Programm

Gebäude, Maschinen und empfindliche Anlagen müssen gegen Erdbeben geschützt werden. Es gibt verschiedene Möglichkeiten die seismischen Einwirkungen auf Strukturen zu reduzieren. Hierzu gibt es nach DIN EN 15129 verschiedene Strategien; u.A. die Modifizierung der Form der ersten Eigenform, eine Erhöhung der Grundschwingzeit, Erhöhung der Dämpfung oder die Begrenzung der auf die Struktur übertragenen Kräfte. Je nach Strategie gibt es verschiedene Erdbebensysteme bzw. Vorrichtungen die hierzu eingesetzt werden können. Eine weltweit bekannte Strategie ist der Einsatz einer Basisisolierung, also einer Anordnung eines Isolierungssystems unterhalb der Hauptmasse des Bauwerks. Allerdings bezieht sich die DIN EN 15129 und weitere Normen, wie z.B. der Eurocode 8, im Bereich der Basisisolierung überwiegend und teilweise ausschließlich auf horizontalen Erdbebenschutz und dementsprechend auch nur auf horizontal wirkende Erdbebenschutzsysteme. Allerdings sind nicht nur die Anregungen in horizontaler Richtung, sondern auch die Belastungen in vertikaler Richtung zu berücksichtigen.
Im vorliegenden Beitrag werden daher einige Kontrollstrategien vorgestellt, die 3-dimensionale Erdbebenschutzsystem verwenden, die aus Schraubendruckfedern und viskosen Dämpfern bestehen. Diese Systeme führen zu einer Verringerung der Schnittgrößen, Beschleunigungen und Verformungen im Vergleich zu einer Struktur ohne jegliche Vorkehrungen. Wenn hier vorspannbare Federelemente zum Einsatz kommen, ergeben sich zusätzliche Vorteile, da diese Elemente ausrichtbar sind. Sollten Baugrundsetzungen im Falle von extremen Erdbebenereignissen, klimatischen Veränderungen oder anderen Ursachen auftreten, ist eine Ausrichtung der Elemente jederzeit einfach möglich. Zusätzlich wird. Die Federelemente sorgen für eine 3-dimensionale Flexibilität und die Dämpfer liefern Dämpfungskräfte sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung. Das Hinzufügen der vertikalen Elastizität erscheint auf den ersten Blick recht einfach; es sind hier allerdings einige wichtige Details zu beachten. Generell startet der Auslegungsprozess mit der Festlegung der vertikalen Zielfrequenz. Es folgt die Anordnung der Elemente, verbunden mit der Wahl derer Steifigkeiten in vertikaler und horizontaler Richtung. Es schließen sich dann weitere, teilweise iterative Schritte an, bis eine erfolgreiche Ausführung des 3D-Erdbebenschutzsystems, der Hauptstruktur und der Unterkonstruktion erreicht ist. In dieser Veröffentlichung werden alle wichtigen Details und Schritte zu diesem Auslegungsverfahren dargestellt. Wichtige Auslegungsfragen sowie allgemeine Bemerkungen zur Qualifizierung der entsprechenden Elemente komplettieren diese Erläuterungen. Einige Details von ausgeführten Projekten und Ergebnisse von Erdbebenanalysen werden aufgezeigt und unterstreichen die Wirksamkeit der vorgeschlagenen passiven Kontrollstrategien.

Die zunehmende Verwendung von filigranen und leichten Bauweisen, insbesondere durch den Einsatz von ressourcenschonenden und CO2-armen Materialien, hat zu einer erhöhten Schwingungsanfälligkeit von Bauwerken und Strukturen geführt. Durch die Verwendung von neuartigen Materialien wie Aluminium, GFK und anderen Kunststoffen ist es möglich, schlanke und weitgespannte Bauweisen zu realisieren, was die Schwingungsanfälligkeit erhöht. Besonders bei Projekten wie Konzertsälen, Stadien, Schulen, Turn- und Sporthallen, Fußgängerbrücken und anderen weit gespannten Konstruktionen ist die Beurteilung des Schwingungsverhaltens ein wichtiger Bestandteil der Auslegung. Menscheninduzierte Schwingungen können die Gebrauchstauglichkeit und sogar die Tragsicherheit beeinträchtigen. Oft sind nachträgliche Ertüchtigungen erforderlich, um das Schwingungsverhalten zu verbessern. Konservative Ansätze zur Auslegung gegen menscheninduzierte Erschütterungen führen jedoch häufig zu hohen konstruktiven Anforderungen und Kostensteigerungen. Dieser Beitrag diskutiert realistische Lastansätze, Berechnungsmethoden und Bewertungsansätze, um eine effektive und kosteneffiziente Bewertung von Schwingungen in filigranen Bauwerken zu ermöglichen.

Für die Errichtung eines Bürogebäudes direkt oberhalb eines U-Bahntunnels in Berlin war die Entwicklung eines komplexen Gründungskonzepts erforderlich. Der Neubau wird durch einen Stahlträger-Gitterrost abgefangen, damit die darunter verlaufenden U-Bahnanlagen nicht belastet werden. Darüber hinaus war die Lagerung des Gitterrostes auf den Gründungselementen so auszulegen, dass keine relevanten Erschütterungen aus dem U-Bahnverkehr in das Gebäude eingetragen werden. Basierend auf messtechnischen Vor-Ort-Untersuchungen und mit Hilfe strukturdynamischer FE-Modelle erfolgte die Dimensionierung der Dämmmaßnahmen. Die detaillierte Planung der Maßnahmen bedurfte einer engen Abstimmung zwischen den Planern sowie mit den ausführenden Firmen und den Materiallieferanten. Insbesondere der Einfluss der elastischen Lager auf das statische System war konkret zu berücksichtigen. Zusätzlich führten Randbedingungen wie Brandschutz, Gleitlagereinbau oder Forderung nach Begehbarkeit der Tunneldecke zu zahlreichen Sonderlösungen. Die Wirksamkeit der umgesetzten Schwingungsschutzmaßnahmen wurde nach Fertigstellung messtechnisch überprüft und nachgewiesen.

Die Nachfrage an Lagerstätten steigt aufgrund des in den letzten Jah- ren stark zunehmenden Versandhandels stetig. Automatisierte Hochregallager in Silobauweise bieten den Vorteil auf kleiner Fläche eine große Menge an Lager- gütern unterbringen zu können. Während die Gravitationsbelastung infolge der Lagergüter gut vorhersagbar ist, sind Horizontallasten und das Verhalten infolge Erdbeben wesentlich schwieriger abzuschätzen. In der Vergangenheit haben Hochregallager während seismischer Ereignisse bereits Schäden erlitten, wie bei- spielsweise beim L’Aquila Erdbeben im Jahr 2009. Auch aufgrund des hohen wirtschaftlichen Wertes der Lagertechnik und der gelagerten Güter ist eine ge- wissenhafte Auslegung solcher Bauwerke auf den Lastfall Erdbeben dringend notwendig.

Hierbei unterscheiden sich Hochregallager aus Stahl von den im Hochbau übli- chen Stahltragwerken in vielerlei Hinsicht: die Bauteile werden aus dünnwandi- gen kaltgeformten Profilen hergestellt, welche oft perforiert sind; die Anschlüsse der verschiedenen Bauteile verhalten sich stark nichtlinear, sodass ihre Eigen- schaften mit Hilfe von experimentellen Untersuchungen bestimmt werden müs- sen; die Stockwerkshöhe ist wesentlich geringer; starre Betondeckenscheiben fehlen; und das Eigengewicht ist vernachlässigbar im Vergleich zur Beladungs- last. Somit sind die etablierten, gewöhnlichen Auslegungskonzepte gegen Erdbe- ben nicht direkt auf solche speziellen Tragwerke wie Hochregallager in Silobau- weise übertragbar.

Das europäische Forschungs-Projekt STEELWAR („Advanced structural solu- tions for automated STEELrack supported WARehouses“) befasste sich mit fort- geschrittenen Auslegungskonzepten für automatisierte Hochregallager in Silo- bauweise infolge vertikaler sowie seitlicher Lasten. Es wurden sowohl numeri- sche Analysen als auch experimentelle Untersuchungen durchgeführt, um inno- vative Konzepte für eine erdbebengerechte Auslegung von Hochregallagern in Silobauweise zu entwickeln.

Im vorliegenden Beitrag werden Versuchsergebnisse zu Aussteifungselementen von Hochregallagern in Silobauweise vorgestellt, einschließlich der Probekörper, des Versuchsaufbaus und der Instrumentierung. Insbesondere werden die mono- tonen und zyklischen Antworten (d.h. Kraft-Verformungs-Kurven) vorgestellt und in Bezug auf Steifigkeit, Kapazität und Duktilität diskutiert. Schließlich wer- den die beobachteten Versagensmechanismen und die daraus abgeleiteten Schlussfolgerungen und Konstruktionsempfehlungen vorgestellt.

Ringfedern, auch Reibungsfedern genannt, finden kaum Anwendung im Erdbebeningenieurwesen, dabei können sie zur Reduktion von Schwingungen als Dämpfer eingesetzt werden und bieten viele Vorteile. Sie sind äußerst robust, wartungsarm, hitzebeständig und langlebig. Aufgrund ihres innovativen Designs absorbieren sie seismische Energie und gewährleisten dennoch eine selbstständige Rückzentrierung des Gebäudes. Durch eine Vorspannung erhalten sie die typische flaggenförmige Kraft-Verformungskurve, wobei der Lastabtrag unabhängig von der Geschwindigkeit ist. Dies ermöglicht eine exakte Auslegung der Struktur. Aufgrund dieser Eigenschaften kann ein System mit Ringfedern seismische Belastungen ohne oder mit nur geringen Schäden überstehen. Die Dämpfer selbst bleiben ebenfalls schadensfrei. Durch eine geeignete Konstruktion können mit einem Dämpfer sowohl Zug als auch Druckkräfte übertragen werden.
Im Rahmen dieses Beitrags wird zunächst allgemein der Dämpfungsgrad der Ringfedern beim Einsatz in einer Struktur untersucht. Die wesentlichen Einflussfaktoren auf die Dämpfung werden identifiziert und dargestellt. Der Dämpfungsgrad wurde dabei neben den numerischen Berechnungen auch analytisch ermittelt.
Bei dem Einsatz der Ringfeder können verschiedene Konzepte verfolgt werden. Zunächst ist eine Anordnung der Dämpfer in Aussteifungselementen zu nennen, die diagonal in Riegel-Stützenverbindungen angebracht sind. Die Hauptstruktur kann sowohl aus Stahl, als auch aus Stahlbeton bestehen. Bei der Dimensionierung der Ringfedern müssen verschiedene Parameter festgelegt werden und die Einflüsse auf die Widerstandsfähigkeit des Gesamtsystems werden hierbei diskutiert. Eine hohe Anfangssteifigkeit und eine hohe Vorspannung haben einen positiven Effekt. Ein weiteres Konzept sind sogenannte „Controlled Rocking Shearwalls“. Dabei werden Energiedissipatoren wie Ringfedern an der Basis installiert, wodurch sich die Verformbarkeit und Dämpfung der Schubwände signifikant erhöht. Eine neu entwickelte Methode zur Dimensionierung des Konzepts wird vorgestellt.
Anhand von Beispielprojekten wird die Wirkung und die Auslegung der Dämpfer gezeigt. Durch den Einsatz von Dämpfern können Querschnitte reduziert werden und komplizierte plastische Bemessungen entfallen. Bei Gebäuden mit hohen Sicherheitsanforderungen bleibt der Funktionserhalt auch bei Nachbeben gesichert.

Mit der Entwicklung einer Methodik zur Abschätzung von potentiellen Schäden im Erdbebenfall für bestehende kritische erdverlegte Infrastruktur ist das Kernziel des BMBF-Vorhabens ZUVERSICHT („Zustandsbewertung von erdverlegter systemrelevanter Infrastruktur zur proaktiven Charakterisierung von Schäden und Gewinnung von technisch realen Entscheidungshilfen“) beschrieben. Die im Projekt entwickelten Simulationswerkzeuge sollen präventive Planungen von Maßnahmen zur Verringerung der Verletzlichkeit von erdgebundenen Versorgungssystemen ermöglichen. Das Simulationsmodell wird an realen Netzen hinsichtlich der Beschreibungsgenauigkeit und Datenintegration erprobt. Die Erhebungs- und Bewertungsmethoden set-zen eine gute Kenntnis der Leitungen, ihrer Systematik und Kriterien der Einordnung in Verletzbarkeitsklassen voraus.
In diesen Kontext ist die Entwicklung eines Klassifikationsschemas der Rohrleistungstypen nach Verletzbarkeitsklassen hervorzuheben, das dem Vorbild der EMS-98 konzeptionell und in den Elementen zur Kennzeichnung der Streubereiche folgt. Die Tabelle der Verletzbarkeitsklassen wird für die wesentlichen Rohrleitungstypen (Material, Durchmesser) aus weltweiten Schadensanalysen abgeleitet. Die mustergültige Anwendung auf die Bestandsdaten der Testgebiete Albstadt und Köln wird vorgestellt. Die Aufbereitung der Bestandsdaten zu den Wasser- bzw. Gasnetzen und die Transformation der technischen Detailinformationen in verletzbarkeitsrelevante Merkmalsgruppen darf als innovative wissenschaftliche und ingenieurtechnische Leistung betrachtet werden.

Erdbeben haben unter den Naturgefahren das grösste Katatsrophenpotenzial in der Schweiz. Die Überprüfung bestehender Bauten bezüglich Erdbeben wird in der Schweiz durch die SIA 269/8 reguliert. Der dabei im Schwerpunkt liegende Erfüllungsfaktor beschreibt das Verhältnis zwischen der seismischen Kapazität eines bestehenden Gebäudes und der Anforderung der SIA Normen für Neubauten. Mit Hilfe einer Risikokurve wird jedem Erfüllungsfaktor ein Personenrisikofaktor zugeordnet, welcher das Todesfallrisiko eines Individuums im Falle eines Erdbebens darstellt. Trotz ihrer praktischen Natur wirft diese hergeleitete Beziehung die Frage auf, ob und in welchem Umfang der Erfüllungsfaktor in der Lage ist das Todesfallrisiko abzuschätzen, aufgrund des Mehrkomponentenaufbaus der Risiken im Allgemeinen.

Die leistungsbasierte Methodik (PBEE) der Pacific Earthquake Engineering Research Center (PEER) bietet eine zuverlässige numerische Methode zur Ermittlung des Erdbebenrisikos an. Die einzelnen Bestandteile des Risikos, nämlich die seismische Gefährdungs-, Anforderungs-, Schadens- sowie Verlustmodelle, werden mit dem Satz der totalen Wahrscheinlichkeit unter Berücksichtigung der Unsicherheiten kombiniert, um die Überschreitungsrate einer Entscheidungsvariable zu berechnen und risikobasierte Entscheidungen zu treffen. Der Einsatz der PEER PBEE Methodik ist jedoch vorwiegend auf die Forschung beschränkt, da sie grundlegende Kenntnisse in der Wahrscheinlichkeitstheorie fordert.

Bezogen auf die geschlossene Lösung der PEER PBEE Methodik, präsentiert diese Arbeit eine praxistaugliche Methode für die risikobasierte Überprüfung bestehender Bauten als Alternative zur SIA 269/8. Dank der grafischen Veranschaulichung der probabilistischen Modelle, können ihre Anwender grafisch identifizieren, welche Risikokomponente wie viel zu dem totalen Risiko beitragen und die jährliche Überschreitungsrate der Todesfälle als Entscheidungsvariable einsetzen.

Anhand eines Beispiels eines unbewehrten Mauerwerksgebäudes wird die grafische Methode demonstriert. Hierfür werden verschiedene Kombinationen bezüglich der Überprüfungsmethoden (statisch nichtlinear vs. dynamisch nichtlinear), der Behandlung von Unsicherheiten (Zufälligkeit der Bodenbewegung mit oder ohne Unsicherheiten der Baustoffparameter) und der Lösungsstrategien des PEER PBEE Integrals (numerisch vs. geschlossen) verwendet, um einen praktischen Kompromiss zwischen der Genauigkeit der Ergebnisse und dem Rechenaufwand zu finden.

Die präsentierte grafische Methode hat sich für das untersuchte Gebäude (typisches Schweizer Mauerwerks-Wohngebäude mit 4 Stockwerken) als besonders effektiv erwiesen, da über den Erfüllungsfaktor ermittelte Personenrisikofaktor das Todesfallrisiko für das vorgestellte Gebäude mindestens um den Faktor 6 unterschätzt hat, während die vorgestellte Methode das gleiche Risiko gegenüber der numerischen PEER PBEE Methodik nur geringfügig überschätzt hat.

 Im deutschen Anhang der Norm Eurocode 8 (EC8; DIN EN 1998-1/NA:2011-01; "Auslegung von Bauwerken gegen Erdbeben") wird der Einfluss der örtlichen Untergrundverhältnisse auf die Erdbebeneinwirkung generell mit einer Einstufung in eine von drei geologischen Untergrundklassen und in eine von drei Baugrundklassen vorgenommen. Für die Bestimmung der Baugrundklasse werden die Gesteine inkl. Böden bis 30 m Tiefe berücksichtigt, während es für die Bestimmung der geologischen Untergrundklasse die Gesteine darunter bis in einige 100 m Tiefe sind. Im Zuge der Aktualisierung der DIN EN 1998-1/NA:2011-01 wurde die Karte der geologischen Untergrundklassen überarbeitet, die ein Bestandteil der Norm ist. Dazu wurden die Methoden der geologischen 3D-Modellierung auf einer aktuellen Datenbasis herangezogen. Basierend auf Daten aus den geologischen 3D-Modellen der von der Norm betroffenen Bundesländer Baden-Württemberg, Bayern, Hessen, Nordrhein-Westfalen, Rheinland-Pfalz, Sachsen, Sachsen-Anhalt und Thüringen wurden zunächst die Schichtmächtigkeiten für quartäre und tertiäre Sedimente ermittelt. Anhand dieser Mächtigkeiten wurden die geologischen Untergrundklassen „R“ (Fels), „T“ (flache Sedimentbecken) und „S“ (tiefe Sedimentbecken) nach DIN ausgewiesen. Der Baugrund, die Gesteine bis in eine Tiefe von 30 m, wurden dabei nicht berücksichtigt. Die geologischen Untergrundklassen wurden auf einem Raster mit einer Zellengröße von 1 km x 1 km dargestellt. Im Vergleich zur bisherigen Ausweisung der geologischen Untergrundklassen, in der geologische Strukturen mit weniger als 20 km Erstreckung bzw. Durchmesser nicht berücksichtigt werden konnten, wurde damit eine deutlich höhere räumliche Auflösung erreicht. Im Beitrag wird die Methodik zur Erstellung der Karte dargestellt und die Anwendung der Karte in der Praxis erläutert. Der digitale Datensatz ermöglicht es, für jeden beliebigen Standort die Untergrundklasse auf einfache Art und Weise zu ermitteln. Das Raster mit der Ausweisung der geologischen Untergrundklassen wurde sowohl als Kartenwerk (Web Map Service, WMS) wie auch als digitaler ASCII-Datensatz veröffentlicht.

The modeling of exposure is one of the most essential elements for any kind of risk scenario and Rapid Response to Earthquake measures. Within the EU-Projects TURNkey, a knowledge-based exposure-modelling framework is developed enabling the consideration of different levels of investigation (micro, meso, macro scale) and data availability. In particular, the proposed framework supports the modelling of the seismic hazard exposure of physical assets (i.e., building/infrastructure/lifeline taxonomy scheme) recognizing various levels and origins of uncertainties as well as the (lacking) completeness of the exposure catalogue. Relevant exposure data provided by the different Testbeds were compiled and categorized on the basis of the introduced Levels of Data Availability (LoDA).

Despite these enormous efforts, the main question remains unanswered: How reliable could be the developed tools and instruments if they are not tested and confirmed by real events. The meanwhile well studied Albstadt earthquake 1979 (see EDAC papers staring by Schwarz et al., 2005) failed in this context due the lack of a sufficiently wide range of observed damage grades.

After a search of more suitable events, it was decided to study and elaborate a dataset containing the reconstruction of different field surveys of the L’Aquila, 2009 earthquake. The affected building stock is evaluated through an empirical inspection of frontal (lateral) views available in Google Street View (2023). Images before and after the event are collected and compared with a database containing physical assets, vulnerability classes and damage assignments according to the EMS-98. Intrinsic encountered problems are then discussed, starting by the fact that such empirical reconstruction of seismic scenarios is not possible for all samples (i.e., in this case buildings) given lack of Street View access or the absence of images taken directly after the event. Secondly, taking the survey as a time dependent exercise, it is to be clarified that the damage assignments given by the original sources are given by the accumulation of damage through the main event and aftershocks, while the hereby reconstruction may, in some cases, include damages due to use, bad preservation or even earthquakes occurring between 2009 and 2022.

Besides the best possible reconstruction of the observed effects in terms of EMS damage grades, the paper intends to demonstrate how reliable datasets for the building stock including structural types and corresponding vulnerability classes can be elaborated. Not at least, the exposure modelling has to transform the available data into a descriptive form that can be linked with the Fragility and/or Vulnerability Functions, directly, with the expectation that these assignments are the best suited or representative ones. The data layers provided by the study enable the test and train the applicability of the exposure modelling techniques for the selected event and target region.

2021 wurde in Deutschland der überarbeitete Nationale Anhang zur DIN EN 1998-1 mit einer viel diskutierten, neuen Erdbebenkarte veröffentlicht. Die Höhe der Erdbebeneinwirkungen für ein Bauwerk an einem Standort resultiert aus der vom Baugrund abhängigen Spektrenform sowie dem Produkt aus der Referenz-Spitzenbodenbeschleunigung (a_gR) und dem Bedeutungsbeiwerte des Bauwerks (γ_I). Die Bedeutungsbeiwerte werden verwendet, um das Zuverlässigkeitsniveau von Bauwerken an deren Schadenspotential anzupassen. Nach DIN EN 1998-1 darf γ_I mit einer einfachen Gleichung berechnet werden, die auf einer log-linear Näherungen der Gefährdungskurve basiert und von der Steigung der Gefährdungskurve, k, abhängt. Die Norm schlägt einen k-Wert gleich 3,0 vor; in Deutschland sind jedoch Werte zwischen 1,5 und 2,2 üblich. Wenn nun ein konstantes γ_I mit einem k-Wert gleich 3,0 verwendet wird, wird a_g in Deutschland unterschätzt. Außerdem sind mit diesem Ansatz die Wiederkehrperiode der entsprechenden a_g-Werte unterschiedlich. Das entspricht nicht der Philosophie des Eurocode 8, welche auf dem Konzept der einheitlichen Gefährdung beruht. Diese Studie untersucht, wie die γ_I-Werte aus der DIN EN 1998-1/NA das Zuverlässigkeitsniveau von Bauwerken aus verschiedenen Bedeutungskategorien beeinflussen. Es hebt die Vorteile der Klassifizierung der Bedeutungskategorien auf Basis der mittleren Versagenshäufigkeit anstatt mit (konstantem) γ_I hervor. Ferner werden risikobasierte Erdbebenkarten erstellt, um zu zeigen, wie verschiedenen Zielzuverlässigkeiten die Größe a_g und die Gebiete, in denen eine Erdbebenauslegung notwendig ist, beeinflussen.

Das seismische Risiko ist abhängig von seismischer Gefährdung, Exposition sowie Vulnerabilität. Bisher wird die Vulnerabilität häufig für den Ausgangszustand bestimmt, jedoch verändert sich diese mit der Zeit. Im Laufe der Lebensdauer eines Gebäudes treten Alterungseffekte ein, sodass sich die Materialeigenschaften aufgrund der Umweltbedingungen, worunter die Korrosion besonders kritisch ist, verändern. Die Bewehrungskorrosion wirkt sich in mehrfacher Hinsicht auf das Tragverhalten der Struktur aus. Es verringert sich der Stahlquerschnitt und damit die Widerstandsfähigkeit des Bauteils. Zudem besitzt die Bewehrung eine geringere Duktilität, was zu einem spröderen Versagen führt. Die Korrosionsprodukte rufen Druck hervor, der zu Rissen und Abplatzungen der Betondeckung führt, wenn die Zugfestigkeit des Betons überschritten ist. Außerdem verringern Längsrisse die Umschnürung des Betons und die Grenzfläche zwischen Beton und Bewehrung verändert sich durch die Rostschicht und die verringerte Rippenhöhe. Dies führt zu einer Reduzierung des Verbundes zwischen Beton und Stahl.
Die Auswirkungen der Alterung sind in Fragilitätskurven zu berücksichtigen. Die Autoren entwickelten einen neuen Ansatz zur Ermittlung von Fragilitätskurven, der Kriterien zur Definition der Schadensgrade auf verschiedenen Ebenen verwendet [1]. Die Fragilitätskurven werden für fünf Schadensgrade [2] entwickelt. Es werden verschiedene Kriterien auf unterschiedlichen Skalen definiert, um die Lage der Schadensgrade auf der numerisch berechneten Antwortkurve des Gebäudes zu definieren. Die Kriterien enthalten Grenzwerte für materialspezifische sowie globale Merkmale. Über Häufigkeit und räumliche Verteilung werden diese den Schadensgraden zugeordnet. In diesem Ansatz wird das Materialverhalten entsprechend der korrosionsbedingten Änderungen angepasst. Sowohl in den Materialgesetzen als auch in den Schadenskriterien für Dehnungen, Krümmungen und Rotationen werden die Auswirkungen der Korrosion auf Stahl und Beton berücksichtigt. Die ermittelten Pushover-Kurven unter Berücksichtigung des Korrosionsangriffs zeigen, dass eine Verringerung sowohl der maximalen Schubkraft als auch der maximalen Verschiebung vorliegt und die Schadensgrade tendenziell früher eintreten im Vergleich zum Ausgangszustand. Durch die veränderten Eingangsparameter ändern sich auch die finalen Fragilitätskurven. Neben den materialbedingten Anpassungen ist die räumliche Verteilung des Korrosionsangriffs zu berücksichtigen, um eine Unterschätzung des Risikos zu vermeiden.

[1] Kohns, J., Stempniewski, L., Stark, A.: Fragility Functions for Reinforced Concrete Structures Based on Multiscale Approach for Earthquake Damage Criteria. Buildings, 12 (8), 2022. DOI: 10.3390/buildings12081253
[2] Kohns, J., Stempniewski, L., Stark, A.: Entwicklung von Schadenskatalogen für die visuelle Beurteilung von Gebäuden im Erdbebenfall. BAUINGENIEUR BD. 97, NR. 12, 403-412, 2022. DOI: 10.37544/0005-6650-2022-12-39

Numerical simulations performed by the author as part of a recent blind prediction competition organized by UCLouvain on the flexural and torsional response of U-shaped reinforced concrete (RC) walls are presented. The specimens were 2.25m high, representing the plastic hinge region of a 6-storey wall. 12mm longitudinal rebars were placed in the 100mm thick boundary regions, where also two 6mm confining stirrups bent at 135° were present. The first wall was subjected to horizontal displacements perpendicular to the flange. The second one to torsional rotations. A constant axial load was applied in both cases. The imposed displacement and rotation were increased incrementally until failure. Typical failure modes such as tension yielding and buckling of longitudinal reinforcement, and concrete crushing in the boundary regions were observed.  The adopted modelling approach consisted of multi-layered shell elements combined with smeared reinforcement. A biaxial constitutive model with smeared cracking was used to describe the nonlinear response of concrete, taking into account cyclic stiffness and strength degradation. Excellent agreement was obtained with the experiment in terms of maximum load, hysteretic pinching and post-peak response.

Reinforced Concrete (RC) structures play a vital role in modern infrastructure, ensuring the safety and security of various facilities like nuclear power plants and LNG tanks. However, the increasing threat of intentional or unintentional missile impact on these structures necessitates a thorough understanding of their behavior under extreme loading conditions. The location, velocity, and angle of impact significantly influence the extent and nature of the damage. Certain critical structures, such as nuclear power plant containment buildings, consist of two layers of RC—an outer and an inner shield. Hence, it is crucial to investigate the damage not only in monolithic RC structures but also in multilayer RC structures. To gain a better understanding of RC behavior under impact loading, Researchers have conducted a combination of experimental investigations, numerical simulations, and empirical and analytical equations. Controlled impact tests using scaled missile models and realistic RC specimens have been carried out to observe the behavior of the structures. Additionally, finite element models have been developed to simulate impact scenarios, considering parameters such as missile velocity, angle of impact, and structural reinforcement. The integration of experimental investigations, numerical simulations, and analytical equations provides valuable insights into the structural response and offers mitigation strategies to enhance the resilience of concrete structures. This paper presents a comprehensive review of the experimental tests conducted to examine the effects of missile impact on multiple-layer RC structures.

 Vulnerability assessment of reinforced concrete (RC) buildings with earthquake-resistant design (ERD) is becoming increasingly important due to their increased share over time and the continuous changes in national design code requirements. This is particularly important in regions with moderate to high seismicity levels, where unexpected damage and failure modes in structural elements have been observed in buildings designed to resist earthquakes (e.g., 2011 Christchurch). Additionally, observations from recent events have shown that damage to non-structural elements may dominate the overall damage assessment of a building (e.g. 2019 Albania earthquake).

RC buildings with ERD are expected to have ductile behaviour to provide larger safety margins against higher damage grades. However, the choice of ductility level affects the lateral strength (i.e. more ductile buildings are designed to provide lower lateral strength). Eurocode 8 (EC8) recommends limiting the use of low ductility to areas with low seismicity and leaves the choice of medium to high ductility levels to the national annexe or the designer if not specified. This means that buildings in high seismic regions could be designed for medium ductility level, and even for low ductility level.

Due to the lack of damage observations for ERD building types, numerical simulations and scaled experimental tests are the main sources for assessing their performance. Numerically derived fragility functions are commonly used to assess the vulnerability of these building types. To evaluate the quality and suitability of functions derived for buildings with ERD, a database of fragility functions was compiled and examined for common European ERD building types. To further examine the influence of the ERD and ductility levels, a set of RC moment-resistance frames and walled structures were designed for varying levels of earthquake hazard and ductility levels following EC8. A set of fragility functions were then derived following a classification scheme that treats the ERD and ductility levels separately.

It was observed from the literature that for any building type, the increase in ERD level is reflected in the increase of the lateral strength and ductility combined. This can be explained by the slight decrease in damage probability of lower damage grades, and a more substantial decrease in the probability of higher damage grades. However, if the increase of the earthquake resistance was achieved by increasing the ductility of the system, one would expect a higher probability of lower damage grade occurrence and a reduced probability of higher damage grade occurrence. This was observed in only one study. By evaluating the fragility functions suggested in the literature and the derived functions, it can be concluded that the separation between ductility and ERD levels is necessary The lack of distinguishing them in most fragility functions makes their use less reliable.

Der Beitrag unternimmt eine Zeitreise in die Entwicklung der deutschen Erdbebenbaunormung, wobei sich auf aktuelle Entwicklungen in Zusammenhang mit der ersten und zweiten Generation des Eurocodes 8 und den daraus resultierenden Anforderungen zur Einführung der Nationalen Anwendungsdokumente und Anhänge konzentriert werden kann. Zunächst werden Kriterien bzw. Indikatoren zur Bewertung der Qualität einer (aus Ingenieursicht) akzeptablen Normenentwicklung definiert und im internationalen Kontext diskutiert. Dies führt zur Schlussfolgerung, dass am Maßstab der drei relevanten Aufgabenschwerpunkte von Gefährdung, Untergrundklassifikation und Einwirkungen von DIN 4149 bis DIN EN 1998-1/NA/A1:2023 [1] Merkmale einer persistenten Einwicklung aufgezeigt werden können. Überprüft wird die Karte der geologischen Untergrundklassen, die auf Basis der zur Verfügung gestellten geologischen 3D-Modelle und den von DIN EN 1998-1/NA:2021 [2] betroffenen Bundesländern erstellt wurde. Im Beitrag wird die ursprüngliche (grobmaßstäbliche) Kartierung mit der auf Basis GÜK1000 erstellten Karte [3] abgeglichen. Es wird gezeigt, in welchen Regionen es zu punktuellen oder relevanten Änderungen der geologischen Untergrundklasse kommt bzw. in welchen Regionen die bisherige Zuordnung unverändert Bestand hat. Nicht zuletzt werden Änderungen der spektralen Einwirkungskenngrößen herausgearbeitet.
Für alle Teilaufgaben wird die Frage nach der Vertrauenswürdigkeit der Eingangsgrößen gestellt; sie wird mit der Forderung gekoppelt, geeigneten Ansätzen ihrer Plausibilisierung bzw. Verifikation nachzugehen und letztlich zu hinterfragen: Wie und auf welcher Grundlage bzw. – bei fehlender Datenbasis – unter Inanspruchnahme welcher Annahmen können welche Analogiebetrachtungen herangezogen bzw. begründet werden?
Ungeachtet der national stets eigenständigen Gefährdungsanalysen konnten und können Ergebnisse aus den Projekten SHARE und SERA bzw. den Europäischen Gefährdungsmodellen (ESHM) nicht ignoriert werden. Der Beitrag vergleicht für ausgewählte Standorte in Deutschland die Einwirkungen für Fels mit denen, welche nicht zuletzt nach DIN EN 1998-1/NA/A1 [1] anzusetzen sind.

Damage prognosis models based on empirical data implement the buildings’ basic characteristics to predict structural damage based on the buildings’ vulnerability. As it is the case with the damage caused by flash floods, a natural hazard in which major affectations occur due to horizontal loads, the location/exposure of the building has a big influence on the distribution of damage. A similar trend can be observed in earthquakes, as in structural analysis the main action effects are broken down into two components, in-plane and out-of-plane failures occurring depending on the assumed and dominant impact direction.
The current state of damage prognosis in earthquake engineering integrates the major physical characteristics of a structure (e.g., number of stories, building conditions) and material-related properties (e.g., material, type of construction, age), therefore it is yet to be explored how the building’s location within its aggregate interferes with the evolution of damage during a seismic event, and to assess those (exposure or location) parameters which are valuable for future integration into damage prognosis models.
A methodical revision of the debated parameter is hereby performed along with a final discussion on its applicability and usefulness in damage prognosis in the field of earthquake engineering. Conclusions are drawn based on a collection of empirical cases taken from the historical center of L’Aquila and the damages observed after the 2009 earthquake, with images taken before and after the event using tools from Google Street View. Particularities of the structural configuration and internal damage are then consulted through a second source of information provided by the Italian Observed Damage Database (Dolce, et al., 2019).
The proposal from Maiwald & Schwarz (2009) to classify the buildings’ location according to the impact direction of water flow is taken as the starting point and modified for the seismic hazard situation resulting in a classification scheme of most common failures observed in the studied area according to the location of a structure within an ensemble or aggregate of buildings. The paper is initiating further case studies on whether the location of a building has to be considered in damage prognosis. Basic elements for generalizing the methodology and inherent parameter evaluation are presented.

There are two main approaches to earthquake risk models: (1) the declustered view of seismicity, which is mostly used in current practice and models seismicity as a series of independent mainshock events; and (2) the clustered view of seismicity, which models seismicity as dependent earthquakes that are categorized as foreshocks, aftershocks (AS), triggered earthquakes, and mainshocks (MS). The main problem with using the declustered approach is that it does not consider the probability of failure of structural components due to cumulative damages of aftershocks and mainshocks.

For structures with a high degree of importance, such as industrial facilities, power plants, bridges, strategic buildings, etc., there is a time frame between main shock occurrence and achieving a safe level of structure. This time frame may include actions like evacuation, turning off damaged plants, and reinforcing damaged components. The importance of aftershocks lies in the fact that some main components of the structure may experience nonlinear behavior due to the mainshock, but they don't fail. In that case, the occurrence of an aftershock during the time frame of moving to a safety state may affect the safety of the structure based on the cumulative damages of the mainshock and aftershock, and result in the failure of those components.

One of the main challenges of considering aftershocks in seismic probabilistic safety assessment (SPSA) of important structures is the lack of information about different damage states of their components, which makes the implementation of full SPSA with aftershock consideration impossible. In this research, the importance of considering aftershocks in SPSA of structures will be reviewed, and different approaches in SPSA will be compared.

Keywords: Seismic Probabilistic Safety Assessment (SPSA), aftershocks, fragility curve , risk

“SHAKEmap” can be characterized as a system for the rapid response prognosis of the severity and areal distribution of ground shaking immediately after an earthquake including particularities and anomalies arising from the site conditions. In an extended form the, SHAKEmaps are linked to the consequences by providing estimates of damage to building stock and critical infrastructure as well as the affected people (or casualties) enabling catastrophe managing institutions to appropriate response decisions not at least to check available evacuation routes, to guide emergency teams and mobilize required resources.

The most widely used SHAKEmap generation procedure is the USGS ShakeMap system (Wald et al., 1999) that has been adopted by other countries as well, as well as regionally dependent SHAKEmap generation schemes (Beinersdorf & Schwarz, 2014; Gehl et al., 2017). When an earthquake is detected, the magnitude and the location of the hypocenter can be taken as primary (initial) information. In a first step, Ground Motion Prediction Equation (GMPE) are applied to estimated ground motion field; in a second step intensity conversion equations (GMICE) transfer the information into intensity assignments. The direct, here preferred one-step procedure way is based on intensity attenuation laws related to the observations of earthquakes in the target region.

The study provides an overview of the main widely used SHAKEmap generation procedures, relevant aspects of attenuation, as well as methods for integration of available ground motion data from seismic stations and intensity felt reports including their effects on the reliability of SHAKEmap are elaborated. In addition, the time-dependent development of initial results and effects of cascading events on SHAKEmaps based on the level of data availability through passing time is discussed. The hypothesis, that an increase in total damage as a consequence of escalating vulnerability owing to the damages caused by prior events is discussed using the case study of Kahramanmaras (Turkey-Syria) 2023 earthquake.

In addition, it will be reviewed, at which time window after event reliable SHAKEmaps can be provided satisfying requests for rapid response actions and decisions, and how data layers for the building stock (hospitals, schools, etc.) can qualify a short-time overview of the situation. Taking the maps published by USGS, it can be concluded that refinements are closely linked with the reconstruction of the fault line (style, size) and knowledge of subsoil conditions (in terms of site amplification factors).

Der Einfluss der örtlichen Untergrundverhältnisse auf die Erdbebeneinwirkung wird in den meisten Normen und Empfehlungen zur Auslegung von Gebäuden anhand der Einstufung in seismische Bodenklassen vorgenommen. Diese beruht überwiegend auf den Geschwindigkeiten von Scherwellen im oberflächennahen Untergrund. Aus passiven seismischen Array-Messungen der natürlichen Bodenunruhe lassen sich die Dispersionskurven von Love- und Rayleighwellen, sowie die Elliptizität der Rayleighwellen bestimmen. Durch Inversion dieser Messkurven kann das Geschwindigkeits-tiefenprofil der seismischen Wellen, insbesondere der S-Wellen, ermittelt werden, und hieraus die seismische Bodenklasse abgeleitet werden.
Wir präsentieren die Ergebnisse von passiven seismischen Arraymessungen, die rund um den Ort Rohrbach südlich von Landau (Pfalz) durchgeführt wurden. Die bestimmte durchschnittliche Scherwellengeschwindigkeit in den oberen 30 m (Vs30) variiert hierbei von 214 bis 337 m/s. Auffällig sind zwei etwa 100 m voneinander entfernte Standorte bei der Rottmühle südöstlich von Rohrbach. Derjenige auf sehr weichen Sedimentablagerungen zeigt in der Rayleighwellen-Elliptizität einen starken Peak bei etwa 3.5 Hz, der von einer ca. 4 m mächtigen, sehr weichen Oberflächenschicht herrührt. Hier beträgt Vs30 214 m/s, im Gegensatz zu 269 m/s für den anderen Standort. Dies verdeutlicht die mögliche kleinräumige Variabilität der Eigenschaften des Untergrundes.
Alle Standorte werden nach Eurocode 8 der Bodenklasse C und nach dem deutschen Anhang des Eurocode 8 der Baugrundklasse C sowie der geologischen Untergrundklasse S zugeordnet. Passive seismische Array-Messungen haben sich als besonders geeignet erwiesen, um die seismischen Geschwindigkeiten direkt zu ermitteln und hieraus die seismischen Bodenklassen zu bestimmen, ohne auf Bohrungen oder indirekte Korrelationen mit geotechnischen Messungen zurückgreifen zu müssen.

Das Forschungsverbundprojekt SEIGER wurde im Rahmen des 7. Energieforschungsprogramms der Bundesregierung ‚Innovationen für die Energiewende‘ unter Federführung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert und vom Projektträger Jülich (PTJ) betreut. Es wurden verschiedene Verfahren zum seismischen Monitoring tiefer geothermischer Kraftwerke weiterentwickelt, sowie auch zur Ermittlung der seismischen Einwirkungen, u.a. Erschütterungsmessungen, seismische Gefährdungsanalysen und die numerische Simulation der seismischen Bewegungen. Die im Beitrag vorgestellten Arbeiten umfassen die Automatisierung des seismischen Monitorings, die Optimierung und den Betrieb der seismischen Netzwerke an den Geothermiestandorten in der Südpfalz und in der Großstadt München sowie die Entwicklung von Arrays von Seismometern in einiger Entfernung zu den Geothermiestandorten als Alternative und Ergänzung zu den lokalen Netzwerken. Ein weiterer Teil der Arbeiten beschäftigte sich mit der geomechanischen Modellierung zur Reaktivierbarkeit von Störungen sowie der möglichen Zuordnung der seismischen Ereignisse zu bekannten Störungen im Umfeld der Geothermiebohrungen. Zur effizienten Erfassung des Einflusses der oberflächennahen Strukturen wurden neue Methoden zur Standortcharakterisierung entwickelt und angewandt, z.B. für die Ermittlung der seismischen Einwirkungen in der Großstadt München. Hierauf aufbauend wurden zudem die Grundlagen der seismischen Gefährdungsanalysen für induzierte Seismizität erweitert.

Eine Bauwerksüberwachung mittels Monitoringsystemen liefert Informationen, die als Entscheidungsgrundlage für geeignete Instandhaltungsmaßnahmen dienen können.
Insbesondere bei dynamisch beanspruchten Stahlkonstruktionen ist die Kenntnis der Verformungen interessant, da über diese Aussagen zu lokalen Spannungskonzentrationen und folglich zu Ermüdungserscheinungen und Sprödbrüchen abgeleitet werden können. Die Verschiebungsantworten können entweder aus den direkten Verschiebungsmessungen erhalten oder durch doppelte Integration von Beschleunigungsdaten bestimmt werden. Da sich der erste Ansatz in der Anwendung als relativ aufwändig herausstellt, erscheint die Integration von Beschleunigungsaufzeichnungen zu den Verschiebungsantworten als die bessere Wahl. Die von Beschleunigungssensoren gemessenen Daten enthalten in der Regel jedoch Messfehler, die sich bei zweimaliger Integration vergrößern und zu physisch unrealistischen Verschiebungsverläufen und Verzerrungen führen.
Dieser Beitrag behandelt ein Verfahren, welches mit Hilfe der Wavelet-Transformation den Einfluss von Messfehlern im Integrationsprozess vermindern kann, indem über eine sogenannte Wavelet-Energie die Grenzfrequenz abgeschätzt wird, mit der Rauschanteile herausgefiltert werden können. Die Anwendung dieses Verfahrens wird anhand von Beschleunigungsmessdaten an einer Eisenbahnbrücke demonstriert sowie die Genauigkeit der Verschiebungsabschätzung durch einen Vergleich mit parallel durchgeführten Verschiebungsmessungen bewertet.

Die Anforderungen an die zulässigen Erschütterungen von Präzisionsanlagen wie z.B. Geräte für Feinmesstechnik, Mikroskopie, Chipfertigung, an Massenspektrometern sowie bei laseroptischen Anwendungen oder empfindlichen Analysegeräten können Größenordnungen unterhalb der menschlichen Wahrnehmungsgrenze liegen. In der Praxis sind Anhaltswerte für zulässige Erschütterungen nur selten in eindeutiger und vollständiger Form vorhanden. Es werden stattdessen vielfach vereinfachte und sehr grobe Angaben von den Herstellern gemacht, die historisch gewachsen sind und meist auf der sicheren Seite liegen, da diese in der Regel aus Messungen an optimalen Bestandsituationen abgeleitet werden. Diese Richtwertangaben können als Schwingungsspektren in Form von Amplitudenspektren, PSD-Spektren (Power Spectrum Density) oder Terzspektren, oder aber auch als Weg-, Schwinggeschwindigkeits- oder Beschleunigungsspektren angegeben sein.

Nicht immer geht aus den Angaben klar hervor, wie die Grenzwerte zu interpretieren sind. Die Mess- und Auswerteprozedur muss meist hinterfragt werden, um aus den Messwerten geeignete Beurteilungsspektren berechnen und den Grenzwerten gegenüberstellen zu können. Besondere Beachtung verdient die jeweilige anzuwendende Mess- und Auswerteprozedur. Mittelungsparameter der Einzelspektren (lineare oder energetische Mittelung, Peak-Hold- Werte, Fenstergröße der FFT-Analyse) können die Ergebnisse um 300 % bis 500 % beeinflussen. [1]

Das Institute of Environmental Sciences and Technology (IEST) ist der Herausgeber einer Richtlinie mit Empfehlungen zur Ermittlung von Schwingungen in Fertigungsanlagen für Mikroelektronik [2]. Die darin empfohlenen Messberichtvorlagen tragen jenem Umstand Rechnung, dass Vibrationen in Gebäuden sowohl transienter, periodischer als auch zufälliger Natur sein können. Je nach Bewegungsbild können unterschiedliche Auswertemethoden die zweckmäßigste Aussage betreffend die zulässigen Richtwerte liefern. Es wird daher betont, dass die Vergleichbarkeit der Untersuchungen nur durch eine einheitliche Vorgehensweise in der Dokumentation der Auswertung sichergestellt werden kann. Von Colin G. Gordon wurden in den 1980er Jahren Schwingungskriterien (Vibration Criteria VC) entwickelt, die eine Klassifizierung erschütterungssensibler Geräte bei unterschiedlicher Produktionsgenauigkeit bzw. Strukturgröße der Produkte erlaubt. Die "VC-Linien” sind international weit verbreitet und in zahlreichen Publikationen (leicht modifiziert und teilweise mit unterhaltsamen Übersetzungsfehlern) veröffentlicht. Beispielweise werden diese Richtwerte in der VDI 2038 – ergänzt mit den sogenannten „Nano-Linien”, die Gerätegenauigkeiten bis unter 1 nm berücksichtigen – angegeben. Sie definieren grundsätzlich Grenzkurven von „Max Hold Terz-Schwinggeschwindigkeitsspektren“.

Während einerseits die Richtwerte selbst klar definiert sind, geben Publikationen andererseits keine vernünftigen Angaben für eine vereinheitlichte Form der Berechnung der Max Hold Spektren. Sowohl die Art der Frequenzfilterung (FFT, Zeitfilter) als auch – viel entscheidender für das Endergebnis – die Wahl der Integrationszeit müssen mangels Angaben von jedem Ingenieur selbst gewählt werden. Diese Thematik wird bereits in einigen Nachfolgepublikationen [3, 4], die gewissen Überarbeitungsbedarf in der Definition und Anwendung der VC-Linien ansprechen, beschrieben.

Für die Auswertung der Erschütterungsmessdaten verwenden Planer häufig eine der am Markt erhältlichen Programme und die darin definierten Bearbeitungsschritte und Parameter. Bedingt durch nicht eindeutige Definitionen der Berechnungsparameter unterliegt die Datenauswertung der Expertise des jeweiligen Fachpersonals und es können auch vermeintliche Standardverfahren Diskrepanzen von mehr als 10 dB ergeben [5], was zu Mittelalterlichen Verhältnissen führt: Unter Verweis auf die VDI 2038 können somit für ein und dieselbe Situation nach Belieben des Gutachters unterschiedliche Beurteilungen abgegeben werden.

Im vorliegenden Beitrag werden anhand einiger Beispieldatensätze verschiedene Ingenieurbüros um eine entsprechende Auswertung gemäß VC-Linien ersucht. Um ein möglichst realistisches Szenario zu erstellen, werden nur Informationen über den Messort und das betroffene Gerät geteilt, nicht jedoch eine exakte Vorgabe zur Auswerteprozedur. Es soll dabei untersucht werden, wie sich die Ergebnisse aufgrund der gewählten Signalanalyse in ihrer Aussage unterscheiden können und ob dadurch potentiell andere Planungsvorgaben hinsichtlich des Aufstellungsortes entstehen können.

Die Autoren legen besonderes Augenmerk auf potentielle Pegelunterschiede, die bei vermeintlich gleicher Vorgehensweise aufgrund verschiedener Signalbearbeitungsmethoden in den Tools entstehen. Anwender werden im Beitrag auf die Ursachen für eventuelle Abweichungen hingewiesen und erhalten Empfehlungen, wie derartige Differenzen bestmöglich vermieden werden können. Diese Empfehlungen für die Definitionen der Berechnungsparameter entstanden aus einem Vergleich der Vorgangsweise der Autoren und können als Grundlage zukünftiger Normierungen herangezogen werden.

[1] VDI 2038: Gebrauchstauglichkeit von Bauwerken bei dynamischen Einwirkungen.

[2] Institute of Environmental Sciences and Technology, Measuring and Reporting Vibration in Microelectronics Facilities, IEST-RP-CC024.1, 2002

[3] Amick, H., On Generic Vibration Criteria for Advanced Technology Facilities with a Tutorial on Vibration Data Representation, Journal of the Institute of Environmental Sciences, 1997, v. XL, no. 5, pp. 35-44

[4] Gordon, C.G., Generic Vibration Criteria for Vibration-Sensitive Equipment, Proceedings Volume 3786, Optomechanical Engineering and Vibration Control, 1999

[5] Alten, Egger, Das Terzspektrum - Analyse und Vergleich gängiger Auswerteprogramme für Erschütterungsuntersuchungen des Schienenverkehrs, Ziegler Baudynamik Symposium, Zürich, 2022

Es wurde umfangreiche Forschung zum Verhalten des nicht-verankert starrer Blöcke (rigid block) unter seismischen oder anderen dynamischen Lastbedingungen durchgeführt. Bei seismischer Einwirkung wurde beobachtet, dass diese starren Blöcke je nach Eingangsbewegung des Bodens und dem Reibungskoeffizienten zwischen den Kontaktflächen Rutschen, Schaukeln oder eine Kombination aus beidem zeigen. Die Amplitude des Rutschens und Schaukelns wird von mehreren Faktoren beeinflusst, wie dem geometrischen Parameter des Objekts, der Amplitude und Dauer der seismischen Bewegung, dem Reibungskoeffizienten und dem Rückprallkoeffizienten während des Aufpralls usw.
Einer der entscheidendsten Faktoren für den nicht-verankert starren Block, der in der Vergangenheit nicht ausreichend untersucht wurde, ist die Boden-Bauwerk-Wechselwirkung (SSI). Diese Arbeit untersucht den Einfluss der Boden-Struktur-Interaktion auf das Schaukeln verhalten des nicht-verankert starren Blocks. Die Modellierung und Analyse des nicht-verankert starren Blocks unter Erdbebenbelastung erfolgt mit dem Programm SAP2000. Die Bodeneigenschaften wie frequenzabhängige Steifigkeit und Dämpfung wurden durch Impedanz Funktionen bestimmt. Diese vereinfachte Methode ermöglicht eine schnelle Bewertung der starren Blöcke hinsichtlich der Boden-Bauwerk-Interaktion. Die numerische Simulation analysierte den Einfluss der Bodensteifigkeit auf die Schaukeln Antwort des starren Blocks.

In dem Forschungsprojekt ROBUST wurde ein nutzerorientiertes Erdbebenfrühwarn- und Reaktionssystem entwickelt, das auf der Kombination von untereinander vernetzten dezentralen Sensorsystemen zur Erdbebenfrühwarnung und lokalen Monitoringsystemen von Bauwerken mit Anschluss an digitale Bauwerksmodelle (BIM) basiert. Das System ermöglicht die Erdbebenerkennung sowie die schnelle Schadensprognose und die zielgruppenspezifische Echtzeit-Informationsübertragung. Die Anwendung des Systems erfolgte prototypisch in der Niederrheinischen Bucht durch Integration intelligenter Sensoren in das bestehende Netzwerk des Geologischen Dienstes – NRW (GD-NRW). Lokale Monitoringsysteme wurden an einem Brückenbauwerk und einer Industrieanlage installiert und mit deren digitalen Bauwerksmodellen gekoppelt.

Für die schnelle Schadensbewertung wurden vorab Grenzwerte für Schadensindikatoren definiert, die mithilfe eines Monitoringsystems am Bauwerk ermittelt werden können. Die aus Erdbebenzeitverlaufsberechnungen ermittelten Grenzwerte, wurden anschließend in einem BIM –Modell hinterlegt.

Bereits existierende BIM-Modelle wurden dazu vorab um die Objekte des geplante Monitoringsystems (SHM-Objekte) erweitert. Um die quasi Echt-Zeit-Daten des Monitoringsystems mit den digitalen Bauwerksmodellen zu koppeln, wurde die kommerzielle BIM-Management Software „Desite md“ verwenden. Dazu wurden die SHM-Objekte mit weiteren Attributen versehen. Über die programm-interne Schnittstelle konnten die SHM Daten mit dem Modell gekoppelt werden. Eine in der Software integrierten Funktion ermöglichte es, die Bauteile bzw. die SHM-Objekte in Bezug auf ihren Zustand einzufärben. Im Falle eines Erdbebens können somit mögliche Schäden schnell erkannt werden.

Industrieanlagen in Erdbebengebieten müssen aufgrund ihres hohen wirtschaftlichen Wertes und / oder ihres hohen Gefährdungspotentials erdbebensicher ausgelegt werden. Da sich der Anlagenbau in vielerlei Hinsicht vom üblichen Hochbau unterscheidet, ergänzen Leitlinien wie der VCI Leitfaden „Der Lastfall Erdbeben im Anlagenbau“ die Anwendung von Erdbebennormen wie der DIN EN 1998 im Kontext von Industrieanlagen.

Eine besondere Herausforderung ergibt sich bei der Erdbebenauslegung von Industriekomponenten, welche auf einem Tragwerk montiert sind. Dies können beispielsweise Druckbehälter, Tanks oder Rohrleitungen sein. Für solche Komponenten wirkt nicht die Bodenbeschleunigung als Anregung, sondern die aus der dynamischen Antwort des Bauwerks resultierende Etagenbeschleunigung. Neben der Prognose des Bauwerksverhaltens ist auch das Verhalten der Komponente zu prognostizieren. Dabei sind mögliche Interaktionseffekte zwischen Bauwerk und Komponente zu berücksichtigen.

In Erdbebennormen wie dem Eurocode 8 oder ASCE 7 existieren Verfahren unterschiedlicher Komplexität zur Ermittlung der auf eine Komponente einwirkenden Erdbebenkraft. Sie reichen von einer vereinfachten Einbautenformel über Etagenantwortspektren bis hin zu gekoppelten dynamischen Zeitschrittberechnungen.

Im Rahmen des europäischen Projektes SERA-SPIF („Seismic Performance of multi-component systems in special risk Industrial Facilities“) wurde ein typisches Stahltragwerk aus dem Anlagenbau mit verschiedenen Industriekomponenten ausgestattet und auf einem Rütteltisch unter leichter bis extremer Erdbebenbelastung getestet. Das Stahltragwerk und insbesondere die Industriekomponenten wiesen ein robustes Verhalten auf. Dennoch verursachte das Zusammenspiel aus Komponenten mit hohem Massenschwerpunkt und der flexiblen Plattform Schäden in den sekundären Stahlträgern.

Mit Hilfe numerischer Simulationen konnte das Verhalten der getesteten Industrieanlage verifiziert und mit Ergebnissen der normativen Ansätze verglichen werden. Die gewonnenen Erkenntnisse zeigen auf, dass es wichtig ist, die Industriekomponente zusammen mit der sie unterstützenden flexiblen Stahlplattform zu betrachten. In vielen Fällen ist eine klare Trennung von Komponente und Tragwerk nicht möglich. Die Konsequenzen für die praktische Anwendung von vereinfachten Einbautenformeln sowie für die Ermittlung und den Ansatz von Etagenantwortspektren werden aufgezeigt.

Some of the main challenges in dynamic soil-structure interaction (SSI) models are the cases of arbitrary layered soil and different types of nonlinearities. Current methods tend to only partially consider the nonlinearities, which include the material nonlinearity, embedment effect, soil failure at the soil-foundation interface, pore-fluid interaction, uplift and sliding of the foundation, and gapping effects (Coleman, Bolisetti, Whittaker, 2016). The solution of the iterative hybrid boundary element-finite element method (BEM-FEM) requires the use of the time domain BEM, which is costly and prone to numerical error, and its iteration effort often takes away its main benefit: computational efficiency. To address these, we extend our hybrid numerical implementation (https://doi.org/10.1016/j.soildyn.2022.107352) with a sequential frequency-time domain procedure. In this procedure, the frequency domain analysis outputs are used as boundary and initial conditions of the subsequent time domain analysis. Solution’s sensitivity to the distance between the interface and nonlinear region is discussed. As a result, material and contact nonlinearities can be modelled while avoiding the time domain BEM formulation and nested BEM-FEM iterations. Additionally, the double-couple seismic source is included. We present 2D and 3D simulations, and they illustrate that the nonlinearities neglection can lead to a significant underestimation of the seismic response.

Für die nichtlineare Zeitverlaufsberechnung können laut Eurocode 8 künstliche Beschleunigungszeitverläufe eingesetzt werden, jedoch wird kein konkretes Verfahren zur Generierung geeigneter Zeitverläufe angeführt. Lediglich Anforderungen an die Einwirkungsdauer sowie das Antwortspektrum der Zeitverläufe sind zu erfüllen. In dieser Arbeit wird ein effektives Verfahren vorgestellt, mit dem künstliche Bodenbeschleunigungszeitverläufe generiert werden können, die mit einem gegebenen Zielantwortspektrum kompatibel sind. Es wird dafür eine passende analytische Näherungsfunktion genutzt, um die Leistungspektraldichte der Bodenbeschleunigung auf Grundlage eines Zielantwortspektrums sowie eines Peakfaktors zu ermittelt. Aus den erstellten Leistungsspektraldichte können beliebig viele Beschleunigungszeitschriebe mittels diskreter Fast-Fouriertransformation erzeugt und im Anschluss durch eine Hüllfunktion moduliert werden. Im Rahmen von numerischen Studien wird die Effektivität des vorgestellten Prozederes für verschiedene Parameter des elastischen Antwortspektrum laut Eurocodes 8 sowie unterschiedlicher Hüllfunktionen gezeigt.

 Bebauungen im Nahbereich von bestehenden Eisenbahntrassen stellen zumeist zusätzliche Anforderungen an die Planung bzw. Umsetzung des Vorhabens dar. Neben Einwirkungen wie z.B. elektrische Felder oder Schall können auch Erschütterungen und der daraus resultie-rende Körperschall einen kostenrelevanten Aspekt im Zuge der Planung und Ausführung dar-stellen. Die Umsetzung gleisseitiger Maßnahmen ist oft auf Grund der Randbedingungen nicht möglich, deshalb werden Maßnahmen am Gebäude bzw. im Ausbreitungsweg in Be-tracht gezogen. Maßnahmen am Gebäude wie z.B. elastische Gebäudelagerungen sind bei komplexen Gebäudestrukturen schwer umzusetzen. Zudem sind die hohen Dämmwirkungen, welche durch elastische Gebäudelagerungen erzielt werden, oft nicht notwendig, sodass alternative, kostengünstigere, Maßnahmen in Betracht gezogen werden.
In der vorliegenden Arbeit wird insbesondere auf Maßnahmen am Ausbreitungsweg einge-gangen. Dabei werden Schlitzwände, Pfahlwände aber auch Schüttungen und Bodenverdich-tungen auf Basis numerischer Modellrechnungen untersucht. Derartige Tiefbaumaßnahmen müssen teilweise aus bautechnischen Gründen z.B. für Baugrubensicherungen hergestellt werden, wodurch eine Mitbenutzung als Schwingungsschutz zu Kosteneinsparungen führen kann. Die Untersuchungen werden anhand numerischer Modellrechnungen mit dem Pro-gramm FLAC durchgeführt. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Wirksamkeit unterschied-licher Maßnahmen im Untergrund im Lichte geologischer Randbedingungen zu untersuchen.

Non-linear time history analysis (NLTHA) is a widely used numerical method to evaluate the dynamic behavior as well as the performance of structures during earthquake events. However, the number of records required for performing NTLHA varies across different codes. As per ASCE/SEI 7, analyzing at least seven ground motions is necessary, and the average of the engineering design parameters (EDPs) obtained from the analysis is considered as the final EDP. ASCE/SEI 7 mandates a minimum of three ground motions for NTLHA, these limits are based on engineering experience and expertise. In contrast, NIST (2011) requires a minimum of 30-time history analyses, which is significantly higher than the minimum number of ground motions required by ASCE/SEI-7. AASHTO (2007) and CHBDC (2010) both recommend using five spectrum-compatible time histories when site-specific time histories are unavailable. Apart from these codes, several studies have been published that address the same topic.

This paper aims to perform a comprehensive statistical investigation to determine the minimum number of records required for NTLHA based on different structural behaviors using hysteresis materials with varying pinching parameters, as well as a bilinear and elastic-perfectly-plastic single-degree-of-freedom system. Moreover, various scaling procedures have been employed to evaluate the impact of scaling on the engineering design parameters (EDPs) results. These analyses will be expanded to encompass complex structures in order to verify the efficacy of the obtained results.

Lastly, the proposed methodology will be validated by comparing it with other design codes, and the conclusions drawn from this comparison will confirm its effectiveness.

Das seismische Verhalten flüssigkeitsgefüllter Tanks weist insbesondere bei Industrieanlagen ein erhöhtes Schadensrisiko auf. Zu dessen Einschätzung kommen Berechnungsverfahren variierendes Umfangs und Komplexität in Betracht. Dieser Beitrag behandelt das Fallbeispiel eines Tanks, der aufgrund seiner Schiefstellung einer detaillierten Finiten Elemente Analyse bedurfte. Die Umsetzung erfolgte mittels der kommerziellen Software ANSYS Mechanical mit Berücksichtigung der dynamischen Fluid-Struktur Interaktion. Fluide Elemente und entsprechende Randbedingungen wurden implementiert. Ausgewertet und den Widerstandsgrößen gegenübergestellt wurden die Basisschnittgrößen, Verankerungskräfte sowie Stahlspannungen und die maximale Schwapphöhe. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit analytischen Lösungen.

Bei rechnerischen Schwingungsprognosen von Eisenbahnbrücken mit Schotteroberbau infolge Zugüberfahrt haben die berücksichtigten Eigenschaften der Gleis-Tragwerk-Interaktion (GTI) einen wesentlichen Einfluss auf die generierten Ergebnisse. Eine realitätsnahe Berücksichtigung dieser Eigenschaften gestaltet sich jedoch mangels Verfügbarkeit an versuchsgestützten und zuverlässigen Kenndaten als schwierig.

In Bezug auf die horizontale Gleis-Tragwerk-Interaktion des Schotteroberbaues enthält auf normativer Seite die EN 1991-2 Angaben zu den Steifigkeitseigenschaften, während die Dämpfungseigenschaften vernachlässigt werden. Für die Steifigkeit wird hierbei ein bilinearer Verlauf vorgegeben, wobei der Verlauf sowohl von der Belastung (belastetes oder unbelastetes Gleis) als auch von der Umgebungstemperatur (gefrorenes oder nicht gefrorenes Schotterbett) abhängt.

In diesem Beitrag werden wichtige Ergebnisse und Erkenntnisse aus experimentellen Untersuchungen zur horizontalen Gleis-Tragwerk-Interaktion vorgestellt, für die eine großmaßstäbliche Versuchsanlage die Grundlage bildet. Diese spezielle Versuchsanlage ermöglicht eine isolierte Erforschung der horizontalen GTI in einem breiten Versuchsspektrum hinsichtlich der Verschiebungsamplituden und zugehörigen Anregungsfrequenzen. Des Weiteren werden auch Einflüsse infolge der klimatischen Bedingungen (Sommer/Winter) und der Belastung (belastet/unbelastet) quantifiziert. Die Versuchsergebnisse offenbaren deutliche Abweichungen zwischen den normativen Vorgaben der EN 1991-2 und dem realen Steifigkeitsverhalten. Die EN 1991-2 überschätzt dabei die tatsächliche Steifigkeit sowohl für den Zustand des belasteten als auch für den Zustand des unbelasteten Gleises.

Die Versuchsergebnisse zeigen zudem, dass die normative Annahme, dass der Zustand eines gefrorenen Schotterbettes mit einer festen Fahrbahn gleichgesetzt werden kann, nicht der Realität entspricht. Die Norm überschätzt hier wiederum die real vorhandene Steifigkeit, wobei das Temperaturniveau einen erheblichen Einfluss auf die Steifigkeitseigenschaften hat. Während bei Temperaturen knapp unter Null Grad kaum Unterschiede zu den Sommer-Versuchen aufscheinen, kommt es bei Temperaturen deutlich unter Null Grad zu einer beträchtlichen Zunahme der Steifigkeit, welche dennoch deutlich unter den Vorgaben der EN 1991-2 liegt.

Die in diesem Beitrag vorgestellten Versuchsergebnisse zur longitudinalen Gleis-Tragwerk-Interaktion sind Teil eines bereits abgeschlossenen Forschungsprojekts. Darüber hinaus ist die experimentelle Untersuchung der lateralen GTI auf Eisenbahnbrücken Teil eines nachfolgenden, derzeit laufenden Forschungsprojekts, welches eine neue großmaßstäbliche Versuchsanlage beinhaltet. Diese ermöglicht eine gezielte Analyse der lateralen Gleissteifigkeit in Abhängigkeit vom vertikalen Schwingungszustand. Erste diesbezügliche Versuchsergebnisse werden in diesem Beitrag vorgestellt.

Im Rahmen dieser Arbeit werden Brückentragwerke mit großen Spannweiten unter Erdbebenanregung untersucht, bei denen es zur sogenannten Mehrpunktanregung der Brückenpfeiler kommen kann. Die seismische Anregung erreicht die Pfeiler somit zeitversetzt. Diese Zeitdifferenz zu modellieren bedeutet einen erhöhten Aufwand, kann jedoch mit modifizierten klassischen Methoden umgesetzt werden. Gleichzeitig kann sich bei der Schwingungsanalyse von Bestandsbauwerken das Erfordernis nach zusätzlicher, externer Dämpfung einstellen, da hier nachträglich kaum Einfluss auf das statische System, Material, Masse und Steifigkeit genommen werden kann, um das Schwingungsverhalten zu beeinflussen. In der vorliegenden numerischen Untersuchung wird dafür exemplarisch der häufig verwendete passive Tuned-Mass-Damper (TMD) gewählt, der sowohl bei Neubauten, als auch bei Bestandsbauten eingesetzt werden kann, um die dynamische Antwort eines Bauwerks signifikant zu reduzieren. Im Rahmen von Parameterstudien wird die Effizienz des TMD im Einsatz bei weitgespannten Brückentragwerken unter Mehrpunktanregung untersucht.

Die im Zuge der Neuplanung und Bestandsbeurteilung von Eisenbahnbrücken durchzuführenden dynamischen Berechnungen der zuginduzierten Schwingungsantworten wurden mit Einführung der Eurocodes in den 1990er Jahren in Europa vorgeschrieben und dazu wurden in der DIN EN 1991-2 die beiden Hochgeschwindigkeitslastmodelle HSLM-A und HSLM-B definiert. Dabei beinhaltet das HSLM-A insgesamt 10 unterschiedliche Modellzüge mit Wagenlängen von 18 bis 27 m und HSLM-B einen einzelnen Modellzug, der aus einer gleichmäßigen Folge von Einzellasten besteht und brückenspezifisch festgelegt wird.

Man ist damals davon ausgegangen, dass die Modellzüge HSLM-A und HSLM-B alle in Europa verkehrenden Betriebszüge sowie auch die gesamten Güterzüge in Bezug auf deren dynamischer Brückenantwort bei Zugüberfahrt abdecken. In den letzten 25 Jahren wurden jedoch sehr viele neue Hochgeschwindigkeitszüge im europäischen Streckennetz zugelassen, die bei der damaligen Herleitung der Modellzüge nicht vollständig berücksichtigt werden konnten. Zusätzlich haben sich die Fahrgeschwindigkeiten der in Europa verkehrenden Züge signifikant erhöht.

Bei einer Vielzahl von dynamischen Berechnungen von Eisenbahnbrücken zeigte sich, dass bei Ansatz der tatsächlich verkehrenden Betriebszüge wie z. B. den ICE 4 und Railjet, eine nicht akzeptable Überschreitung der mit den normativen Lastmodellen ermittelten vertikalen Tragwerksbeschleunigungen auftritt. Die Gefahr der Schotterdestabilisierung und Gleislagefehler rückten damit stark in den Fokus der Infrastrukturbetreiber. Aus diesem Grunde wurde im Jahr 2019 vom Deutschen Zentrum für Schienenverkehrsforschung (DZSF) das Forschungsprojekt „Brückendynamik; dynamisches Lastmodell“ mit dem Ziel der Entwicklung von neuen, an die derzeitigen Anforderungen angepassten, normungsfähigen Lastmodellen zur dynamischen Berechnung von Eisenbahnbrücken bei Zugüberfahrt ausgeschrieben und der Zuschlag erfolgte an das international besetzte Konsortium TU Darmstadt, KU Leuven, AIT und REVOTEC. Das Forschungsprojekt wurde vom Konsortium ab November 2019 bearbeitet und es wird im Juli 2023 abgeschlossen.

In diesem Beitrag werden die maßgebenden Entwicklungsschritte zur Ableitung der neuen Lastmodelle für Personen- und Güterzüge sowie die Ergebnisse der an bestehenden Eisenbahnbrücken durchgeführten Validierungen präsentiert. Der Beitrag zeigt somit die erzielten Endergebnisse des Forschungsprojekts auf.

Künstliche Intelligenz erfasst immer weitere Bereiche in Technik, Wissenschaft, Wirtschaft und Gesellschaft. Ein Zweig der künstlichen Intelligenz sind künstliche neuronale Netze (NNs). Beim Trainieren dieser Netze werden Gewichte anhand von Fehlerfunktionen aktualisiert, sodass eine Approximation des zugrundeliegenden Sachverhaltes entsteht. Für viele NNs trifft zu, dass sie einen funktionalen Zusammenhang zwischen Eingangs- und Ausgangswerten erzeugen; ein Vergleich mit im Ingenieurwesen schon länger gebräuchlichen (hochdimensionalen und nichtlinearen) Metamodellen liegt nahe. Die Genauigkeit der Approximation kann grundsätzlich durch mehr Iterationen (längeres Trainieren) gesteigert werden. Dies bedeutet aber nicht, dass die Qualität der Approximation dadurch beliebig gesteigert werden kann. Es kann nämlich zu einer Überanpassung an die Trainingsdaten kommen, ohne dass die Approximation die allgemeinen Zusammenhänge des zu untersuchenden Sachverhaltes wiedergibt.

Die Stärke der NNs liegt in ihrer Universalität: Ihre Struktur erlaubt das eigenständige schrittweise Erlernen beliebiger – zunächst völlig unbekannter – Zusammenhänge, wodurch sie ihren biologischen Vorbildern ähneln. Diese Fähigkeit macht NNs interessant für Anwendungen in der Schwingungsanalyse und insbesondere in den Bereichen Systemidentifikation und Structural health monitoring (SHM). In vielen Fällen ist es nämlich schwierig, die Parameterwerte eines mechanischen Modells des Systems, an dem Schwingungen gemessen werden, zu bestimmen. Bei Verwendung eines NN kann oft auf ein solches mechanisches Modell gänzlich verzichtet werden, da das NN auch ohne Vorgabe der Struktur des zu untersuchenden Problems trainiert werden kann. Grundsätzlich kann ein NN allerdings auch benutzt werden, um die Parameterwerte eines zugehörenden mechanischen Modells zu identifizieren bzw. ständig an die aktuellen Gegebenheiten anzupassen (Model updating, Digital twin). In neuester Zeit sind Algorithmen entwickelt worden, bei denen es zu einer vollständigen Integration von mechanisch-physikalischem Modell und Messdaten kommt. Man sprich dabei von Physics-informed Neural networks (PINNs).

Im vorliegenden Beitrag soll über die Entwicklungen in den genannten Bereichen informiert werden, aber es werden auch Anwendungsbeispiele gezeigt. Zum einen werden die beiden Kernaufgaben der NNs „Klassifikation“ und „Regression“ am Beispiel der Schwingungen von Eisenbahnschienen erläutert. Zum anderen wird über ein aktuelles Forschungsprojekt berichtet, dessen Ziel es u.a. ist, die Impulsantwort von Bodenankern zu nutzen, um auf deren Zustand zu schließen.

Immissionsprognosen, seien es Erschütterungs- oder Sekundärschallprognose liefern groß-teils Einzahlwerte als Ergebnis und beurteilungsrelevante Größen. Dies ist dem Umstand geschuldet, dass die Normen- und Regelwerke Einzahlgrößen als Grenzwerte vorsehen. Die-sen Einzahlwerte am Ende der Prognosekette, stehen jedoch zahlreiche, mit Unsicherheiten behaftete, Eingangsgrößen gegenüber. So ist z.B. die Emissionen, selbst einer stark einge-grenzten Zuggruppe, immer noch mit erheblichen Streuungen zufolge, leicht unterschiedli-cher Geschwindigkeiten bzw. Wagenmaterial behaftet. Aber auch am Ausbreitungsweg im Untergrund sowie der Ausbreitung im Gebäude sind eine Vielzahl an Unsicherheiten zu fin-den welche einen signifikanten Einfluss auf die Prognose haben.
In der vorliegenden Arbeit werden diese Unsicherheiten aus zahlreichen Messungen und Simulationen herausgearbeitet und wahrscheinlichkeitstheoretisch quantifiziert. Im nächs-ten Schritt wird ein Prognosemodell basierend auf einer Monte-Carlo Simulation mit den zuvor ermittelten Unsicherheiten erstellt. Nachdem die Monte-Carlo Simulation gerade im Grenzbereich der Verteilungsfunktionen oftmals Schwächen aufweist, wird die Simulation anhand des Latin-Hypercube Verfahrens erweitert. Ziel der Untersuchung ist es, die Unsi-cherheiten auf der Ergebnisseite der Immissionsprognose aufzuzeigen und zu quantifizieren. Diese Unsicherheit wird dem in der österreichischen RVE 04.02.02 vorgeschlagenen Sicher-heitswert von 3dB gegenübergestellt.

In this study and with the help of artificial intelligence (AI) and neural networks, the micro-cracks in a concrete structure have been identified and localized. In the field of structural health monitoring (SHM), localization of the cracks in a concrete structure has been widely investigated, where based on the velocity and arrival time of the ultrasonic waves the location of the discontinuities are identified. The simulated wave field and its distortion in a homogeneous and heterogeneous domain using the dynamic lattice model (dynamicLEM) is considered here to train the AI algorithm. For the recognition of wave field pattern and its distortion, the 1-D Convolutional Neural Networks (CNN) have been utilized. The aim of this study is not only to address the complexity of domain heterogeneity at the micro-level, such as aggregate and porosity distribution, the cement-aggregate interface as well as reinforcement, but also to capture the resultant wave field distortion due to the micro-cracks. The outcomes of the study can have a significant impact on how the damages in structures will be identified in the near future, as AI offers a fast and accurate solution.

Zusammenfassung
Eisenbahnbrücken sind durch Zugüberfahrten hohen dynamischen Belastungen ausgesetzt. Daher ist bei der Bemessung von Eisenbahnbrücken neben der klassischen statischen Berechnung in der Regel auch das dynamische Systemverhalten von besonderem Interesse. Für das dynamische Systemverhalten sind genormte Grenzwerte, wie z. B. die maximale Überbaubeschleunigung, einzuhalten, um eine planmäßige und sichere Zugüberfahrt zu gewährleisten.
Für dynamisch beanspruchte Bauwerke sind realitätsnahe Prognosemodelle von entscheidender Bedeutung. Nur so ist ein zukunftsorientiertes Bauen mit gezielten Instandhaltungsmaßnahmen möglich, das nachhaltig, wirtschaftlich und sicher ist. Grundlage der Berechnungen ist die dynamische Steifigkeit, repräsentiert durch die Struktursteifigkeit und die Systemdämpfung. Untersuchungen an bestehenden Brücken haben gezeigt, dass insbesondere bei kurzen Rahmenbrücken große Diskrepanzen zwischen numerisch ermittelten und in situ gemessenen dynamischen Eigenschaften bestehen. Bei Rahmenbrücken ist das dynamische Systemverhalten aufgrund der großen Bauteilabmessungen, der zum Teil großen Steifigkeitsunterschiede zwischen Fahrbahnplatte und Widerlagerwand und des Einflusses der Boden-Bauwerk-Interaktion oft nicht eindeutig identifizierbar und kann derzeit in der Planung nur unzureichend vorhergesagt werden.
In diesem Beitrag werden die grundlegenden Zusammenhänge des dynamischen Systemverhaltens von Rahmenbrücken erläutert und die Ergebnisse einer aktuellen Messkampagne an fünf in Betrieb befindlichen Rahmenbrücken vorgestellt und diskutiert. Für die untersuchten Brücken wurden die modalen Parameter anhand von Eigenfrequenzen und Dämpfungen bestimmt. Dazu wurden die Signale mit Hilfe der Fast Fourier Transformation (FFT) und der Operational Modal Analysis (OMA) ausgewertet. Ergänzend wurden die Dämpfungsgrade über Ausschwingkurven von Impulsanregungen und Zugüberfahrten betrachtet.
Unterschiedliche Prognosemodelle [1, 2] auf Basis vereinfachter Ansätzen [3] werden mit den Ergebnissen der Messungen verglichen.

Literaturangaben
[1] Veletsos, A. S. u. Younan, A. H.: Dynamic Response of Cantilever Retaining Walls. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering 123 (1997) 2, S. 161–172
[2] Heiland, T., Aji, H. D., Wuttke, F. u. Stark, A.: Einfluss der Boden-Bauwerk-Interaktion auf die dynamische Charakteristik von Eisenbahnrahmenbrücken. In: VDI-Berichte Nr 2379, S. 597–610
[3] Dobry, R. u. Gazetas, G.: Dynamic Response of Arbitrarily Shaped Foundations. Journal of geotechnical engineering 112 (1986) 2, S. 109–135

In diesem Beitrag werden effiziente Ansätze zur ganzheitlichen Modellierung des komplexen dynamischen Interaktionssystems aus Hochgeschwindigkeitszug, Oberbau und Brücke vorgestellt. Die Modellierung beschränkt sich dabei auf ebene mechanische Modelle, in welchen die mechanische Beschreibung der Teilsysteme Fahrzeug, Oberbau und Brücke zunächst getrennt erfolgt. Die dynamischen Eigenschaften des Hochgeschwindigkeitszuges werden mittels Masse-Feder-Dämpfer Systemen beschrieben, welche eine realitätsnahe Erfassung der Interaktion zwischen Fahrzeug und Tragstruktur ermöglichen. Das einfeldrige Brückentragwerk wird als Träger dargestellt. Detaillierte Beschreibungen von Zug und Brücke legen eine ebenso detaillierte Abbildung des Oberbaus, dem Bindeglied zwischen den beiden Subsystemen, nahe. Dies erfolgt durch die Modellierung des Oberbaus unter Berücksichtigung der grundlegenden vertikalen und horizontalen Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften der Gleisbettung. Basierend auf Zeitverlaufsberechnungen werden die Einflüsse aus der horizontalen Bettungssteifigkeit mit und ohne Berücksichtigung von Gleisunebenheiten diskutiert.

Eisenbahnbrücken werden durch Zugüberfahrt dynamischen Einwirkungen ausgesetzt. Die Einwirkungen sind zugspezifisch und können unter Resonanz (abhängig von Geschwindigkeit, Radsatzlasten und Radsatzabständen des Fahrzeugs im Rahmen der Zug-Brücken-Interaktion) zu signifikanten dynamischen Lastanteilen in der Bauwerksantwort führen. Dynamische Anteile sind daher im Resonanzbereich sowohl im Grenzzustand der Tragfähigkeit (GZT) als auch im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (GZG) zu berücksichtigen. In diesem Beitrag wird speziell auf das Teilproblem der Ermüdung der Brückentragwerke durch dynamische Zugüberfahrt eingegangen. Der Fokus liegt auf einem fahrzeugspezifischen Nachweis bzw. Bewertungsverfahren von Neufahrzeugen/Zugentwicklungen im Rahmen des Netzzugangs, deren Ermüdungskritikalität in Bezug auf Bestandsbrücken im Gesamtnetz der Schieneninfrastruktur rechnergestützt bewertet wird. Der netzweite Nachweis stellt aufgrund der großen Anzahl und Variabilität der Brückenkonstruktionen eine besondere Herausforderung dar und ist daher auf vereinfachte Analysen am repräsentativen Brückengesamtmodellen mit querschnittsbezogenen Nachweisen anstelle von Einzelbauteilnachweisen ausgelegt (Parameterstudie). Die Ermüdungsuntersuchung (Zeitverlaufsberechnung Zugüberfahrt, Auswertung Spannungsschwingbreiten, Ermüdungseinwirkung des zu bewertenden Fahrzeugs im zukünftigen Verkehrsmix sowie ggf. aktuell vorhandene Bauwerksrestnutzungsdauer) wird sowohl an einem parametrisierten Makro-Modell des Gesamtnetzes der Bestandsbauwerke (Schienenwege der DB Netz AG) als auch an streckenbezogenen Nachweisen mit bauwerksspezifischen Kenngrößen unter Verwendung datenbankgestützter Brückeninfrastrukturdaten gezeigt. Auf Erweiterungen des Ansatzes durch Datenfusion (z.B. Rechendaten, Messdaten aus Messstellen und Expertenwissen zu Schadensmeldungen) wird eingegangen. Ziel ist die Ermittlung einer fahrzeugspezifischen Kenngröße von Neufahrzeugen/Zugentwicklungen zur Bewertung der Ermüdungseinwirkung auf die Brückeninfrastruktur, die beispielsweise einen Vergleich mit der Ermüdungskritikalität von existierenden Bestandsfahrzeugen ermöglicht und zu einer schonenden und nachhaltigen Nutzung der Infrastruktur führen soll.

Bei der rechnerischen Vorhersage von Brückenschwingungen zufolge Zugüberfahrten bei Hochgeschwindigkeitsverkehr spielt die gewählte Modellbildung eine wesentliche Rolle bei der Genauigkeit der Ergebnisse. Die Berücksichtigung der Interaktionsdynamik zwischen dem Fahrzeug, dem Oberbau und der Tragkonstruktion kann beispielweise zu deutlich geringeren rechnerischen Beschleunigungen gegenüber Berechnungsmodellen ohne Interaktionsdynamik führen und die daraus folgende Nachweisführung erleichtern. Zur Anwendung von Modellen mit Berücksichtigung der Interaktionsdynamik ist ein detailliertes Verständnis der Kopplungseigenschaften aller Elemente von entscheidender Bedeutung, da sie die berechneten Schwingungen erheblich beeinflussen. Hierbei ist die Kenntnis der Zugeigenschaften in der Praxis häufig problematisch, da Fahrzeughersteller gewisse Informationen aus wirtschaftlichen Überlegungen unter Verschluss halten. Dagegen ist die Modellierung des Gleises mit Schotteroberbau als Mehrkörpermodell mit der Kenntnis weniger Eingangsparameter verbunden, deren Festlegung anhand experimenteller Untersuchungen erfolgen kann.
Die Studien in diesem Beitrag untersuchen den Einfluss verschiedener Modellierungstiefen auf die dynamischen Berechnungsergebnisse der Beschleunigung von eingleisigen Einfeldträgerbrücken. Anhand einer numerischen Studie über ein breites Parameterfeld an Brückeneigenschaften wird der Einfluss der Modellierung der Brückenkonstruktionen als Koppelträger untersucht, d.h. die Brückenkonstruktion wird als zwei vertikal gekoppelte Träger idealisiert, die das Gleis (Schienen und Schwellen) und das Tragwerk repräsentieren. Die vertikale Kopplung zwischen den beiden Trägern spiegelt die Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften des Schotteroberbaus wider und kann dessen Lastverteilungsvermögen wiedergeben. Die dynamische Anregung kann entweder als bewegtes Einzellastmodell oder als Mehrkörpermodell des Zuges, in diesem Fall eine Garnitur eines Railjets, angesetzt werden, wobei Letzteres auch die Beurteilung des Einflusses der Interaktionsdynamik zwischen Fahrzeug und Brücke und mögliche Wechselwirkungen beider Modellierungsstrategien (des Tragwerks und des Zuges) erlaubt. Als Referenzmodell dient ein gelenkig gelagerter Bernoulli-Euler Balken, der durch bewegte Achslasten angeregt wird. Der Vergleich der Beschleunigungsergebnisse ermöglicht es, kritische Kombinationen von Tragwerks- und Fahrzeugparametern zu identifizieren, für die die Berücksichtigung der Interaktionsdynamik einen besonders signifikanten Einfluss auf die Schwingungen hat, und den Einfluss der Modelle auf die Beschleunigungen zu quantifizieren. Diese Erkenntnisse bieten die Möglichkeit, tragwerksabhängige Empfehlungen für den gezielten Einsatz einer komplexeren Modellierung des Brückentragwerks (Koppelbalkenmodell) einerseits und des Fahrzeuges (Mehrkörpermodell) andererseits zu formulieren.

In fatigue calculations of steel structures, it is well known that the cyclic stress levels and therefore the best possible determination of the actual stresses have significant influence on the result of the analysis. Within the Rail4Futue project, an existing railway bridge was investigated in more detail due to this problem. The object of interest is a riveted truss bridge which is already more than 100 years old and already shows various signs of deterioration.
Due to the given fatigue aspect, there is a high demand to accurately calculate the stresses for passing trains. Therefore, a 3D FE model was created and adapted to the actual boundary conditions (support, node stiffness and damage) in a static model updating. This was only possible with a sophisticated monitoring system – which consists mainly of strain gauges in combination with a Weigh-in-Motion system. In addition, dynamic tests and measurements were carried out to identify eigenmodes, natural frequencies, and damping parameters.
Under the consideration of performance and resource efficiency the updated and given model can be used for dynamic calculations of train passages by various methods. In particular there are dynamic computations by means of state space theory, complete transient computations, as well as transient computations for a single passing load followed by a superposition for all train axles.
Another Aspect of interest is if there can be reasonable results for the model updating by the much simpler approach defined only by a target function aiming at the measured natural frequencies of the construction.
By comparing the performance for the different calculation methods, the aim is to show where the best approach in consideration of performance and resource efficiency is located. With the use of more performant methods of calculations, resources and time can be saved in future computations.

Die nichtlineare Analyse von unbewehrten Mauerwerksbauten (URM) in der Ebene ist für die Beurteilung der Tragfähigkeit unter seismischen Bedingungen unerlässlich. Im Allgemeinen kann hierfür das Äquivalente Rahmenverfahren (Equivalent Frame Method - EFM) als vereinfachte Makromodellierungsmethode verwendet werden. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die unregelmäßige Anordnung von Öffnungen in einer Fassade einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf die Genauigkeit der EFM im Vergleich zu verfeinerten Methoden wie der Finite-Elemente-Methode (FEM) hat. Trotz umfangreicher Untersuchungen zur Zuverlässigkeit von EFM unter Verwendung verschiedener Diskretisierungs- und Modellierungstechniken gibt es weder ein einheitliches Kriterium für die Diskretisierung und nichtlineare Analyse von URM-Fassaden mit unregelmäßigen Öffnungsanordnungen noch eine Einigung auf eine umfassende Methode zur Berücksichtigung von Unregelmäßigkeiten. Daher ist es wichtig, die Unregelmäßigkeit zu quantifizieren, um einen Schwellenwert festzulegen, ab dem die Anwendung von EFM nicht mehr empfohlen werden kann. In der Literatur werden diesbezüglich verschiedene Möglichkeiten zur Quantifizierung von Unregelmäßigkeiten untersucht/ vorgestellt, die Aspekte wie die Schlankheit der Pfeiler, die geometrische Mitte der Öffnungen und den prozentualen Anteil der Öffnungsfläche vornehmlich Einzeln berücksichtigen. Eine kombinierte Betrachtung bzw. Bestimmung eines kombinierten Unregelmäßigkeitsindex liegt aktuell nicht vor. Im Beitrag werden die bestehenden Methoden bewertet und eine Methodik vorgeschlagen, die einen kombinierten Unregelmäßigkeitsindex als maximalen Schwellenwert für die präzise Anwendung der EFM verwendet. Validiert wird die Methodik im Beitrag anhand des Vergleichs der strukturellen Antwort (maximalen Basisschubkraft), bestimmt an EFM und FEM Modellen für mehrere unterschiedliche unregelmäßige Beispielfassaden. Der Fehler in den Ergebnissen wird bewertet und ein Schwellenwert für den kombinierten Unregelmäßigkeitsindex für eine akzeptable Anwendung von EFM bestimmt.

Die seismische Bewertung bestehender Mauerwerksgebäude wird durch zahlreiche Unsicherheitsfaktoren, wie unbekannte Materialeigenschaften, Massenverteilung, Randbedingungen und in bestimmten Fällen sogar die Geometrie, erschwert. Die Verringerung dieser Unsicherheiten ist der Schlüssel zu einer zuverlässigen Schätzung des globalen seismischen Verhaltens. Schwingungsmessungen, welche mittels hochauflösender Sensoren das dynamische Verhalten unter ambient-vibration messen , bieten eine elegante Möglichkeit, die modalen Eigenschaften von Bauwerken unter Betriebsbedingungen zu ermitteln. Unter Berücksichtigung des Versteifungseffekts nicht-struktureller Bauteile und realistischer Annahmen zur Massenverteilung, ermöglichen diese Informationen IngenieurInnen die Ableitung äquivalenter elastischer Eigenschaften unter Berücksichtigung von Mess- und Modellierungsfehlern durch probabilistische Modellaktualisierungsverfahren. Die elastischen Eigenschaften beeinflussen das seismische Verhalten von Mauerwerksgebäuden über den linear-elastischen Bereich hinaus, indem sie sich auf den berechneten Verformungsbedarf , die Verteilung und Umverteilung von Schnittgrößen und die Erdbebenkapazität auswirken. In diesem Zusammenhang kann eine zuverlässige Schätzung der elastischen Eigenschaften auf der Grundlage von Schwingungsdaten die Unsicherheiten bei der seismischen Bewertung bestehender Gebäude erheblich verringern. Diese Arbeit bietet eine praktische Demonstration des Einflusses elastischer Eigenschaften auf das nichtlineare seismische Verhalten, das durch verformungsbasierte Ansätze vorhergesagt wird, am Beispiel eines realen Mauerwerksgebäudes. Schwingungsmessungen werden zur probabilistischen Aktualisierung von Modellen mit unterschiedlichen Genauigkeitsebenen genutzt, und die Verbesserung der Zuverlässigkeit des vorhergesagten seismischen Verhaltens wird bewertet. Ein vereinfachter datengestützter Ansatz für eine untere Schätzung der globalen seismischen Kapazität wird demonstriert und seine Grenzen werden diskutiert.

 Diese Publikation präsentiert eine neue synergetische Strategie, die zur gleichzeitigen Verbesserung des seismischen und energetischen Verhaltens von bestehenden Mauerwerksgebäuden mit einem geringen ökologischen Fussabdruck führt. Die Strategie basiert sich auf die günstigen mechanischen und ökologischen Eigenschaften von Holz und die attraktiven Wärmedämmeigenschaften biobasierter Materialien. Die neue Methode umfasst die Befestigung von Holzrahmen und biobasierter Dämmplatten mit hohen thermischen Eigenschaften an der vertikalen Hülle und den Fassadenwänden bestehender Mauerwerksbauten. Ein neues holistisches Bewertungssystem für die gleichzeitige Quantifizierung des seismischen Verhaltens, der Energieeffizienz und des ökologischen Fussabdrucks eines bestehenden Gebäudes ist vorgeschlagen. Die Vorteile der neuen synergetischen Strategie zu der gleichzeitigen Verbesserung des seismischen und energetischen Verhaltens eines bestehendes Mauerwerksgebäudes in der Schweiz mit einem geringem ökologischen Fussabdruck werden anhand des neuen Bewertungssystems präsentiert.

Neue Erdbebengefährdungskarten für Deutschland zeigen, dass das Risiko von Erdbeben zunimmt und damit einhergehend stärkere Erdbebenlasten zu erwarten sind. Besonders betroffen sind Mauerwerksgebäude, die einen Großteil der Bestandsgebäude und Neubauten ausmachen, aber nur eine geringe Schubtragfähigkeit aufweisen.

In diesem Kontext konzentriert sich die vorliegende Studie darauf, einen praxistauglichen, energiebasierten Bemessungsansatz zu entwickeln. Dieser Ansatz berücksichtigt die Energiekapazität und die dynamische Schädigungsakkumulation von Bauteilen. Durch nichtlineare dynamische Zeitverlaufsrechnungen werden speziell auf Deutschland zugeschnittene energiebasierte Bemessungsspektren erstellt. Dabei wird auch die Energiekapazität tragender Mauerwerkswände unter In-Plane-Belastungen untersucht, indem vorhandene experimentelle Versuche ausgewertet werden. Zusätzlich werden experimentelle Belastungsprotokolle für zyklische Wandversuche entwickelt, um das Schädigungsverhalten von Wänden in seismisch schwachen Regionen genauer abzubilden. Diese Protokolle sollen im Jahr 2024 in eigenen Mauerwerkswandversuchen getestet werden.

Der energiebasierte Bemessungsansatz ermöglicht eine genauere Berücksichtigung dynamischer Phänomene und trägt somit zur Erhöhung der Sicherheit von Mauerwerksgebäuden bei Erdbeben bei.

A damage plasticity macro model for the static and cyclic analysis of lightweight block masonry walls was developed and implemented in the finite element software ABAQUS. The model was used to simulate typical wall configurations for both plane walls and walls reinforced with glass-fiber mesh. A distinctive improvement of the load carrying capacity of the reinforced wall was observed from the simulation results, thus indicating a good possibility of improving the shear capacity of lightweight block masonry walls with the addition of fiber reinforcement. With further verification of the developed damage plasticity macro model with experimental data, it can be used for field application to determine the capacity and design shear walls made up of lightweight blocks.

keywords: damage plasticity, macro model, shear wall, lightweight block masonry.

 In den letzten Jahren ereigneten sich drei Erdbeben im Magnitudenbereich von 3,9 bis 4,6 in der Ostschweiz und im angrenzenden Liechtenstein. Das erste dieser Erdbeben erreichte am 6. März 2017 in Linthal im Kanton Glarus eine Magnitude von 4,6, die höchste Magnitude in der Schweiz seit über 30 Jahren. Das zweite Erdbeben am 25. Oktober 2020 in Elm ebenfalls im Kanton Glarus war mit einer Magnitude 4,4 etwas schwächer. Das dritte Erdbeben in Vaduz in Liechtenstein hatte eine Magnitude von 3,9. Den drei Erdbeben war gemeinsam, dass einerseits der Schweizerische Erdbebendienst (SED) eine sehr hohe instrumentelle Intensität im Bereich von VI bis VII auf der zwölfstufigen EMS-98-Skala auswies und dass andererseits Aufzeichnungen der Bodenbewegungen von Starkbebenmessstationen in einer Epizentraldistanz von wenigen km verfügbar sind. Bei den anderen stärkeren Erdbeben der letzten 30 Jahre in der Schweiz war die Epizentraldistanz der am nächsten gelegenen Starkbebenmessstationen jeweils wesentlich grösser, so dass ein Vergleich von Messwerten der Bodenbewegungen mit beobachteten Gebäudeschäden nicht mehr aussagekräftig ist. Die gemessene, maximale Bodenbeschleunigung erreichte beim Erdbeben in Linthal mit knapp 10 % g fast den Bemessungswert der Erdbebenzone Z2 gemäss Norm SIA 261. Die beobachteten, geringen Schäden an wenigen Gebäuden lassen die hohen instrumentellen Intensitätsgraden als wenig plausibel erscheinen. Ferner können die geringen Schäden, insbesondere an Mauerwerksbauten, mit einer rein kraftbasierten Betrachtung der Erdbebeneinwirkung nicht zuverlässig erklärt werden. Dagegen führt ein verformungsbasierter Vergleich aufgrund des neuen Eurocodes prEN 1998-1-2 zu plausibleren Erklärungen für die beobachteten Schäden.

Bauwerke mit einer lebenswichtigen Funktion müssen unmittelbar nach einem Erdbeben ihre Aufgaben erfüllen können. Die Umsetzung der normativen Anforderungen an die Erdbebensicherheit bei der Errichtung und der Instandsetzung solcher Bauwerke der Bauwerksklasse III (BWK III gemäss der Norm SIA 261) ist anspruchsvoll und führt in der Praxis immer wieder zu Unklarheiten. Mit einer Publikation möchte die Koordinationsstelle für Erdbebenvorsorgen beim Bundesamt für Umwelt (BAFU) eine einheitliche und normkonforme Behandlung von solchen Bauwerken fördern. Zentral dabei sind die frühzeitige Zusammenarbeit aller Beteiligten und das gemeinsame systematische und koordinierte Vorgehen. Damit kann sichergestellt werden, dass neben einem erdbebengerechten und robusten Tragwerk auch die relevanten Sekundären Bauteile, Installationen und Einrichtungen (SBIE) erdbebengerecht geplant und ausgeführt werden. Dies ist für die Aufrechterhaltung der lebenswichtigen Funktion im Erdbebenfall von entscheidender Bedeutung.
Die Publikation beschreibt, welche Dokumente im Planungs- und Bauprozess in Bezug auf die Erdbebensicherheit relevant sind, und gibt konkrete Beispiele zum erdbebenspezifischen Inhalt dieser Dokumente. Das Dokument "Erdbebensicherheit SBIE", für dessen Erstellung die Gesamtleitung zuständig ist, wird neu eingeführt. Darin beschreibt die Bauingenieurin oder der Bauingenieur die Erdbebeneinwirkung auf die relevanten sekundären Bauteile, Installationen und Einrichtungen (SBIE). Zweitens enthält das Dokument eine im Planerteam erarbeitete Planungstabelle für die relevanten SBIE. Drittens wird das Dokument in der Realisierungsphase mit Abnahmeprotokollen für die relevanten SBIE sowie mit weiteren Dokumenten der Qualitätssicherung, wie Zertifikaten und Bestätigungen, ergänzt.
Des Weiteren thematisiert die Publikation die zentrale Bedeutung eines erdbebengerechten Tragwerkskonzepts mit günstigem Tragwerksverhalten hinsichtlich der SBIE. Auch steht beim erdbebengerechten Umgang mit den SBIE neben den Nachweisen die klare Zuweisung der Zuständigkeiten in allen Projektphasen inkl. der Ausschreibung sowie auch in der Ausführung im Fokus. Abschliessend gibt die Publikation Hinweise zur Erdbebenüberprüfung sowie zur Massnahmenempfehlung für Tragwerk und SBIE bei Bauwerken mit einer lebenswichtigen Funktion im Bestand.

Ein ausreichender Schutz vor sekundärem Luftschall und Erschütterungen aus dem Baugrund ist Stand der Technik und wird infolge der Verdichtung der Bauweise in Metropolen immer wichtiger. Grundstücke mit hoher Schwingungsbelastung, die z.B. in der Nähe von Bahnlinien liegen, und früher nur eingeschränkt genutzt werden konnten, werden heute für hochwertige Büro- und Wohnbauten herangezogen. Durch eine elastische Isolation der Gebäude mittels Elastomerlager kann vor allem der sekundäre Luftschall ausreichend reduziert werden, um die geltenden Grenzwerte einzuhalten. Die angestrebten vertikalen Abstimmfrequenzen liegen meist im Bereich zwischen 8 Hz und 12 Hz, wobei die für den sekundären Luftschall maßgeblichen Anregungen in der Regel im Bereich von 30 bis 80 Hz liegen, bei Anregungsamplituden von weniger als einem tausendstel Millimeter.
In Regionen mit starken Erdbebeneinflüssen müssen diese Gebäude oft gleichzeitig mithilfe von Gleitpendel- oder Elastomerlagern gegen Erdbebeneinflüsse horizontal isoliert werden. Die Erdebenisolatoren werden häufig auf Isolationsperioden von 2.8 s bis 6 s ausgelegt, also einer horizontalen Eigenfrequenz im Bereich von 0.35 Hz bis 0.17 Hz. Die horizontalen Relativverschiebungen im Erdbebenisolator betragen je nach Erdbebenstärke oft bis zu 1 Meter.
Die Anforderungen an die Schwingungsisolation in vertikaler und horizontaler Richtung sind demnach völlig unterschiedlich und konnten bisher nicht in kombinierten Lagern vereint werden. Konzipiert wurden daher häufig getrennte Lösungen wie z.B. die Verwendung einer vollflächig elastisch gelagerten Betonwanne zur Isolation des Körperschalls und einer Erdbebenisolation des Gebäudes auf punktuellen Erdbebenisolatoren, die in der Wanne platziert werden. Auch eine Anordnung der Erdbeben- und Schwingungsisolationslager übereinander ist denkbar, ist aber konstruktiv schwer lösbar. Durch die neuartige Integration elastischer Schwingungsisolationslager in die Gleiter von Gleitpendellagern wirken beide Lagerelemente nahezu unabhängig voneinander ohne zusätzliche Kosten zu verursachen.
Der Beitrag stellt die konstruktiv neue Lösung vor, bei der beide Lagersystem in optimaler Weise kombiniert wurden. Zudem werden die 1:1-Versuche an einem Prototyp unter Erdbeben- und Schwingungsbelastung, sowie ein erstes, ausgeführtes Projekt in Serbien präsentiert.

Die Rolle der Architektin oder des Architekten als Gesamtleitende oder Generalplanende bei der Berücksichtigung des Erdbebenschutzes von Hochbauten ist zentral und wegweisend für den Planungsprozess. Der Beitrag soll den Handlungsbedarf bei der Sensibilisierung von Architekt*innen für den Erdbebenschutz von Hochbauten aufzeigen und mögliche Herangehensweisen diskutieren. Basierend auf der Schweizer Baugesetzgebung und Normierung soll dieser Beitrag aufzeigen wie die Schweizer Bundesfachstelle für Erdbebenvorsorge des Bundesamts für Umwelt die Zuständigkeiten der Architektinnen und Architekten interpretiert und welche Möglichkeiten einer breiteren Sensibilisierung der Praxis bestünden. Unter anderem ausschlaggebend sind dabei folgende Fragestellungen: Welche Rolle spielt die Gesamtleitung oder Generalplanung bei der Berücksichtigung des Erdbebenschutzes eines Hochbauprojekts? Wer koordiniert die Schnittstellen in der Planung des Erdbebenschutzes von Gebäuden und ihrer Einrichtungen und Installationen? Wie wird der Erdbebenschutz von Gebäuden thematisiert, wenn (noch) kein*e Bauingenieur*in involviert ist? Die Berücksichtigung der Erdbebensicherheit bei Hochbauten hat sich in der Schweiz deutlich verbessert. Es bestehen Dokumentationen, die bauingenieurfachliche, rechtliche und bauprozessorientierte Themenschwerpunkte behandeln. Den praktizierenden Bauingenieur*innen in der Schweiz stehen für die Herausforderungen in der erdbebengerechten Bemessung von neuen und in der Überprüfung der Erdbebensicherheit von bestehenden Gebäuden Grundlagen zur Verfügung. Den Kolleg*innen ist ihre fachliche Verantwortung im Erdbebenschutz von Hochbauten klar. Viel zu oft nehmen sie jedoch eine Beratungsfunktion zu rechtlichen und bauprozesstechnischen Fragestellungen war. Dies lässt sich am landesspezifischen Kontext der Baugesetzgebung, der Normierung und dem Vertragswesen erklären. Es verdeutlicht jedoch vor allem die ausbleibende Wahrnehmung der Verantwortung der Architekt*innen in ihrer Rolle als Bauherrenberatende. Es wurden mehrfach Anstrengungen unternommen, die Schweizer Architekt*innen durch Fachveranstaltungen und Publikationen für den Erdbebenschutz zu sensibilisieren. Die Erfahrungen der Schweizer Bundesfachstelle für Erdbebenvorsorge zeigen zum heutigen Zeitpunkt, dass nach wie vor Handlungsbedarf besteht. Dabei stehen primär Architekt*innen in ihrer Rolle als Gesamtleitende/Generalplanende im Fokus. Für einen erdbebengerechten Tragwerksentwurf neuer Gebäude engagieren sich Architekt*innen wenig, auch die Verbesserungskonzepte des Tragwerks bestehender Gebäude erarbeiten in der Regel die Bauingenieur*innen. In einem Land mit niedriger bis moderater Erdbebengefährdung ist eine solche Praxis nachvollziehbar. Seit der vermehrten Auseinandersetzung mit dem Erdbebenschutz von Gebäudeeinrichtungen und -installationen und dem stärkeren Fokus auf Baudenkmäler, wird die mangelnde Sensibilisierung der Architekt*innen deutlich. Derartige, interdisziplinäre Aufgabenstellungen zeigen wie wichtig es ist, dass Architekt*innen in Gesamtleitung oder Generalplanung ihre Verantwortung und Zuständigkeit im Erdbebenschutz wahrnehmen.

Systeme zur Energiedissipation sind wirksame Lösungen zur Verbesserung der Erdbebensicherheit von Gebäuden durch Reduzierung der dynamischen Antwort bei seismischen Aktivitäten. Eine Systemlösung, welche sich auch zur Ertüchtigung bestehender Bauwerke eignet, sind viskose Walldamper, welche insbesondere die Stockwerks- Relativbewegung (Interstory Drift) wirksam reduzieren und dadurch Schädigungen am Tragwerk zum vertikalen Lastabtrag vermeiden.

Dieser Beitrag soll diese Erdbebenschutzsysteme und deren Leistungsfähigkeit vorstellen und Ergebnisse experimenteller Tests zum charakteristischen Dämpfungsverhalten beschreiben. Diese Ergebnisse erlauben eine realitätsnahe Modellbildung (Maxwell-Modell) zur Abbildung des Dämpfungsverhaltens in FE-Modellen – entsprechende Beispielrechnungen werden ebenfalls vorgestellt.

Ein spezieller Fokus liegt dabei auf der Möglichkeit der nachträglichen Ertüchtigung. Dazu werden die Ergebnisse von Schwingungsmessungen an 12-stöckigen Hochhäusern in einem Erdebengebiet präsentiert. Die ermittelten horizontalen Biegeeigenfrequenzen der Häuser werden anhand in Normen genannter Richtwerte sowie anhand eines FE Models evaluiert. Die hier vorgenommene Korrelation mit der Bauwerkssteifigkeit kann dann wiederum zur Prognose der zu erwartenden Belastung und der Stockwerks-Relativbewegung genutzt werden. Die prognostizierten Werte erlauben dann - zusammen mit den ebenfalls ermittelten Werten für die Strukturdämpfung der Gebäude - eine zielgerichtete Auswahl der erforderlichen zusätzlichen Dämpfung bzw. Reduktion der Stockwerks-Relativbewegungen.

Die beschriebenen experimentellen Untersuchungen und Prognoserechnungen, sowie die sich daraus ergebenden Lösungen zur Ertüchtigung sollen dann für ein Auslegungsverfahren verallgemeinert werden, welches die Auslegung der Energie dissipierenden Systeme auch für bestehende Bauwerke und deren Einsatz in der Praxis vereinfachen soll.

Die ökonomische seismische Ertüchtigung von Gründerzeithäusern erfordert in den meisten Fällen eine nichtlineare Berechnung. In der Ingenieurpraxis hat sich dabei das Kapazitätsspektrum-Verfahren in Form der N2-Methode durchgesetzt. Das Nachweis-Format in Österreich [1, 2] orientiert sich an dem risikobasierten Ansatz der schweizerischen Norm SIA 2018 [3], wobei die Versagenswahrscheinlichkeit in Abhängigkeit des Erdbebenerfüllungsfaktors definiert wird. Der Erdbebenerfüllungsfaktor wird dabei durch eine nichtlineare Berechnung gewonnen.

Als Alternative unterbreitet der Entwurf des neuen Eurocode 8 [4] ein vereinfachtes zuverlässigkeitsbasiertes Nachweisformat. Die Versagenswahrscheinlichkeit wird dabei als Integration der Kollaps-Fragilitätskurve über die seismische Gefährdungskurve ermittelt [5]. Erdbebendienste stellen die Gefährdungskurve bereit [6], die Fragilitätskurve wird durch die inkrementelle dynamische Analyse [7] auf Basis eines aussagekräftigen Erdbebensatzes gewonnen.

Es kann gezeigt werden, dass die Fragilitätskurve anhand einer Log-Normalverteilung angenähert werden kann [8], was gerade die Grundlage der praxistauglichen Berechnung der Versagenswahrscheinlichkeit nach prEN 1998-1-1 [4] repräsentiert. Um dieses Verfahren in der Ingenieurpraxis im Bereich von Bestandsbauten weiter zu etablieren, wird die Kollaps-Fragilitätskurve für die Mittelwand eines Wiener Gründerzeithauses [9] ermittelt und die praktische Anwendung mittels der N2-Methode vorgestellt.

Referenzen:
[1] ÖNORM EN 1998-3. (2003). Eurocode 8 - Auslegung von Bauwerken gegen Erdbeben. Teil 3: Beurteilung und Ertüchtigung von Gebäuden.
[2] ÖNORM B 1998-3. (2018). Eurocode 8 - Auslegung von Bauwerken gegen Erdbeben. Teil 3: Beurteilung und Ertüchtigung von Gebäuden.
[3] SIA 2018. (2004). Überprüfung bestehender Gebäude bezüglich Erdbeben.
[4] prEN 1998-1-1 (2022). Eurocode 8 - Auslegung von Bauwerken gegen Erdbeben. Teil 1-1: Grundlagen und Erdbebeneinwirkung.
[5] Krawinkler H., Miranda E. (2004). Performance-Based Earthquake Engineering. In: Earthquake Engineering, Herausgeber: Y. Bozorgnia, V.V. Bertero.
[6] Weginger S. et al. (2019). Entwicklung einer regionalen Erdbebengefährdungskarte für Österreich. In: D-A-C-H Tagungsband, Volume 16.
[7] Vamvatsikos D., Cornell C.A. (2002). Incremental Dynamic Analysis. In: Earthquake Engng. Struct. Dyn., 31: 491-514.
[8] Shome N., Cornell C.A., Bazzurro P., Carballo J. E. (1998). Earthquakes, Records, and Nonlinear Responses. In: Earthquake Spectra, 14: pp. 469-500.
[9] Moschen L., Tsalouchidis K.T., Adam C. (2019). Tragwerksantwort Wiener Gründerzeithäuser unter Erdbebenanregung auf Grundlage des Wiener Erdbebensatzes. In: Bauingenieur 94 (12): pp. 461–471.

Der neue nationale Anhang zu DIN EN 1998-1 erlaubt die Anwendung von Korrelationen zwischen Sondierergebnissen und dynamischen Bodeneigenschaften zur Anwendung bei seismischen Standortanalysen. Es werden jedoch keine Hinweise zur Auswahl geeigneter Korrelationen gegeben. Mit ISO/TS 14837-32 liegt sogar bereits seit 2015 ein Standard vor, in dem bei Schwingungsuntersuchungen die Anwendung von empirischen Korrelationen zwischen Sondierergebnissen und dynamischen Bodeneigenschaften nicht nur ausdrücklich zugelassen werden. Die ISO-Norm schlägt sogar für sandartigen Boden und tonartigen Boden zwei konkrete Korrelationen zur Anwendung vor.

Es stellt sich die Frage, inwieweit die Anwendung von empirischen Korrelationen eine Ermittlung der dynamischen Bodensteifigkeit in-situ mit Hilfe seismischer Methoden ersetzen kann. Dabei ist zum einen zu berücksichtigen, dass sowohl Sondierungen als auch seismische Messungen wegen der natürlichen Variabilität der Bodeneigenschaften stets nur die Eigenschaften des Untersuchungsortes beschreiben, und jede Verwendung an anderen Orten eine Extrapolation ist. Auf der anderen Seite ist bei einer statistischen Korrelation eine gewisse Streuung unvermeidbar. Gleichzeitig zeigen entsprechende Untersuchungen aber auch, dass selbst seismische Verfahren, insbesondere wenn sie nicht unter Labor-Freifeldbedingungen durchgeführt werden, ebenfalls signifikante Streuungen aufweisen, und zwar sowohl zwischen den verschiedenen seismischen Verfahren, als auch durch die verschiedenen möglichen Auswerteverfahren bei derselben seismische Methode. 

Es zeigt sich, dass bei homogenen sandartigen Böden mit statistisch ermittelten Korrelationen die dynamischen Bodensteifigkeiten mit einer Genauigkeit abgeschätzt werden können, die mit der Ungenauigkeit der seismischen Verfahren übereinstimmt. Mit zunehmenden Feinkornanteil werden die Unsicherheiten der statistischen Korrelationen größer. Bei stark überkonsolidierten glazialen Böden sollte von der Anwendung empirischer Korrelationen Abstand genommen werden.

Ergebnisse aus dem FFG-Forschungsprojekt 888897 – Push-Over von Vollfertigteilwänden

Bei der Bauweise mit Vollfertigteilwänden in Betonbauweise werden im Regelfall ganze Wandschotten angeliefert und im Mörtelbett versetzt. Während an der Wandoberkante eine Anschlussbewehrung, die mit den Deckenelementen vergossen wird, vorgesehen ist, wird die Fuge an der Wandunterkante lediglich als Mörtelbett vorgesehen.

Die Bemessung mit klassischen, linear-elastischen Methoden ergibt bei schlanken Gebäuden oft eine Zugzone in den Schubwänden, die nur durch aufwändige Zugkoppelungen der Schubwände im Bereich der unbewehrten Horizontalstöße (Mörtelfuge) zu bewältigen ist.

Der Widerstand von Schubwänden ohne Zugkopplung gegen horizontale Einwirkungen resultiert einerseits aus dem Kippverhalten der Wand selbst und der Reibung und dem damit verbundenen Gleitwiderstand in der Mörtelfuge.
In der Literatur ist das Verhalten einer Mörtelfuge zwischen zwei Betonelementen im Gleitbereich für niedrige Lastniveaus dokumentiert. Unter Erdbebenbeanspruchung treten aber im Regelfall auf der Druckseite im Zustand des Wandkippens erhebliche Belastungen an den Wandenden auf. Weiters kann die Wand, bei Überwindung der Reibung, ins Gleiten kommen.

Das Ergebnis der zyklischen Versuche zeigte erhebliches plastisches Potential der untersuchten Fugen, dass vor allem im ausgeprägten Gleitwiderstand auch bei großen Verformungswegen in der Gleitfuge besteht. Damit liegen nun wesentliche Erkenntnisse zum plastischen Potential solcher Schubwände vor, die direkt mittels der Push-Over-Methode für den Erdbebenwiderstand verwertet werden können.

Forschungsprojekt Basisförderung FFG 888897
Auftraggeber: MABA Fertigteilindustrie GmbH; MISCHEK Systembau GmbH
Projektpartner: TU Wien, Forschungsbereich Tragwerksplanung und Ingenieurholzbau ITI
Durchführung der Versuche: TU Wien, Labor Institut für Tragkonstruktionen/Betonbau

This paper aims at contributing to a better understading of seismic performance of moderate aspect ratio reinforced concrete (RC) shear walls with lap splices. Design codes recommend splicing of longitudinal rebars away of potential plastic hinge zones. However, this is not strictly restricted and, in many cases, the construction itself favours lap splices to be located where inelastic deformations are expected to be the largest (i.e. wall base). In addition to presence of lap-splices in zones of potential plastic hinges, numerous existing structures feature low horizontal reinforcement ratios and unconfined boundaries. The inadequate lap splice detailing impacts the displacement ductility levels that structures could reach because the response mode of the structure may change from flexure to rocking. To predict actual deformation capacity of both existing and new structures, understanding of all potential failure modes and reliable numerical models are necessary. In practice, RC walls with inadequate lap splices are typically treated as walls without splices and their presence is neglected in estimation of the deformation capacity. The consequence may be missing the governing failure mode, selection of inappropriate numerical model and erroneous estimation of the displacement demand and capacity of structure. Through a comprehensive experimental campaign, governing parameters influencing the failure mechanisms and deformation capacity of RC shear walls with lap splices are identified and their effects on seismic performance are presented. Further, issues that are not adequately considered in design codes and may have implications on design are addressed. Finally, experimentally validated numerical models are presented and various methods and possible approaches for seismic performance assessment of RC shear wall with lap splices at different levels of approximation are suggested.

Topic: Concrete Damage Plasticity Model for Modelling Dry-Stacked Masonry under Dynamic Loading

Dipl.-Ing. Truong Diep Hasenbank-Kriegbaum*, Dr.-Ing. Eftychia Apostolidi*, Prof. Dr.-Ing. Danièle Waldmann-Diederich*
*Institut für Massivbau, Technische Universität Darmstadt

Abstract:

Masonry structures are widely used not only throughout the solid construction history but also in modern building systems. Laying bricks with mortar requires a high level of professional workmanship which is linked with increased costs and time consumption. The development of demountable dry-stacked masonry (DSM) wall systems could lead to a more cost -effective and environmentally efficient masonry construction by reducing the skill requirements for bricklaying and by allowing the recycling of the DSM components during deconstruction. DSM wall systems have different geometric unit shapes and interlocking configurations compared to conventional masonry walls. Therefore, to understand their structural behaviour, it is necessary to study the effects of different design parameters (e.g., unit compressive strength, interlocking system, nonlinear behaviour of concrete: crack / crushing , etc.). This can be mainly realised through the investigation of experimentally-validated finite element models of DSC masonry walls. The objective of this combined experimental and numerical study is to support future investigations for dry-stacked concrete masonry systems and, in particular, the out-of-plane load-carrying capacity of such walls. The current paper focuses on the findings of the damage model in the numerical simulation of concrete DSM under compression and dynamic loading. First, a literature review of state-of-the-art in analytical damage models of concrete is performed. Based on these different approaches from literature, the damage properties are determined by developing a respective DSM finite element model and by comparing the numerical results with existing experimental data. The most appropriate damage models under static loading are further investigated, targeting to identify the most suitable models that better describe the behaviour of DSM systems under combined static and dynamic loads.

Schutzbauwerke von systemkritischen Infrastruktureinrichtungen wie Betonwände und Beton-barrieren müssen Anprallereignissen oder schweren Unfällen in einem vertretbaren Maße wider-stehen können. Anprallereignisse können verschiedenster Natur sein. Hierzu zählen Steinschlag, Fahrzeug- oder Flugzeuganprall oder auch Geschosseinschlag. Geschosseinschläge bzw. Bei den Anprall- oder Impaktereignissen wird zwischen hartem und weichem Anprall unterschieden, bei hartem Anprall verformt sich der Anprallkörper nicht oder nur geringfügig, bei weichem Anprall stark.

In diesem Artikel werden Forschungsergebnisse zum harten Anprall auf bewehrte Stahlbeton-platten vorgestellt, welche über die letzten Jahre im Rahmen eines Kooperationsprojekts zwi-schen dem Institut für Massivbau (IMB) der Technischen Universität Dresden (TUD) und der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) durchgeführt wurden. Auf dem Ge-lände des Otto-Mohr-Labors (OML) der TUD steht hierfür ein speziell konzipierter Fallturm zur Verfügung. Der Aufbau im Fallturm lässt aktuell druckluftbeschleunigte Impaktversuche mit mittleren Anprallgeschwindigkeiten zu. Die durch Anprall geschädigten Stahlbetonplatten wur-den anschließend bei der BAM mit Strahlung tomographisch untersucht. Diese Untersuchungen ermöglichen einen Blick auf die Schädigung und Rissstruktur im Inneren der Stahlbetonplatten.

Ein Schwerpunkt der durchgeführten Untersuchung ist der Vergleich von Testergebnissen mit den häufig angewendeten halbempirischen Berechnungsmethoden zu den erforderlichen Wand-stärken und den sich daraus ergebenden zulässigen Anprallgeschwindigkeiten. Bei diesem Vor-gehen wird auch die mit analytischen Methoden abschätzbare Durchdringungsgeschwindigkeit bzw. Austrittgeschwindigkeit eines Projektils ermittelt und mit den realen Testergebnissen ver-glichen. Außerdem wird der Einfluss von sowohl externen als auch internen Strukturparametern auf Risse betrachtet und ein Fazit abgeleitet. Weiterhin werden laufende und zukünftige wissen-schaftliche Untersuchungen zum Anprall auf Betonstrukturen am IMB und der BAM genannt.

Für die wirksame und wirtschaftliche Auslegung von Bauteilen gegen Explosionseinwirkungen ist neben der dynamischen Ermittlung des Widerstandes auch die Ermittlung der zeitabhängigen Einwirkung von Bedeutung. Dieser Beitrag beleuchtet anhand von Praxisprojekten die Ansätze zur dynamischen Lastermittlung unter Berücksichtigung unterschiedlicher Explosionsquellen und Ausbreitungspfade als auch die Besonderheiten bei den dynamischen Berechnungen der belasteten Baustruktur. Durch die realistische Bestimmung der Explosionslast und der dynamischen Antwort der Baustruktur gelingt eine ganzheitliche Erfassung des Lastfalls, die es ermöglicht Konservativitäten und Unsicherheiten in der Berechnungskette zu reduzieren und diese auch in probabilistische Betrachtungen einzubinden.

Brückenkrane sind Hebe- und Transportgeräte, die gewöhnlich in Industriegebäuden einschließlich kerntechnischer Bauwerke installiert werden. Bei der Sicherheitsbewertung von Kernkraftwerken ist das nichtlineare seismische Verhalten solcher Krananlagen von besonderer Bedeutung.
Das Benchmarkprojekt SOCRAT (Seismic simulation of Overhead CRAne on shaking Table) ist ein internationales Forschungsprogramm, das 2020 unter dem Dach der OECD-NEA (Nuclear Energy Agency) von den Institutionen IRSN (Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire) und EDF (Electricité de France) bekannt gemacht und organisiert wurde. Das Hauptziel des SOCRAT-Benchmarks bestand darin, die besten Modellierungspraktiken für Kranbrücken unter seismischen Anregungen zu ermitteln. Das Projekt basiert auf einer Versuchsserie, die 2015 an einem maßstabsgetreuen Modell (im Maßstab 1:5) einer Kranbrücke auf dem Rütteltisch der CEA (Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives) durchgeführt wurde.
Der vorliegende Beitrag behandelt die rechnerischen Simulationen zu diesen Experimenten, die von den an diesem Benchmark teilnehmenden Teams des Eidgenössischen Nuklearsicherheitsinspektorats ENSI mit seinen Beratern Basler & Hofmann (B&H) sowie Stangenberg und Partner (SPI) durchgeführt wurden. In der ersten Phase des Benchmarks wurden die verwendeten Rechenmodelle anhand von modalen Analysen und Berechnungen für verschiedene dynamische Anregungen auf Basis der Versuchsergebnisse kalibriert. Die hieraus hervorgegangenen Modelle wurden in der zweiten Benchmark-Phase für blinde Vorausberechnungen des Verhaltens der Kranbrücke bei Erdbeben mit hoher Intensität verwendet.
B&H entwickelte für die verschiedenen Projektphasen und Aufgaben verschiedene dreidimensionale Finite-Elemente(FE)-Modelle mit unterschiedlichen Detaillierungsgraden für die dynamische Analyse mit der Software LS-DYNA. Für die Modellierung der Bauteile des Kranbrückenmodells wurden Kombinationen aus Balken-, Schalen-, Volumen- und Federelementen verwendet.
SPI nutzte das Berechnungsprogramm SOFiSTiK für die Erstellung eines FE-Modells des Brückenkrans unter Verwendung von Schalenelementen für die tragenden Bauteile.
Für die Simulation des nichtlinearen Verhaltens der Laufkatze und der Kranbrücke ist vor allem eine geeignete Modellierung des Kontakts zwischen Rädern und Schienen von Bedeutung. Die nichtlinearen Aspekte des Rad-Schiene-Kontakts sind in den beiden FE-Modellen auf unterschiedliche Weise berücksichtigt. Im LS-DYNA-Modell werden zwischen den Rädern und den Schienen der Laufkatze und der Kranbrücke Kontraktflächen mit Reibungskoeffizienten definiert. Dabei werden die Fugen (Spalte zwischen Rädern und Schienen) explizit abgebildet. Der Rad-Schiene-Kontakt im SOFiSTiK Modell wird durch besondere Federelemente abgebildet, die – neben der transienten örtlichen Veränderlichkeit – die nichtlinearen Auswirkungen von Fugen, ausschließlicher Übertragung von Druckkräften und Querkraftübertragung durch Reibung berücksichtigen.
Die Herausforderungen bei der Modellierung des seismischen Verhaltens der Kranbrücke, einschließlich der kontaktdissipativen Phänomene wie Gleitreibung und Abheben, werden anhand des Vergleichs der Berechnungsergebnisse mit den Messdaten diskutiert. Auf dieser Grundlage wird die Eignung der verwendeten Rechenmodelle zur Ableitung validierter Auslegungsanforderungen für Brückenkrane unter seismischen Belastungen bewertet.

 Durch Erdbeben verursachte Einstürze von nicht standardkonformen Gebäuden aus Stahlbeton, die vor der Entwicklung moderner seismischer Designcodes entworfen und gebaut wurden, haben intensive Bemühungen der Wissenschaft ausgelöst, diesen Gebäudebestand genauestens zu untersuchen. Die meisten der entwickelten Verfahren für die Vorhersage von Gebäudestärke- und Verformungsindikatoren wurden bisher validiert durch die Erstellung von Datenbanken von Stahlbetonstützen, die unter axialer Belastung und umgekehrten zyklischen lateraler Driftverläufen getestet wurden. Üblicherweise wird das strukturelle Verhalten von Stützen hinsichtlich aller beteiligten Mechanismen untersucht, nämlich die Biegung der Stützen mit oder ohne axialer Belastung, der Querbelastung und die Verformung der Verankerung. Zu beachtenden Besonderheiten dieser nicht standardkonformen Stahlbetonstützen sind zum einen das Ergebnis des Scher-Biegung-Wechselwirkungsmechanismus der hier basierend auf der Modified Compression Field Theory (MCFT) modelliert wurde, und zum anderen der signifikante Anteil, den das Auszug der Zugbewehrung aus der Stützenverankerung zur seitlichen Verschiebung der gesamten Stütze beiträgt. Diese Eigenschaften sind im eigenständigen Windows-Programm „Phaethon" berücksichtigt, das mit einer in C++ geschriebenen graphischen Benutzeroberfläche ausgestattet ist. Darüber hinaus kann in Phaeton basierend auf der Modified Compression Field Theory sowohl die Momentenkrümmung bestimmt werden als auch die Querkraft – Scherdehnungsanalyse der Querschnitte dieser Stützen durchgeführt werden. In der vorliegenden Arbeit wurden zuvor experimentell getestete scherkritische Stützen (sowohl rechteckig als auch rund) aus der Literatur als nichtlineare Glied mit Gelenke-elementen in der OpenSees-Software simuliert, wobei für die Materialeigenschaften des Stahlbetons die Ergebnisse der zuvor erwähnten Querschnittsweisen Analyse des Faserquerschnittmodells in der Phaethon-Software genutzt wurden. Ein Vergleich zwischen numerischer und experimenteller zyklischer lateraler Antwort der untersuchten Stahlbetonstützen deutet auf die Wirksamkeit der implementierten Modellierung hin.

Dynamische Stoß- und Anprallbeanspruchungen spielen bei der Bemessung von Bauwerken mit erhöhten Sicherheitsanforderungen eine wichtige Rolle. Aufgrund der fatalen Folgen bei einer Beschädigung oder Zerstörung dieser Strukturen muss ein ausreichender Schutz gegen dynamische Stoß- und Anprallbeanspruchungen bspw. durch Trümmerteile, Projektile, herabfallende Kranlasten sowie einen unbeabsichtigten bzw. absichtlichen Flugzeugabsturz gegeben sein. In Hinblick auf unterirdische Strukturen sowie erdverlegte Systeme mit sicherheitstechnischer Bedeutung rücken Aufprallszenarien mit unterirdisch angeordneten Strukturen in den Fokus der Forschung.

Aktuelle Methoden zur Schädigungssimulation beruhen entweder auf empirischen Ansätzen, deren Anwendungsgrenzen aufgrund ihres empirischen Charakters stets einzuhalten sind, oder numerischen Simulationen auf Basis der Finite-Elemente-Methode. Empirische Modelle bzw. Formeln basieren auf Impaktversuchen und bieten die Möglichkeit, mit wenigen Eingangsparametern in kurzer Zeit wesentliche Versagensmechanismen wie die Eindringtiefe zu berechnen bzw. abzuschätzen. Im Gegensatz dazu sind verifizierte numerische Simulationen aufgrund des komplexen, nichtlinearen Materialverhaltens des Bodenmaterials sehr zeitaufwendig, ermöglichen jedoch weitere Untersuchungen der mechanischen Auswirkungen einer dynamischen Stoßbelastung.

In diesem Artikel werden bestehende empirische Ansätze, auf die in Normen verwiesen wird, auf Basis von aktuellen experimentellen Testdaten zum Projektileinschlag ins Erdreich analysiert und bewertet. Im Rahmen dieser Untersuchungen werden deren Anwendungsgrenzen definiert sowie Modifikationen der empirischen Parameter getroffen, damit die aktuelle Datenbasis an Aufprallversuchen ins Erdreich mithilfe der empirischen Formeln besser abgebildet werden kann. 

Darüber hinaus werden numerische Untersuchungen zum Projektileinschlag ins Erdreich durchgeführt. Bei der Modellierung bietet sich aufgrund des stark nichtlinearen Materialverhaltens des Bodens eine neuartige kombinierte Lösung aus Diskreter-Elemente-Methode (DEM) für das Erdreich und Finiter-Elemente-Methode (FEM) für das Projektil an. In diesem Beitrag wird die Kalibrierungsmethodik des Bodenmaterials mithilfe der DEM präsentiert. In einem weiteren Schritt wird das kalibrierte Bodenmaterial zur Modellierung des Erdreichs in Simulationen der Impakttests der Texas A&M Research Foundation verwendet. Die vorgestellte Methode zur Impaktanalyse wird anhand von Versuchsdaten (Eindringtiefe, Verschiebungs-Zeit-, Geschwindigkeits-Zeit- und Beschleuniguns-Zeit-Verläufen) validiert. 

Die kontinuierliche Weiterentwicklung der Rechenleistung und der Leistungsfähigkeit zahlreicher Berechnungssoftwares im Ingenieurwesen bieten zunehmend die Möglichkeit, nichtlineares Materialverhalten der Tragstruktur sowie anderweitige Nichtlinearitäten wie nichtlineare Kontakt- oder Auflagerbedingungen oder nichtlineares Bodenverhalten bei den Erdbebenberechnungen in der Praxis zu berücksichtigen. Mit der rasanten technischen Entwicklung werden die Möglichkeiten dazu in Zukunft weiter zunehmen und der Aufwand, diese einzusetzen, weiter abnehmen. Es ist daher davon auszugehen, dass nichtlineare Berechnungsverfahren auch in der Praxis zukünftig vermehrt angewendet werden, dabei aber das vertiefte Know-How und die erforderlichen Erfahrungen mit diesen komplexen und diffizilen Berechnungen fehlt und damit auch der Anteil von unsachgemässen Nutzungen zunimmt. Heutige grafische Benutzeroberflächen zur Modelleingabe erleichtern die Anwendung und die eindrucksvollen Darstellungen der Berechnungsergebnisse können dazu führen, dass ihnen mehr oder weniger unkritisch vertraut wird. Demgegenüber haben nichtlineare Berechnungsverfahren bei sachgerechter und reflektierter Anwendung das Potential, das Verhalten von Stahlbetontragwerken unter Erdbebeneinwirkung wirklichkeitsnäher als die gängigen linearen Berechnungsverfahren abzubilden.

Was bedeutet eine sachgemässe und reflektierte Anwendung? Erstens die Wahl eines für das betrachtete Tragwerk und die gestellte Aufgabe geeigneten nichtlinearen Berechnungsverfahrens. Dabei wird unterschieden zwischen nichtlinearen statischen Verfahren und nichtlinearen dynamischen Verfahren. Zweitens die Beachtung und Berücksichtigung der Anwendungsbedingungen und -anforderungen des gewählten Verfahrens. Diese sind für Stahlbetontragwerke von zentraler Bedeutung, da die Fähigkeit zu stabilem und ausgeprägtem, d.h. robustem nichtlinearen Verhalten von den Tragwerkseigenschaften, wie z.B. der Tragwerkskonzeption und der konstruktiven Durchbildung, sowie dem Ausschluss nicht-duktiler Versagensmechanismen abhängt. Drittens die Berücksichtigung von geeigneten verformungsbasierten Versagenskriterien bzw. die Definition von Grenzzuständen und deren Sicherheiten bei der deterministischen Nachweisführung.

Einleitend wird in diesem Beitrag zusammenfassend dargelegt, was verschiedene aktuelle internationale Normen und Richtlinien für konventionelle und kerntechnische Bauwerke in Bezug auf nichtlineare Berechnungsverfahren empfehlen und vorschreiben. Auf dieser Grundlage wird aus Sicht der Praxis diskutiert, welche Lücken bestehen und welche Herausforderungen sich für die praktische Anwendung ergeben. Davon ausgehend werden Empfehlungen erarbeitet, wie die teilweise allgemein gehaltenen Nachweisregelungen für die Tragfähigkeitsbewertung insbesondere bei nichtlinearen dynamischen Verfahren konkretisiert werden können. Die empfohlene Verfahrensweise wird anhand eines repräsentativen Berechnungsbeispiels veranschaulicht.

Bei der Übertragung von Schienenverkehrs-Erschütterungen vom Fundament auf die Stockwerksdecken ist in der Regel die Resonanzüberhöhung in der ersten Deckeneigenfrequenz maßgeblich. In der Vorgehensweise zur Prognose von Erschütterungen und sekundärem Luftschall wird üblicherweise eine Übertragungsfunktion Fundament-Decke mit einer Parametervariation der Deckeneigenfrequenz verwendet. In vielen Beratungsbüros ist es mittlerweile üblich auch die dynamischen Eigenschaften des schwimmenden Estrichs zu berücksichtigen und dafür Pegelerhöhungen anzusetzen.

Es liegen allerdings wenig Berichte über die konkrete Vorgehensweise und Erfahrung in der Praxis vor. Aufgrund der Verdichtung der Bebauung mit zum Teil geringen Abständen zu Bahnstrecken, erhöhter Sensibilität der Menschen in Gebäuden sowie erhöhten Zugverkehrshäufigkeiten im ÖPNV kann der Einfluss des schwimmenden Estrichs für die Einhaltung der Anforderungen für Erschütterungen und sekundären Luftschall entscheident sein. Daher kommen der Berücksichtigung und Auslegung des schwimmenden Estrichs eine entsprechende Bedeutung zu.

Basierend auf Projekterfahrung mit unterschiedlichen Ausführungen von schwimmendem Estrich bei oberirdischem und unterirdischem Personennah- und Regionalverkehr soll daher von folgenden Schwerpunkten berichtet werden:
• Modellierung des schwimmenden Estrichs zur Prognose in der Vorplanung,
• Abschätzung der Abstimmfrequenz des schwimmenden Estrichs in der Ausführungsplanung,
• Schwingungsmessungen im Rohbau ohne und mit schwimmendem Estrich,
• Vergleich von theoretischer zu messtechnischer ermittelter Abstimmfrequenz,
• aus Schwingungsmessungen abgeleiteter frequenzabhängiger Einfluss des schwimmenden Estrichs auf Übertragung und Immissionen,
• Vergleich der Immissionen aus Prognose und Messung.

The use of lightweight materials with enhanced mechanical properties and improved projecting techniques have led to the tendency of designing increasingly slim structures that are more prone to vibrations. Vibrations can be induced as a result of natural disasters such as earthquakes or strong wind, or simply due to human activity. To protect slender structures subjected to these undesirable conditions, the vibrations mitigation effect of well-known passive control systems such as Tuned Mass Dampers (TMDs) and Base Isolation Systems (BISs) can be improved by using a mass amplification device called inerter. The inerter is a mechanical device, first introduced by M. Smith in 2002, that can be treated as a linear mechanical element in which the internal force developed between the two terminals is proportional to their relative acceleration. The proportionality constant is referred to as inertance and can be orders of magnitude larger than the physical mass of the inerter itself. Therefore, this mass amplification effect can be exploited to improve the performance of several mass dependent vibrations control devices, such as TMDs. However, the reduction in acceleration level may depend on the position of the inerter in such control configurations. To address this, more realistic numerical simulations need to be carried out to evaluate the efficiency of the combined systems.
In practice, the inertial effect can be generated using a moving fluid, which is called a fluid inertial device. In this study, an experimental and numerical investigation is carried out to assess the behavior of this device and its influence on the response of vibration-prone systems. The prototype consists of a hydraulic cylinder in which the flow of the working fluid through an external channel provides the fictious mass effect. The identification of the dynamics properties of the device is resumed in an accurate mechanical model. The latter shows a nonlinear behaviour due to the viscosity of the fluid, shear friction, pressure losses and other tribological effects, which are verified by means of comparative studies. The remarkable agreement between numerical and experimental outcomes demonstrates the possibility to generate an apparent mass that is orders of magnitude larger than the flowing fluid mass. Finally, the nonlinear mechanical model identified can be used to realistically model the above-mentioned vibration control configurations involving the inerter in different positions.

Aus ökologischen, wirtschaftlichen und ästhetischen Gründen werden verstärkt leichtere, schlankere und filigranere Baustrukturen geplant und gebaut. Die höhere Schlankheit der Strukturen erhöht jedoch gleichzeitig auch ihre Schwingungsanfälligkeit. Hierdurch kann die Gebrauchstauglichkeit und ggf. sogar die Tragfähigkeit der Struktur infolge menscheninduzierter Schwingungen nicht mehr gewährleistet werden. Dies ist oft bei weitgespannten Decken, Fußgängerbrücken, Turn- und Sporthallen oder Stadien der Fall. Durch eine Aussteifung der Struktur kann die Schwinganfälligkeit deutlich reduziert werden. Ab einer Eigenfrequenz der Struktur von etwa 7 Hz nimmt die Anregbarkeit durch menscheninduzierte Schwingungen deutlich ab, was jedoch wiederum meist zu höheren Massen und einer ungünstigeren Klimabilanz führt. Eine sehr effiziente Methode, die Schwingungsanfälligkeit solcher Strukturen abzumindern, ohne auf die filigrane und leichte Bauweise oder die ansprechende Architektur der Struktur verzichten zu müssen, stellen Schwingungstilger dar. Hierbei handelt es sich um Massen, die mit dem Tragwerk durch Feder- und Dämpferelemente gekoppelt sind, und so ausgelegt werden, dass sie sich gegenläufig zur Schwingung bewegen und dadurch Schwingungen tilgen. Dabei werden die Tilger durch Anpassung der Masse, Steifigkeit und Dämpfung auf die Eigenfrequenz der Struktur abgestimmt. Kann die Eigenfrequenz nicht präzise ermittelt werden oder ändert sich diese im Laufe der Nutzung (z.B. große Fußgängerströme bei leichten Brücken), so ist der Tilger verstimmt und seine Effizienz nimmt ab. Eine Lösung dieses Problems stellen multiple Tilger dar. In diesem Beitrag werden Systeme mit einem und mit multiplen Schwingungstilgern bezüglich ihrer Wirkung und Vorteile verglichen.