Erdbebensicherer Anschluss von Ausfachungsmauerwerk in Stahlbetonrahmentragwerken mit Entkopplungselementen

Das Profil ermöglicht Relativverschiebungen zwischen Rahmen und Ausfachung und stellt gleichzeitig die Aufnahme von Belastungen senkrecht zur Wand sicher. Der Beitrag erläutert zunächst den Aufbau des Systems und gibt einen Überblick über die in Kleinbauteilversuchen ermittelten Tragfähigkeiten. Zudem werden experimentelle Untersuchungen an mit hochwärmedämmenden Mauerziegeln ausgefachten Stahlbetonrahmen mit und ohne Entkopplungssystem für getrennte und kombinierte Belastungen in und senkrecht zur Wandebene vorgestellt. Auf Grundlage einer Versuchsauswertung und eines Ergebnisvergleichs werden Wirkungsweise und Effektivität des entwickelten Entkopplungssystems demonstriert.

1 Einleitung

In modernen Mehrgeschossbauten in Stahlbetonrahmenbauweise werden die Rahmenflächen im Innen- und Außenwandbereich vorzugsweise mit Mauerwerksausfachungen geschlossen, da mit dieser etablierten und robusten Wandbauweise alle normativen Anforderungen hinsichtlich des Schall-, Wärme- und Brandschutzes erfüllt werden. Darüber hinaus können Innenwände entsprechend der architektonischen Anforderungen und Nutzung einfach zurückgebaut oder versetzt werden. In der Regel werden Mauerwerksausfachungen aus nicht-tragendem Mauerwerk ausgeführt und finden als sekundäre Bauteile bei der statischen Auslegung der Gebäude keine Berücksichtigung.

Die Ausführung der Ausfachungen erfolgt traditionell mit vollem Kontakt zum Stahlbetonrahmen, wobei die Anschlussfugen entweder mit Mörtel oder schnell aushärtendem Montageschaum verfüllt werden. Diese Ausführung führt im Erdbebenfall insbesondere bei erdbebengerecht ausgelegten Rahmen mit geringer Steifigkeit und hohem Verformungsvermögen zu einer schnellen Aktivierung der deutlich steiferen Ausfachungen. Die Aktivierung führt zu einer ungewollten Interaktion zwischen Rahmen und Ausfachung und in der Folge zu einer unplanmäßigen Beteiligung der Ausfachungen am Lastabtrag. Sind die Ausfachungen im Grund- und Aufriss zudem unregelmäßig angeordnet, können sich daraus hohe Zusatzbeanspruchungen in den Ausfachungen durch Torsionseffekte ergeben. Zusätzlich zu den Belastungen in Wandebene werden die Ausfachungen durch seismische Kräfte senkrecht zur Ebene belastet. Die Belastungen in und senkrecht zur Rahmenebene können in Abhängigkeit von der räumlichen Wirkung der Erdbebenkomponenten unabhängig voneinander oder kombiniert auftreten. Zurückliegende Erdbeben in Kocaeli (Türkei, 1999), Christchurch (Neuseeland, 2011) und die italienischen Erdbebenserien in L’Aquila (2009), Emilia Romagna (2012) sowie Mittelitalien (2016) haben die hohe Schadensanfälligkeit von traditionellen Mauerwerksausfachungen eindrucksvoll gezeigt. Bild 1 zeigt beispielhaft die Schadensbilder von zwei Ausfachungswänden mit Hochlochziegeln verursacht durch die Erdbeben in der Emilia Romagna (2012) und L’Aquila (2009).

Das Verhalten von Mauerwerksausfachungen unter seismischen Beanspruchungen wird seit Jahrzehnten intensiv erforscht. Die Aufnahme von Belastungen in Wandebene wurde unter anderem von [2], [3], [4], [5], [6] untersucht und das Verhalten unter Belastungen senkrecht zur Ebene war Gegenstand der Arbeiten von [7], [8], [9], [10], [11], [12]. Die Interaktion der Belastungen in und senkrecht zur Wandebene wurde in [13], [14], [15], [16] näher untersucht. Weiterhin wurde der Einfluss von Vorschädigungen durch zyklische Belastungen in Wandebene auf die Traglast senkrecht zur Wandebene in den Arbeiten [9], [14], [16], [17], [18], [19], [20], [21] analysiert. Die Vielzahl der Forschungsarbeiten und die immer wieder auftretenden Erdbebenschäden verdeutlichen die Schwierigkeit, traditionelle Mauerwerksausfachungen mit Vollkontakt zum Rahmen erdbebensicher auszulegen. Zur Verbesserung dieser Situation stellt der Beitrag ein neues Entkopplungssystem für den erdbebensicheren Anschluss von Ausfachungsmauerwerk vor, dass im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts INSYSME entwickelt und europaweit patentiert (Patent 17156977.5 – 1614) wurde.

2 Lösungsansatz und Aufbau des Entkopplungssystems

Zielsetzung der deutschen Projektpartner in dem europäischen Verbundprojekt INSYSME [22] war die Entwicklung eines neuen Systems zur Verbesserung der seismischen Sicherheit von Ausfachungen aus Ziegelmauerwerk. Als Randbedingungen für die Entwicklung des Systems wurden eine hohe Erdbebensicherheit für getrennte und kombinierte Belastungen in und senkrecht zur Wandebene, ein baupraktikabler Einbau, eine universelle Anwendbarkeit auf verschiedene Steintypen und eine hohe Wirtschaftlichkeit formuliert. Zur Erfüllung dieser Anforderungen wurde als Lösungsansatz die Entkopplung von Ausfachung und Rahmen gewählt. Bild 2 zeigt den konzeptuellen Aufbau des entwickelten Entkopplungssystems INODIS (Innovative Decoupled Infill System) mit speziellen Entkopplungselementen zwischen Ausfachung und Rahmen. Entlang der Stützen und dem Rahmenriegel werden U-förmige Elastomere mit hyperelastischem Material angeordnet, die umlaufend auf am Stahlbetonrahmen kraftschlüssig angeschlossene Kunststoffprofile aufgeschoben werden. Die U-förmigen Elastomere bestehen aus einem durchgehenden Elastomer mit geringerer Steifigkeit und seitlichen Flanschen mit höherer Steifigkeit, um Verformungen in Wandebene zu kompensieren und gleichzeitig ein Ausweichen der Ausfachung senkrecht zur Wand zu verhindern. Die Elastomere werden beim Aufmauern mit den glatten Seitenflächen der Mauerziegel verklebt. Am Wandfuß wird ein Elastomer höherer Steifigkeit bestehend aus drei Streifen angeordnet, wobei die äußeren Streifen mit der untersten Reihe Mauersteine und der mittlere Streifen mit dem Stahlbetonfußbalken oder der Stahlbetondecke direkt verklebt werden. Zwischen den Elastomeren und der Stütze mit den aufgebrachten Kunststoffprofilen wird eine Gleitfläche angeordnet, sodass der Eintrag von Schubkräften über Reibung weitestgehend verhindert wird. Die Anordnung der Elastomere führt zu einer verzögerten Aktivierung und damit zu einer Reduzierung der Membranspannungen in der Ausfachung.

Nachfolgend werden die Eigenschaften der eingesetzten Materialien, die Tragfähigkeitsuntersuchungen des Entkopplungssystems und die zyklischen Wandversuche an ausgefachten Stahlbetonrahmen mit und ohne Entkopplungssystem vorgestellt.

3.1 Charakterisierung der verwendeten Materialien

Die Stahlbetonrahmen werden in C 30/37 ausgeführt und als Bewehrung wird ein hochduktiler Stahl B 500 B verwendet. Als Ausfachungsmauerwerk wird der hochwärmedämmende Außenwandziegel MZ 70 eingesetzt, der im Ziegelwerk Bellenberg [23] produziert wird. Als Mörtel kommt der Dünnbettmörtel ZP 99 zum Einsatz. Die Materialeigenschaften von Mörtel, Außenwandziegel und Mauerwerk wurden durch standardisierte Kleinbauteilversuche am Einzelstein, am Mörtel und an Mauerwerkskörpern bestimmt [24], [25]. Die statischen und dynamischen Elastizitätsmodule der hyperelastischen Elastomere sind in Tabelle 1 angegeben [26]. Das Elastomer Regufoam 400 wird als Steg des U-Profils verwendet und direkt mit den Mauersteinen MZ 70 verklebt. Regufoam 510 wird für die Flansche des U-Profils und das steifere Regufoam 570 für den Anschluss zum Fußbalken verwendet. Die Verklebung der Elastomere untereinander und an die Mauerziegel erfolgt mit den Einkomponentenklebern Keraflex und Regupur [26]. Die Farben der Elastomere (Tabelle 1) erlauben eine Zuordnung in den weiteren Darstellungen und Bildern.

3.2 Tragfähigkeitsuntersuchungen der U-Profile aus Elastomeren

Die U-Profile aus Elastomeren werden durch die senkrecht zur Ausfachung wirkenden Erdbebenkräfte auf Schub und Biegung beansprucht. Die Lastabtragung erfolgt über die U-Profile auf das umlaufende Kunststoffprofil. Durch die gleichzeitige horizontale Rahmenverformung stellen sich in Wandebene verschiedene Lastsituationen ein, wobei diejenigen maßgebend sind, in denen sich der Stahlbetonrahmen unter Spaltbildung vom Elastomer ablöst. Dies führt zur exzentrischen Belastung der Flansche des U-Profils.

Die Tragfähigkeit der Elastomere und der Klebeverbindung zum Mauerstein wurde experimentell an einem Mauerstein für die Anschlusssituationen im Stütz- und Riegelbereich untersucht. Hierzu wurden die U-Profile beidseitig auf den Mauerstein geklebt und über eine Lastverteilungsplatte auf Schub belastet. Bild 3 zeigt den Versuchsaufbau für den Anschluss an den Riegel, bei dem das Elastomer entsprechend der Stützenbreite von 250 mm in den Wandversuchen auf die obere und unter Lochseite des Steins geklebt wird. Der Versuchsaufbau für den Anschluss im Stützenbereich erfolgte analog.

3.3 Zyklische Wandversuche

Das Versuchsprogramm der zyklischen Wandversuche ist in Tabelle 2 zusammengestellt. In dem Versuch A wird ein nicht ausgefachter Stahlbetonrahmen für eine Belastung in Rahmenebene (IP) untersucht, um den Traganteil des Stahlbetonrahmens zu ermitteln. Die Versuche BI und BIO werden an traditionell ausgefachten Stahlbetonrahmen durchgeführt. In dem Versuch BI erfolgt eine sequenzielle Belastung in Wandebene, senkrecht zur Wandebene und abschließend nochmals in Wandebene (IP – OOP – IP). In dem Versuch BIO werden die Belastungsrichtungen kombiniert (OOP + IP). Der Versuch DIO wird an einem ausgefachten Stahlbetonrahmen mit dem Entkopplungssystem INODIS durchgeführt und beinhaltet sowohl sequentielle als auch kombinierte Belastungen in und senkrecht zur Wandebene.

3.3.1 Versuchsaufbau

Die Belastung in Wandebene wird über einen Horizontalzylinder mit einer maximalen Kraft von ± 320 kN und einen maximalen Hub von ± 150 mm über einen Lasteinleitungsbalken auf Höhe des Rahmenriegels aufgebracht. Gleichzeitig werden über zwei hydraulische Zylinder mit einer maximalen Kraft von jeweils ± 400 kN und einem Hub von ± 125 mm die Vertikalkräfte über den gleichen Lasteinleitungsbalken aus Stahl auf die Stützen des Stahlbetonrahmens aufgebracht, um die Lasteinwirkungen aus höheren Geschossen zu berücksichtigen. Die Belastung senkrecht zur Wand wird über vier Airbags auf der Rückseite des Versuchskörpers aufgebracht. Die Airbags sorgen für eine weitestgehend gleichmäßige Lastaufbringung von bis zu 50 kN/m² auf die Wandfläche. Die Airbags wurden auf der Wandinnenseite installiert, sodass die Wand bei Belastung von innen nach außen geschoben wird. Eine detaillierte Beschreibung der Versuchseinrichtung an der Universität Kassel findet sich in [27].

3.3.2 Testkörper

Der Aufbau des Stahlbetonrahmens mit Ausfachung und Entkopplungssystem ist in Bild 4 für den Versuch DIO dargestellt. Die Bemessung und konstruktive Durchbildung des Rahmens erfolgte nach DIN EN 1998–1 [28] in der niedrigsten Duktilitätsklasse L in Kombination mit DIN EN 1992–1–1 [29] für die Belastungssituation eines äußeren Rahmens in einem typischen fünfstöckigen Gebäude. Bild 4 zeigt, dass der monolithische Außenwandziegel MZ 70 mit einer Stärke von 365 mm nach außen um 115 mm über die Stützen hinausragt, da in der tatsächlichen Einbausituation nachträglich eine außen liegende Dämmung aufgebracht wird.

Die beiden vertikalen Hydraulikzylinder werden am Anfang des Versuchs auf 200 kN pro Zylinder hochgefahren und konstant auf diesem Kraftniveau gehalten. Die horizontale Belastung in Wandrichtung wird weggesteuert in Form einer Sinusbelastung aufgebracht. Die Dauer eines Belastungszykluss beträgt 60 s und wird schrittweise bis zur maximalen relativen Stockwerksverschiebung von 3,5 % (bei einer Stockwerkshöhe von h = 2,75 m) gesteigert. Auf jeder Lastamplitude werden drei Lastzyklen gefahren. Die Belastung senkrecht zur Wand wird über den Druck in den vier Airbags mittels eines pneumatischen von Hand zu bedienenden Systems geregelt und über die Versuchsdauer möglichst konstant gehalten.

4 Ergebnisse der Wandversuche

4.1 Versuch A

Der Versuch A an dem Stahlbetonrahmen ohne Ausfachung konnte bis zu der maximalen relativen Stockwerksverschiebung von 3,5 % durchgeführt werden. Bild 5 zeigt die resultierenden Hysteresekurven des Stahlbetonrahmens mit einer maximalen Horizontalkraft von 120 kN bei einer relativen Stockwerksverschiebung von 2 %. Danach nehmen die Horizontalkräfte mit stabilen Hysteresekurven bis zur maximal aufgebrachten relativen Stockwerksverschiebung von 3,5 % in positiver Richtung auf 95 kN und in negativer Richtung auf 90 kN ab.

In dem Versuch BI erfolgt die Lastaufbringung in drei Phasen. Zunächst werden zyklisch gegenseitige Stockwerksverschiebungen bis 1,25 % aufgebracht. Daran schließen sich acht Lastzyklen senkrecht zur Wandebene bis zu einer maximalen Flächenlast von 3,3 kN/m² an. In der abschließenden dritten Phase wird die gegenseitige Stockwerksverschiebung bis auf 2,1 % gesteigert.

Bild 6 zeigt die Hysteresekurven für die zyklischen Belastungen in Wandebene. In der ersten Belastungsphase verhält sich die Ausfachung bis zu einer Last von 110 kN linear. In den weiteren Lastzyklen bis zur maximalen relativen Stockwerksverschiebung von 1,25 % zum Abschluss der ersten Belastungsphase nimmt die Steifigkeit aufgrund stufenförmiger Risse entlang der Wanddiagonalen ab und die Horizontalkraft steigt bis auf 225 kN an. Die Auswertung der Messpunkte auf der Ausfachung ergibt, dass sich bereits während der Belastung in Wandebene auch Verformungen senkrecht zur Wand einstellen. Grund hierfür ist die widerkehrende exzentrische Belastung des Ausfachungsmauerwerks. Durch die Exzentrizität entsteht eine wechselnde Rotation, die sukzessive zu einem Ausweichen aus der Wandebene führt.

4.3 Versuch BIO

In dem Versuch BIO erfolgt eine kombinierte Aufbringung von Belastungen in und senkrecht zur Wandebene. Im ersten Schritt wird eine Flächenlast von 5 kN/m² senkrecht zur Wand aufgebracht, die während der zunehmenden sinusförmigen Belastung in Wandebene konstant gehalten wird. Die daraus resultierenden Hysteresekurven in Bild 8 zeigen bis zu einer Last von etwa 75 kN ein lineares Verformungsverhalten der Ausfachung. In den weiteren Zyklen kommt es zu einer Steifigkeitsabnahme infolge des Auftretens erster Risse auf der Wandinnenseite und leichten Fugenöffnungen auf der Außenseite. Mit einer stark reduzierten Steifigkeit wird bei einer relativen Stockwerksverschiebung von 0,65 % eine maximale Horizontalkraft von 255 kN erreicht. In den darauf folgenden Lastzyklen kann die Horizontallast nicht weiter gesteigert werden und die Steifigkeit nimmt sehr schnell ab. Der Grund für das Verhalten liegt in einer Starrkörperbewegung der Wand, die durch ein kombiniertes Reibungs- und Steinversagen im Anschlussbereich am Kopf- und Fußbalken des Stahlbetonrahmens initiiert wird. Bild 9a) zeigt das Ausweichen senkrecht zur Ebene mit dem Versagen des Ziegelsteins im Eckbereich am Wandkopf. In Bild 9b) ist die Zunahme der Verformungen über die Lastzyklen in Wandebene dargestellt. Die Verformungen bei kleinen aufgebrachten relativen Stockwerksverschiebungen entsprechen der Biegelinie bei Aktivierung der Bogentragwirkung. Bei einer relativen Stockwerksverschiebung von 0,3 % stellt sich lediglich eine Verschiebung auf halber Wandhöhe von 2,5 mm ein. In den darauf folgenden Lastzyklen wird die Bogentragwirkung durch die sukzessive Schädigung der Anschlussfuge und den Verlust der Auflagerrandbedingungen am Wandkopf und Wandfuß aufgehoben und die Ausfachung reagiert mit stark anwachsenden Verformungen senkrecht zur Wandebene, die bei einer relativen Stockwerksverschiebung von 0,8 % bereits bei 85 mm liegen. Wegen des unkontrollierten Anwachsens der Verformungen musste der Versuch abgebrochen werden.

In dem Versuch DIO erfolgt die Lastaufbringung entsprechend des in Bild 10 dargestellten Lastprotokolls mit fünf Phasen für variierende Belastungen in und senkrecht zur Wandebene.

Bild 16 zeigt die Hüllkurven der Hysteresen für die Versuche A, BI und DIO bis zu einer relativen Stockwerksverschiebung von 1,25 %. Die Hüllkurven der Versuche A und DIO liegen sehr nahe beieinander, da die Ausfachung auf Grund des Verformungsvermögens der umlaufenden Elastomere nur schwach aktiviert wird und so schadensfrei bleibt. Die Kurven zeigen, dass die Ausfachung mit dem Entkopplungssystem eine deutlich kleinere Steifigkeit aufweist und sich mit 130 kN im Vergleich zu 225 kN für den traditionell ausgefachten Rahmen eine wesentlich geringere Horizontalkraft aufbaut.

Der Beitrag stellt das System INODIS (Innovative Decoupled Infill System) zur Entkopplung von Mauerwerksausfachungen in Stahlbetonrahmentragwerken vor. Das in dem europäischen Forschungsprojekt INSYSME entwickelte Entkopplungssystem verbessert das seismische Verhalten von ausgefachten Stahlbetonrahmentragwerken durch eine umlaufende Anordnung von Elastomeren zwischen Ausfachung und Rahmen, die entlang der Stützen und Rahmenriegel als U-Profile ausgebildet werden. Der Ergebnisvergleich von Wandversuchen mit und ohne Entkopplungselement zeigt, dass mit dem System INODIS die Ausfachung stark verzögert aktiviert wird und der Traganteil der Ausfachung für Belastungen in Wandebene auch bei relativen Stockwerksverschiebungen von bis zu 3,25 % gering ist. Dadurch werden die Spannungen und damit auch die Schäden in der Ausfachung stark reduziert. Weiterhin haben die Versuche gezeigt, das sequenzielle und kombinierte Belastungen in und senkrecht zur Wandebene durch die U-förmigen Elastomere in Kombination mit der am Rahmen kraftschlüssig angeschlossenen Kunststoffschiene im Gegensatz zur traditionellen Ausführung sicher abgetragen werden können. Weitere Vorteile des Systems liegen in der Vermeidung von Spannungsspitzen in den Kontaktbereichen zum Rahmen, in der Energiedissipation durch die hyperelastischen Elastomere und in der universellen Anwendbarkeit auf verschiedene Steintypen. Durch das Entkopplungssystem vereinfacht sich die Bemessung des Stahlbetonrahmens, da schädigende Interaktionen nicht mehr berücksichtigt werden müssen. Die nächsten Schritte für die Weiterentwicklung des Systems liegen in der Ableitung eines praxistauglichen Bemessungskonzepts zur Wahl der Steifigkeiten und Dicken der Elastomere, in der Optimierung der Materialauswahl und Installation sowie in der Untersuchung von Schall-, Wärme- und Brandschutzaspekten.

Danksagung

Die Autoren bedanken sich für die finanzielle Unterstützung durch die Arbeitsgemeinschaft Mauerziegel im Bundesverband der Deutschen Ziegelindustrie e. V.. Weiterhin danken die Autoren allen Beteiligten der Universität Kassel und des Instituts für Ziegelforschung in Essen e. V. für die Durchführung der Versuche.

 

 

 

Literatur

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[28] DIN EN 1998–1: Eurocode 8: Auslegung von Bauwerken gegen Erdbeben – Teil 1: Grundlagen, Erdbebeneinwirkungen und Regeln für Hochbauten. Deutsche Fassung EN 1998–1:2004 + AC:2009, Ausgabe Dezember 2010.

[29] DIN EN 1992–1–1: Eurocode 2: Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken – Teil 1–1: Allgemeine Bemessungsregeln und Regeln für den Hochbau. Deutsche Fassung EN 1992–1–1:2004 + AC:2010, Ausgabe Januar 2011.