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Erdbebengerechte Bauten und Infrastruktur, 2005 - Studer

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ETH-Nachdiplomkurs in angewandten Erdwissenschaften, 2. – 7. 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
Inhalt
• Wirkungen von Erdbeben auf Bauten und Infrastruktur
• Definitionen und Begriffe
• Grundsätzliche Möglichkeiten, Erdbebenrisiken zu
minimieren
• Erdbebengerechte Bauweise
Studer Engineering
2
Wirkungen von Erdbeben
Studer Engineering
3
Primärwirkungen
Primärwirkungen
Erschütterungen /
Schwingungen
Verschiebungen
Studer Engineering
Einfluss auf:
Gegenmassnahmen
• Hochbauten
• Gebäudelayout
• Duktile Bauweise
• Gebäudeinhalt
• Befestigungen
• Tiefbauten
• Hochbauten
• Standortwahl
4
Sekundärwirkungen
Sekundärwirkungen
wassergesättigte, locker gelagerte, kohäsionslose
Sandschichten:
Festigkeitsreduktion oder-Verlust infolge
Erschütterungen
Gegenmassnahmen
• Standortwahl
• Bodenverbesserung
• Pfahlfundationen
Feuer
• Überbauungsdichte
• Materialwahl
• Sicherheitssysteme
Überschwemmungen
• Standortwahl
(Seiches, Tsunamis, Dammbruch)
Sekundärwirkungen Infrastrukturanlagen
(Energieunterbruch, Nachbarbauten etc.)
Studer Engineering
• Redundanzen
• Abstände zu Anlagen
5
Definitionen
Studer Engineering
6
Definitionen
Definitionen: Verwerfungsebene, Einfallwinkel α, Streichwinkel β, Bruchfläche (L=Länge,
B=Breite), Herd (Hypozentrum), Herdtiefe h, Epizentrum,
Bruchausbreitungsgeschwindigkeit v, Hypozentral- und Epizentraldistanz
Studer Engineering
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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
Magnituden
Studer Engineering
9
Intensität:
Vergleich von
Intensitätsskalen
Studer Engineering
10
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
EMS-98:
Verletzlichkeit
Studer Engineering
12
EMS-98:
Schadengrad
Studer Engineering
13
EMS-98:
Intensität
(Auszug I=VII-VII)
Studer Engineering
14
Starkbebendauer
Studer Engineering
15
Antwortspektrum
"Fingerabdruck" des Erdbebens
Studer Engineering
16
Antwortspektren Æ Bemessungsspektren
(Î wichtigstes Instrument des Ingenieurs)
4
4
84% Fraktilwert
3.5
50% Fraktilwert
3.5
3
3
2.5
Sa
2
aS (m/s )
2.5
2
2
1.5
1.5
1
1
0.5
0.5
0
0.01
0.10
Periode (s)
1.00
10.00
0
0.01
0.1
1
10
Periode (s)
Bemessungsspektren sind keine Umhüllenden, sondern Fraktilwerte
Studer Engineering
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Grundsätzliche Möglichkeiten,
Erdbebenrisiken zu minimieren
Studer Engineering
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Unterschiede zu anderen Naturgefahren
Erdbeben
Andere Naturgefahren
Wirkungen treten überall auf
Wirkungen treten nur lokal auf
Stärke und Typ von Geologie und
Topographie abhängig
Æ Einfluss auf Gefahrenkarten
(Mikrozonierung)
Zonen, in denen keine Wirkung
auftritt
Æ Klassische Gefahrenkarten wie
Lawinen / Überschwemmungen
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19
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
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20
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
Î Die Mikrozonierung wäre aber ein wichtiges Instrument, um
Risiken zu verringern
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Typen von Mikrozonierung
Typ
Beschreibung
A
Gefahrenkarte, Raumnutzung mit zonenkonformen Nutztypen und
Bauvorschriften (keine Dimensionierungsvorschriften)
Æ am ehesten umsetzbar
B
Gefahrenkarte, Raumnutzung mit Baudimensionierungsvorschriften,
z.B. zonenspezifische Bemessungsspektren
Æ am schwierigsten umsetzbar
C
Szenarien, Gefahrenkarte + Verletzlichkeitskarte für spezifische
Ereignisse, z.B. für Vorsorge, Planung von Rettungseinsätzen
Æ meist nicht öffentlich (nur verwaltungsintern, deshalb weniger Probleme)
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Wahl der Mikrozonierungsart
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Karte der
Baugrundklassen
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24
Spektrale
seismische
Mikrozonierung
Studer Engineering
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Basler
Erdbeben
(1356)
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Region + Bodentyp
Ermittlung der
Erdbebenlasten
(1)
Erschütterung = f (Herd, Übertragungsweg, Standort)
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Standortspezifisch
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Erdbebengerechte Bauweise –
Ermittlung der Erdbebenlasten (2)
• Regional für normale Anforderungen,
z.B. nach SIA-Normen
Standortspezifisch
+ SIA-Normen
• Standortspezifisch für wichtige Bauten
Standortspezifisch +
spezielle
Bemessung (z.B.
KKW, Stauanlagen)
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"Worst case"
Breitbandiges
Erschütterungsspektrum
Anregung
Untergrund
Bauwerk
Eigenfrequenz fU
Untergrund
Eigenfrequenz fB des
Bauwerks
Amplifikation der Erschütterungen
im Bereich der Eigenfrequenz
Amplifikation der Erschütterungen
im Bereich der Eigenfrequenz
Wenn fU ~ fB Î Resonanzkopplung!
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Erdbebeneinwirkung nach SIA-Norm 261
Wichtig: Spektrum 50%
Fraktilwerte, keine Umhüllende
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Standortspezifische Studien
Standortspezifische Antwortspektren
Standortspezifische Antwortspektren
9.0
9.0
P1-1D
P1-1D-Vs-20%
8.0
P2-1D
P3-1D
P4-1D
P5-1D
P4-2D
P5-2D
P4-2D-Vs-20%
P5-2D-Vs-20%
SIA261-C
Design Spektrum
8.0
2
]
SIA261-E
Spektrale Beschleunigung [m/s
Spektrale Beschleunigung [m/s
2
]
Design Spektrum
7.0
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
0.01
7.0
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.1
1
10
Periode [s]
i.a. niedrigere Werte als Norm SIA 261
Studer Engineering
0.0
0.01
0.1
1
10
Periode [s]
In grossem Bereich höhere
Werte als Norm SIA 261
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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
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
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Inhomogene
Steifigkeitsverteilung
über die Höhe
– Soft Storeys
"Soft storey", wenn die
horizontale Steifigkeit kleiner
als 70% des obenliegenden
Stockwerks ist
Erdbeben Bhuj (Gujarat), India, 26.1.2001
(Bild: ASC India)
Studer Engineering
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Inhomogene Steifigkeitsverteilung im Grundriss –
Torsion
Kern
Fy
Fy
S
M
Fx
M
Grosse Torsionswirkung infolge
Erdbeben (Schubmittelpunkt <>
Massenmittelpunkt)
Studer Engineering
Fx
S
Kleine Torsionswirkung infolge
Erdbeben (Schubmittelpunkt nahe
Massenmittelpunkt)
35
Duktile Bauweise als Schutz gegen Überbelastung
(Bild: H. Bachmann, "Erdbebensicherung von Bauwerken")
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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)
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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"
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Referenzliteratur
• Studer, J. A., Koller, M. G.: "Bodendynamik. Grundlagen, Kennziffern,
Probleme."; 2., völlig neubearb. Aufl., Springer Verlag, 1997.
• 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, 1995.
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