Erdbebengerechte Bauten und Infrastruktur -

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1 ETH-Nachdiplomkurs in angewandten Erdwissenschaften, Mai 2005 "Nachhaltige Landnutzung Erdwissenschaftliche Herausforderungen und Schnittstellen mit verwandten Disziplinen" Erdbebengerechte Bauten und Infrastruktur - was der Erdwissenschafter in der Praxis wissen sollte Dr. J. Studer STUDER ENGINEERING 8038 Zürich Studer Engineering 1

2 Inhalt Wirkungen von Erdbeben auf Bauten und Infrastruktur Definitionen und Begriffe Grundsätzliche Möglichkeiten, Erdbebenrisiken zu minimieren Erdbebengerechte Bauweise Studer Engineering 2

3 Wirkungen von Erdbeben Studer Engineering 3

4 Primärwirkungen Primärwirkungen Einfluss auf: Gegenmassnahmen Erschütterungen / Schwingungen Hochbauten Gebäudelayout Duktile Bauweise Verschiebungen Gebäudeinhalt Tiefbauten Hochbauten Befestigungen Standortwahl Studer Engineering 4

5 Sekundärwirkungen Sekundärwirkungen wassergesättigte, locker gelagerte, kohäsionslose Sandschichten: Festigkeitsreduktion oder-verlust infolge Erschütterungen Feuer Überschwemmungen (Seiches, Tsunamis, Dammbruch) Sekundärwirkungen Infrastrukturanlagen (Energieunterbruch, Nachbarbauten etc.) Gegenmassnahmen Standortwahl Bodenverbesserung Pfahlfundationen Überbauungsdichte Materialwahl Sicherheitssysteme Standortwahl Redundanzen Abstände zu Anlagen Studer Engineering 5

6 Definitionen Studer Engineering 6

7 Definitionen Definitionen: Verwerfungsebene, Einfallwinkel α, Streichwinkel β, Bruchfläche (L=Länge, B=Breite), Herd (Hypozentrum), Herdtiefe h, Epizentrum, Bruchausbreitungsgeschwindigkeit v, Hypozentral- und Epizentraldistanz Studer Engineering 7

8 Grössen zur Angabe der Erdbebenstärke "Magnitude": Energieabstrahlung, ab Herd gemessen Verschiedene Definitionen, je nach Wellentyp Arabische Zahlen; pro Einheit: Energie ca. 32 x höher "Intensität": Strukturierte Beobachtung der Auswirkungen (auf Bauten, Landschaft, Lebewesen) Verschiedene Skalen vorhanden Römische Zahlen; pro Einheit: ca. Verdopplung der Beschleunigung Magnituden und Intensitäten sind nicht einfach ineinander überführbar! Studer Engineering 8

9 Magnituden Studer Engineering 9

10 Intensität: Vergleich von Intensitätsskalen Studer Engineering 10

11 Intensitäten: European Macroseismic Scale (EMS-98) Verletzlichkeit der Struktur in Funktion des Bautyps Schadengrad der Struktur und dessen Häufigkeit unter einem bestimmten Erdbeben Definition der Intensität des Erdbebens in Funktion der Verletzlichkeit und der Häufigkeit des Schadengrades Studer Engineering 11

12 EMS-98: Verletzlichkeit Studer Engineering 12

13 EMS-98: Schadengrad Studer Engineering 13

14 EMS-98: Intensität (Auszug I=VII-VII) Studer Engineering 14

15 Starkbebendauer Studer Engineering 15

16 Antwortspektrum "Fingerabdruck" des Erdbebens Studer Engineering 16

17 Antwortspektren Bemessungsspektren ( wichtigstes Instrument des Ingenieurs) % Fraktilwert 50% Fraktilwert Sa 2 as (m/s 2 ) Periode (s) Periode (s) Bemessungsspektren sind keine Umhüllenden, sondern Fraktilwerte Studer Engineering 17

18 Grundsätzliche Möglichkeiten, Erdbebenrisiken zu minimieren Studer Engineering 18

19 Unterschiede zu anderen Naturgefahren Erdbeben Wirkungen treten überall auf Andere Naturgefahren Wirkungen treten nur lokal auf Stärke und Typ von Geologie und Topographie abhängig Einfluss auf Gefahrenkarten (Mikrozonierung) Zonen, in denen keine Wirkung auftritt Klassische Gefahrenkarten wie Lawinen / Überschwemmungen Studer Engineering 19

20 Erdbebenrisiken mindern Hilfsmittel Erdbebengerechte Standortwahl Mikrozonierung (Einbezug in Zonenplanung) Standortstudie Hilfsmittel Erdbebengerechte Bauweise Einwirkung je nach Region / Baugrund definiert Layout des Baues Baumaterialien, konstruktive Gestaltung Dimensionierung Studer Engineering 20

21 Mikrozonierung Probleme: Der Begriff "Mikrozonierung" ist nicht einheitlich und klar definiert (bezüglich Typ, Massstab, Anwendung etc.) Viele wissenschaftliche Studien sind vorhanden, sind aber kaum umgesetzt Die Mikrozonierung wäre aber ein wichtiges Instrument, um Risiken zu verringern Studer Engineering 21

22 Typen von Mikrozonierung Typ Beschreibung A B C Gefahrenkarte, Raumnutzung mit zonenkonformen Nutztypen und Bauvorschriften (keine Dimensionierungsvorschriften) am ehesten umsetzbar Gefahrenkarte, Raumnutzung mit Baudimensionierungsvorschriften, z.b. zonenspezifische Bemessungsspektren am schwierigsten umsetzbar Szenarien, Gefahrenkarte + Verletzlichkeitskarte für spezifische Ereignisse, z.b. für Vorsorge, Planung von Rettungseinsätzen meist nicht öffentlich (nur verwaltungsintern, deshalb weniger Probleme) Studer Engineering 22

23 Wahl der Mikrozonierungsart Studer Engineering 23

24 Karte der Baugrundklassen Studer Engineering 24

25 Spektrale seismische Mikrozonierung Studer Engineering 25

26 Basler Erdbeben (1356) Studer Engineering 26

27 Ermittlung der Erdbebenlasten (1) Region + Bodentyp Erschütterung = f (Herd, Übertragungsweg, Standort) Standortspezifisch Studer Engineering 27

28 Erdbebengerechte Bauweise Ermittlung der Erdbebenlasten (2) Regional für normale Anforderungen, z.b. nach SIA-Normen Standortspezifisch für wichtige Bauten Standortspezifisch + SIA-Normen Standortspezifisch + spezielle Bemessung (z.b. KKW, Stauanlagen) Studer Engineering 28

29 "Worst case" Breitbandiges Erschütterungsspektrum Untergrund Eigenfrequenz f U Untergrund Amplifikation der Erschütterungen im Bereich der Eigenfrequenz Anregung Bauwerk Eigenfrequenz f B des Bauwerks Amplifikation der Erschütterungen im Bereich der Eigenfrequenz Wenn f U ~ f B Resonanzkopplung! Studer Engineering 29

30 Erdbebeneinwirkung nach SIA-Norm 261 Wichtig: Spektrum 50% Fraktilwerte, keine Umhüllende Studer Engineering 30

31 Standortspezifische Studien Standortspezifische Antwortspektren Standortspezifische Antwortspektren Spektrale Beschleunigung [m/s 2 ] P1-1D P1-1D-Vs-20% Design Spektrum SIA261-E Spektrale Beschleunigung [m/s 2 ] P2-1D P3-1D P4-1D P5-1D P4-2D P5-2D P4-2D-Vs-20% P5-2D-Vs-20% SIA261-C Design Spektrum Periode [s] Periode [s] i.a. niedrigere Werte als Norm SIA 261 In grossem Bereich höhere Werte als Norm SIA 261 Studer Engineering 31

32 Erdbebengerecht bauen Heute kein Problem, Grundlagen sind bekannt und in den Normen (SIA, Eurocode, IBC etc.) vorgeschrieben. Kostenüberlegungen: Neubauten: keine wesentlichen Mehrkosten (im Bereich 1-2%!) Bestehende Bauten: Eine Ertüchtigung ist oft sehr kostspielig oder finanziell nicht sinnvoll. In der Schweiz ist vom SIA eine Empfehlung für die Erdbebenüberprüfung von bestehenden Bauten ausgearbeitet worden (SIA Merkblatt 2018). Studer Engineering 32

33 Erdbebengerecht bauen - Erschütterungen Die Erschütterungsproblematik ist vor allem wichtig bei Hochbauten, weniger bei unterirdischen Bauten. Einige Grundsätze: Resonanzen vermeiden Homogene Steifigkeits- und Massenverteilungen über die Gebäudehöhe (extreme Schwingungsformen vermeiden) Symmetrische Grundrisse in bezug auf Steifigkeit / Massen (Torsionsschwingungen vermeiden) Duktile Bauweise (Schutz gegen Überlastung, da die Erdbebeneinwirkungen 50% Fraktilwerte darstellen) Keine unzulässigen Verschiebungen der Fundation (geeigneter Untergrund ohne Gefahr von Bodenverflüssigung; Riegel oder Fundamentplatte) Studer Engineering 33

34 Inhomogene Steifigkeitsverteilung über die Höhe Soft Storeys "Soft storey", wenn die horizontale Steifigkeit kleiner als 70% des obenliegenden Stockwerks ist Erdbeben Bhuj (Gujarat), India, (Bild: ASC India) Studer Engineering 34

35 Inhomogene Steifigkeitsverteilung im Grundriss Torsion Kern F y F y S F x M F x S M Grosse Torsionswirkung infolge Erdbeben (Schubmittelpunkt <> Massenmittelpunkt) Kleine Torsionswirkung infolge Erdbeben (Schubmittelpunkt nahe Massenmittelpunkt) Studer Engineering 35

36 Duktile Bauweise als Schutz gegen Überbelastung (Bild: H. Bachmann, "Erdbebensicherung von Bauwerken") Studer Engineering 36

37 Erdbebengerecht bauen Schutz gegen Verschiebungen Vor allem wichtig bei Tiefbauten. Einige Grundsätze: Vermeiden von: Rutschgebieten Gebiete mit Gefahr der Bodenverflüssigung Exzessiv setzungsgefährdete Gebiete Bereitstellen von Redundanzen Evtl. Bodenverbesserungen (nur lokal sinnvoll) Studer Engineering 37

38 Zukunft, Verbesserungsmöglichkeiten Bessere Berücksichtigung der lokalen Gegebenheiten (Standortstudien für wichtige Bauten) Mikrozonierung in Baunormen einbeziehen (gegenseitige Beziehungen) Detailverbesserungen bezüglich: Nachweisverfahren Konstruktive Ausbildung Materialparameter "Performance Based Design" Studer Engineering 38

39 Referenzliteratur Studer, J. A., Koller, M. G.: "Bodendynamik. Grundlagen, Kennziffern, Probleme."; 2., völlig neubearb. Aufl., Springer Verlag, SIA-Normen: SIA Norm 261 (Einwirkungen auf Tragwerke) sowie SIA Merkblatt 2018 (Überprüfung bestehender Gebäude bezüglich Erdbeben) Comité européen de normalisation (CEN); Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance Bachmann, H.: "Erdbebensicherung von Bauwerken", Birkhäuser, Studer Engineering 39