Finite-Elemente-Analyse einer konstruktiven Säule auf das Aus-der-Ebene-Verhalten der beschädigten stahlrahmengefüllten Wand

Warum diese Wände bei Erdbeben wichtig sind

Wenn ein Erdbeben auftritt, treffen die Backstein- oder Blockwände, die die Zwischenräume in Gebäuderahmen ausfüllen, oft zuerst. Diese „Ausfachungs“wände werden meist als nichttragende Trennwände betrachtet, doch in Wirklichkeit tragen sie stillschweigend dazu bei, Gebäude stützend zu stabilisieren. Diese Studie untersucht eine neue, einfachere Art, die kleinen vertikalen Säulen in solchen Wänden zu erstellen, und stellt eine zentrale Frage: Kann diese vereinfachte Konstruktion die Wand — und die darin befindlichen Personen — noch schützen, wenn Erschütterungen aus einer Richtung die Wand aus der Ebene heraus versagen lassen, ähnlich wie ein Buch, das aus dem Regal fällt?

Wie gewöhnliche Wände reagieren, wenn sich der Untergrund bewegt

In vielen modernen Gebäuden wird ein Skelett aus Stahl- oder Betonrahmen mit Mauerwerkswänden ausgefacht. Während eines Erdbebens interagieren diese Wände auf komplexe Weise mit dem Rahmen. Sie können das gesamte Bauwerk versteifen und Energie aufnehmen, aber sie können auch Risse bilden und versagen. Eine kritische Schwachstelle ist das Aus-der-Ebene-Versagen, bei dem die Wand seitlich durchbiegt und hervorwölbt und nach außen einstürzen kann. Frühere Beobachtungen nach Erdbeben haben gezeigt, dass das Hinzufügen schmaler vertikaler „konstruktiver Säulen“ in der Wand ihre Stabilität erheblich verbessern kann. Die übliche Methode — das Ortbetonieren dieser Säulen — erfordert jedoch mehrere Tage Arbeit, sorgfältige Schalungen und Rütteln und leidet oft unter Qualitätsproblemen.

Eine einfachere Säulenlösung in der Wand

Um diese praktischen Hürden anzugehen, untersuchen die Autoren eine vorgefertigte konstruktive Säule, die zusammen mit der Wand in einem einzigen, effizienten Schritt errichtet wird. Anstatt erst die Schalung aufzubauen und dann Beton separat zu gießen und zu rütteln, setzen die Handwerker beim Verlegen der Steine vorkonfektionierte Blöcke und Bewehrung ein und füllen die Zwischenräume mit Injektionsmörtel. Dieser Ansatz verkürzt die Bauzeit für eine Wand von drei auf einen Tag und senkt die direkten Kosten um etwa 30 Prozent. Frühere Tests zeigten, dass diese gefertigten Säulen flexibler sind als traditionelle Ortbeton-Säulen, was zur gewünschten Designidee eines starken Rahmens und einer etwas schwächeren Wand passt: Der Hauptträgerrahmen bleibt geschützt, während sich der Schaden auf austauschbare Ausfachung konzentriert.

Virtuelle Erschütterungsprüfungen mit detaillierten Computermodellen

Anhand vorheriger Versuchsergebnisse im vollen Maßstab erstellte das Team drei hochaufgelöste Computermodelle eines eingeschossigen Stahlrahmens mit einer Mauerwerksausfachung: eines ohne innere Säule, eines mit herkömmlicher Ortbeton-Säule und eines mit der neuen vorgefertigten Variante. Sie modellierten sorgfältig die Steine, den Mörtel, den Stahlrahmen, die Bewehrungsstäbe und die Kontaktflächen und simulierten dann zyklische in-plane-Bewegungen (seitliche Verformung) gefolgt von out-of-plane-Belastung, die die Wand senkrecht zu ihrer Fläche drückt. Diese Simulationen reproduzierten Schlüsselfunktionen aus Laborversuchen, einschließlich der Entstehung diagonaler Risse, des Zusammendrückens oder Abhebens von Wandteilen und der Lastteilung zwischen Rahmen und Wand, was Vertrauen darin schafft, dass die Modelle das reale Verhalten erfassen.

Was passiert, wenn Wände aus der Ebene gedrückt werden

Die Ergebnisse zeigen, dass konstruktive Säulen das Biege- und Rissverhalten der Wand unter out-of-plane-Belastung deutlich verändern. In der Wand ohne Säule wird der mittlere Bereich stark nach außen gedrückt, und Risse breiten sich in einem X-förmigen Muster aus, wodurch sich ein einzelner Bogen zwischen den seitlichen Stützen bildet. Bei vorhandener Ortbeton-Säule wird die Wand effektiv in zwei kürzere Felder geteilt, von denen jedes seinen eigenen Bogen ausbildet. Dies reduziert das seitliche Auswölben in der Mitte und verlagert Risse in Richtung der Säulenränder. Die vorgefertigte Säule erzeugt ein ähnliches Zwei-Bogen-Verhalten, konzentriert den Schaden aber stärker an den Fugen zwischen ihren vorgefertigten Blöcken, wo der Mörtel empfindlicher ist. Insgesamt begrenzen beide Säulentypen die maximale out-of-plane-Verschiebung im zentralen Wandbereich.

Wie viel Festigkeit gewonnen oder verloren geht

Die Zahlen aus den Simulationen verdeutlichen die Kompromisse. Im Vergleich zur Wand ohne innere Säule erhöht die Ortbeton-Säule die out-of-plane-Tragfähigkeit mehr als um das Doppelte, während die vorgefertigte Säule sie annähernd verdoppelt. Beide erhöhen zudem die Duktilität der Wand, sodass sie sich stärker verformen kann, bevor sie Festigkeit verliert, und sie verringern, wie stark in-plane-Schäden die out-of-plane-Leistung schwächen. Allerdings zieht die sehr steife Ortbeton-Säule auch größere Kräfte bei in-plane-Erregung an, was zu stärker lokalen Schäden führen kann, wenn die Wand später aus der Ebene gedrückt wird. Die flexiblere vorgefertigte Säule hat in reinen Zahlen einen geringeren Verstärkungseffekt, begrenzt aber besser die out-of-plane-Verschiebung und den Schaden, nachdem die Wand bereits in der Ebene gerissen ist.

Was das für sichereres, schnelleres Bauen bedeutet

Für Nicht-Fachleute lautet die Kernbotschaft klar: Schlanke vertikale Säulen in Backstein-Ausfachungswänden reduzieren deutlich die Wahrscheinlichkeit, dass diese Wände während oder nach einem Erdbeben aus einem Rahmen herauswölben und einstürzen. Eine geschickt vorgefertigte Variante kann einen Großteil dieses Schutzes mit einfacherer, kostengünstigerer Bauweise erreichen. Die Ortbeton-Säule liefert zwar nach wie vor die größte rohe Festigkeit, doch die neue vorgefertigte Säule bietet ein vielversprechendes Gleichgewicht aus Sicherheit, Duktilität, Baugeschwindigkeit und Kosten. Da diese Studie auf eingeschossige Rahmen und einen Wandtyp beschränkt ist, sind weitere Untersuchungen nötig, bevor die Ergebnisse auf Hochhäuser oder andere Mauerwerksmaterialien übertragen werden. Dennoch weist die Forschung auf praktikable, ausführbare Details hin, die gewöhnlichen Wänden helfen könnten, im Ernstfall lebensrettende Arbeit zu leisten, wenn der Boden zu beben beginnt.

Zitation: Wang, Z., Luo, H., Lin, H. et al. Finite element analysis of a constructional column on the out-of-plane performance of the damaged steel frame-infilled wall. Sci Rep 16, 11177 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39054-w

Schlüsselwörter: Mauerwerksausfachungswände, Erdbebeningenieurwesen, konstruktive Säulen, Finite-Elemente-Analyse, Aus-der-Ebene-Verhalten