Erdbeben und Talsperren

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1 Öffentliche Mittwoch 28. April 2010 Wehr Erdbeben und Talsperren Dr. Jost A. Studer, Zürich 1

2 Gliederung Erdbeben in Baden-Württemberg, Vergleich mit anderen Ländern Ermittlung der Erdbebengefährdung Verletzlichkeit von Talsperren bei Erdbeben Zusammenfassung 2

3 Messen der Erdbebenstärke Intensität: Beobachtung von Schäden Natur Lebewesen Bauten Magnitude: Messen der abgestrahlten Erschütterungen 3

4 Messeinheiten der Erdbebenstärke 1 - Magnitude aus Messung mit Seismograph 2 - Bruchfläche 3 - Erdbebenherd 4 - Epizentrum 5 - Intensitätsverteilung aus Beobachtung 4

5 Gefährdung: Europa, Mittelmeerraum B-W Quelle : Projekt SESAME schwach mittel stark sehr stark 5

6 Seismizität seit 1000 Jahren (SED) MSK 6

7 Intensitäten in Mitteleuropa - Wiederkehrperiode 475 Jahre 7

8 Erdbebengefährdung in Deutschland Erdbebengefährdungskarte der Spitzenbodenbeschleunigung Erdbebenüberschreitenswahrscheinlichkeit 4% in 100 Jahren, entsprich einer Wiederkehrperiode von 2500 Jahren Grünthal et al. (2009) 8

9 Ermittlung der Erdbebengefährdung Erschütterungen: Deterministische Methode DSHA - Deterministic Seismic Hazard Analysis Probabilistische Methode PSHA - Probabilistic Seismic Hazard Analysis Methode zur Ermittlung der Gefährdung in Baden-Württemberg Verwerfungen: Deterministisch 9

10 Bodenbewegung Gefährdungsfunktion Anzahl Erebeben Probabilistische Seismische Gefährdungsanalyse Quellencharakteristik Erdbebenverteilung Seismotektonische Quellen Verwerfung Totale Gefährdung am Standort Region Magnitude Abminderungs -gesetze Bodenbewegung Distanz 10

11 Seismizität aus Erdbebenkatalogen, Bsp. Bujagali - Uganda Verwendete Kataloge: International Seismology Centre US Geological Survey Standort Magnitude

12 Geologische und Seismotektonische Bedingungen, Ostafrika Strukturgeologische Karten 12

13 Seismische Quellzonen der PSHA Bestimmen der Seismischen Quellzonen Grundlage geologische, tektonische und seismologische Randbedingungen Quellzonen mit ähnlichen Erdbebencharakteristiken Standort 8 Magnitude

14 Abminderungsgesetze Ambraseys et al. (2004) Campbell & Bozorgnia (2003) Boore, Joyner & Fumal (1997) 14

15 Ergebnis der PSHA für PGA 15

16 Verwerfungen Verwerfungen könne problematisch sein, wenn: aktiv und durch Fundation / Flanken / Reservoir der Talsperre gehen bestimmte Stärke (Potential) aufweisen Verschiebungen erzielen Beurteilung einer Verwerfung Potential einer Verwerfung: hängt von Länge und Grösse der Bruchfläche ab Erfahrungswerte aus weltweiten Daten Aktivität: aus topographischen Gegebenheiten Untersuchung der Versatzbewegung etablierte Methoden vorhanden 16

17 Erdbeben von Basel 1356 stärkstes Erdbeben nördlich der Alpen, Magnitude 7 Bestandteil des Rheingrabens Epizentrum linksrheinisch von Basel (Blauen) relativ gut erforscht Verwerfungen im interessierenden Gebiet sind nicht Bestandteil der Verwerfungen des Basler Bebens 17

18 Schutzziele bei Talsperren (DIN 19700) MCE Maximum Credible Earthquake Sicherheitsniveau Schaden am Damm ist zulässig Unkontrollierter Ausfluss des Reservoirs muss verhindert werden Sicherheitsrelevante Einrichtungen müssen funktionstüchtig bleiben Wiederkehrperiode des Bemessungserdbebens 2500 Jahre OBE Operating Based Earthquake Gebrauchstauglichkeit Kein struktureller Schaden am Damm ist zulässig (keine Rissbildung) Alle Einrichtungen müssen funktionstüchtig bleiben Wiederkehrperiode des Betriebserdbebens 500 Jahre 18

19 Erdbebenschäden bei Talsperren Erdschüttdamme Mauern Erfahrungen zeigen gutes Verhalten, wenn: genügend Sicherheit bei statischen Lasten geeignetes Damm und Fundationsmaterial gute Verdichtung gutes massives Bauwerk (nicht aufgelöst) Flanken stabiler Fels Probleme bei: lockergelagerte kohäsionslose Materialien, z.b. Hydraulic Fill Probleme bei: differentiellen Deformationen in der Maueraufstandsfläche Erprobte Analysemethoden vorhanden 19

20 Verletzlichkeit von Erd- und Schüttdämmen Direkter Einfluss der Verwerfung Zerreissen des Dammes, wenn auf aktiver Verwerfung Verlust des Freibordes und überspülen der Dammkrone infolge differenzieller Setzungen Gegenmassnahmen: geeignete Standortwahl Direkte Einwirkung des Bebens auf den Dammkörper und Fundation Überspülen infolge Setzungen und Sackungen Stabilitätsverlust der Böschungen Versagen der Fundation als Folge von induzierten Porenwasserdrücken Gegenmassnahmen: günstige Querschnittsgestaltung Bei Entstehung von Rissen Gefahr innerer Erosion Breite Kern- und Filterzonen, "selbstheilendes" Dichtmaterial verwenden 20

21 Verletzlichkeit von Erd- und Schüttdämmen Indirekte Gefährdung - ungünstiges Verhalten des Reservoirs Überspülen des Dammes infolge Rutschungen der Uferböschungen Überspülen durch Wellenschlag aus Eis-, Fels- und Schneelawinen Überspülen durch bebeninduzierte Wellen Untersuchung der Uferböschungen, höheres Freibord, Erosionsschutz Indirekte Gefährdung durch Versagen von Nebenanlagen Zerstörung der Entnahmebauwerke oder Hochwasserentlastung kann evtl. Überspülen zufolge haben Nebenanlagen müssen auch erdbebensicher dimensioniert sein Erdbebensicherheit umfasst nicht nur Dammstabilität 21

22 Relative Verschiebung Beschleunigung Böschungsdeformationen unter Erdbebeneinwirkung a c Gleitblock Potentielle Gleitfläche Analogie zum Blockgleiten Newmark (1965) 22

23 Beispiel: oberflächengedichteter Damm Lastfall: Stauziel oberflächennaher, hangparalleler Böschungsbruch brechen der Oberflächendichtung Prüfen der hydraulischen Stabilität des Dammes Gleitkreis Asphaltdichtung Äussere Zone Vorschüttung 23

24 Zusammenfassung (I) Seismizität Baden-Württemberg schwache bis mittlere Seismizität gute Datengrundlage vorhanden moderne probabilistische Gefährdungsberechnung vorhanden Verwerfungen Methoden zur Beurteilung vorhanden (international angewendet und akzeptiert) gute Kenntnisse der Verhältnisse vorhanden 24

25 Zusammenfassung (II) Talsperren wenig empfindlich auf Erdbeben international anerkannte Analyse- und Berechnungsmethoden (ICOLD, DIN, Arbeitshilfe Baden-Württemberg) Mehrstufige Genehmigungsverfahren (unabhängige Prüfingenieure, Behörden) Projektbeteiligte haben bezüglich Talsperren und Erdbeben internationale Erfahrungen (von schwacher bis starker Seismizität, alle Talsperrentypen) 25

26 Reserve 26

27 Reservoir induzierte Seismizität Weltweit mitunter beobachtet Ursache: Gewicht des Wassers Erhöhung Porenwasserdruck im Untergrund ungünstiger Spannungszustand im Untergrund Kombinationen Beurteilung (ICOLD): möglich bei Sperrenhöhen grösser 100 m und grossem Reservoirvolumen max. induziertes Erdbeben max. Potential der näheren Region 27

28 Amplitude (g) Gefährdungsspektrum der PSHA 1.00 Uniform Hazard Spectra (annual probability of exceedance 1 / 10,000) Period (s) 28