Historische Ziegelbauten unter Erdbebenbelastung

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1 13. D-A-CH Tagung für Erdbebeningenieurwesen und Baudynamik (D-A-CH 2013) C. Adam, R. Heuer, W. Lenhardt & C. Schranz (Hrsg.) August 2013, Wien, Österreich Beitragsnr. 534 Historische Ziegelbauten unter Erdbebenbelastung F. Ducia 1 1 Zivilingenieur für Bauwesen,, Österreich Kurzfassung. Seit einigen Jahren ist, auch durch die Einführung er Euronorm EC 8, eine Sensibilisierung gegenüber Erdbeben im Allgemeinen und Erdbeben für Bestandsbauten im Besonderen eingetreten. Es hat sich gezeigt, dass in Häusern die vorwiegend in Ziegelbauweise errichtet wurden große Reserven in Bezug auf horizontaler Lastaufnahme vorhanden sind. Diese Reserven haben sich in Wien schon anlässlich des Seebensteinbebens (Sonntag, 16. April 1972, 11:10, 7 auf der Intensitätsskala EMS-98) gezeigt. Es gibt nun die Möglichkeit mit geeigneten Push-over -Programmen schnell und übersichtlich ganze Bauten in ihren tatsächlichen technologischen Zustand zu überprüfen. Ein weiter Vorteil dieser Methode, die mit Makro-Elementen arbeitet, ist darin zu sehen, dass sehr schnell Varianten gerechnet werden können, um das tatsächliche Tragverhalten eingrenzen und abschätzen zu können. Einen weiteren Anwendungspunkt der Berechnungen ist die Möglichkeit, Vorhersagen über geplante Veränderungen an Bestandshäusern berechnen zu können. Auch hier können in kurzer Zeit zahlreiche Varianten durchgerechnet werden, um ein umfassendes Bild für die optimale konstruktive Lösung zu bekommen. Gleichzeitig kann man zeigen, dass auch massive Dachbodenausbauten den vorhandenen Baubestand sogar stärken und nicht schwächen. Es werden hier nun Ergebnisse dieser Berechnungen gegenübergestellt. Schlagwörter: D-A-CH Tagung, Push-over, Gründerzeithaus, Ziegelhaus Erdbeben, Erfüllungsfaktor 1 EINLEITUNG 1.1 Geschichte Die gotischen Kathedralen Baumeister wurden von den großen horizontalen (Wind-) Kräften in den für sie großen Höhen offensichtlich überrascht. Risse in den Strebebögen war das Resultat. In Spanien (siehe Mark R.) hat nun ein (sehr kluger) Baumeister durch erhöhen der Normalkraft auf die Strebepfeiler die Lösung gegen diese Risse gefunden. Das war ca n.chr., innerhalb von 25 Jahren hat sich diese Mode bei allen Kathedralen Erbauern herumgesprochen. Später, im Jahr 1485 schrieb Matthäus Roritzer, Dombaumeister in Eichstätt und Nürnberg im Das Büchlein von der Fialen Gerechtigkeit nur mehr von der Konstruktion und kein Wort mehr über die Bedeutung und den statischen Nutzen der Fialen.

2 F. Ducia / D-A-CH Abbildung 1. Aufbau Strebepfeiler-Fialen-Strebebögen System und Skizze von Violet le Duc Abbildung 2. Notre Dame de Paris Querschnitte und photoelastischer Interferenz-Belastungsversuch (Mark 1982) 1.2 Augsgangsberechnung Die Idee war nun, dass sich ein schwererer Dachbodenausbau nicht zu negativ auf die Gesamtstabilität des Hauses auswirken sollte. Als Null-Variante wurde ein Dachbodenausbau Typ +720kg/m² herangezogen. Diese Variante war in Wien durch das Merkblatt MA 37-Allg.12192/2008 reglementiert:.. eine zusätzliche seismisch beanspruchte Masse von maximal 720 kg/m² (entspricht 7,20 kn/m²) oberhalb der letzten Bestandsdecke aufgebracht wird.. Diese Methode waren die bis zur Änderung der Gesetzeslage im Frühjahr 2013 vorgeschriebenen, Dachbodenausbauten leicht wurde mit all den bauphysikalischen (thermisch und akustisch) Schwachpunkten angewandt. Es wäre nun hilfreich, nachweisen zu können, dass ein massiver Ausbau, angefangen von einer umschließenden Stahlbetondecke bis zu in sich erdbeben-sicheren Aufbauten, auch die Bestandsstruktur positiv beeinflussen, zumindest aber nicht verschlechtern kann. Die Fundamentproblematik wurde hier explizit ausgeklammert, müsste aber natürlich bei einem Kostenvergleich mit überlegt, gelöst und eingerechnet werden.

3 F. Ducia / D-A-CH AUSGANG GRÜNDERZEITHAUS KG/M² 2.1 Vorgaben Als Modell wurde das inzwischen als Standard-Gründerzeithaus verwendete idealisierte Modell des Hauses Riglergasse 10 in 1180 Wien verwendet (Adam 2012). Abbildung 3. Gründerzeitmusterhaus Grundriss mit Positionsbezeichnungen und Schnitt Die Abmessungen entsprechen der Dokumentation Von Bauer (2010) In der Abbildung 3. sind die Achsmasse des verwendeten Berechnungsmodells angegeben. Gemäß der Dokumentation des Musterhausses (Adam 2012) wird angenommen, dass die Grundrisse aller Geschosse identisch sind. Die einzelnen Geschosse unterscheiden sich ausschließlich in ihren Höhen und dem Deckensystemen (siehe Abbildung 4.). Wandstärken Lochfassade und Stiegenhaus W ände Erdgeschoss d = 75 cm 1. und 2. Obergeschoss d = 60 cm 3. und 4. Obergeschoss d = 45 cm Hoffassade d = 45 cm Mittelwand Erdgeschoss d = 75 cm 1. bis 4. Obergeschoss d = 60 cm Feuermauern = 30 cm Trennwände d = 15 cm Die Wandstärken der Fassaden sind je nach Geschoss verschieden, die Wandstärken der übrigen Wände sind in allen Geschossen konstant. Wandöffnungen

4 F. Ducia / D-A-CH Abbildung 4. Fenstermaße Fenster (Fassaden) 2. bis 4. Obergeschoss h 1 = 1.30 m, h 2 = 1.90 m, a = 1.00 m 1. Obergeschoss h 1 = 1.30 m, h 2 = 2.10 m, a = 1.00 m Erdgeschoss h 1 = 1.30 m, h 2 = 2.20 m, a = 1.00 m Türe/Fenster Stiegenhaus h 1 = 0.00 m, h 2 = 3.00 m, a = 2.40 m Türen Innenwände h 1 = 0.00 m, h 2 = 3.00 m, a = 1.10 m Geschosshöhen 4. Obergeschoss z = m h = 3.70 m 3. Obergeschoss z = m h = 3.70 m 2. Obergeschoss z = m h = 3.70 m 1. Obergeschoss z = 8.10 m h = 3.90 m Erdgeschoss z = 4.20 m h = 4.20 m Abbildung 5. Holzdecken Geschossdecken Dippelbaumdecke 4. Obergeschoss Holztramdecke Erdgeschoss bis 3. Obergeschoss Der Aufbau der Geschossdecken wurde anhand üblicher Abmessungen angenommen. Stütze und nichttragende Wände Im Bereich des Stiegenhauses wird eine Stütze in Mauerwerk mit einem Querschnitt von cm angenommen. Die an die Stütze anschließenden nichttragenden Wände werden in der Berechnung vernachlässigt. 2.2 Berechnung Materialeigenschaften und Lastannahmen

5 F. Ducia / D-A-CH MAUERWERK Es wird angenommen, dass das Mauerwerk aller Wände dieselben Eigenschaften aufweist. f k = 3.5 N/mm², f m = 5.0 N/mm², charakteristischer, Mittelwert der Mauerwerksdruckfestigkeit E = 1'050 N/mm², Elastizitätsmodul G = 420 N/mm², Schubmodul w = kn/m³, Raumgewicht f vm0 = 0.17 N/mm², f vlim = 1.3 N/mm², Schubfestigkeit, Obergrenze der γm = 3.0, Teilsicherheitsbeiwert GESCHOSSDECKEN Es werden grundsätzlich weiche Deckensysteme angenommen, wobei sowohl die Dippelbaumdecke, als auch die Tramdecken als vollständig schubweich angenommen werden. Im Zug des Dachgeschossausbaus wird die Decke über 4. OG zu einer Holz/Beton-Verbunddecke mit berücksichtigter Schubsteifigkeit geändert. STATISCHE LASTEN & MASSENERMITTLUNG Das Eigengewicht der Wände wird anhand der Bauteilabmessungen und des Raumgewichts des Mauerwerks ermittelt. Für die Geschossdecken werden folgende statische Lasten angenommen. Decke über EG bis 3. OG (Holztramdecken) Ständige Last (Eigengewicht und Auflast) g k = 2.3 kn/m² Veränderliche Last (Nutzlast) q k = 2.0 kn/m² Decke über 4. OG (Dippelbaumdecke) Ständige Last (Eigengewicht und Auflast) g k = 3.5 kn/m² (Bestand) Veränderliche Last (Nutzlast) q k = 1.0 kn/m² (Bestand) Ständige Last (Eigengewicht und Auflast) g k = 12.2 kn/m² (Ausbau) Veränderliche Last (Nutzlast) q k = 2.5 kn/m² (Ausbau) Die Lasten für den Zustand nach dem Dachgeschossausbau enthalten sowohl die Lasten des 4. Obergeschosses als auch die Lasten des eigentlichen Ausbaus. Für den neuen Dachboden wird angenommen, dass er die Hälfte der Regelgeschossfläche abdeckt. Die Massenermittlung der Musterberechnung zeigt deutliche Differenzen zu den automatisch ermittelten Massen anhand des Berechnungsmodells. Diese kommen durch die Modellierung auf Achsmasse und die Berücksichtigung von Wandöffnungen zustande. Um möglichst vergleichbare Ergebnisse zu erhalten werden die ständigen Lasten auf die Geschossdecken entsprechend korrigiert, damit beide Berechnungen dieselben Massen berücksichtigen. Damit ergeben sich folgende korrigierten Lasten auf die Geschossdecken. 4. Obergeschoss Aktueller Zustand g k = 7.5 kn/m², q k = 1.0 kn/m² Mit Dachgeschossausbau g k = 14.5 kn/m², q k = 2.5 kn/m² 3. Obergeschoss g k = 3.6 kn/m², q k = 2.0 kn/m² 2. Obergeschoss g k = 3.0 kn/m², q k = 2.0 kn/m² 1. Obergeschoss g k = 3.3 kn/m², q k = 2.0 kn/m² Erdgeschoss g k = 2.3 kn/m², q k = 2.0 kn/m² ERDBEBENLAST Die Erdbebenlasten werden aufgrund des EuroCode EC8 ermittelt. Bedeutungskategorie II γi = 1.0 (Bedeutungsfaktor) Erdbebenzone 3 a gr = 0.8 m/s² (Referenzbodenbeschleunigung) Baugrundklasse B S = 1.2, T B = 0.15 s, T C = 0.5 s, T D = 2.0 s, T E = 5.0s, T F = 10.0 s

6 F. Ducia / D-A-CH Aus diesen Annahmen ergeben sich folgende Antwortspektren. Abbildung 6. Antwortspektren- Beschleunigung und Verschiebung. WEITERE ANNAHMEN FÜR DIE BERECHNUNG RICHTUNG DER ERDBEBENEINWIRKUNG Die Richtung der Erdbebeneinwirkung tritt nicht zufällig auf, sondern mit großer Wahrscheinlichkeit senkrecht zur Störungszone, welche das Erdbeben verursacht. Für die Stadt Wien bedeutet dies, dass die Erdbebeneinwirkung vorwiegend in Richtung Nord-West, resp. Süd-Ost auftreten wird. Der Eurocode EC8 sieht jedoch nicht vor, die Richtung der rechnerischen Erdbebeneinwirkung einzuschränken. In der Praxis bedeutet dies, dass ein Erdbebennachweis in allen Richtungen (X-, Y-Richtung) geführt werden muss. Das Tragsystem der typischen Wiener Gründerzeithäuser lässt erwarten, dass die Richtung parallel zu den Feuermauern maßgebend wird für den globalen Erdbeben-Nachweis in der Wandebene und die Richtung senkrecht dazu für den Nachweis der Wände aus der Ebene (out-of-plane, Knicken von Wänden infolge Querbeschleunigung). MODELLBILDUNG Abbildung 7. Modellbildung Geschoß und Wände.

7 F. Ducia / D-A-CH Der Einspannhorizont wird OK Decke über UG angenommen. Alle darunter liegenden Bauteile sind damit nicht relevant zur Beurteilung der Erdbebensicherheit des Gesamtgebäudes und können vernachlässigt werden. Alle Wände werden grundsätzlich mit den oben beschriebenen Abmessungen und Materialeigenschaften berücksichtigt. Die Öffnungen in den Wänden werden gemäß dem Schnitt in der Dokumentation des Musterhauses eingeführt. Es wird davon ausgegangen, dass alle Fenster, resp. alle Türen dieselben Höhen besitzen. Die Decken über Erdgeschoss bis 3. Obergeschoss werden als Holztramdecken, die Decke über 4. Obergeschoss als Dippelbaumdecke abgebildet. Die innere Wand des Stiegenhauses wird aufgrund des hohen Öffnungsanteils vernachlässigt. Um die horizontale Tragwirkung des Gebäudes korrekt abzubilden (und aus softwaretechnischen Gründen) wird ersatzweise ein Stahlbeton-Träger eingeführt. Dieser stellt eine horizontale Verbindung zwischen den seitlichen Wänden des Stiegenhauses dar und ersetzt damit den Türsturz. Die Geschossdecken werden im Bereich des Stiegenhauses nicht ausgespart. Damit werden die tatsächlich vorhandenen Lasten, resp. Massen korrekt berücksichtigt. Die daraus resultierende Überschätzung der Steifigkeit der Geschossdecke in ihrer Ebene ist erfahrungsgemäß nicht relevant. Im Gegenzug werden die Treppenläufe vernachlässigt, sie leisten keinen wesentlichen Beitrag an die Erdbebensicherheit. Das hier gewählte Vorgehen entspricht der üblichen Modellierung. Untersuchung von 2 Varianten: Holz/Beton-Verbunddecke mit Schubsteifigkeit über dem 4. Obergeschoss Berücksichtigung des Dachausbaus als zusätzliche Last auf die Decke über 4. - Gründerzeithaus mit Ausbau zusätzlich mit 720kg/m²-leicht - Gründerzeithais mit Ausbau zusätzlich mit kg/m² 2.3 Ergebnis Die Berechnungen ergeben folgende Werte. Abbildung 7. Farblegende der Ergebnisse

8 F. Ducia / D-A-CH Abbildung 8. Ausbau 720 kg/m²: Maßgebende Wand Push-over, Erfüllungsfaktorund Ansicht. Abbildung 9. Ausbau kg/m²: Maßgebende Wand Push-over, Erfüllungsfaktorund Ansicht. In einer Excel-Aufstellung stellen sich die beiden Ergebnisse für die Erfüllungsfaktoren wie folgt dar: Dachgeschossausbau, g = 7.5 kn/m² Analyse Richtung D u D max a eff Bemerkungen 1 X 75,99 60,55 1,25 Stütze 1.OG (Schub) 2 77,99 68,35 1,15 Hoffassade 4.OG (Schub) 3 84,01 54,56 1,55 Hoffassade 4.OG (Schub) 4 X 72,01 60,90 1,20 Hoffassade 4.OG (Schub) 5 Y 39,97 21,20 1,90 gest. Trennwand EG 3 (Schub) 6 43,97 24,60 1,80 Lochfassade 4.OG (Biegung) 7 32,02 22,69 1,40 Stiegenhausfassade 1./2.OG (Biegung) 8 Y 32,02 25,81 1,25 Stiegenhausfassade OG (Biegung) 9 X 71,99 60,69 1,20 Stütze 1.OG (Schub) 10 77,99 59,24 1,30 Stütze 1.OG (Schub) 11 77,99 67,44 1,15 Stütze 1.OG (Schub) 12 69,99 68,32 1,00 Hoffassade 4.OG (Schub)

9 F. Ducia / D-A-CH Dachgeschossausbau, g = 7.5 kn/m² Analyse Richtung D u D max a eff Bemerkungen 1 X 75,99 60,55 1,25 Stütze 1.OG (Schub) 2 77,99 68,35 1,15 Hoffassade 4.OG (Schub) 3 84,01 54,56 1,55 Hoffassade 4.OG (Schub) 4 X 72,01 60,90 1,20 Hoffassade 4.OG (Schub) 5 Y 39,97 21,20 1,90 gest. Trennwand EG 3 (Schub) 6 43,97 24,60 1,80 Lochfassade 4.OG (Biegung) 7 32,02 22,69 1,40 Stiegenhausfassade 1./2.OG (Biegung) 8 Y 32,02 25,81 1,25 Stiegenhausfassade OG (Biegung) 9 X 71,99 60,69 1,20 Stütze 1.OG (Schub) 10 77,99 59,24 1,30 Stütze 1.OG (Schub) 11 77,99 67,44 1,15 Stütze 1.OG (Schub) 12 69,99 68,32 1,00 Hoffassade 4.OG (Schub) 3 ZUSAMMENFASSUNG, SCHLUSSFOLGERUNG Es zeigt sich, dass die Unterschiede im Erfüllungsfaktor im Bereich der Rechengenauigkeit liegen. Tatsächlich wurden die Werte jeweils auf die 2. Nachkommastelle abgerundet, in der Berechnung für das kg/m² Variante wurde ein Erfüllungsfaktor von a eff =0,96 erreicht. Es können mit dieser Berechnungsmethode die schwachen Punkte der Konstruktion erkannt und gegebenenfalls verstärkt werden. Lasst uns daran arbeiten. DANKSAGUNG Bei der Verfassung dieses Beitrags möchte ich mich bei Herrn P. Bauer (werkraum wien, ingenieure) sehr herzlich für die sehr hilfreichen Diskussionen und für die Weitergabe des CAD Modells bedanken. Bei Herrn B. Näf und Herrn D. Gass (beide: IngWare/CH) möchte ich mich sehr für Diskussion über die Möglichkeiten und Grenzen der verformungsbasierten, nichtlinearen Erdbebenbemessung und der Bereitstellung einiger Berechnungen bedanken. LITERATUR Adam C., Furtmüller T., Achs. G. (2012) Seismic Assessment of Historical Brick-Masonry Buildings in Vienna. In 15 WCEE Lisboa 2012 Bachmann H. (2002) Erdbebensicherung von Bauwerken. Birkhäuser, Basel Bauer P., Kern E., Resch P. (2010) und wenn die Erde bebt ArchIng, Wien ( Eurocode EC8 (2011,2013) als EN Ausgabe , EN Ausgabe Magistrat der Stadt Wien. Magistratsabteilung 37 Baupolizei-Gruppe S Mark, R. (1982) Experiments in Gothic Structures. The MIT Press, Cambridge, Massachusetts Mark, R. und Clark W. (1984) Gothic Structural Experimentation Scientific America 252 Nr Resch P. und Kern E. (2010) Erdbeben und Bestandsbauten, ArchIng., derplan_18, April 2010 Roritzer M. (1486) Das Büchlein von der Fialen Gerechtigkeit, Bibliotheca Augustana. Stefanoudakis D., Bauer P., Kern E., Krakora A., (2008) Erdbebenbeanspruchung eines Gründerzeithauses, arching,wien (