Der Bauwerksbestand in dicht besiedelten städtischen Regionen setzt sich aus einer Vielzahl von Gebäuden zusammen, die sich hinsichtlich der Tragsysteme, der verwendeten Baustoffe und der Bauwerksgeometrien voneinander unterscheiden. Da zudem die Baujahre der Gebäude unterschiedlich sind, stellt die Beurteilung der Erdbebensicherheit des Bestands eine komplexe Aufgabe dar.

Grundsätzlich kann eine Beurteilung am Einzelbauwerk erfolgen, was jedoch einen hohen Untersuchungsaufwand zur Folge hat. Alternativ kann die Beurteilung auf Grundlage von Fragilitätskurven durchgeführt werden, die bei einer Klassifizierung der Bauwerke für flächenhafte Beurteilungen des Bestands verwendet werden können. Nachfolgend werden die Beurteilungsmöglichkeiten vorgestellt und diskutiert.

Beurteilung von Einzelbauwerken

Bei der Beurteilung von Einzelbauwerken können kon­zeptionelle und ausführungsbedingte Schwachstellen auf Grundlage von Bauwerksbegehungen, Bestandsunterlagen und rechnerischen Untersuchungen detailliert identifiziert werden. Im Falle einer unzureichenden Erdbebensicherheit können mit den Analyseergebnissen zielgerichtet Maßnahmen zur Verbesserung der seismischen Sicherheit durchgeführt werden. Damit lassen sich schwere Gebäudeschäden vermeiden, wie sie durch die Erdbebenserie in der Emilia Romagna, Italien zahlreich aufgetreten sind (Abb. 1).

Erdbebengerechte Entwurfskriterien und typische Schwachstellen

Die Erdbebensicherheit von Bauwerken ist wesentlich von der Grund- und Aufrissgestaltung des Bauwerks abhängig, da diese die Verteilung der Erdbebenkräfte auf die tragenden Elemente beeinflusst (s. Abb. 2, 3). Ein möglichst kompakt geplantes Gebäude zeigt im Erdbebenfall ein deutlich günstigeres dynamisches Verhalten als eine stark aufgelöste Gebäudeform. Neben der Gebäudeform wird durch die Anordnung der Tragelemente die Verteilung der Erdbebenlasten auf die Aussteifungselemente beeinflusst. Nur eine möglichst gleichmäßige Verteilung der lastabtragenden Elemente und der Bauwerksmassen führt zu einem günstigen dynamischen Verhalten im Erdbebenfall. Eine der häufigsten Ursachen für den Einsturz von Gebäuden bei Erdbebenereignissen wird durch das sogenannte „weiche Stockwerk“ verursacht. Darunter ist ein Steifigkeitssprung im Gebäudeaufriss zu verstehen, der zu einem Versagen des Geschosses mit der geringsten Steifigkeit führen kann. Dieser Fall kommt beispielsweise vor, wenn die Schubwände aus architektonischen oder nutzungstechnischen Gründen nicht kontinuierlich bis zum Fundament durchgeführt werden. Ein typisches Beispiel hierfür sind Geschäftshäuser im Innenstadtbereich, die Schaufensterfronten und eine hohe Transparenz im Gebäudeinneren aufweisen.

Erdbeben, Bevölkerungsschutz, Bauwerksbestand

Abb. 2: Beispiele für günstige und ungünstige Grundrisse.

Zurückliegende Erdbebenschäden haben gezeigt, dass seismische Schwachstellen nicht nur auf Planungsfehler zurückzuführen sind, sondern auch durch Ausführungsfehler verursacht werden. Eine typische konstruktive Schwachstelle ist die ungewollte Ausbildung von „kurzen Stützen“, durch die Anordnung fugenloser hoher Brüstungen in Rahmenkonstruktionen. Der Erdbebenwiderstand eines Gebäudes wird aber auch durch die ungünstige Anordnung von Aussparungen erheblich reduziert. Deswegen ist deren Anordnung in erdbebenbeanspruchten Tragelementen immer kritisch zu beurteilen. Bei Rahmenkonstruktionen aus Stahl oder Stahlbeton mit ausgefachten Mauerwerkswänden kann es auf Grund des Zusammenwirkens der beiden Komponenten zu einem Versagen des Mauerwerks und in der Folge zu einem Stützenversagen durch lokale Schubbeanspruchungen der Stützen kommen. Um dieses Versagen zu vermeiden, müssen zwischen den Ausfachungswänden und den Stützen Fugen angeordnet werden, die eine relative Bewegung der beiden Tragelemente erlauben. Fugen sind auch zwischen benachbarten Gebäuden anzuordnen, da ansonsten die Gebäude gegeneinander schlagen können. Dies kann insbesondere bei versetzten Geschossdecken zu schweren Schäden führen. Eine Fugenanordnung ist auch bei größeren Anbauten vorzusehen. Bauliche Ergänzungen mit einer im Vergleich zum bestehenden Tragwerk geringen Masse können hingegen kraftschlüssig mit dem Tragwerk verbunden werden. Ein Beispiel hierfür sind Treppenhäuser in Leichtbauweise, die problemlos an das bestehende Gebäude angebunden werden können. Weiterhin ist es zu empfehlen, dass Gebäude auf einer zusammenhängenden Gründung ohne Höhenversätze errichtet werden. Einzelne Gründungskörper, wie Streifenfundamente oder Einzelfundamente sollten durch Zerrbalken kraftschlüssig verbunden werden, um Relativverschiebungen im Baukörper zu vermeiden.

Eine unterschätzte Gefahr stellen nichttragende Elemente dar, die bei einer seismischen Einwirkung ihre Lagesicherheit verlieren. Beispiele hierfür sind nicht ausreichend verankerte Fassadenelemente, Teile der Dachkonstruktion sowie Schornsteine. Im Falle eines Herabfallens dieser nicht tragenden Bauteile können Personen zu Schaden kommen und Fluchtwege blockiert werden. Auch die nichtragenden Bauteile im Gebäudeinneren wie Trennwände, Unterdecken, Komponenten der Haustechnik und weitere Einrichtungen können bei Verlust der Lagesicherheit eine erhebliche Gefahr darstellen und müssen gegen Herabfallen und Umkippen gesichert werden.

Maßnahmen zur seismischen ­Ertüchtigung

Bei Bauwerken, die starke Abweichungen von den erdbebengerechten Entwurfskriterien zeigen, können zur Vermeidung seismisch bedingter Gebäudeschäden Ertüchtigungsmaßnahmen notwendig werden. Dabei spielt, wie bereits im vorherigen Abschnitt erläutert, insbesondere die gleichmäßige Verteilung von Masse und Steifigkeit eine zentrale Rolle. Die Massenverteilung kann beispielsweise durch eine im Hinblick auf das dynamische Gebäudeverhalten sinnvolle Gebäudenutzung optimiert werden. So lassen sich die seismischen Beanspruchungen im Gebäude deutlich reduzieren, wenn große Massen durch Komponenten der Haustechnik oder Lagerräume in den Untergeschossen angeordnet werden, da diese dann dynamisch nicht mehr so stark wirksam werden.

Die Steifigkeitsverteilung kann durch den Einbau zusätzlicher Tragelemente oder die Verstärkung von vorhandenen Tragelementen verändert werden. So besteht die Möglichkeit, unzureichend bewehrte Schubwände aus Stahlbeton mit Vorsatzschalen oder aussteifende Mauerwerkswände mit CFK-Lamellen zu verstärken. Weiterhin kann es auch sinnvoll sein, zusätzliche Gebäudefugen anzuordnen, um eine komplexe Gebäudegeometrie in einfache Teilsysteme zu zerlegen, die ein klar definiertes dynamisches Verhalten aufweisen.

Eine Möglichkeit die seismischen Einwirkungen deutlich zu reduzieren, ist die Entkopplung des Bauwerks vom Baugrund durch den Einbau einer Basisisolierung. Die Isolierung kann durch Elastomerlager erfolgen, die in der Regel bewehrt sind und über dissipative Elemente verfügen. Zur Begrenzung der horizontalen Verschiebungen basisisolierter Bauwerke können Dämpfer­elemente angeordnet werden, die zusätzlich die Schwingungsenergie des Gebäudes dissipieren. Bei Anordnung von Isolierungen ist darauf zu achten, dass die Aufnahme der horizontalen Beanspruchungen aus Wind ohne horizontale Verschiebungen gewährleistet ist.

Erdbebeninduzierte Bauwerksschwingungen können auch durch eine Erhöhung der Systemdämpfung reduziert werden. Hierfür werden Dämpfer ohne Zusatzmasse, sogenannte Dissipatoren, verwendet. Diese Dämpfungselemente dissipieren die Schwingungsenergie des Bauwerks, indem sie diese Schwingungsenergie beispielsweise durch Reibung in Wärmeenergie umwandeln.

Erdbeben, Bevölkerungsschutz, Bauwerksbestand

Abb. 3: Beispiele für günstige und ungünstige Aufrisse.

Eine Verbesserung des seismischen Widerstands kann durch den Einsatz von Schwingungsdämpfern erreicht werden. Hierbei wird eine Zusatzmasse mit Feder-Dämpfer-Elementen an das Bauwerk angeschlossen. Mit einer bestimmten Abstimmung ausgelegte Dämpfer- und Federparameter bringen die Zusatzmasse entgegen der Bewegungsrichtung des Bauwerks zum Schwingen, so dass die auf das Hauptsystem übertragenen Kräfte wie viskose Dämpfungskräfte wirken. Die gleiche Wirkung kann auch mit sogenannten Pendeldämpfern erreicht werden. Eine neuere und vielversprechende Möglichkeit sind Flüssigkeitsdämpfer, die im Vergleich zu mechanischen Schwingungsdämpfern wartungsarm und geometrisch flexibel konzipiert werden können.

Flächenhafte Untersuchungen

Erdbeben verursachen wegen zunehmender Verstädterung, Besiedlung und Industrialisierung exponierter Regionen sowie steigender Verwundbarkeit und Kapitalintensität moderner Technologien weltweit große volkswirtschaftliche Schäden und fordern meist eine hohe Anzahl von Verletzten und Todesopfern. Die Ursache der Schäden liegt in der Entstehung einer komplexen Schadenskette beginnend mit dem Versagen von Bauwerken und der Zerstörung der Infrastruktur, was auch zu Versorgungsengpässen und damit zu einer weiteren Bedrohung für die Bevölkerung führen kann. Die Sensibilisierung durch aktuelle verheerende Erdbebenschäden führte zu einer Intensivierung der Forschungsaktivitäten in den Bereichen Seismologie und Methodenentwicklung für die Beurteilung der seismischen Vulnerabilität von Bauwerken. Durch die Integration beider Aspekte in GIS basierten Systemensind heute flächenhafte Schadensprognosen möglich, die im Anschluss zur Ausarbeitung von Katastrophenplänen oder zur Prognostizierung von volkswirtschaftlichen und versicherungstechnischen Schadenssummen verwendet werden können.

Das weltweit bekannteste und umfassendste System zur Abschätzung von Erdbebenschäden ist das auf dem GIS MapInfo basierende HAZUS, das in den U.S.A. für großflächige Schadensprognosen eingesetzt wird. HAZUS enthält Methoden zur Durchführung von Schadensprognosen für Gebäude, Versorgungsbauwerke und verkehrliche Infrastruktur und bietet auch die Möglichkeit zur Abschätzung der ökonomischen Folgen. Die Grundlage des Systems bilden Expertenbefragungen und statistische Auswertungen von Erdbebenschäden in den U.S.A., so dass eine direkte Übertragbarkeit auf andere Länder nicht möglich ist.

Eine der wohl umfassendsten flächenhaften seismischen Auswertungen auf einen Ballungsraum stellt das in Istanbul mit Beteiligung der Bogazici Universität durchgeführte Projekt „Earthquake Risk Assessment for Metropolitan Area“ dar. In diesem Verbundprojekt wurden die geologischen und seismologischen Daten, der Gebäudebestand sowie alle Versorgungs- und Infrastrukturbauwerke in das GIS MapInfo eingegeben. Hierbei wurde Istanbul mit einem Gitter überzogen und für jede Gitterzelle erfolgte die Aufnahme der vorhandenen Gebäude, wobei die aufgenommenen Gebäude vorab definierten Bauwerksklassen zugeordnet wurden. Auf Grundlage der gewählten Zelleneinteilung und der aufgenommenen Gebäudedaten wurden flächenhafte Simulationen zu den Auswirkungen potentieller Erdbeben in der Region Istanbul durchgeführt. Diese Simulationen sind ein wichtiges Planungsinstrument für den Katastrophenschutz.

Ermittlung von Fragilitätskurven

Erdbeben, Bevölkerungsschutz, Bauwerksbestand

Abb. 4: Fragilitätskurven zur Ermittlung der Überschreitungswahrscheinlichkeit eines Schadenszustands. (Grafiken: Dr. Butenweg)

Die Grundlage von flächenhaften Auswertungen infolge seismischer Ereignisse bilden Fragilitätskurven, die für die im letzten Abschnitt eingeführten Bauwerks­klassen aufgestellt werden. Die Fragilitätskurven geben den Zusammenhang zwischen der Erdbebenintensität und der Wahrscheinlichkeit für das Erreichen eines bestimmten Schadenszustands an. Abb. 4 zeigt die schematische Darstellung eines Diagramms mit Fragtilitätskurven für fünf verschiedene Schadenszustände sowie den Verlauf von vier Fragilitätskurven, die jeweils zwei Schadenszustände gegen­einander abgrenzen. Der Bereich zwischen zwei Kurven gibt die Wahrscheinlichkeit über die Zu­gehörigkeit zu einem Schadenszustand an. Die Summe der Wahrscheinlichkeiten aller fünf Schadenszustände ergibt für eine Erdbebenstärke jeweils 100 %.

Die Ergebnisse von flächenhaften Abschätzungen infolge seismischer Einwirkungen sind direkt von der Qualität der verwendeten Fragilitätskurven abhängig. Die Fragilitätskurven sind aufgrund der speziellen Bauweisen in verschiedenen Ländern im Allgemeinen nicht übertragbar. Dies hat zur Folge, dass die auf statistischen Auswertungen basierenden Fragilitätskurven in HAZUS nicht direkt auf Deutschland übertragbar sind. Da aber in Deutschland keine ausreichenden statistischen Daten für die Erstellung empirischer Fragilitätskurven zur Verfügung stehen, müssen diese auf Grundlage von rechnerischen Simulationen ermittelt werden. Hierbei sind die Streuungen der Eingangs- und Modellparameter im Rahmen probabilistischer Analysen zu berücksichtigen. Als Fragilitätskurven werden dann in der Regel die Mediane der Antwortgrößen aus den probabilistischen Berechnungen verwendet.

Fazit

Die Beurteilung der seismischen Sicherheit von Bestandsgebäuden in Ballungsräumen ist eine komplexe Aufgabenstellung von großer gesellschaftlicher Bedeutung im Hinblick auf den Bevölkerungsschutz. Die Beurteilung von Einzelgebäuden erlaubt es, für konkrete Bauwerke Schwachstellen zu identifizieren und durch geeignete seismische Ertüchtigungsmaßnahmen Verbesserungen zu erzielen. Flächenhafte Untersuchungen dienen übergeordneten Untersuchungen, wie der Ausarbeitung von Katastrophenplänen oder der Prognose von volkswirtschaftlicher und versicherungstechnischer Schadenssummen. Bei diesen Untersuchungen wird nicht das Einzelgebäude betrachtet, sondern es werden Bauwerksklassen auf Grundlage von Fragilitätskurven beurteilt, die es ermöglichen flächenhafte Schadensverteilungen zu ermitteln.

Aufmacherbild: Schwer beschädigtes Mehrfamilienhaus, Emilia-Romagna-Erdbeben, 2012, Italien. (Bild: DGEB)

Dr. Christoph Butenweg, Dr. Okyay Altay

Anschrift der Verfasser:
Dr.-Ing. Christoph Butenweg
Tel.: 0241/8025863

Dr.-Ing. Okyay Altay
Tel.: 0241/8025864

Lehrstuhl für Baustatik und Baudynamik
RWTH-Aachen
Mies-van-der Rohe-Straße 1
52074 Aachen

BUTENWEGDr.-Ing. Christoph Butenweg
geb. am 13. März 1969 in Borken
August 1994: “Diplomingenieur”, Ruhr-Universität Bochum
1999: “Dr.-Ing.”, Universität Essen
2000: Berechnungsingenieur im ­Ingenieurbüro „Karvanek-Thierauf“ in Essen
Seit 2001: Oberingenieur am Lehrstuhl für Baustatik und Baudynamik der RWTH-Aachen
Seit 2006: Geschäftsführender Gesellschafter der SDA-engineering GmbH

Mitgliedschaften:
Vorsitzender der Deutschen Gesellschaft für Erdbebeningenieurwesen und Baudynamik
Deutsche Gesellschaft für ­Biomechanik
Bionik Zentrum der RWTH-Aachen
Normausschuss NA 005-51-06 AA Arbeitsausschuss Erdbeben
International Association of Experimental Structural Engineering