte auseinander liegen, desto grösser werden die Beanspruchungen der Wände bei einem Erdbeben infolge Torsionsschwingungen des Gebäudes.

7 Entwurfs- und Projektierungshinweise 3. Erdbebengerecht geplante Öffnungen und Schlitze in den Wänden 4. Ersetzen einer langen Wand durch zwei kürzere Wände Erdbebenwände mit Öffnungen oder Schlitzen müssen ohne spezielle Nachweise grundsätzlich als einzelne Wände betrachtet werden, die unabhängig voneinander einen geringeren Schubwiderstand haben als eine einzige homogene Wand. S = D Eine lange Wand kann durch zwei kürzere Wände ersetzt werden. Rechnerisch sollten diese Wände je eine Länge von 70 bis 80 % der längeren Wand aufweisen. Dann bleibt der Schubmittelpunkt D am selben Ort. Dies führt zu einem guten Torsionsverhalten des Gebäudes. l Wand Elektrische Leitungen sollen so geplant werden, dass sie den Schubwiderstand einer Wand möglichst wenig beeinträchtigen. Sind die Schlitze an den Rändern der Wand angeordnet, so ist dies ideal. Dadurch wird die rechnerische Länge der Wand nur um die Länge der Störzone verkleinert.

8 Entwurfs- und Projektierungshinweise 5. Genügend Vertikallasten auf den Erdbebenwänden Raumtrennende Wände entziehen den Erdbebenwänden Vertikallasten Wenn Aussparungen neben den Erdbebenwänden angeordnet werden, besteht die Gefahr, dass diese Wände weniger Vertikallasten aufnehmen. Dadurch kann ihr Schubwiderstand erheblich verringert werden. Eine statisch günstige und zwei statisch günstige Anordnungen der Treppenöffnungen sind in den nachfolgenden Bildern gezeigt. Lasteinzugsfläche der jeweiligen Wand Damit die Erdbebenwände den maximalen Schubwiderstand aufweisen, müssen sie ein gewisses Mass an Vertikallasten abtragen. Oft weisen Wände, welche für die Abtragung von Erdbebenlasten geeignet wären zu wenig Vertikallasten auf und erreichen deshalb ihren maximalen Schubwiderstand nicht. Um im obigen Grundriss die untere Erdbebenwand mit genügend Vertikallasten zu belasten, sind die raumtrennenden Wände nichttragend auszuführen. ungünstig günstig günstig

9 Entwurfs- und Projektierungshinweise 6. Wände durchgehend über alle Stockwerke 7. Ausbildung von nichttragenden Wänden Bewegungen des Tragwerks müssen von nichttragenden Wänden ohne Aufnahme von Kräften erfolgen können. Sonst besteht die Gefahr, dass nichttragende Wände während eines Erdbebens stark beschädigt werden. Dafür können z.b. zwischen tragenden und nichttragenden Wänden Fugen angeordnet werden. Damit eine nichttragende Wand im Erdbeben nicht umkippt, muss sie konstruktiv gehalten werden. Solche Anschlüsse müssen oft auch schall- und wärmetechnischen Anforderungen genügen. Erdbebenwände aus Mauerwerk sollen über alle Stockwerke des Gebäudes geführt werden. Fuge je nach Durchbiegung der Decke Schalldämmung Anker Halten von nichttragenden Wänden durch Querwände im Verbund

10 10 Entwurfs- und Projektierungshinweise 8. Ausfachung von Stahl- und Stahlbetonskelettbauten Skelettbauten sind für Horizontalverschiebungen weiche Tragsysteme, welche bei einem Erdbeben relativ grosse Verformungen mitmachen. Das Tragwerk darf infolge solcher Bewegungen durch das ausfachende Mauerwerk nicht beschädigt werden. Diesen Verformungen kann auf zwei Arten begegnet werden: Ein Ansatz ist, die ausfachenden Wände so auszubilden, dass sie die Bewegungen ohne Aufnahme von Kräften mitmachen können. Die Mauerwerkswände werden erst nach dem Betonieren der Decken aufgemauert. In diesem Fall übernehmen sie keine Vertikallasten und können folglich nur marginale, horizontale Kräfte aufnehmen. Um dem Tragwerk seine Bewegungen zu ermöglichen, braucht es zwischen dem Rahmensystem und dem ausfachenden Mauerwerk Fugen. Fehlen solche Fugen, ist es möglich, dass im Erdbeben die Stahl- oder Stahlbetonstützen durch die ausfachenden Mauerwerkswände zerstört werden. Solche Wände müssen oben und auf der Seite gehalten werden (Siehe auch unter Punkt 7). Eine andere Möglichkeit dem Problem zu begegnen ist, die Mauerwerkswände tragend auszubilden. Im Gegensatz zu einem ausgefachten Tragwerk sind die Mauerwerkswände zur Aufnahme von Kräften bestimmt. Deshalb müssen die Mauerwerkswände ein gewisses Mass an Vertikallasten abtragen. Dies bedeutet, dass man bei Stahlbetonrahmen die Betondecken nach dem Aufmauern der Wände betoniert. Damit wird erreicht, dass die Mauerwerkswände Vertikallasten aufnehmen und ihr Schubwiderstand dadurch erhöht wird. Noch erfolgreicher wäre ein System, bei dem die vertikalen Stahlbetonelemente nach dem Mauerwerk und dem Betonieren der Decken hochgezogen werden.

11 Entwurfs- und Projektierungshinweise Erdbebenwände durch Vertikallasten zentrisch beanspruchen Erdbebenwände sollen durch Vertikallasten idealerweise zentrisch beansprucht werden. Damit erhöht sich ihr Schubwiderstand gegenüber einer exzentrischen Belastung. Es muss zwischen der Exzentrizität in Längs- und Querrichtung einer Wand unterschieden werden. Angriffspunkt der Vertikallast N Schwerpunkt der Lasteinzugsfläche V = N = R = Schubwiderstand Vertikallast Resultierende Exzentrizität in Wandquerrichtung Wänden, denen durch die Decken Verdrehungen aufgezwungen werden, haben infolge der exzentrisch angreifenden Vertikallast N einen kleineren Schubwiderstand als zentrisch belastete Wände. Diesem Problem kann mit einer Vorspannung der Decke entgegengewirkt werden, da eine Vorspannung die Verformung der Decken stark reduziert. Exzentrizität in Wandlängsrichtung Bei der Wand, welche im nachfolgenden Bild gezeigt wird, greift die Vertikallast N nicht in Wandmitte an. Dies ist die Folge der Geometrie der Lasteinzugsfläche dieser Wand. Durch den exzentrischen Angriff der Vertikallast N wird mit dem untenstehenden Bild ersichtlich, dass der Schubwiderstand der Wand nicht in beide Richtungen gleich gross ist. Vertikallast N

12 12 Entwicklung eines Grundrisses Entwicklung eines Grundrisses In diesem Kapitel werden an einem Beispiel die Auswirkungen der Anwendung der vorgängig beschriebenen Grundsätze dargelegt. Wir beginnen mit einem beliebigen Grundriss. Nicht erdbebengerechter Grundriss D nicht erdbebengerecht S Missachtete Entwurfshinweise es fehlen zwei lange Wände in beiden Richtungen des Gebäudes die Anordnung der Wände ist im Grundriss nicht symmetrisch Erdbebenwände werden durch Vertikallasten exzentrisch beansprucht In Längsrichtung des Gebäudes gibt es nur eine lange Wand. Deshalb liegen Schwerpunkt S und Schubmittelpunkt D weit auseinander. Dies hat zur Folge, dass das Gebäude während eines Erdbebens durch Torsionsschwingungen stark beansprucht wird. Um Gebäuden eine genügende Torsionssteifigkeit zu geben, sind lange Wände erforderlich, welche einen möglichst grossen Abstand vom Schubmittelpunkt D haben. Die Wände neben der Treppe werden zudem in Wandlängs- und in Wandquerrichtung durch die Vertikallasten exzentrisch belastet. Ihr Schubwiderstand wird dadurch verringert. (Vergleiche mit Bildern unter Punkt 9). Verbesserter Grundriss Dieses Gebäude zeigt ein wesentlich besseres Erdbebenverhalten. Die Anordnung der Wände entspricht jedoch immer noch nicht allen Hinweisen für einen erdbebengerechten Entwurf. Bemerkungen: In beiden Richtungen des Gebäudes sind zwei lange Wände vorhanden. Die Wände sind im Grundriss nicht symmetrisch angeordnet. Schwerpunkt S und Schubmittelpunkt D liegen deshalb auseinander. Dadurch wird das Gebäude bei einem Erdbeben durch Torsionsschwingungen stark beansprucht. Eine weitere Verbesserung der Erdbebensicherheit kann erreicht werden, wenn der Kern im Treppenbereich in Stahlbeton ausgeführt wird. Für die Bemessung der Betonwände wird im Allgemeinen der Verformungsbeiwert q = 1.5 von Mauerwerk verwendet. D S Grundriss verbessert

13 Entwicklung eines Grundrisses 13 In diesem Absatz wird ein Erdbebenstoss parallel zu den kürzeren Wänden betrachtet: Die Exzentrizitäten der Vertikallasten in Wandlängsrichtung gleichen sich teilweise aus. Je nach Richtung des Erdbebensstosses haben einmal die aussenliegenden Wände und einmal die Wände neben der Treppe einen grösseren Schubwiderstand. Angriffspunkt von N Erdbebengerechter Grundriss Die Anordnung der Wände dieses Gebäudes darf als erdbebengerecht betrachtet werden. Schwerpunkt der Lasteinzugsfläche Beachtete Entwurfshinweise: mehrere lange Wände in jeder Richtung symmetrische Anordnung der Wände im Grundriss, Schwerpunkt S und Schubmittelpunkt D fallen zusammen. genügend Vertikallasten auf den Erdbebenscheiben obwohl die Treppenöffnung zwischen zwei Wänden angeordnet ist Erdbebenwände werden durch Vertikallasten in Wandlängsrichtung zentrisch beansprucht V = N = R = Schubwiderstand Normalkraft Resultierende S = D erdbebengerecht

14 14 Entwicklung eines Grundrisses Grundriss mit nur einer langen Wand in einer Richtung Grundriss mit nur einer langen Wand in einer Richtung S = D Obwohl das Gebäude in einer Richtung nur eine Wand aufweist, kann es als erdbebengerecht betrachtet werden. Schwerpunkt S und Schubmittelpunkt D liegen am selben Ort. Dadurch wird das Gebäude in einem Erdbeben durch Torsionsschwingungen nur gering beansprucht. Dank der grossen Spannweiten der Decken, die allerdings vorgespannt werden sollten, übernehmen die Erdbebenwände genügend Vertikallasten und haben somit einen grossen Schubwiderstand. Nur ein kleiner Teil der Vertikallasten wird über Stützen abgetragen. Die Erdbebenwände werden in Wandlängsrichtung durch die Vertikallasten beinahe zentrisch beansprucht, was das Erdbebenverhalten verbessert. Dadurch haben die Wände in beide Richtungen den gleichen Schubwiderstand. (Vergleiche mit Bild unter Punkt 9). Die Decke ist vorgespannt. Deshalb ist die exzentrische Belastung der Wände durch Vertikallasten in Wandquerrichtung infolge der Deckenverdrehung gering.

15 Schlusswort 15 Schlusswort Die Anwendung der in dieser Broschüre dargestellten Entwurfs- und Projektierungshinweise stellt eine wichtige Grundvoraussetzung für den erdbebengerechten Entwurf dar. Sie ersetzt jedoch nicht einen rechnerischen Erdbebennachweis. Relativ kleine Abweichungen von den Hinweisen können das Erdbebenverhalten von Mauerwerksgebäuden wesentlich verändern. Deshalb ist es unerlässlich, dass sich Architekten und Planer schon in den ersten Phasen des Entwurfs mit dem Ingenieur in Verbindung setzen. Nur in enger Zusammenarbeit zwischen Architekt, Planer und Ingenieur wird sichergestellt, dass Gebäude ohne wesentliche Mehrkosten erdbebengerecht gebaut werden können. Auf der Homepage ist ein Beispiel eines Gebäudes mit allen erforderlichen Erdbebennachweisen zu finden. Dieses Beispiel soll dem Ingenieur den Einstieg in die Erdbebenbemessung von Mauerwerksgebäuden erleichtern. Ausserdem enthält die Homepage Hinweise zu verfeinerten Berechnungsverfahren. Literaturverzeichnis [1] Erdbebengerechter Entwurf von Hochbauten Grundsätze für Ingenieure, Architekten, Bauherren und Behörden. Hugo Bachmann, Bundesamt für Wasser und Geologie Biel 2002 [2] Mauerwerk: Bemessung und Konstruktion Bruno Zimmerli, Joseph Schwarz, Gregor Schwegler Birkhäuserverlag Basel 1999 [3] Tragwerksnormen SIA , Zürich 2003 [4] Erdbebensicherung von Bauwerken Hugo Bachmann Birkhäuserverlag Basel 1995

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