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A. Seltenhammer:
"Earthquake Resistance of Different Masonry Materials";
Poster: 14th World Conference on Earthquake Engineering (14 WCEE), Peking (invited); 2008-10-12 - 2008-10-17.

The present study is about calculating the earthquake resistance of a representative building made of 3 different masonry materials, vertically perforated clay block, sand-lime block, and aerated concrete (AAC) block. The calculation is done following the rules of the current European Codes EN1998-1 and EN1996-1-1. The underlying construction is a building of 3 stories with 3 meters each. For an easy but also meaningful comparison of the 3 varieties the shear wall portion amounts 4% in each excitation direction for all 3 alternatives. Rudimental for the comparison is, that all varieties do have the same Base Shear Coefficient (BSC = base shear force / building weight). The static system is a continuous beam with a field length of 5m. In the analysis and the comparison the maximum loaded middle-wall which has a thickness of 30cm is considered. For the building with the perforated clay bricks the natural frequency is estimated on basis of empirical values from in-situ measurements of typical masonry building constructions. Thus the effective stiffness of the equivalent linear oscillator is acquired. The effective stiffness of the other 2 varieties changes with the stiffness of the used materials, but it happens that the natural periods of all the 3 varieties stay within the constant spectral acceleration branch of the design spectra of EN1998-1. For comparing the efficiency of the earthquake resistance of the different materials the Resistance Excitation Ratio (RER) is introduced. The resistance is calculated using the characteristic shear strength and the area of the shear walls. The excitation is the seismic base shear force which is calculated using the lateral force method of analysis. The performed study shows how different materials affect the seismic performance of masonry buildings and it is also meant to be a guidance for the evaluation of the earthquake resistance according to the rules of the present European Standards.

Über Jahre hinweg wurden Mauerwerksbauten nach Erfahrung und Tradition errichtet. Es wurde weder mit Werkstoffen, die einer vorgeschriebenen Mindestqualität entsprechen, gebaut noch wurden die Bauwerke so bemessen, dass diese einer vorgegebenen Belastung widerstehen. Erst im letzen Jahrhundert sind Rechenmodelle und Prüfverfahren entwickelt worden die schließlich zur aktuellen Normung und der darin enthaltenen Bemessungsmodelle führten. Auf die Bemessungssituation Erdbeben wurde noch vor wenigen Jahrzehnten ebenso keine Rücksicht genommen.
Die Berechnungen dieses Beitrages beruhen auf den Regeln der aktuellen europäischen Normen EN 1998-1:2005 und EN 1996-1-1:2006. Es wird die Ermittlung des Erdbebenwiderstandes von einem repräsentativen Gebäude aus 3 verschiedenen Mauerwerksmaterialien, Hochlochziegeln aus gebranntem Ton, Kalksandstein und Porenbeton präsentiert. Das den Berechnungen zugrundeliegende Gebäude besteht aus 3 Etagen mit einer Stockwerkshöhe von je 3m. Um die 3 Varianten einfach aber dennoch aussagekräftig vergleichen zu können wird bei jeder ein Schubwandanteil von 4% der Grundrißfläche in beide Anregungsrichtungen angenommen. Es zeigt sich, dass die Eigenperioden aller Varianten im Plateaubereich des Bemessungsspektrums (konservative Seite) nach liegen und somit lediglich die Masse des Bauwerks als variable Größe in die Berechnung der Gesamterdbebenkraft eingeht. Damit ist auch der 'Base Shear Coefficient´ bei allen Varianten ident. Das statische System der belasteten Decken beruht auf einem einachsig gespannten Durchlaufträger mit einer Feldlänge von 5m wobei die höchstbelastete Mittelwand mit einer Stärke von 30cm zur Analyse und zum Vergleich herangezogen wird.
Für das Gebäude aus Hochlochziegeln wird die Eigenfrequenz von repräsentativen in-situ Messungen abgeleitet und damit die effektive Steifigkeit des äquivalenten Einmassenschwingers berechnet. Für die weiteren Varianten ändert sich die effektive Steifigkeit mit der Steifigkeitsänderung des Mauerwerkmaterials.
Damit die Effizienz des Erdbebenwiderstandes der verschiedenen Varianten anschaulich verglichen werden kann wird der Resistance Excitation Ratio (RER) Wert eingeführt, welcher das Verhältnis von Widerstand zu Belastung angibt. Der Widerstand wird mit der charakteristischen Schubfestigkeit und der Schubwandfläche berechnet. Die horizontale Belastung entspricht der Erdbebengesamtkraft, welche nach dem vereinfachten Antwortspekrumverfahren ermittelt wird.
Einerseits zeigt die vorliegende Studie wie sich der Einsatz unterschiedlicher Materialien auf die Erdbebeneffizienz auswirkt, andererseits dient dieser Aufsatz als Anleitung für die einfache Ermittlung des Erdbebenwiderstandes nach den aktuellen europäischen Normen. Mit dem RER-Wert wird ein einfacher aber anschaulicher Vergleich der verschiedenen Varianten möglich.

Masonry, EN1998-1, EN1996-1-1