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Erdbebensicheres Bauen

Wie entstehen Erdbeben?

Die Erdkruste besteht aus sogenannten tektonischen Platten, die sich gegeneinander bewegen. Obwohl die Geschwindigkeit dieser Wanderungen nur wenige Zentimeter pro Jahr beträgt, stauen sich dort, wo die Platten aufeinandertreffen, gewaltige Energien auf. Das Gestein wird einem enormen Druck ausgesetzt, bis es schließlich explosionsartig bricht und sich die Spannungen in Form eines Erdbebens entladen. Ein Beispiel dieser tektonischen Platten sind die eurasische und die afrikanische Platte, welche entlang der nordwestafrikanischen Küste, Italien, Montenegro, Albanien, Griechenland, der Türkei und wieder der Mittelmeerküste entlang südwärts aufeinandertreffen. Diese Grenzbereiche sind nicht lokal begrenzt, sondern hunderte Kilometer weit. Daher liegt auch Südtirol am Rand dieses Grenzbereiches und kann von Erdbeben heimgesucht werden, wenngleich mit geringer Intensität und Häufigkeit.

Was geschieht bei einem Erdbeben mit einem Gebäude?

Die seismischen Wellen versetzen die Erdoberfläche in Bewegung, welche diese Schwingungen an die Gebäude überträgt. Das Tragwerk schwingt nach dem Ereignis aus und baut diese Energie durch „innere Reibung“ wieder ab. Die für ein normales Gebäude relevanten Schwingungen erfolgen in horizontaler Richtung. Das Tragwerk eines Gebäudes muss auch für horizontale Beanspruchungen geplant und dimensioniert werden. Es gibt dafür zwei grundsätzliche Tragwerksmodelle:

  • Scheibentragwerke, welche aus Wänden oder vertikalen Verbänden bestehen
  • Stockwerkrahmen, welche aus Stützen und Trägern bestehen.

Beide können auch kombiniert werden.

Aussteifungstragwerke (Stockwerkrahmen, Fachwerkverband, Scheibe
Bild 1: Aussteifungstragwerke (Stockwerkrahmen, Fachwerkverband, Scheibe)

Welche Kenngrößen beeinflussen die Beanspruchung eines Gebäudes im Erdbebenfall?

Der Untergrund, auf dem die Fundamente stehen, beeinflusst auf Grund seiner Steifigkeit die Beanspruchung des Tragwerkes, da sich in steifen Böden (z.B. Fels) die seismischen Wellen mit viel höherer Geschwindigkeit als in weichen. Schwingungen mit hoher Geschwindigkeit beanspruchen ein Gebäude weniger als solche mit niedriger. Daher ist es auch wichtig, durch ein geologisches Gutachten Kenntnis über den Untergrund zu erlangen, auf welchem das Bauwerk steht.

Die Masse des Gebäudes und deren Verteilung entlang der Höhe und im Grundriss beeinflussen wesentlich die Intensität der Schwingungen, deren Auslenkungen und Dauer. Je größer die Masse, desto größer sind die Beanspruchungen. Es sollte das Ziel sein, die Massen entweder gleichmäßig über die Höhe und im Grundriss zu verteilen oder diese gleichmäßig nach oben hin abnehmen zu lassen.

Die Proportionen in Grundriss und Aufriss beeinflussen auch die Beanspruchungen eines Gebäudes. Bei langen, schmalen Grundrissen oder im Verhältnis zur Grundfläche hohen Gebäuden treten ungünstige Schwingungsformen auf, da einzelne Bereiche in die entgegengesetzte Richtung schwingen, was zu hohen Beanspruchungen des Tragwerkes führt. Daher ist die Regelmäßigkeit, ein einfacher Grund- und Aufriss, von großer Bedeutung. Die Kriterien hierzu sind:

  • Verhältnis Länge zu Breite kleiner als drei (Idealfall quadratische oder kreisförmige Grundrisse)
  • Verhältnis Höhe zu Breite kleiner als drei
  • Auflösung komplexer Grundrissformen (z.B. L-, H-, T-, X-, V-, Y-Formen) und Höhenversätze im Aufriss in einzelne rechteckige Bauteile und die Ausbildung fachgerechter Gebäudefugen zwischen den einzelnen Abschnitten, damit sich die einzelnen Bauteile bei entgegengesetzter Schwingung nicht berühren
  • Vermeidung großer Rücksprünge oder Auskragungen
Beispiele komplexe Grundrissformen welche zu ungünstigem Verhalten bei Erdbeben führen
Bild 2: Beispiele komplexe Grundrissformen welche zu ungünstigem Verhalten bei Erdbeben führen
günstige Gebäudeformen durch Auflösung in rechteckige Bauteile und Ausbildung von Gebäudefugen (grün)
Bild 3: günstige Gebäudeformen durch Auflösung in rechteckige Bauteile und Ausbildung von Gebäudefugen (grün)

Eine günstige Anordnung der Aussteifungstragwerke im Grundriss verringert wesentlich die Beanspruchungen im Erdbebenfall. Bei einer günstigen Anordnung sind die Aussteifungstragwerke in beide Hauptrichtungen vorhanden symmetrisch um den Masseschwerpunkt verteilt.

Die Steifigkeitsverteilung über die Höhe soll entlang der Bauwerkshöhe gleich bleiben oder nach oben hin gleichmäßig abnehmen. Sprunghafte Änderungen der Steifigkeit führen zur Knicken in der Achse der Steifigkeitsmittelpunkte und so zur Entstehung von Schwachstellen.

Sprunghafte Änderungen der Steifigkeit führen zur Entstehung von Schwachstellen.
Bild 4: Sprunghafte Änderungen der Steifigkeit führen zur Entstehung von Schwachstellen.

Was sind für erdbebensichere Bauwerke geeignete Baumaterialien?

Im Prinzip können erdbebensicher Gebäude aus allen gängigen Baumaterialien, wie Stahlbeton, Stahl, Mauerwerk oder Holz, gefertigt werden, sofern diese fachgerecht geplant und ausgeführt werden. Für welches Material sich ein Bauherr entscheidet, hängt von seinen Erfordernissen und Vorlieben ab. Im groben kann man die Unterschiede wie folgt umreißen:

  • Stahlbeton- und Mauerwerkskonstruktionen sind schwerer als Stahl- und Holzkonstruktionen, daher treten hier auch größere Beanspruchungen auf
  • Die Ausbildung der Verbindungen zwischen den einzelnen Bauteilen ist bei Stahl- und Holzkonstruktionen aufwändiger als beim Stahlbetonbau, wo diese durch korrekte Bewehrungsführung und Betonguss einfacher hergestellt werden können
  • Mauerwerksbau ist spröder als die anderen drei vorgestellten Bauweisen und kann nur in sehr geringem Maß Zug- und Scherkräfte aufnehmen. Durch eine geschickte Anordnung der Decken können alle Mauerscheiben vertikal beansprucht werden und somit deren Tragfähigkeit aktiviert und gesteigert werden. Die Eignung für horizontale Beanspruchungen der neuen Wärmedämmplanziegel ist z.B. in deren bauaufsichtlichen Zulassung angegeben und die Planung hat darauf Rücksicht zu nehmen.

Für die verschiedenen Bauteile aus den oben angeführten Materialien gibt es konstruktive Regeln, welche eingehalten werden müssen, damit diese die zyklischen Beanspruchungen aus den Schwingungsvorgängen sicher aufnehmen können.

Eine fachgerechte Tragwerksplanung beinhaltete schon immer auch die Bemessung des Tragwerkes für horizontale Beanspruchungen wie Wind, Erdbeben oder Erddruck. Im Laufe der Jahrzehnte haben sich die Normen, auch aus den traurigen Erfahrungen großer Erdbebenereignisse, weiterentwickelt und dank Computergestützter Berechnungsmodelle können auch komplexere Tragwerksanalysen gemacht werden. In den letzten Ausgaben der Normen (z.B. heute in Italien gültige Norm M.D. 17.01.2018) wurden klare Kriterien festgelegt, welche Eigenschaften ein erdbebensicheres Gebäude bei verschieden starken Erdbeben aufweisen muss. Es gibt keine absolute Sicherheit, jedoch werden je nach Stärke der Beben und Bedeutung des Bauwerkes keine (statistisch 50-jährige Wiederkehr des Ereignisses für normale Gebäude) oder große Schäden bis ausschließlich dem Erhalt der Standhaftigkeit des Tragwerkes (statistisch 475 jährige Wiederkehr des Ereignisses für normale Gebäude) zugelassen.

Die Kosten für ein „erdbebensicheres“ Bauwerk müssen nicht über denen eines „normalen“ Gebäudes liegen, wenn man die vorhin zitierten Kriterien der Proportionen in Grundriss und Aufriss, günstige Anordnung der Aussteifungstragwerke im Grundriss und die Steifigkeitsverteilung über die Höhe schon in der architektonischen Planungsphase berücksichtigt.


Fachautor

Dr. Ing Sebastian Vigl
Schrentewein & Partner GmbH
www.schrentewein.com

Sebastian Vigl

Baufuchs 2019