Was ist die Vulnerabilitätsanalyse von Stahlbetongebäuden?

Die Erdbebensicherheit eines bestehenden Stahlbetongebäudes wird nicht wie beim Neubauentwurf mit einem kraftbasierten Ansatz gemessen, sondern daran, wie stark sich die Bauteile im Erdbeben verformen und ob diese Verformungen innerhalb sicherer Grenzen bleiben. TBDY 2018 Kapitel 15 regelt diese Bewertung: Anhand der am Gebäude gesammelten Informationen wird das Kenntnisniveau festgelegt, die seismische Beanspruchung (Erdbebenanforderung) berechnet, für jede Stütze, jeden Träger und jede Wandscheibe der Schadensbereich ermittelt und für das Gebäude das Leistungsniveau Begrenzter Schaden, Kontrollierter Schaden oder Einsturzverhinderung festgelegt.

Das lineare Verfahren liefert für viele Gebäude eine schnelle und ausreichende Bewertung, zeigt aber nicht, in welcher Reihenfolge und wie stark die Bauteile fließen. Beim Ansatz der verformungsbasierten Bewertung und Bemessung (ŞGDT) verfolgt die nichtlineare Pushover-Analyse die Entstehung der plastischen Gelenke Schritt für Schritt; bei der seismischen Beanspruchung wird die plastische Rotation jedes Gelenks mit den Schadensgrenzen der Norm verglichen.

StatiCAD führt diese gesamte Kette, also Materialmodelle, Querschnittsanalyse, Pushover-Kurve, seismische Beanspruchung, Schadenstabellen und Gebäudeurteil, automatisch im selben Projekt aus. Das Ergebnis ist ein prüffähiger Berechnungsbericht, der die Begründung des Urteils klar ausweist.

Was leistet StatiCAD bei der Stahlbeton-Vulnerabilitätsanalyse?

Alle Schritte der Bewertung bestehender Stahlbetongebäude, von der linearen Bewertung bis zur multimodalen Pushover-Analyse.

Bewertung mit dem linearen Berechnungsverfahren

  • Querschnittstragfähigkeiten mit vorhandenen Materialfestigkeiten und Kenntnisniveau-Faktor (umfassend 1,0 / begrenzt 0,75)
  • Beanspruchungs-/Tragfähigkeitsverhältnisse von Stützen, Trägern und Wandscheiben unter nicht reduzierten Erdbebeneinwirkungen
  • Unterscheidung zwischen duktilen und spröden Bauteilen, Prüfung der Querkrafttragfähigkeit
  • Leistungsniveau des Gebäudes und Begründung geschossweise nach den Kriterien aus 15.8

Nichtlineare Pushover-Analyse

  • Materialmodelle nach TBDY EK 5A: Mander-Modell für umschnürten und nicht umschnürten Beton, Bewehrungsstahl mit Verfestigung
  • Moment-Krümmungs-Beziehung mit dem Faser-Modell; bei Stützen zwei Achsen, bei Trägern Plattenbalkenwirkung und getrennte positive/negative Tragfähigkeit
  • Konzentriertes plastisches Gelenk; wahlweise elastisch-ideal plastisches oder verfestigendes (bilineares) Gelenk
  • Event-to-Event-Löser: Die Entstehung jedes Gelenks wird exakt erfasst
  • Richtungskombinationen nach TBDY: ±X ± 0,3Y und ±Y ± 0,3X, acht Richtungen

Seismische Beanspruchung und Schadensbewertung

  • Performance Point über die modale Transformation nach EK 5B und die CR-Korrektur bei Bauwerken mit kurzer Periode
  • Grenzwerte der plastischen Rotation und der Querschnittsdehnung (TBDY 5.8.1)
  • Dehnungsnachweis in den Randbereichen von Wandscheiben
  • Schadensbereiche der Bauteile: Begrenzter, Deutlicher und Fortgeschrittener Schaden sowie Einsturz
  • Geschossweises Leistungsurteil des Gebäudes und Begründung nach TBDY 15.8

Multimodale Pushover-Analyse und IRSA

  • Voraussetzungen der einmodalen Pushover-Analyse (Massenbeteiligung ≥ 70 %, ηbi ≤ 1,4) werden automatisch geprüft und dokumentiert
  • Multimodale Pushover-Analyse (TBDY 5.6.6): Überlagerung der modalen Pushover-Ergebnisse und der plastischen Endrotationen mit CQC
  • Die Bedingung der elastischen Konsistenz (TBDY 5.6.6.1) wird bei jeder Analyse numerisch ausgewiesen
  • IRSA, inkrementelle Methode der Modenüberlagerung
  • Adaptive (variable) einmodale Pushover-Analyse (TBDY 5.6.5) und P-Δ-Option (Theorie zweiter Ordnung)

3D-Darstellung des Schadens

  • Verformte Figur Schritt für Schritt entlang der Pushover-Kurve
  • Plastische Gelenke in den Farben der Schadensbereiche: Begrenzter, Deutlicher und Fortgeschrittener Schaden sowie Einsturz
  • Für jeden Schritt Basisschubkraft, Kopfverschiebung, Anzahl der Gelenke und Leistungsniveau des Gebäudes
  • Der Beanspruchungsschritt wird gesondert markiert; die Entstehungsreihenfolge der Gelenke lässt sich leicht verfolgen

Verifizierung mit SAP2000

  • Dasselbe Modell und dieselben Gelenke werden automatisch nach SAP2000 übertragen und dort unabhängig verschoben
  • Pushover-Kurven beider Programme, Gelenkzustände am Beanspruchungspunkt und Basisschubkräfte nebeneinander
  • Auf Wunsch wird die Berechnung mit der SAP2000-Lösung fortgesetzt; Beanspruchung, Schaden und Bericht entstehen weiterhin in StatiCAD mit der TBDY-Kette
  • Ohne SAP2000 werden alle Analysen und Berichte mit dem StatiCAD-Löser erstellt

Bilder aus dem Programm

StatiCAD-Fenster für die nichtlineare Pushover-Analyse: Richtungskombinationen, Pushover-Kurve, Performance Point und Analyseprotokoll

Fenster der nichtlinearen Pushover-Analyse: Richtungskombinationen, Pushover-Kurve, Performance Point und Leistungsniveau des Gebäudes

Nichtlineare Pushover-Kurve: Basisschubkraft – Kopfverschiebung und Performance Point

Pushover-Kurve und Performance Point (Basisschubkraft – Kopfverschiebung)

Schritt-für-Schritt-Anleitung: Wie wird eine nichtlineare Pushover-Analyse durchgeführt? (Wissensdatenbank)

So funktioniert es

  1. Modellieren Sie das bestehende Gebäude; geben Sie Querschnitte, Bewehrung und die vor Ort ermittelten Materialfestigkeiten ein.
  2. Aktivieren Sie in den Allgemeinen Projekteinstellungen die Vulnerabilitätsbewertung für Stahlbeton, wählen Sie das Kenntnisniveau und starten Sie die Analyse. Der Bericht der linearen Bewertung liegt in diesem Schritt bereits vor.
  3. Legen Sie im Fenster Nichtlineare Pushover-Analyse die Richtungskombinationen und Optionen (verfestigendes Gelenk, multimodale Pushover-Analyse, IRSA, P-Δ) fest und starten Sie die Analyse.
  4. Prüfen Sie für jede Richtung die Pushover-Kurve, den Performance Point und die 3D-Schadensverteilung; erstellen Sie den Bericht der gewählten Richtung.
  5. Ist das Gebäude unzureichend, definieren Sie die Ertüchtigung im selben Projekt und führen Sie die Bewertung im ertüchtigten Zustand erneut durch.

Berichte

Für jede Richtungskombination ein detaillierter Bericht mit Vorschau und Speicherung als PDF:

  • Pushover-Kurve und modales Kapazitäts-Anforderungs-Diagramm
  • Berechnung der seismischen Beanspruchung und Anwendbarkeitsprüfungen (ηbi, Massenbeteiligung)
  • Tabellen zu plastischer Rotation und Schadensbereich, Bauteil für Bauteil
  • Materialmodelle und Dehnungsnachweise in den Randbereichen von Wandscheiben
  • Zusammenfassungen der multimodalen Pushover-Analyse und von IRSA, Profil der Geschossverschiebungen
  • Leistungsniveau des Gebäudes und Begründung des Urteils

Hilfedokumente

Schritt-für-Schritt-Anleitungen, Beispiellösungen, theoretische Grundlagen und Verifizierungsstudien in der Wissensdatenbank.

Verifizierung

Die Pushover-Engine von StatiCAD wurde durch automatische Modell-zu-Modell-Vergleiche mit SAP2000 V27 verifiziert. Am Beanspruchungspunkt, an dem das ingenieurmäßige Urteil gefällt wird, liefern beide Programme dieselbe Kopfverschiebung und übereinstimmende Schadenstabellen; bei sieben von acht Richtungskombinationen ist das Gebäudeurteil identisch. Die einzige Abweichung ist ein Grenzfall, in dem die Beanspruchung genau auf die Fließgrenze trifft.

Die Verhältnisse der Basisschubkraft am Kurvenscheitel liegen bei einseitig gerichteten Pushover-Analysen im Bereich 0,89–0,93, und StatiCAD liegt durchgängig auf der sicheren Seite. Dieselben Vergleiche lassen sich mit der Option „Mit SAP2000 verifizieren“ in jedem Projekt erneut erzeugen.

Details der Verifizierungsarbeiten (Wissensdatenbank)

Normen

TBDY 2018 Kapitel 15 TBDY 2018 Kapitel 5 (ŞGDT) EK 5A und EK 5B TBDY 5.6.5 und 5.6.6 TS 500
In welcher Version? Das Modul für Vulnerabilitätsbewertung und Ertüchtigung von Stahlbeton ist in den Versionen StatiCAD Ultimate, Profesyonel und Betonarme enthalten.

Häufig gestellte Fragen

Nach welcher Norm erfolgt die Vulnerabilitätsanalyse von Stahlbetongebäuden?

Bestehende Stahlbetongebäude werden nach TBDY 2018 Kapitel 15 bewertet. Bei der verformungsbasierten Bewertung gelten Kapitel 5 mit EK 5A (Materialmodelle) und EK 5B (seismische Beanspruchung); das Leistungsurteil des Gebäudes wird nach den Regeln in 15.8 gefällt.

Soll ich das lineare Verfahren oder die Pushover-Analyse verwenden?

TBDY 2018 lässt beide Wege zu; die Wahl hängt von den Eigenschaften des Gebäudes und der Einschätzung des Ingenieurs ab. In StatiCAD können Sie am selben Modell zuerst die lineare Bewertung und dann die nichtlineare Pushover-Analyse ausführen und die Ergebnisse vergleichen.

Was geschieht, wenn die Voraussetzungen der einmodalen Pushover-Analyse nicht erfüllt sind?

Liegt die Massenbeteiligung der Grundschwingform unter 70 % oder überschreitet der Torsionsunregelmäßigkeitsfaktor ηbi den Wert 1,4, wird dies im Bericht deutlich gekennzeichnet. Für solche Gebäude kann nach TBDY 5.6.6 mit der multimodalen Pushover-Analyse oder mit IRSA bewertet werden.

Ist für die Pushover-Analyse SAP2000 erforderlich?

Nein. Alle Analysen und Berichte werden mit dem eigenen Löser von StatiCAD erstellt. Ist SAP2000 V27 auf Ihrem Rechner installiert und lizenziert, stehen zusätzliche Optionen zur Verfügung, um die Ergebnisse mit einem unabhängigen Löser zu vergleichen oder die Berechnung mit der SAP2000-Lösung fortzusetzen.

Kann nach der Vulnerabilitätsanalyse eine Ertüchtigung entworfen werden?

Ja. Die Ertüchtigung wird in derselben Projektdatei an den Bauteilen definiert und mit einer einzigen Option in die Berechnung einbezogen; die Ergebnisse vor und nach der Ertüchtigung werden im Bericht verglichen. Einzelheiten finden Sie auf der Seite Stahlbeton-Ertüchtigung.

In welcher StatiCAD-Version ist es enthalten?

Das Modul für Vulnerabilitätsbewertung und Ertüchtigung von Stahlbeton ist in den Versionen Ultimate, Profesyonel und Betonarme enthalten. Mit der kostenlosen Demo-Version können Sie den Ablauf an Ihrem eigenen Projekt ausprobieren.

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