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Oktober 2012
André Brendike
Nichtlineare Tragwerksdynamik von Stahlbetonbauten mit passiven Schwingungsdämpfern unter Erdbebeneinwirkung
In dieser Arbeit erfolgten eine Betrachtung aktueller Entwicklungen zur seismischen Ertüchtigung sowie die Darstellung von Anforderungen und Kriterien als Entscheidungshilfe für die Wahl einer geeigneten Technologie. Ausgehend von einer japanischen Umfrage ergaben sich neue Trends der Bedürfnisse seitens der Bauherren (Sugano [Sug06]), die höhere Anforderungen an die Baumaßnahmen bezüglich der Vermeidung von Beeinträchtigungen durch Schmutz und Lärm, lange Nutzungsunterbrechungen und Bauzeiten bedeuten.
Derartige Anforderungen sind von konventionellen Ertüchtigungstechniken kaum erfüllbar. Der Einsatz von passiven Schwingungsdämpfern im Erdbebenschutz eröffnet eine Chance, den erhöhten Anforderungen gerecht zu werden. Passive Schwingungsdämpfer können nachträglich in bestehende Bauwerke installiert werden, wobei im besten Fall nur kleine Baumaßnahmen ohne Nutzungsunterbrechungen erforderlich sind.
Obwohl passive Schwingungsdämpfer in anderen Disziplinen des Bauwesens zur Vermeidung unerwünschter Schwingungen infolge Wind- oder Verkehrsanregung etabliert sind, wird ihre Wirkung im Erdbebenschutz kontrovers diskutiert. In verschiedenen internationalen Normen werden Schwingungsdämpfer zur Erdbebenertüchtigung wenig oder gar nicht erwähnt. Daher sind sie nicht dem Stand der Technik zuzuordnen. In dieser Arbeit wurde die Wirksamkeit passiver Schwingungsdämpfer zur Erdbebenertüchtigung von Stahlbetonrahmentragwerken numerisch untersucht.
Zur nichtlinearen dynamischen Simulation von Stahlbeton wurden im universellen Finite Elemente Programm Abaqus [Aba11a] im Rahmen eines Fasermodells leistungsfähige Materialmodelle für Beton und Bewehrungsstahl implementiert. Die Modelle wurden auf Materialpunkt- und Strukturebene anhand von Experimenten validiert. Die erzielten Ergebnisse verdeutlichen die Eignung der gewählten Material- und Strukturmodelle, das Verhalten zuverlässig bis zum Versagen abzubilden. Darüber hinaus erfolgte die Implementierung eines nichtlinearen zyklischen Materialmodells zur Erfassung der Mauerwerksausfachungen von Stahlbetonrahmentragwerken.
Anschließend wurde die Effizienz von Schwingungsdämpfern anhand numerischer Studien untersucht und im Rahmen des Projekts SEISMOFIT an einem realen Gebäude numerisch belegt. Die Antwort des Tragwerks in Form von Verschiebungen, Beschleunigungen sowie Kräften und Momenten im Tragwerk wurde infolge des Schwingungsdämpfers erheblich reduziert. Daraus folgt eine signifikante Erhöhung der Erdbebensicherheit durch Schwingungsdämpfer.
Derartige Anforderungen sind von konventionellen Ertüchtigungstechniken kaum erfüllbar. Der Einsatz von passiven Schwingungsdämpfern im Erdbebenschutz eröffnet eine Chance, den erhöhten Anforderungen gerecht zu werden. Passive Schwingungsdämpfer können nachträglich in bestehende Bauwerke installiert werden, wobei im besten Fall nur kleine Baumaßnahmen ohne Nutzungsunterbrechungen erforderlich sind.
Obwohl passive Schwingungsdämpfer in anderen Disziplinen des Bauwesens zur Vermeidung unerwünschter Schwingungen infolge Wind- oder Verkehrsanregung etabliert sind, wird ihre Wirkung im Erdbebenschutz kontrovers diskutiert. In verschiedenen internationalen Normen werden Schwingungsdämpfer zur Erdbebenertüchtigung wenig oder gar nicht erwähnt. Daher sind sie nicht dem Stand der Technik zuzuordnen. In dieser Arbeit wurde die Wirksamkeit passiver Schwingungsdämpfer zur Erdbebenertüchtigung von Stahlbetonrahmentragwerken numerisch untersucht.
Zur nichtlinearen dynamischen Simulation von Stahlbeton wurden im universellen Finite Elemente Programm Abaqus [Aba11a] im Rahmen eines Fasermodells leistungsfähige Materialmodelle für Beton und Bewehrungsstahl implementiert. Die Modelle wurden auf Materialpunkt- und Strukturebene anhand von Experimenten validiert. Die erzielten Ergebnisse verdeutlichen die Eignung der gewählten Material- und Strukturmodelle, das Verhalten zuverlässig bis zum Versagen abzubilden. Darüber hinaus erfolgte die Implementierung eines nichtlinearen zyklischen Materialmodells zur Erfassung der Mauerwerksausfachungen von Stahlbetonrahmentragwerken.
Anschließend wurde die Effizienz von Schwingungsdämpfern anhand numerischer Studien untersucht und im Rahmen des Projekts SEISMOFIT an einem realen Gebäude numerisch belegt. Die Antwort des Tragwerks in Form von Verschiebungen, Beschleunigungen sowie Kräften und Momenten im Tragwerk wurde infolge des Schwingungsdämpfers erheblich reduziert. Daraus folgt eine signifikante Erhöhung der Erdbebensicherheit durch Schwingungsdämpfer.
Schlagwörter: seismische Ertüchtigung; Stahlbetontragwerke; nichtlineare dynamische Simulationen; passive Schwingungsdämpfer
Heftreihe des Instituts für Bauingenieurwesen / Book Series of the Department of Civil Engineering, Technische Universität Berlin
Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. Matthias Barjenbruch, Prof. Dr.-Ing. Karsten Geißler, Prof. Dr.-Ing. Reinhard Hinkelmann, Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Huhnt, Prof. Dr.-Ing. Yuri Petryna, Prof. Dr.-Ing. Frank Rackwitz, Prof. Dr. sc. techn. Mike Schlaich, Prof. Dr.-Ing. Volker Schmid, Prof. Dr.-Ing. Matthias Sundermeier und Prof. Dr.-Ing. Frank U. Vogdt, Berlin
Band 11
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