Erdbebengefährdung für die Bemessung von Stauanlagen nach DIN 19700

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1 Erdbebengefährdung für die Bemessung von Stauanlagen nach DIN von Gottfried Grünthal 1. Einführung Die Überprüfung der Erdbebensicherheit ist Bestandteil der DIN 19700: Stauanlagen. Üblicherweise enthalten Normen zum Nachweis der Erdbebensicherheit Grundlagendaten zu den anzusetzenden seismischen oder Erdbeben-Lastannahmen, d. h.: Erdbebenzonenkarten für das oder die in der jeweiligen Norm geforderten Gefährdungsniveaus, die Angabe von verallgemeinerten Beschleunigungs-Antwortspektren, sowie die Spezifizierung der Spektren für typische Untergrundbedingungen. Mit dem Erscheinen der DIN 19700: sind insofern offene Fragen bezüglich ihrer Handhabung entstanden, da die genannten seismischen Lastannahmen nicht in der Norm aufgeführt sind. In einzelnen Fällen wurden daher in Baden-Württemberg für ausgewählte Talsperrenstandorte von verschiedenen Einrichtungen seismologische Gutachten entsprechend der Anforderungen, die in der DIN 19700: definiert sind, angefertigt. Vom Umweltministerium und dem Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg sowie nachgeschalteten Einrichtungen wird hingegen eine einheitliche Bereitstellung der seismischen Grundlagendaten angestrebt. Damit wird gewährleistet, dass eine einheitliche fachliche Eindringtiefe nach dem Stand der Technik gewährleistet wird, die Lastannahmen sämtlicher Standorte von Stauanlagen bzw. Wasserbauten untereinander vergleichbar sind sowie eine einheitliche Unsicherheitsanalyse aller Eingangsparameter für die Untersuchungen möglich wird, dies es gestattet, die seismischen Lastannahmen in Form ihrer 50%-Fraktilwerte bereitzustellen. 2. Die Erdbeben-Lastfälle gemäß DIN 19700: Die DIN 19700: unterscheidet zwei Erdbeben-Lastfälle: 1. das Betriebserdbeben, 2. das Bemessungserdbeben. Das Betriebserdbeben dient dem Nachweis der Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit der Anlage. Dem Betriebserdbeben muss die Anlage ohne Nutzungsbeschränkung widerstehen. a) Betriebserdbeben BtE Das Bemessungserdbeben dient dem Nachweis der Tragsicherheit. Dem Bemessungserdbeben muss die Anlage ohne globales Versagen widerstehen. Lokale Schäden an der Anlage wären zu tolerieren. Talsperrenklasse mittlere Wiederkehr- Periode T jährliche Überschreitenswahrscheinlichkeit prozentuale Überschreitenswahrscheinlichkeit während einer Standzeit von 100 Jahren a p.a. 63% a p.a. 18% b) Bemessungserdbeben BmE a p.a. 9,5% a p.a. 4% Tabelle 1: Gefährdungsniveaus für die Erdbebennachweise 25

2 Die Talsperren werden entsprechend ihres Risikopotentials für die bebaute und unbebaute Umgebung in zwei Risiko-Klassen eingeteilt: Klasse 1: Große Talsperren, Klasse 2: Mittlere und kleine Talsperren. Bezüglich der Festlegungen der Unterteilung in diese beiden Klassen sowie der Spezifika für Hochwasserrückhaltebecken, Staustufen, Pumpspeicherbecken und Sedimentationsbecken sei auf den Wortlaut der DIN 19700: verwiesen. Die Gefährdungsniveaus für die Erdbebennachweise werden in der Norm in Form der mittleren Wiederkehrperioden T von Bodenerschütterungsamplituden festgelegt. Für das Betriebserdbeben betragen diese T = 100 Jahre [a] für die Talsperrenklasse 2 sowie T = 500a für die Talsperrenklasse 1. Für das Bemessungserdbeben gelten T = 1000a für die Talsperrenklasse 2 und T = 2500a für die Talsperrenklasse 1. In Tabelle 1 sind diese verschiedenen Gefährdungsniveaus in Verbindung mit den zugehörigen jährlichen Überschreitenswahrscheinlichkeiten P = 1/T sowie den prozentualen Überschreitenswahrscheinlichkeiten der für die verschiedenen Werte von T bereitzustellenden Bodenbeschleunigungsdaten innerhalb der anzusetzenden Standzeit von 100 Jahren für Stauanlagen. Die Aufgabenstellung für die Forschungsarbeiten am hierzu beauftragten GeoForschungsZentrum Potsdam bestand demzufolge darin, Erdbebengefährdungskarten (für 50%-Fraktile und für Felsuntergrund) für die in Tabelle 1 genannten mittleren Wiederkehrperioden T von 100 bis 2500 Jahren zu berechnen. Die die übliche Grundlage für den ingenieurtechnisch Erdbebennachweis verallgemeinerte Bodenbeschleunigungs-Antwortspektren (für 5% Strukturdämpfung) sind, galt es, die Erdbebengefährdungskarten nicht nur für die Spitzenbodenbeschleunigung PGA zu skalieren, sondern auch für die Schwingungsperioden im Bereich von 0,05 sec bis 2,0 sec. Anhand dieser Analysen können für die interessierenden Wasserbauobjekte die gefährdungskonsistenten Antwortspektren für die vier Gefährdungsniveaus der DIN 19700: berechnet werden. Primär können auf diese Weise die gefährdungskonsistenten Antwortspektren für Fels-Standorte gewonnen werden. Für Standorte, die einem nichtfelsigen geologischen Untergrundtyp angehören, werden, zumindest als Interimslösung, die Spektrenformen der erdbebengerechten Baunorm für normale Hochbauten DIN 4149: verwendet, die für die jeweiligen Standorte gemäß der Bodenspitzenbeschleunigung (angenommen bei 50 Hz) für die einzelnen Gefährdungsniveaus skaliert werden. Da die DIN 19700: nur Erdbebennachweise für PGA größer/gleich 0,4 m/s 2 fordert, beschränkt sich die Bereitstellung der Daten zu den seismischen Lastannahmen auf diesen Bereich der Bodenbeschleunigung. 3. Übertragbarkeit der Erdbebenzonierungskarte der DIN 4149: auf die Anforderungsspezifika der DIN 19700: Für die Bestimmung der Beschleunigungswerte für das Betriebserdbeben und des Bemessungserdbebens der DIN 19700: liegt es nahe, zu versuchen, Erdbebenzonierungskarten anderer Erdbebenbaunormen heranzuziehen. Als einzige käme hierzu die DIN 4149:2005-4, d. h. die Norm für normale Hochbauten, in Betracht. Deren Erdbebenzonierungskarte, die ebenfalls vom Autor berechnet wurde, liegt eine mittlere Wiederkehrperiode der Erschütterungsamplituden von 475 Jahren zugrunde. Dieses Gefährdungsniveau entspricht hinreichend gut dem des Betriebserdbebens für die Talsperrenklasse 1 von T = 500a. Zu bedenken ist jedoch, dass diese Karte bereits im Jahr 1995 berechnet wurde und sich während der letzten zwölf Jahre nicht nur die Interpretation von einer beträchtlichen Anzahl von historischen Schlüsselerdbeben geändert, sondern sich die Datengrundlagen und die methodischen Voraussetzungen derartig verbessert haben, dass auf direktem Wege die gefährdungskonsistenten Bodenbeschleunigungs-Antwortspektren für beliebige Punkte und beliebige Fraktile berechnet werden können. Um die Karte der DIN 4149: für die weiteren Gefährdungsniveaus der DIN 19700: heranziehen zu können, wäre diese auf die mittlere Wiederkehrperiode von 100, 1000 und 2500 zu skalieren. Da die Seismizitätscharakteristika zwischen den seismischen Quellen signifikante Unterschiede aufweisen, existiert kein in der Fläche konstanter Faktor zwischen z. B. dem Gefährdungsniveau von 475 und 2500 Jahren. Allein in SW-Deutschland variiert dieser Faktor zwischen ca. 1,6 und 2,6. Damit verbietet sich eine Skalierung zwischen den Gefährdungsniveaus. Es ist somit zu schlussfolgern, dass die Karte der DIN 4149: nicht geeignet ist zur Generierung sämtlicher Karten für die Gefährdungsniveaus der DIN 19700: Dagegen können die Normspektren der DIN 4149: für nicht-felsige Untergrundtypen in ihren Spektrenformen und skaliert mit den neuen Spitzenbodenbeschleunigungswerten, zumindest als Interimslösung, Verwendung finden. 26

3 4. Zur Berechnung der Erdbebengefährdungskarten und der gefährdungskonsistenten Antwortspektren Die probabilistische seismische Gefährdungsanalyse gründet sich, stark vereinfacht, auf folgende Grundlagendaten und Modellbildungen: einer Seismizitätsdatenbank zumeist nationalen Erdbebenkatalogen, die grenzüberschreitend hinsichtlich der Stärkeangaben der Beben in Momentmagnituden M w zu harmonisieren sind, seismotektonische Modelle zum Bebengenerierungspotential statistische und physikalische Modelle zum Bebenprozess eine Reihe von Dämpfungsrelationen zur Abnahme der Starkbodenbewegung mit der Entfernung. Seismizität Die Seismizität und die Gefährdung durch Erdbeben ist in Deutschland zwar relativ gering, aber keinesfalls vernachlässigbar. Größere Schadenbeben traten etwa einmal in jeder Generation auf und verlieren sich daher nur zu schnell aus dem Bewusstsein. Dennoch gehören Erdbeben auch in unserer Region zu den Naturereignissen, die extrem hohe Schadenkosten verursachen können. In den Hauptbebengebieten Deutschlands gehören Erdbeben langfristig, d. h. für kleine Eintreffenswahrscheinlichkeiten, neben Überschwemmungen und Stürmen, zu den größten Verursachern von Elementarschäden. Bekanntermaßen kann ein adäquater Schutz vor den Auswirkungen von Erdbeben nur durch die Einführung geeigneter ingenieurtechnischer Vorkehrungen erreicht werden. Abb. 1 Seismizitätsdaten nach Grünthal & Wahlström (2003), erweitert für den Zeitraum von 1000 AD bis Alle Beben-Magnituden sind harmonisiert in Form der Momentmagnitude M w. 27

4 Tabelle 2: Ausgewählte Schadenbeben in Baden-Württemberg samt Randgebieten in den letzten 100 Jahren im Raum Jahr max. Intensität M L Magnituden M w Anzahl beschädigter Gebäude und Schadenshöhe Albstadt (südl. Tübingen) Saulgau (nordöstl. Konstanz) 1911 VIII 6,1 5, beschädigte Gebäude; 0,75 Mio. RM 1935 VII-VIII 5,8 5,4 Albstadt 1943 VIII 5,6 5,3 Albstadt 1978 VII-VIII 5,7 5, beschädigte Gebäude; 140 Mio. Euro Rambervillers (Vogesen) 2003 VI-VII 5,9 LDG 5,4 ReNass 4,8 10,5 Mio. Euro Waldkirch/Kandelwald (Schwarzwald) Bebenparameter nach Grünthal und Wahlström (2003) 2004 VI 5,4 4,6 ca. 3 Mio. Euro Die in Abb. 1 dargestellten Seismizitätsdaten entstammen dem aktualisierten Bebenkatalog von Grünthal und Wahlström (2003), in dem die Bebendaten der nationalen europäischen Bebenkataloge nördlich des Mittelmeeres (bzw. nördlich von 44 N) ab 1000 AD in harmonisierter Form eingeflossen sind. Eine Auswahl der stärksten Beben in Deutschland in den letzten 250 Jahren gibt die Tabelle 2. Die höchste Bebenaktivität weist nördlich der Alpen die Seismizitätszone des Rheingebietes auf, die sich im Norden bis in den Raum Köln erstreckt und sich von dort weiter westlich bis in das niederländische Limburg und nach Belgien fortsetzt. Einen Seismizitätsschwerpunkt im Niederrheingebiet stellt der Raum Aachen-Düren dar. Im Mittelrheingebiet zeigt der Raum um Koblenz die höchste Bebenaktivität. Das nördliche Oberrheingebiet vom Raum Karlsruhe bis Mainz weist im nördlichsten und südlichsten Teil, d. h. im Gebiet Rheinstetten-Rastatt einen weiteren Seismizitätsschwerpunkt auf. Der südliche Teil des Oberrheingrabens zeigt erhöhte Bebenaktivität im Raum Strasbourg sowie in seinem südlichen Teil. Die Bebenzone der Schwäbischen Alb mit dem Schwerpunkt Albstadt wurde in historisch überlieferter Zeit mit einem der größten Beben Deutschlands, am 16. November 1911 mit einer Epizentralintensität von VIII und einer Magnitude von 6,1, aktiviert. Mit weiteren Schadenbeben in den Jahren 1943 und 1978 setzte diese lokale eng begrenzte Seismizitätszone den weitaus größten Teil der Bebenenergie im 20. Jahrhundert in Deutschland frei. Mit den weiteren Herdgebieten im Saulgau, im Südwesten von Donaueschingen und im Schwarzwald ist Baden- Württemberg das bebenaktivste Bundesland. Unmittelbar jenseits der heutigen Grenzen haben sich in historischer Zeit katastrophale Beben ereignet: so z. B. das Basel-Erdbeben am 18. Oktober 1356 (M w = 6,6; I 0 = IX), zu dem von zahlreichen eingestürzten Häusern und 300 Toten berichtet wird. Auch zum Verviers-Beben am 18. September 1692 im östlichen Teil Belgiens weisen neuere Untersuchungen auf eine relative große Magnitude von ca. 6,5. Die Magnituden-Häufigkeitskurve zur Bebentätigkeit Deutschlands (Abb. 2) inklusive eines schmalen Randsaumes 10 km zeigt einen nahezu idealen geradlinigen Verlauf in der dargestellten halblogarithmischen Form. Hieraus ist abzulesen, dass Momentmagnituden M w = 4 im Mittel etwa alle T = 2 Jahre auftreten Erdbebengefährdungskarten und gefährdungskonsistente Antwortspektren Auf den tektonischen Hintergrund und die Berechnungsprozedur sei hier nicht eingegangen. Festzuhalten ist jedoch, dass die hier vorgenommene Analyse dem international bewährten Stand der Technik entspricht und zu stabilen Resultaten für die hier geforderten Erschütterungsparameter für die 50%- Fraktile führt. Abb. 2 Nicht-kumulative Magnituden-Häufigkeitskurve zur Bebentätigkeit Deutschlands 28

5 Abb. 4 Gefährdungskonsistente horizontale Antwortspektren (5% Dämpfung) der Bodenbeschleunigung SA, jeweils für den Untergrundtyp Fels sowie für die mittlere Wiederholungsperiode T = 500 Jahre (DIN-Spektrum für T = 475 Jahre). Abb. 3 Erdbebengefährdungskarte für 9,5% Überschreitenswahrscheinlichkeit von Spitzenbodenbeschleunigung PGA in 100 Jahren (bzw. P= p.a., T=1000 Jahre) Von den berechneten probabilistischen Erdbebengefährdungskarten wird hier exemplarisch lediglich diejenige für die Spitzenbodenbeschleunigung PGA für Fels-Untergrund, 50%-Fraktile und mittlere Wiederholungsperiode T = 1000 Jahre dargestellt (Abb. 3). Die Karte verdeutlicht, dass die Gebiete mit einer signifikanten Erdbebentätigkeit (Abb. 1) in der Gefährdungskarte (Abb. 3) Werte von PGA größer 0,4 m/s 2 erreichen. Die größten Spitzenbodenbeschleunigungen weist die Karte im Raum von Albstadt aus, im Dreiländereck von Frankreich, der Schweiz und Deutschland, sowie in der Niederrheinischen Bucht westlich von Köln mit von 1,2 m/s 2. Gefährdungskonsistente Antwortspektren lassen sich aus einer Vielzahl von Gefährdungsrechnungen für entsprechende Spektralstützstellen berechnen. Sie beschreiben die spektrale Zusammensetzung der Beschleunigungslastannahmen in Form ihrer Reaktion auf ein System von Einmassenschwingern (hier mit 5% Dämpfung) entsprechend der konkreten Erdbebengefährdung für den betreffenden Punkt für das betrachtete Gefährdungsniveau. Sie sind die Grundlage für den ingenieurtechnischen Nachweis der Erdbebensicherheit. Abb. 4 zeigt ein typisches horizontales gefährdungsgerechtes Antwortspektrum für den Untergrundtyp Fels und einer mittleren Wiederholungsperiode T = 500 (durchgezogenes Spektrum in Abb. 4). Für den betrachteten Punkt errechnet sich eine Spitzenbodenbeschleunigungen (bei 50 Hz) von PGA = 0,85 m/s 2. Dieser Wert kann als Einhängewert für den Vergleich mit der Spektrenform der analogen Spektren für Fels-Untergrund anhand der DIN 4149: dienen. Auffällig ist die perfekte Übereinstimmung beider auf grundsätzlich unterschiedlichen Wegen gewonnenen Spektren für die größten Spektralwerte (Plateau-Bereich) und die Spektrenflanke zu höheren Schwingungsperioden. Diese generelle sehr gute Übereinstimmung konnte für alle bisher betrachteten Standorte gezeigt werden. Anschrift des Verfassers: Dr. rer. nat. Gottfried Grünthal GeoForschungsZentrum Potsdam Sektion 5.3 Ingenieurseismologie Telegrafenberg Potsdam ggrue@gfz-potsdam.de 29