Nadia GREMER

A contribution to the assessment of the vertical seismic acceleration demand of regular steel frame structures (in Englisch)

Trotz der im Gebiet des Erdbebeningenieurwesen erzielten Fortschritte in den letzten Jahrzehnten, ist die Abschätzung der vertikalen erdbebenbedingten Beschleunigungsantwort ein noch offenes Themengebiet. Im Erdbebeningenieurwesen wird allgemein angenommen, dass sich regelmäßige Gebäude unter seismischer Einwirkung in vertikaler Richtung starr verhalten. Einige Studien der letzten Jahre haben jedoch gezeigt, dass die Vertikalbeschleunigung mit der Höhe eines seismisch angeregten Bauwerks zunimmt und nicht vernachlässigt werden sollte.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Quantifizierung der vertikalen erdbebeninduzierten Spitzenbeschleunigung im Verhältnis zur Bodenbeschleunigung an Stützenlinien und entlang der Länge von Riegeln elastischer und unelastischer regelmäßiger Stahlrahmen. Diese Beschleunigungen korrelieren mit der erdbebeninduzierten Beanspruchung starrer, nichttragender Bauteile (sogenannte Sekundärstrukturen), die am Tragwerk befestigt sind. Da allgemein davon ausgegangen wird, dass sich Gebäude in horizontaler Richtung flexibel und in vertikaler Richtung starr verhalten, wird die Bestimmung der vertikalen Beschleunigungsantwort in den meisten Fällen vernachlässigt. Daher werden in dieser Dissertation Zeitverlaufsberechnungen an regelmäßigen Stahlrahmen durchgeführt, welche gleichzeitig mit der horizontalen und vertikalen Komponente der Bodenbeschleunigung angeregt werden, um die Beschleunigungsantwort in beiden Richtungen zu beurteilen.

Die Ergebnisse dieser Doktorarbeit zeigen, dass die maximalen vertikalen Stockwerksbeschleunigungen von regulären Stahlrahmen bis zu fünfmal größer sein können als die dazugehörige maximale vertikale Bodenbeschleunigung. Im Gegensatz dazu sind die maximalen horizontalen Stockwerksbeschleunigungen der in dieser Untersuchung verwendeten numerischen Modelle nur bis zu dreimal größer als die maximale horizontale Bodenbeschleunigung. Die größten Vertiaklbeschleunigungen treten dabei in der Mitte der Riegel und in den außenliegenden Stützen auf. Weitere Untersuchungen an modifizierten Modellen zeigen, dass die Massenverteilung innerhalb eines Stockwerkes einen Einfluss auf die vertikale Beschleunigungsantwort hat. Im Gegensatz dazu wird die Beschleunigung in vertikaler und horizontaler Richtung nur geringfügig durch eine Erhöhung der Biegesteifigkeit der Träger beeinflusst.

Eine weitere Untersuchung dieser Arbeit befasst sich mit der Auswirkung des verwendeten Erdbebensatzes auf die berechnete Beschleunigungsantwort der Rahmenstrukturen. Die Zeitverlaufsberechnungen wurden mit vier verschiedenen Erdbebensätzen durchgeführt, nämlich drei Erdbebensätzen bestehend aus aufgezeichneten Erdbebenschrieben und einem Satz aus simulierten Erdbebenschrieben. Die Ergebnisse zeigen, dass alle betrachteten Erdbebensätze statistisch gesehen ähnliche maximale Beschleunigungsantworten ergeben.

Schließlich befasst sich diese Doktorarbeit mit der Modellierung verschiedener Mechanismen der Energiedissipation für die numerische Vorhersage der vertikalen Beschleunigungsantwort in den betrachteten regelmäßigen Stahlrahmen. Eine dieser untersuchten Fragen ist die Berücksichtigung der viskosen Dämpfung im Strukturmodell. Es wird gezeigt, dass das gut etablierte Rayleigh-Dämpfungsmodell die viskose Dämpfung der vertikalen Moden stark überschätzen kann, wodurch die vertikale Beschleunigungsantwort viel zu klein ist. Das Ergebnis einer Modellierungsstudie liefert eine geeignete Strategie der Dämpfungsmodellierung, die zu vernünftigen Vorhersagen sowohl der horizontalen als auch der vertikalen Beschleunigungsantwort führt. Eine weitere offene Frage, die angesprochen wird, ist die Auswirkung von inelastischem Materialverhalten auf die vertikale Beschleunigungsantwort der untersuchten Strukturen. Die Ergebnisse eines erdbebenerregten Rahmens, der mit Schalenelementen diskretisiert wurde, weisen darauf hin, dass inelastisches Materialverhalten die horizontale Antwort im Vergleich zur elastischen Antwort deutlich kleiner werden lässt. Im Gegensatz dazu ist die vertikale Beschleunigungsantwort für die elastischen und inelastischen Modelle fast identisch.

Aus diesen Ergebnissen kann geschlossen werden, dass die üblichen Rahmenmodelle zur Deutung der inelastischen horizontalen Antwort, sich aber in vertikaler Richtung rein elastisch verhalten, für die Abschätzung der Beschleunigungsantwort geeignet sind.


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