Seismic Risk Assessment of Masonry Walls and Risk Reduction by Means of Prestressing

Sperbeck, Silvio T.

The basis for the management of seismic risk is a developed risk management chain with definitions of its important components. Demandable knowledge about masonry, earthquakes, their probabilistic description, transient structural analyses and modern demands for aseismic design is provided. The main focus lies on the analysis of vulnerability of unreinforced and vertical prestressed masonry. Its results are physical damages that are used for the above mentioned risk estimation. The impact of vertical prestressing and its dependency on practical methods of execution on the meaningful ductility is asserted, described and theoretically explained by an interaction between internal tendons and the wall itself. Numerical methods and three material laws for masonry are elucidated that are used for the extensive simulations. By means of the experimental tests, the numerical models are calibrated. The impact of prestressing on the dynamic behaviour is pointed out. Furthermore, influencing factors on the structural behaviour and simulations results are investigated. Sensitivities and correlations are results of extensive probabilistic simulations. However, the estimation of probability density functions for different damage parameters is the main aim of the probabilistic simulations. As an outcome, vertical prestressing of masonry is only conditionally useful in case of seismic action. It depends on several factors, for instance properties of structures and earthquakes, degree of prestressing or considered damage parameters. In general, the mortar damage is reduced, but the unit damage is increased. Further ideas are taken into account and developed to reduce the damage of masonry in case of seismic action. It closes with the application of the suggested risk management concept to an example in the region of Aachen, Germany. The risks are calculated and compared.

Grundlage des Risikomanagements dieser Dissertation ist eine entwickelte Risikobewertungskette sowie Definitionen wesentlicher Komponenten. Nötige Grundlagen zu Mauerwerk, Erdbeben, deren probabilistische Beschreibung, Strukturdynamik und moderne Anforderung an erdbebengefährdete Tragwerke werden zusammengestellt. Kernthema ist das Analysieren der Vulnerabilität von unverstärktem und vertikal vorgespanntem Mauerwerk, woraus sich Schäden für die erwähnte Bewertungskette ergeben. Der Einfluss vertikaler Vorspannung und dessen Abhängigkeit von praktischen Ausführungsarten auf die bedeutungsvolle Duktilität wird festgestellt, illuminiert und auf eine Interaktion von innenliegenden Spanngliedern mit der Wand zurückgeführt. Es wird auf numerische Methoden und drei Stoffgesetze für Mauerwerk eingegangen. Unter Nutzung dieser und vorhandener experimenteller Untersuchen zur Kalibrierung der numerischen Tragwerksmodelle, werden umfangreiche Untersuchungen durchgeführt. Die Beeinflussung des dynamischen Verhaltens durch Vorspannung wird aufgezeigt. Sensitivitäten und Korrelationen sind Ergebnis umfangreicher probabilistischer Simulationen. Deren Hauptziel sind jedoch Wahrscheinlichkeitsverteilungen für unterschiedliche Schadensparameter. Es zeigt sich, dass vertikale Vorspannung bei Erdbeben nur bedingt sinnvoll ist. Dies ist von vielen Faktoren, wie Tragwerks- und Erdbebeneigenschaften, Grad der Vorspannung sowie betrachteten Schadensparametern abhängig. Tendenziell wird der Mörtelschaden verringert, der Steinschaden jedoch vergrößert. Weitere Maßnahmen zur Reduzierung von Erdbebenschäden an Mauerwerk werden vorgeschlagen, begründet und in ersten Simulationen untersucht. Die Arbeit schließt mit der Anwendung der Risikomanagementkette auf ein Beispiel der Region Aachen, an dem Risiken für unterschiedliche Schadensparameter bestimmt und verglichen werden.

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Sperbeck, Silvio T.: Seismic Risk Assessment of Masonry Walls and Risk Reduction by Means of Prestressing. 2008.

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