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Abstract (German)

Überall auf der Welt sind Millionen von Menschen mit einem großen Bedarf nach bezahlbaren Häusern vorhanden. Die meisten von ihnen sind entweder zum ersten Mal Hauseigentümer oder in Folge einer Naturkatastrophe wie z.B. einem Erdbeben obdachlos. Laut Statistik befindet sich der größte Teil dieser Bevölkerungsgruppe in den Entwicklungsländern, in denen die Wahrscheinlichkeit eines Erdbebens hoch und das durchschnittliche Einkommensniveau mittel bis niedrig ist.

Neben Wohnhäusern haben auch Schulen eine große infrastrukturelle Bedeutung. Bei einem durch ein Erdbeben verursachten Einsturz sind die im Gebäude befindlichen Menschen extrem gefährdet, was darüber hinaus die Funktion solcher Gebäude als Schutzunterkünfte ausschließt.

Während mit herkömmlichen Bauweisen die starke Nachfrage nicht erfüllt werden kann, zeigen die hohen Schadenszahlen bei den Erdbeben der jüngeren Vergangenheit, dass die Gebäude in den betroffenen Regionen oftmals nicht erdbebensicher sind. Dieses hohe Niveau der Schadenpotenziale wird hauptsächlich durch falsche Konstruktions- und Designprinzipien verursacht und zeigt, dass Häuser und Schule mit einem angemessenen Niveau des Erdbebenwiderstands zu planen, zu detaillieren und zu konstruktieren sind – selbstverständlich ohne Mehrkosten im Vergleich zu althergebrachten Bauweisen.

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer vereinfachten und kostengünstigen Lösung, die das seit Jahrhunderten bekannte und sehr gut funktionierende Prinzip von Fachwerkhäusern zu Grunde legt. Aus diesem Grund werden im Rahmen dieser Arbeit die wichtigsten Eigenschaften dieser Häuser benannt, zusammengefasst und für die empfohlene Lösung, benannt als „systematically braced frames“, (elementiertes Bauen mit ausgesteiften Schweißrahmen) eingesetzt. Wegen der interdisziplinären Zusammenhänge dieses Problems wird mit Hilfe eines innovativen Einsatzes der Produktentwicklung im Bauwesen ein Fachwerk entwickelt. Anschließend wird die Lösung in vier aufeinander folgenden Phasen entwickelt:

- Aufgabenerklärung

- Konzeption der Hauptelemente

- Tragwerksentwurf der Stahlstruktur, und

- Detailkonstruktion eines Mustergebäudes einer Schule im Iran mit dem Ziel die Signifikanz und die Anwendbarkeit der Lösung zu untersuchen.

Um eine hohe Qualität des Produktes zu garantieren, wird zunächst eine industrielle Off-site Fertigbauweise der sicherheitsrelevanten Hauptelemente unter einer strikten Aufsicht durchgeführt. Anschließend kann der Rest des Bauwerkes von ortsansässigen Fach- und Hilfskräften mit den vorhandenen regionalen Materialien so fertig gestellt werden, dass eine Akzeptanz des Bauwerks unter kulturellen und finanziellen Gesichtspunkten erreicht wird. Gleichzeitig werden auf diese Weise lokale Arbeitsplätze geschaffen.

Als ein Bestandteil der Berechnung zur Standsicherheit im Erdbebenfall werden im Rahmen dieser Arbeit die horizontale Steifigkeit und Duktilität analytisch untersucht.

Abstract (English)

Millions of people worldwide are in urgent need of affordable houses. The majority of these populations are either first-time home owners or those who have lost their dwellings as a result of a natural hazard, like an earthquake. According to the statistics, these people are mainly living in developing countries with a relatively high level of seismic risk and low to medium incomes.

In addition to the residential buildings, schools are one of the most demanded infrastructures with a high level of importance in sense of seismic design; their damage endangers a high number of occupants, and interrupts their function as urgent shelters in afflicted areas.

This work aims at developing a simple and low-cost solution, inspired by good performance of traditional low-rise half-timber structures. Therefore, the main parameters of this good performance is realized and adopted for the recommended solution, called systematically braced frames. Due to the multidisciplinary nature of the problem, a framework is developed by innovative adoption of Product Development into civil engineering, which prepares the basis for contribution of several required disciplines, even in future. The solution is then developed during four phases of Product Development, namely:

- Task clarification,

- Conceptual design of main components,

- Structural design of the steel structure, and

- Detail design of a sample school building in Iran to investigate the significance and applicability of the solution.

While traditional practices are unable to cope with currently high demands, large number of fatalities and wide spread damages during last earthquakes show that houses in many regions of the world are seismically vulnerable. The high level of vulnerability is mainly caused due to inappropriate construction techniques and reveals that houses and schools have to be designed, detailed and constructed with an adequate level of earthquake-resistance and an affordable price.

To assure a high quality, an off-site prefabrication of main safety-relevant structural elements under strict supervision is supported here, while the rest of the structure can be accomplished by local labor, to generate local job opportunities, using regional available materials, to provide cultural acceptance and to minimize costs.

As required for the seismic study, horizontal stiffness and ductility are investigated analytically during the work.

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