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Räumliche Pushoveranalysen von Stahlbetontragwandsystemen

Lukas Maul

Titel

Räumliche Pushoveranalysen von Stahlbetontragwandsystemen

Autor/in

Datierung

17.01.2025

Beschreibung

In dieser Arbeit wird eine Möglichkeit zur skriptbasierten parametrischen Modellbildung
eines räumlichen Stabmodells mittels Python und OpenSees aufgezeigt. Zudem wird ein
Vergleich des elastischen Tragwerkverhaltens mit RFEM vorgenommen. Die Modellierung
dient zur elastischen und inelastischen Tragwerksanalyse von Massivbauten, bestehend aus
Stahlbetontragwänden und -decken. Die Modellbildung basiert auf den Vereinfachungen
des Ersatzkraftverfahrens. Es werden ebenbleibende Querschnitte vorausgesetzt. Die
Schub- und Torsionsverformungen der einzelnen Tragwände werden vernachlässigt. Es
werden einzig Rechteckquerschnitte betrachtet. Zur Bemessung der Biegebewehrungen
werden die Werkstoffgesetze aus SIA262:2013 verwendet. Für die inelastische Analyse
wird ein charakteristisches Betonwerkstoffgesetz nach Quast-Pfeiffer verwendet, das sich
abhängig von der maximalen Stahlzugspannung verändert. Der Stahl wird bilinear verfestigend
approximiert. Es wird eine numerische parabelgestütze Nullstellensuche zur
Bestimmung von Momenten-Krümmungsbeziehungen unter beliebigenWerkstoffgesetzen
aufgezeigt. Die Momenten-Krümmungsbeziehungen dienen als Eingangsgrösse für
die Biegesteifigkeitsdefinition der Tragwände in OpenSees, mittels dem die räumliche
Lastumlagerung simuliert wird. An einem Berechnungsbeispiel wird eine monotone Pushoveranalyse
als mögliche Eingangsgrösse für die Kapazitätsspektrummethode durchgeführt.
Es wird ein uniformer Lastvektor an einem fiktiven Gebäude angesetzt und das Umlagerungsverhalten
in Lastschrittdiagrammen an denWandfusspunkten dargestellt. Es
zeigt sich, dass der numerischen Genauigkeit der Momenten-Krümmungsbeziehungen im
Bereich des Betonreissens bis Stahlfliessens ein besonderes Augenmerk gegeben werden
sollte. Das Lastumlagerungsverhalten konnte mittels der Lastschrittdiagramme anschaulich
aufgezeigt werden. Die Querschnittsanalysen in Python bedürfen eines effizienteren
Lösungsverfahrens. OpenSees eignet sich zur effizienten inelastischen Tragwerksanalyse.

In this work, a possibility for script-based parametric modeling of a spatial beam model
using Python and OpenSees is shown. In addition, a comparison of the elastic structural
behavior with RFEM is carried out. The modeling is used for parametric elastic and inelastic
structural analysis of solid structures consisting of reinforced concrete load-bearing walls
and floors. The modeling is based on the simplifications of the equivalent force method.
It is assumed that the cross-sections remain flat. The shear and torsional deformations
of the individual load-bearing walls are neglected. Only rectangular cross-sections are
considered. The nonlinear material laws from SIA262:2013 are used to design the bending
reinforcements. For the inelastic analysis, a characteristic concrete material law according
to Quast-Pfeiffer is used, which changes depending on the maximum steel tensile stress.
The steel is approximated by bilinear hardening. A numerical parabola-supported zeropoint
search for the determination of moment-curvature relationships under arbitrary
material laws is shown. The moment-curvature relationships serve as input variables for
the bending stiffness definition of the load-bearing walls in OpenSees, by means of which
the spatial load redistribution is simulated. A monotonic pushover analysis is carried out
as a possible input variable for the capacity spectrum method in a calculation example. A
uniform load vector is applied to a fictitious building and the redistribution behavior is
shown in load step diagrams at the wall base points. It is shown that particular attention
should be paid to the numerical accuracy of the moment-curvature relationships in the area
of concrete cracking to steel yielding. The pushover curves could be clearly plausibilized
via the load step diagrams. The cross-section analyses in Python require a more efficient
solution method. OpenSees is suitable for efficient inelastic structural analysis.
This text was translated from the german abstract with www.deepl.com/translator (free version)

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