Erdbebensicheres Bauen nach Eurocode 8 Neuer Deutscher ...

Erdbebensicheres Bauen nach Eurocode 8 - Aktuelles aus D + EU Prof. Dr.-Ing. Ekkehard Fehling / Dr.-Ing. Jochen Schwarz

Arbeitstagung vpi – Baden-Württemberg Baden-Baden, 29.06.2019 1

Erdbebensicheres Bauen nach Eurocode 8 –

Neuer Deutscher Nationaler Anhang und

aktuelle Entwicklungen auf europäischer Ebene

Prof. Dr.-Ing. Ekkehard Fehling Fachgebiet Massivbau, Universität Kassel

Dr.-Ing Jochen Schwarz Bauhaus Universität Weimar

http://cms.uni-kassel.de/



Übersicht

1. Zonenfreie Erdbebenkarte

2. Spektren und Einfluss des Untergrunds

3. Vereinfachte Regelungen

4. Mauerwerk: Erkenntnisse aus der Forschung

5. Vereinfachter Nachweis für Mauerwerk

6. Neuerungen im Holzbau

7. EC 8 – Neufassung:

- Struktur und Zeitplan

- Verhaltensbeiwert q

- Holzbau

Neuentw

urf

NA

zu T

eil

1 u

nd 5

EC

8 n

eu a

uf

EU

-E

bene





Mittelwerte der

Überschreitenswahrscheinlichkeit von 10%

in 50 Jahren für VS30 = 800 m/s

Konturlinie: 0,4 m/s2

Spitzenbodenbeschleunigung

Peak Ground Acceleration (PGA)

Ergebnisse GFZ:

Spitzen-Bodenbeschleunigung





Maximale Antwortbeschleunigung anstatt

Spitzen-Bodenbeschleunigungag Bemessungswert der (Spitzen-)

Bodenbeschleunigung

Definition problematisch wegen:

- Messung bei welcher max. Frequenz ?

(Tiefpassfilterung)

- in der Regel für Bemessung weniger

bedeutsam als Wert im Plateau bzw.

zwischen TC und TD

- Faktor ß = 2,5 ist örtlich unterschiedlich,

jedoch in EC 8 fest „verdrahtet“

Sap

Lösung:

Direkte Angabe des Plateauwerts

der Antwortbeschleunigung Sap

für Fels (Untergrundklasse A-R)

Sap,R (bei S = 1,0)





Maximale Antwortbeschleunigung anstatt

Spitzen-Bodenbeschleunigung

(darf für Darstellung im Frequenzbereich verwendet werden)





Spektren: Uniform Hazard Spectra (UHS) als Ergebnis der GFZ-Untersuchungen

Quelle: Grünthal G., Stromeyer D., Bosse Ch., Cotton F., Bindi D.:

Neueinschätzung der Erdbebengefährdung Deutschlands – Version 2016 –

für DIN EN 1998-1/NA, Bautechnik 95 (2018), Heft 5

UHS für Aachen für

die mittlere Wieder-

kehrperiode

RP = 475 a für die

Quantilen von

16 %, 50 % und 84 %

sowie die Mittelwerte

äquivalent viskose

Dämpfung mit 5 %

angenommen





Konturlinie: 0,6 m/s2

Karte spektraler Antwort-

beschleunigungen (Sap,R)

als Mittelwerte der Amplituden

von T = 0,1 s, 0,15 s, 0,2 s

Mittelwerte für Überschreitenswahr-

scheinlichkeit von 10% in 50 Jahren

für vS30 = 800 m/s

Ergebnisse GFZ: spektrale Antwortbeschleunigung

im Plateaubereich NA zu DIN EN 1998-1

Im Regelfall auch für Bedeutungskategorien

III und IV kein Erdbebennachweis

außerhalb dieser Konturlinie nötig !





Kartenvergleich jüngster seismischer Gefährdungs-einschätzungenfür Deutschland, Frankreich und die Schweiz

PGA vS30=800m/s RP = 475 a

Lt. email von Prof. Grünthal

an E. Fehling vom 13.02.2019





Bestimmung des Bodenparameters S:

Profile der Scherwellengeschwindigkeit für Simulationsberechnungen (Beispiele)

Quelle: Seismische Einwirkungen für die neue Generation von

Erdbebenbaunormen: Gefährdungskonsistente und untergrundspezifische

Spektren für die aktualisierte Erdbebenzonenkarte

(Schwarz, J., Kaufmann, Ch., Maiwald, H.,

BHU Weimar, Feb. 2017)





Quelle: Seismische Einwirkungen für die neue Generation von Erdbebenbaunormen:

Gefährdungskonsistente und untergrundspezifische Spektren für die aktualisierte Erdbebenzonenkarte

(Schwarz, J., Kaufmann, Ch., Maiwald, H., BHU Weimar, Feb. 2017)

Tabelle NA.3

Kontrollperioden zur Beschreibung des

elastischen horizontalen Antwortspektrums

(TR = 475 Jahre)





0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

A-R B-R C-R B-T C-T C-S

Vergleich Bodenparameter S

DIN 4149 EC 8 NA max EC 8 NA min

Änderungen beim Bodenparameter S

Spektralbeschleunigung

Sap,R [m/s²]Untergrundverhältnis

A-R B-R C-R B-T C-T C-Sa

0,6≤ Sap,R≤ 1,0 1,00 1,25 1,50 1,05 1,45 1,30

1,0< Sap,R≤ 2,0 1,00 1,20 1,30 1,00 1,25 1,15

Sap,R > 2,0 1,00 1,20 1,15 1,00 1,10 0,95

a Für das Untergrundverhältnis B-S darf der Bodenparameter S wie bei C-Sangenommen werden.





Karte der geologischen

Untergrundklassen

mit Erweiterung für den

Bereich mit Sap,R ≥ 0,6 m/s²

Die Karte wird auf der Basis neuerer

geologischer Daten überarbeitet

(BGR und Staatliche Geologische

Dienste der Bundesländer, laufendes

Vorhaben)


Modell zur Erstellung der neuen Karteder geologischen Untergrundklassen

Aktueller Stand der ModellierungsarbeitenAuftrag des Direktorenkreises (DK) der Staatlichen Geologischen Dienste (SGD) Nr. 8

„Überarbeitung der Karte der geologischen Untergrundklassen nach DIN“

Dr. Stephan Steuer; Volker Lorenz

Modell zur Erstellung der neuen Karteder geologischen Untergrundklassen

Karte der Untergrundklassen

Ein Bundesland (RP) fehlt (Wird aktuell bearbeitet)

Offene Fragen in den übertieften Alpentälern in BY(wird bis Herbst 2019 geklärt)

Gelb: TRot: SBlau: R

Aus Daten wird Karte und Online-Informationssystem erstellt

Vulkangebiete, Sonderfälle werden geklärt

Lücke in Hessen (Tertiär fehlt) Zusage: wird bis Herbst 2019 geschlossen




Neufassung von DIN EN 1998-1 / NA als Ersatz für DIN 4149





Vereinfachungen:

Gesamt-Erdbebenkraft Fb:

Eigenschwingzeit T1:

Weitere Vereinfachung durch

Annahme Plateaubeschleunigung:

Verteilung über die Höhe

(lineare Eigenform):

Vergleich mit Windlast ...





Weitere Punkte mit vereinfachten Ansätzen:

- Torsionswirkungen

- Nichttragende Bauteile

- Gründungen: Kriterien für Entfall von Zerrbalken etc. (vgl. EC 8-5 + NA neu)

- Vergleich Gesamterdbebenkraft mit Windlast:

- Besondere Regeln für Mauerwerk (s. Kap. 9.7.2)




4. Mauerwerk – Erkenntnisse aus der Forschung

ErdbebenkarteSchubwände:

1. als im Fundament bzw. im Kellerkasten eingespannter Kragarm zu ungünstig!

A B C

2. Fließgelenkkette für Fall C (Beispiel):





Erdbebenkarte

Decke liegt nur noch auf oberer Wandecke auf,

Wand steht auf gegenüberliegender unterer Wandecke

wirkt als volle Einspannung am Wandfuß

und am Wandkopf, wenn die Decke steif genug ist

Schubwände: Erkenntnisse aus Versuchen

3. Starrkörperbewegung von kurzen und mittellangen Wänden (Rocking)

4. Aufwärtsbewegung des Wandkopfs δy:





Erdbebenkarte

Quelle: Fehling, E., Brenker, E.:

Bemessung von Mauerwerk bei Erdbebenbeanspruchung, Mauerwerk 18 (2014), Heft 6

1:1 – Versuche am JRC Ispra

im Rahmen des EU-Projekts

ESECMaSe





Erdbebenkarte

Schnittgrößenverteilung

am äquivalenten Rahmen-

Modell (TREMURI)

Kraft-Verformungskurve

(Push-Over-Curve)

und Vergleich mit

Versuchsdaten

Quelle:

[3] und Brenker, E.:

Modellierung der pseudodynamischen

Versuche an Reihenhäusern aus

Kalksandstein und Ziegelmauerwerk

am JRC Ispra mit Hilfe der Equivalent

Frame Methode, Masterarbeit am

Fachgebiet Massivbau der Universität

Kassel, 2010

Qualität der ModelleErdbebenrichtung Erdbebenrichtung




Motivation

Überarbeitung von Tabelle 15 der DIN 4149:2005-04 zur vereinfachten Nachweisführung von Mauerwerksbauten in deutschen Erdbebengebieten im Zuge der Novellierung der DIN EN 1998-1/NA:2011-01

Eingangswerte der Tabelle:

- Vorhandene Beschleunigung 𝑆𝑎𝑝,𝑅 ∙ 𝑆 ∙ 𝛾𝐼 ∙ 𝛼𝑚 [m/s²]

- Anzahl der Vollgeschosse

- Gewählte Steindruckfestigkeitsklasse SFK

- Wahl einer möglichen Deckeneinspannung

Ausgangswerte der Tabelle:

- Mindestquerschnittsfläche von Schubwänden 𝜌𝐴,𝑚𝑖𝑛 [%]

Zusatzangaben in der Tabelle:

- Erforderliche mittlere Wandlänge 𝑙𝑎𝑣 [m]

- Faktor zur Ermittlung der Einspannmomente 𝛽𝑀 [m]





Materialkennwerte der Mauerwerkswände

alle Steinsorten nur Porenbeton

Hinweise: - Die minimalen charakteristischen Mauerwerksdruckfestigkeiten 𝑓𝑘,𝑚𝑖𝑛

werden von allen derzeit auf dem deutschen Markt angebotenen Produkten eingehalten.

- Die angegebenen Wandwichten 𝛾𝑤 sind inkl. Putz anzusehen.

Getroffene Annahmen

*

*) Begründung siehe folgende Folien





Lasten, Geometrie, Verhaltensbeiwert

Geometrie, Lasten und Beiwerte für die Nachweisführung

ℎ𝐺 Geschosshöheℎ𝐷 Deckendickeℎ𝑊 Wandhöhe𝑔𝐷 Deckenlast𝑔𝐴 Ausbaulast𝑔𝐷𝑎𝑐ℎ Dachgeschosslast𝑞𝑁 Nutzlast𝜓2,𝑖 Kombinationsbeiwert quasi-ständiger Wert𝜓𝐸,𝑖 Kombinationsbeiwert Erdbebeneinwirkung

𝛽𝑉 Verhältnis der vertikalen Last, die über die Schub-wände der betrachteten Richtung abgetragen werden, zur vertikalen Gesamtlast

𝛾𝑀 Teilsicherheitsbeiwert für Werkstoffeigenschaften𝛽0 Verhältnis des Plateauwerts des Antwortspektrums

zur Spitzenbodenbeschleunigung𝑙𝑊,𝑚𝑎𝑥 maximale Wandlänge𝑙𝑎𝑣 mittlere Wandlänge𝑞 Verhaltensbeiwert *) nur wenn 𝜎𝑛 ≤ 0,15 ∙ 𝑓𝑘𝜆 Korrekturbeiwert

*)





Annahmen zum statischen System

Faktor zur Berücksichtigung von Tragfähigkeitsreserven 𝛼

- Zwei Großversuche an Reihenhäusern aus Ziegel- und Kalksandsteinmauerwerk am JSC ISPRA (siehe Forschungsprojekt ESECMaSE) zeigten wesentlich höhere Gesamttragfähigkeiten gegenüber einer „klassischen“ Modellierung als Rahmensystem auf.

- Die Tragfähigkeitssteigerung entsteht durch Schnittgrößenumlagerungenzwischen den Wänden, auch durch eine Umlagerung der vertikalen Lasten infolge Kippen der auf Schub belasteten Wandscheiben.

- Ein Vergleich der Rechenwerte auf Grundlage der nachfolgend beschriebenen Nachweisführung (mit Beiwert für „Überfestigkeit“ 𝛼 = 1,00) zeigte eine 30 % bis 86 % höhere Tragfähigkeit der Versuche.

- Vorsichtig wird 𝛼 mit 1,15 angesetzt.

- Ableitung der Tabellenwerte an vereinfachtem System mit einer repräsentativen Wand der Länge lav





*) ausgedrückt über die Lage des Momenten-Nullpunkts im Verhältnis zur Wandhöhe

Einspanngrade* am Wandfuß und mittlere Wandlänge





Gesamterdbebenkraft

Horizontale Gesamterbebenkraft Fb

wird mit dem vereinfachten Antwortspektrumverfahren nach DIN EN 1998-1:2010-12 Formel 4.5 ermittelt (im Plateaubereich mit Sap).

Ermittlung der Deckeneinspannmomente

Die Verteilung der Gesamterdbebenkraft auf die einzelnen Geschosse erfolgt nach DIN EN 1998-1:2010-12 Formel 4.11. In Verbindung mit den angenommenen Einspanngraden (siehe vor-herige Folie) lässt sich der Momentenverlauf über die Gebäudehöhe sowie die von den Deckenkonstruktionen bzw. der Gründung aufzunehmenden Momente ermitteln.

Schnittgrößenermittlung


Sap,R

Beispiel: 3 Geschosse,

große Einspannung




Die Nachweisführung erfolgt anhand einer Auswertung von Schubversuchen an raumhohen Mauerwerkswänden (z.B. aus EU-Forschungsvorhaben ESECMaSE). Hierbei werden die Schubtragfähigkeiten auf die umgerechnete mittlere Steindruckfestigkeit 𝑓𝑠𝑡 bezogen.

𝜏′ =𝐹𝐻

𝑓𝑠𝑡∙𝐴𝑤

𝑘𝑤0,𝑓𝑠𝑡 =𝜎𝑁

𝑓𝑠𝑡∙𝑙𝑊

ℎ𝑊∙

1

2∙Ψ

Nachweisführung: Tragfähigkeit der Wände für H-Kräfte

Annahme als charak-teristischen Wert.


(Auswertung

für Porenbeton

erfolgt separat)





Tabelle für Entfall des Nachweises: z.B. Tab. NA 13.1Entwurf, Stand 27.06.2019

Tabelle NA.13.1 - Mindestanforderungen … mit großer Deckeneinspannmöglichkeit

alle Steinsorten

Fußnoten zur erweiterten Anwendbarkeit, s. auch nächste Folie!





Tabelle NA.13.1 - Mindestanforderungen … mit großer Deckeneinspannmöglichkeitalle Steinsorten

Fußnoten zur erweiterten

Anwendbarkeit,

s. auch nächste Folie!





Durch Fußnoten wird eine erweiterte Anwendbarkeit ermöglicht für:

- Verwendung verschiedener

Festigkeitsklassen, z.B. innen / außen

- Berücksichtigung unter-

schiedlicher Wandflächen

in x- und y-Richtung

wie für z.B. Reihenhäuser

- Berücksichtigung teilweise

aufliegender Decken

(wg. Wärmedämmung)

- Extra - Tabellen für Porenbeton

- Bestimmung der Einspann-

momente in die Decken und

die Gründung (Faktoren ßm,D1 , ßM,F)

Beispiel:

3 Geschosse,

große Einspannung

aus [4]





Tabelle NA.13.1 (Fortsetzung)

In einigen Tabellenfeldern wird der Biegedrucknachweis maßgebend. Deshalb werden Querschnittsflächen für verschiedene Werte der Mauerwerksdruckfestigkeit fk angegeben:




6. Neuerungen im Holzbau

• Zuordnung von Tragwerken und Tragelementen zu Duktilitätsklassen erfolgt

einfach und übersichtlich in einer Tabelle.

• Duktilitätsklassen DCL, DCM und DCH ersetzen die Klassen 1,2 und 3

von DIN 4149.

• Die Zuordnungen wurden auf der Grundlage aktueller Erkenntnisse

grundsätzlich überarbeitet, z. B.

- Fachwerke (horizontaler Lastabtrag über Diagonalaussteifungen)

bisher DCH, neu DCM

- Eindeutige Abgrenzung von Anschlüssen mit stiftförmigen Verbindungen

und von Anschlüssen mit Dübeln.

• Für Wandtafeln in DCH werden Konstruktionsregeln definiert,

zulässig sind glattschaftige Nägel und Klammern. DCH wird erreicht, wenn

Beplankungsdicke und Durchmesser des Verbindungsmittels im richtigen

Verhältnis stehen und ein Mechanismus mit zwei Fließgelenken im

Verbindungsmittel entsteht.

• Die Überfestigkeit wird klar definiert: Nicht dissipative Bereiche von

Tragelementen der Duktilitätsklasse DCM und DCH werden – quasi – für eine

Einwirkung mit q=1,5 ausgelegt. Für Wandtafeln wird q = 1,6 festgelegt.

(Stichworte von Prof. Dr. W. Seim)




7. EC 8 – Neufassung: Struktur und Zeitplan

…

…

…

…





SC 08 Working Groups

SC 08 Project Teams EC8-Teil:

PT 1: Seismische Eingangsgrößen, Spektren, Untergrund 1-1

PT 2: Bauweisenspezifische Regeln (Stahlbeton, Stahl, Holz, ..) 1-2

PT 3: Bestehende Bauwerke 3

PT 4: Gründungen 5

PT 5: Silos, Tanks, Rohleitungen, Türme, Maste 4

PT 6: Brücken 2




Spektren und Einfluss des Untergrunds

7. EC 8 – Neufassung




Spektren und Einfluss des Untergrunds

Für Deutschland wichtig: Öffnung für regionale Besonderheiten, wie z.B.

sehr mächtige Sedimentschichten (z.B. Oberrheingraben)

S-Faktoren des EC 8 zur Zeit noch in Diskussion (Ad-hoc-Gruppe)






Verhaltensbeiwert q:

q = qR · qS · qD

mit den Komponenten

qR zur Berücksichtigung der Umlagerung von Kräften aus

Erdbebeneinwirkung in redundanten Tragwerken

qR = 1,0, sofern nicht anders spezifiziert in jeweilig

maßgebenden Teil von EC 8

qS infolge „Overstrength“ aus allen sonstigen Gründen

qS= 1,5 (in der Regel)

qD zur Berücksichtigung der Verformungskapazität sowie der

Fähigkeit zur Energiedissipation

qD = 1 für DC 1





• Regelungen werden umfassender und detaillierter: Der Umfang des Kapitels zum Holzbau steigt von bisher 5 auf zukünftig etwa 40 Seiten

• Anforderungen an die Duktilität von Bauteilen und Verbindungen mit Bezug zu Duktilitätsklassen werden neu und eindeutig definiert

• Die häufigsten Konstruktionsarten können – wie bisher – einer bestimmten Duktilitätsklasse zugeordnet werden, wenn vorgegebene Konstruktionsregelneingehalten werden

• Ausführliche Regelungen zu Brettsperrholzkonstruktionen: Hier wird zwischen segmentierter (DCH) und nicht segmentierter (DCM) Bauweise unterschieden

• Geschraubte Verbindungen werden aufgenommen: Der Einsatzbereich von Schrauben (DCL, DCM, DCH) ist zukünftig als Leistungsmerkmal der Schraube vom Hersteller anzugeben.

• Konsequente Abgrenzung dissipativer und nicht-dissipativer Elemente bzw. Verbindungen: In diesem Zusammenhang sollen eindeutige Regeln zur Kapazitätsbemessung definiert werden, mit konkreten Angaben zur Überfestigkeit in unterschiedlichen Fällen.

• DCL zukünftig nur bis zu einer maximalen Spektralbeschleunigung. Ziel ist, dass dieser Wert auf europäischer Ebene so festgelegt wird, dass Tragwerke in Deutschland überall auch in DCL ausgelegt werden können. Dieser Punkt ist werkstoffübergreifend und noch in Diskussion.

Holzbau Prof. Dr. W. Seim




[1] Grünthal G., Stromeyer D., Bosse Ch., Cotton F., Bindi D.:

Neueinschätzung der Erdbebengefährdung Deutschlands – Version

2016 – für DIN EN 1998-1/NA, Bautechnik 95 (2018), Heft 5

[2] Schwarz, J., Kaufmann, Ch., Maiwald, H.: Seismische Einwirkungen für die neue

Generation von Erdbebenbaunormen: Gefährdungs-konsistente und

untergrundspezifische Spektren für die aktualisierte Erdbebenzonenkarte, BHU

Weimar, (Feb. 2017, 2018): überarbeitete Fassung vom Februar 2018

[3] Fehling, E., Brenker, E.: Bemessung von Mauerwerk bei

Erdbebenbeanspruchung, Mauerwerk 18 (2014), Heft 6

[4] Pfetzing, Th., Fehling, E., Meyer, U. J.: Schubtragfähigkeit von Ziegelmauerwerk

mit teilweise aufliegender Deckenplatte, Mauerwerk 23 (2019), Heft 3, Verlag

Ernst & Sohn, Berlin

[5] Pfetzing, Th., Fehling, E.: Sorschlag und Erläuterungen zur neuen Tabelle NA.13

der DIN EN 1998-1/NA:2018-10 (umfassend überarbeiteter Bericht, Fassung vom 27.

Mai 2019

[6] Butenweg, Ch., Kubalski, Th., Rosin, J.: Verbesserte seismische

Nachweiskonzepte für Mauerwerksbauten in Deutschland, Forschungsbericht für

das DIBt, Lehrstuhl für Baustatik und Baudynamik, (LBB) RWTH Aachen, 2018/2019

[7] Fehling., E., Schwarz. J. : Nationales Anwendungsdokument zu EN

1998-1 – Meilensteine der Entwicklung. Bauingenieur 94 (2019), Heft 4,

Fachteil D-A-CH

Literaturhinweise


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