Erdbeben-Gefährdungszonenkarten für die Talsperrenbauten im Freistaat Thüringen

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1 449 Erdbeben-Gefährdungszonenkarten für die Talsperrenbauten im Freistaat Thüringen Seismic Zoning Maps for the design of dams (tales) in Thuringia Jochen Schwarz, Helmut Deubner, Wolfgang Biewald, Christian Meyer-Mölleringhof Abstract According to DIN 19700: 2004, the Basis Operating and the Design Earthquake have to be determined for mean return periods between 100 and years. The required seismic hazard zoning maps for Thuringia are elaborated on the basis of the intensity-related subdivision scheme of DIN 4149: For each site a particular design category is defined ruling the level and extent of seismological investigations and allowable simplifications. Within the guideline ThürTA-Stau: 2005 basic values of design acceleration for rock conditions are given for the relevant zones and return period. Zusammenfassung Nach DIN 19700: 2004 sind das Betriebs- und Bemessungsbeben auf der Grundlage von mittleren Wiederkehrperioden zwischen 100 Jahren und Jahren festzulegen. Für die Erdbebengebiete in Thüringen werden die fehlenden Gefährdungszonenkarten nach dem intensitätsbezogenen Einteilungsschema der DIN 4149: 2005 erarbeitet. In Abhängigkeit von Gefährdung und Talsperrenklasse wird in der ThürTAStau 2005 der Standort einer Nachweiskategorie zugeordnet. 1 Normensituation und landesinterne Regelungen 1.1 Erdbeben berücksichtigende Normung in Deutschland Regelungen zur Erdbebenproblematik bei allgemeinen Hochbauten finden sich in DIN 4149 Bauten in deutschen Erdbebengebieten. Die in dieser Norm gewählte Erdbebenzonierung geht von einer mittleren Wiederkehrperiode der Intensitäten von 475 Jahren und einer Zonenabgrenzung ausgehend von der Intensität I (EMS) = in Intervallen von halben Intensitätsgraden aus. Den Referenzintensitäten der drei auslegungsrelevanten Zonen werden Bemessungsbeschleunigungen zugewiesen [1]. Die Zonenkarte der DIN 4149 kann aufgrund der geforderten Eintretensraten von Bemessungsbeben nicht die Auslegungsgrundlage für Talsperren sein. Sie bietet jedoch in den methodischen Grundlagen den Ausgangspunkt und einen Bewertungsmaßstab für die hier vorgestellten Ergebnisse. 1.2 Anforderungen an die Sicherheit gegenüber Erdbeben aus DIN Der Nachweis der Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit ist nach DIN mittels eines Betriebserdbebens zu führen. Diesem Erdbeben muss die Stauanlage genau wie beim Hochwasserbemessungsfall 1 ohne Nutzungsbeschränkungen widerstehen. Die Tragsicherheit ist mittels eines Bemessungserdbebens nachzuweisen. Bei Talsperrenstandorten mit sehr

2 450 geringer Seismizität (Bemessungswert der Bodenbeschleunigung a g des Bemessungs erdbebens < 4% der Erdbeschleunigung) darf auf den Nachweis gegen Erdbebeneinwirkungen verzichtet werden. 2 Ingenieurgeologische Bewertung der Talsperrenstandorte Aus ingenieurgeologischer Sicht ist das Risiko einer möglichen Schadwirkung an Thüringer Talsperren - wie nachfolgend begründet wird - durch seismische Einwirkung außerordentlich gering. Die meisten der Talsperren der Klasse 1 befinden sich, bedingt durch die morphologischen Gegebenheiten, in der Mittelgebirgsregion des Thüringer Schiefergebirges bzw. des Thüringer Waldes. Die im Tafeldeckgebirgsstockwerk des Thüringer Beckens bzw. der Südthüringer Triastafel errichteten Stauanlagen gehören vorwiegend den Talsperrenklassen 2 bis 4 an. Aufgrund der geologischen Situation im Hinblick auf den Baugrund der Absperrbauwerke bzw. die Hangstabilität der Stauräume sind aus ingenieurgeologischer Sicht keine Schwachpunkte zu erkennen. Die wichtigsten bekannten Erdbebenherde Thüringens liegen entlang der Störungszone von Gera-Jachymov, und ihrer Fortsetzung in der Finne- bzw. Kyffhäuser-Crimmitschauer Störungszone. Als herausragendes seismisches Ereignis dieser Zone ist das Mitteldeutsche Beben vom 6. März 1872 zu betrachten. In [3] werden die Herdlage und Kenngrößen einer Neuinterpretation unterzogen. Die maximal beobachteten Schütterwirkungen haben relativ großräumig die Intensität I (EMS) = VII erreicht (Bild 1). Bild 1: Ausschnitt der makroseismischen Intensitätskarte des Mitteldeutschen Erdbebens vom 6. März 1872 (neu bearbeitet [3], Grafik nach [4])

3 451 Neben den tektonischen Erdbeben sind in Thüringen stärkere bergbaulich bedingte seismische Ereignisse, z. B. verursacht durch Gebirgsschläge im Werra-Kali-Revier aufgetreten. Während der Probestauphase der mit 102,5 m höchsten Talsperre Thüringens Leibis-Lichte werden unterschiedliche seismische Kontrollmessungen durchgeführt, um über die Datensicherung eine mögliche stauinduzierte Seismizität bzw. strukturelle Reaktionen nachweisen zu können. 3 Thüringer Technische Anleitung Stauanlagen (ThürTA-Stau) 3.1 Erstellung der Gefährdungszonenkarten Aus DIN leitet sich die Forderung ab, für jeden Talsperrenstandort der Klassen 1 und 2 ein seismologisches Gutachten oder eben aufwandsreduziert gesonderte Gefährdungskarten nach probabilistischer Vorgehensweise zu erstellen. Es wurde entschieden, die für Thüringen nicht vorliegenden Gefährdungsanalysen durchzuführen. Zur Gewährleistung der Konsistenz zur DIN 4149 wird das Intensitätsbezogene Einteilungsschema der DIN 4149 bei modifizierter Bezeichnung der Zonen (Zone 1 wird Zone I TR, T R mittlere Wiederkehrperiode) übernommen (Tabelle 1). Tabelle 1: Bezeichnungen für die Erdbebenzonen des Freistaates Thüringen im Zusammenhang mit der Festlegung der Bemessungserdbeben nach DIN Zone TR Intensitätsintervall der Zone Bemerkungen I s < 6.5 0A 6.0 I s < 6.25 Mindestauslegung 0B 6.25 I s < 6.5 I 6.5 I s < 7.0 II 7.0 I s < 7.5 Geltungsbereich III I s 7.5 IV I s 8.0 Sonderbereich Für die Untersuchungen wird ein Erdbebenkatalog zugrunde gelegt, der die für die Baunormung relevanten Grundlagenuntersuchungen und die Interpretationslage historischer Erdbeben zu diesem Zeitpunkt berücksichtigt [3], [4]. Zur Berechnung der Erdbebengefährdung sind für sämtliche Bebengebiete Herdregionen zu bestimmen, von denen das Untersuchungsgebiet makroseismisch beeinflusst werden kann. Obere Grenzwerte von Bebenstärken sind bei probabilistischen Gefährdungsanalysen Bestandteil der Rechenprozedur. In Übereinstimmung mit der Vorgehensweise [5] wird für die obere Grenzintensität I max ein einheitlicher Zuschlag zu den in den Herdregionen maximal beobachteten Intensitäten I max,obs eingeführt. Im Rahmen einer Sensitivitätsstudie wurde überprüft, welchen Einfluss die Modellannahmen auf die Gefährdungskarten nehmen.

4 452 Probabilistische Gefährdungsanalysen sind mit Unsicherheiten behaftet. Im Vorfeld der konkreten Zuordnung der Standorte zu den Intensitätszonen wurde deshalb der Einfluss der Modellannahmen auf die jeweiligen Zonengrenzen untersucht. Die Variabilität der Zonenlage bzw. Bereiche von Zonenübergängen wird bei der Zuordnung der Talsperrenstandorte berücksichtigt. Die Ergebnisse der probabilistischen Gefährdungsanalysen werden am Maßstab der historischen Bebentätigkeit und der maximal beobachteten Erdbebenwirkungen (vgl. Bild 1) und parallel durchgeführten deterministischen Gefährdungsanalysen verifiziert. Als methodischer Ansatz wurde hier die Wiederholung der historischen Erdbebentätigkeit (mit unterschiedlichen Intensitätszuschlägen) und die Auswertung der maximalen hypothetischen Wirkungen aller Beben verstanden (vgl. [6]). 3.2 Zuordnungsprinzipien und Nachweiskategorien Im Ergebnis der Gefährdungsanalysen steht die Intensität, die als Rechengröße nicht direkt übernommen werden kann. Insofern ist Festlegung der Beschleunigung analog dem Vorgehen bei der DIN 4149 als Zuordnungsproblem aufzufassen, das über Korrelationen zwischen Intensität und Beschleunigung gelöst werden kann. Zur Festlegung von Beschleunigungen werden insgesamt fünf Zuordnungsprinzipien diskutiert, von denen als verwaltungstechnische Entscheidung zwei in der ThürTA-Stau aufgeführt werden. Für die Stauanlagen in Thüringen wurde einheitlich das Zuordnungsprinzip ZP2 gewählt. Die Beschleunigungswerte werden im Vergleich zur DIN 4149 deutlich angehoben (z. B. für die Zone I von 0.4 m/s² auf 0.6 m/s² oder für die Zone III von 0.8 m/s² auf 1.1 m/s²). Damit steht für die Talsperrenbauten in Thüringen eine einheitliche Vorgehensweise und Entscheidungsbasis zur Verfügung. Durch die Gefährdungszonenkarten werden die Standorte mit den höchsten Nachweisanforderungen herausgearbeitet; der Notwendigkeit einer gesonderten seismologischen Begutachtung kann frühzeitig durch Einleitung der erforderlichen Maßnahmen begegnet werden. Zur Präzisierung der Anforderungen werden Nachweiskategorien eingeführt, die ausgehend von der Talsperrenklasse und maßgeblichen Zone eine Zuordnung der für die Auslegung relevanten Parameter bzw. Vorgehensweise ermöglichen. Die Nachweiskategorien werden auf das Bemessungsbeben bezogen. Für einzelne Standorte ist weiterhin eine seismologische Begutachtung nach einheitlichen Kriterien vorzunehmen. Diese seismologische Begutachtung schließt ein, eine standortspezifische Festlegung der ingenieurseismologischen Kenngrößen vorzunehmen (vgl. [2], [5]). Relevante Talsperrenstandorte können gemäß der vorgelegten Karten (Bild 2) bzw. Beschleunigungszuordnungen bewertet werden. Für die weniger relevanten Talsperrenstandorte ist eine aufwandsreduzierte Bereitstellung der Bemessungsgrößen möglich. 4 Verwaltungstechnische Einführung in der ThürTA-Stau Für die verwaltungstechnische Einführung und baupraktische Anwendung wird eine Glättung der ermittelten Konturenlinien der Intensitätszonenkarten vorgenommen. Eine solche Anpassung ist unter Würdigung der durchgeführten Unsicherheitsanalysen zu begründen. Im Ergebnis stehen Erdbebenzonenkarten, die auch in der Sprachregelung den Unterschied zu den berechneten Konturenkarten von Intensitätszonen widerspiegeln. Die erarbeiteten Gefähr-

5 453 dungszonenkarten wurden auf die Gewässernetzkarte Thüringens übertragen. Die Standorte der Stauanlagen können eindeutig den Gefährdungszonen zugeordnet werden. Bild 2 zeigt die Erdbebenzonenkarte der ThürTA-Stau für die Wiederkehrperiode von Jahren; die Standorte der Talsperrenklasse 2 sind eingeordnet. Bild 2: Erdbebenzonenkarte für die Wiederkehrperiode von 1000 Jahren [2] Gemäß der ThürTA-Stau werden vier Talsperrenklassen geführt. Dieser Einteilung entsprechend wurden vier gestaffelte Überschreitungswahrscheinlichkeiten der Bemessungshochwasserzuflüsse BHQ1und BHQ2 zugeordnet. Analog hierzu erfolgt eine Risikobetrachtung zur Erdbebensituation. Während für die Stauanlagen der Klassen 1 und 2 die Nachweise gemäß DIN durchzuführen sind, sind an den Anlagen der Klassen 3 und 4 keine Nachweise erforderlich. Eine Nachweispflicht entfällt auch bei Hochwasserrückhaltebecken, die als Trockenbecken ausgeführt sind. Für Talsperren der Klassen 1 und 2 in den Erdbebenzonen III und IV sind anlagenbezogene Gutachten vorgesehen. Diese werden durch standortbezogene messtechnische Untersuchungen begleitet. In der ThürTA-Stau werden Regeln zur Überwachung während der Betriebszeit aufgenommen. Danach sollen vom Betreiber Kontrollen über mögliche Abweichungen vom Normalzustand des Bauwerkes bei örtlichen Erdbebenereignissen ab einer Intensität von I (EMS) > V bzw. der Magnitude > 4 erfolgen.

6 454 Zusammenfassend sei hervorgehoben, dass mit dem Beitrag Anregungen für einen gemeinsamen Standpunkt bei der Anwendung der Sicherheitsnachweise nach DIN sowie zur Überarbeitung der DIN Standsicherheit von Massivbauwerken im Wasserbau gegeben werden sollen. Literatur [1] Schwarz, J. (2005): Bemessungsbeschleunigungen für die Gefährdungszonen der DIN In: Tagungsband der DGEB-Gemeinschaftstagung Auslegung von Bauwerken gegen Erdbeben- Die neue DIN Beuth Verlag GmbH Berlin Wien Zürich, [2] ThürTA-Stau: : Thüringer Technische Anleitung Stauanlagen. Thüringer Ministerium für Landwirtschaft, Naturschutz und Umwelt, Erfurt. [3] Grünthal, G.; Schwarz, J.: Reinterpretation der Parameter des Mitteldeutschen Bebens von 1872 zur Ableitung von Erdbebenszenarien für das Testgebiet Ostthüringen. Thesis H. 1/2. In: Ingenieurseismologie und Erdbebeningenieurwesen. Wiss. Zeitschrift der Bauhaus-Universität Weimar 47 (2001) 1/2, S [4] Schwarz, J.; Biewald, W.; Deubner, H.: Überprüfung und Bewertung der Bemessungsgrößen nach DIN am Beispiel der Thüringer Talsperren. Bautechnik 81 (2004) 12, S [5] Grünthal, G., Mayer-Rosa, D., Lenhardt, W: Abschätzung der Erdbebengefährdung für die D-A-CH-Staaten Deutschland, Österreich, Schweiz. Bautechnik 75, 10, [6] Amstein, S., Lang, D.H., Schwarz, J. (2005): Schütterwirkung historischer Erdbeben und aktuelle Anwendungsgebiete für das Erdbebeningenieurwesen. Bautechnik 82 (2005), Heft 9, Anschrift der Verfasser Dr.-Ing. Jochen Schwarz Dr. Wolfgang Biewald Bauhaus-Universität Weimar Thüringer Landesanstalt für Umwelt und Geologie Erdbebenzentrum Göschwitzer Straße 41 Marienstraße Jena Weimar Dipl.-Ing. Helmut Deubner Engelsbacher Weg 3A Friedrichroda ehem. Thüringer Ministerium für Landwirtschaft, Naturschutz und Umwelt Erfurt Dipl.-Ing. Christian Meyer-Mölleringhof Thüringer Landesverwaltungsamt Weimar Weimarplatz Weimar