Grundlagen. Erdbebengerechter Entwurf. Thomas Wenk. Wenk Erdbebeningenieurwesen und Baudynamik GmbH Zürich

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1 Erdbebengerechte mehrgeschossige Holzbauten Grundlagen Erdbebengerechter Entwurf Thomas Wenk Wenk Erdbebeningenieurwesen und Baudynamik GmbH Zürich

2 Inhaltsübersicht Kapitel 2 Grundlagen Was sind Erdbeben? Was passiert während eines Erdbebens? Auswirkungen von Erdbeben Erdbebengefährdung Erdbebenzonenkarte Baugrundklassen Erdbebenkenngrössen Antwortspektren Kapitel 4.2 Prinzipien des erdbebenrechten Entwurfs Erdbebengerechter Entwurf Regelmässigkeit des Tragwerks im Grundriss Regelmässigkeit des Tragwerks im Aufriss

3 Was sind Erdbeben? Erdbeben sind Brüche in der Erdkruste. Erdbeben bewirken rasche horizontale und vertikale Bodenbewegungen von kurzer Dauer: Bodenbeschleunigungen von wenigen % g bis ca. 2 g Bodenverschiebungen von wenigen mm bis wenigen dm Bauwerke sind primär auf Schwerelasten ausgelegt (vertikale Beschleunigung von 1 bis 2 g). Ohne Erdbebenbemessung können Bauwerke keine nennenswerten horizontalen Beschleunigungen aufnehmen. [Dazio 2008] 3D-Verlauf der Bodenverschiebung des Erdbebens von Kobe 1995 in cm

4 Was passiert während eines Erdbebens? [ videosviajeros ] Im 12. Stock eines Hotels in Valdivia in Chile während des Centro-Sur- Erdbebens vom (Mw= 8,8) am Samstag früh um 3.30 h.

5 Auswirkungen von Erdbeben Erdbeben selbst sind meist ungefährlich, jedoch können ihre Auswirkungen auf die natürliche und insbesondere auf die gebaute Umwelt katastrophal sein. Direkte Auswirkungen Felsstürze, Erdrutsche, Setzungen, Bodenverflüssigung Flutwellen (Tsunamis, Seiches) Schäden und Einstürze von Bauwerken Folgewirkungen Explosionen, Brände, Überschwemmungen durch geborstene Leitungen Vergiftungen durch ausströmende Stoffe Umweltschädigungen Ökonomische und soziale Auswirkungen

6 Auswirkungen von Erdbeben: Schäden und Einstürze von Bauwerken [Wenk 1995] Kobe-Erdbeben in Japan 1995

7 Erdbebengefährdung weltweit [SED 1999]

8 Erdbebengefährdung in Europa [Giardini 2005] Lignum-Dok. Seite 7

9 Erdbebenaktivität im Mittelmeerund Alpenraum Lignum-Dok. Seite 4

10 Plattengrenze zwischen afrikanischer und eurasischer Platte Eurasische Platte Apulischer Sporn Afrikanische Platte Lignum-Dok. Seite 4 Der apulische Sporn verschiebt sich innerhalb eines Jahres um ca. 4 8 mm Richtung eurasische Platte

11 Intensität und Magnitude Intensität - Mass für die lokale Wahrnehmbarkeit und Zerstörungskraft eines Erdbebens. - Die Intensität eines Erdbebens ist abhängig vom Standort. - EMS-98 ist die heute in Europa gebräuchliche Intensitätsskala: Intensitätswerte von I bis XII ersetzt die frühere MSK-64-Skala systematische Erfassung der Erdbebenverletzbarkeit der Gebäude mittels sechs Gebäudeklassen - Bestimmung der Intensität erfordert statistische Auswertungen und ist zeitaufwendig. Magnitude - Mass für die Herdenergie eines Erdbebens. - Beschreibt ein Erdbeben mit einer einzigen Zahl. - Logarithmische Skala im Jahre 1935 von C.F. Richter eingeführt (Richter-Skala). - Momenten-Magnitude Mw ist die heute gebräuchliche Magnitudenskala. - Bestimmung der Magnitude erfolgt rasch und automatisch unmittelbar nach einem Erdbeben.

12 Welche Parameter beeinflussen die lokalen Auswirkungen von Erdbeben? R h Lignum-Dok. Seite 5 M I 0 I h s Δ R Magnitude im Hypozentrum Intensität im Epizentrum Intensität im Bauwerk Herdtiefe Hypozentraldistanz Epizentraldistanz Risiko = Gefährdung Verletzbarkeit Wert

13 Erdbebengefährdungskarte der Schweiz von 2004 Spektrale horizontale Bodenbeschleunigung bei 5 Hz für harten Fels bei 5% viskoser Dämpfung (Wiederkehrperiode von 475 Jahren entsprechend einer Überschreitungswahrscheinlichkeit von 10% in 50 Jahren) [Giardini et al. 2004] Lignum-Dok. Seite 6

14 Erdbebenzonenkarte der Norm SIA 261 (2003) [SIA 261, 2003] Lignum-Dok. Seite 6 Bemessungswert der horizontalen Bodenbeschleunigung agd (BWK I und BGK A): Z1 60 cm/s 2, Z2 100 cm/s 2, Z3a 130 cm/s 2, Z3b 160 cm/s 2

15 Vergleich der Erdbebenkenngrössen [Smit 2004] Lignum-Dok. Seite 8 Ungefährer Zusammenhang Magnitude - Intensität - Bodenbewegung - Auswirkung bei Herdtiefe 10 bis 15 km

16 Ermittlung von Antwortspektren Bild 2.25 in [Bachmann 2002] Prozedur zur Ermittlung von Antwortspektren: - lineare EMS mit unterschiedlichen Schwingzeiten Ti und gleicher Dämpfung ζ1 - Lösung der Bewegungsdifferentialgleichung (Systemantwort) für jeden EMS für die gegebene Erdbebenanregung. - Bestimmung der Maximalwerte der Systemantwort, z.b. den Maximalwert der Geschwindigkeit Svi - graphische Darstellung der Svi in Funktion der Schwingzeiten Ti der EMS - Prozedur kann für unterschiedliche Dämpfung ζi und für die Beschleunigung oder die Verschiebung wiederholt werden. Lignum-Dok. Seite 9

17 Zeitverläufe der Bodenbewegung Zeitverläufe der N-S- Komponente in Tolmezzo beim Friaul-Erdbebens 1976 in Italien: - Bodenbeschleunigung - Bodengeschwindigkeit - Bodenverschiebung Lignum-Dok. Seite 10 Bild 2.24 in [Bachmann 2002]

18 Antwortspektren Antwortspektren der N-S- Komponente in Tolmezzo beim Friaul-Erdbebens 1976 in Italien: - Absolutbeschleunigung - Relativgeschwindigkeit - Relativverschiebung jeweils für 2%, 5% und 10% äquivalenter viskoser Dämpfung. Bild 2.27 in [Bachmann 2002] Lignum-Dok. Seite 10

19 Karte der Baugrundklassen Zur Berücksichtigung des lokalen Standorteinflusses sind in der Norm SIA 261 fünf Baugrundklassen A bis E vorgesehen. Lignum-Dok. Seite 7

20 Elastische Antwortspektren der fünf Baugrundklassen der Norm SIA 261 Lignum-Dok. Seite 11 dargestellt für Zone Z2 mit agd = 1,0 m/s 2 und einer äquivalenter viskoser Dämpfung ζ = 5%

21 Bemessungsspektren der Norm SIA 261 dargestellt für Zone Z2 und Baugrundklasse B und unterschiedliche Verhaltensbeiwerte q zur Berücksichtigung der Duktilität Lignum-Dok. Seite 11

22 Erdbebengerechter Entwurf Einfache Regeln für den Gebäudeentwurf abgeleitet aus typischen Schadenbildern bei starken Erdbeben. Ergänzung zu den rechnerischen Nachweisen Berücksichtigt Unschärfen der Erdbebeneinwirkung Garantiert ein robustes Tragwerk, so dass auch bei Erdbeben, die stärker als das Bemessungsbeben sind, die Schäden in einem vertretbaren Verhältnis zur Bebenstärke sind. Grundsätze für die Auslegung des Tragsystems: Einfachheit Regelmässigkeit Redundanz Erfordert enge Zusammenarbeit zwischen Architekt und Bauingenieur von der frühen Entwurfsphase an: Miteinander-Entwurf. Wenn die erdbebengerechten Entwurfsregeln nicht eingehalten werden, ist mit Mehrkosten zu rechnen. Lignum-Dok. Seite 30

23 Regelmässigkeit des Tragsystems im Grundriss Oben: ungünstige, verwinkelte, zusammengesetzte Grundrissformen Unten: Günstigere, einfache Grundrissformen Lignum-Dok. Seite 31

24 Regelmässigkeit des Tragsystems im Grundriss Oben: ungünstige Anordnung von Aussparungen in Deckenscheiben Unten: Günstigere Anordnung von Aussparungen in Deckenscheiben Lignum-Dok. Seite 31

25 Regelmässigkeit des Tragsystems im Grundriss Treppenhaus mit an die Holzkonstruktion angepasster horizontaler Steifigkeit, so dass das Gesamtsystem im Grundriss regelmässig ist. Abgefugtes steifes Stahlbetontreppenhaus. Die Holzkonstruktion wird durch ein eigenes, regelmässiges Tragsystem ausgesteift. Erschliessung über Laubengänge Lignum-Dok. Seite 32

26 Regelmässigkeit des Tragsystems im Grundriss Links: ungünstige exzentrische Anordnung eines torsionsweichen Tragsystems für horizontale Käfte Rechts: Günstige symmetrische Anordnung eines torsionssteifen Tragsystems für horizontale Kräfte Lignum-Dok. Seite 32

27 Regelmässigkeit des Tragsystems im Aufriss [Wenk 1995] Horizontal weiche Geschosse sind zu vermeiden! Kerne, Tragwände oder Rahmen verlaufen ohne Unterbrechung vom Fundament bis zur Oberkante des Bauwerks. Horizontalsteifigkeit, Tragwiderstand für Horizontalkräfte und Massen der einzelnen Geschosse bleiben über die Höhe des Bauwerks konstant oder verringern sich allmählich von unten nach oben. Lignum-Dok. Seite 33

28 Literaturverzeichnis Bachmann H. (2002): Erdbebensicherung von Bauwerken, 2. Auflage, Birkhäuser-Verlag. Brunner R., Jung P., Steiger R., Wenk T., Wirz N. (2010): Erdbebengerechte mehrgeschossige Holzbauten, Technische Dokumentation der Lignum, Zürich, 126 p. Dazio A. (2008): Erdbebengefährdung und erdbebengerechter Entwurf von Neubauten, in: Erdbebensicherheit von Gebäuden Rechts- und Haftungsfragen, Dokumentation SIA D 0227, Schweizer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich. Giardini, D. (2005): Erdbeben in der Schweiz: Was kann passieren? Tagung Erdbebenvorsorge - Was können die Kantone tun?, 1. Juni 2005, ETH Zürich. Giardini, D., Wiemer, S., Fäh, D., Deichmann, N. (2004): Seismic Hazard Assessment of Switzerland, Swiss Seismological Service, ETH Zürich. SIA 261 (2003), Norm SIA 261: Einwirkungen auf Tragwerke. Schweizerischer Ingenieur- und Architekten-Verein, Zürich. Smit P. (2004): Entstehung und Auswirkungen von Erdbeben. Forum 4/2004, Bundesamt für Bevölkerungsschutz, Bern. Schweizerischer Erdbebendienst SED (1999): Global Seismic Hazard Assessment Program (GSHAP), Global Seismic Hazard Maps, seismo.ethz.ch/gshap/, ETH Zürich. Wenk T., Schwarz, J. (1995): Das grosse Hanshin-Erdbeben vom 17. Januar Bautechnik 72 (1995) 7,