SiLK - SicherheitsLeitfaden Kulturgut

13. Erdbeben

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Nach jedem großen Erdbeben stellt sich die Frage, warum Erdbeben für Bauwerke so gefährlich sind. Erdbeben erzeugen schlimme Schäden bis hin zum Einsturz von Gebäuden, weil sie enormen horizontalen Druck auf die Tragwerke eines Gebäudes ausüben. Normalerweise werden Bauwerke fast nur vertikal beansprucht (Gewichte, Auflasten usw.). Hinsichtlich des horizontalen Widerstands weisen sie häufig Konstruktionsschwächen auf (Abb. 1).

                     
Abb. 1: Erdbeben sind für Bauwerke gefährlich, weil sie sehr großen horizontalen Druck ausüben. (Lestuzzi, P.: Séismes et Construction. Eléments pour non-spécialistes. Lausanne, 2008)


1. Typische Erdbebenschäden an Gebäuden

Nach jedem Erdbeben werden immer wieder ähnliche Schäden an Tragwerken beobachtet, die in den meisten Fällen auf Fehler und Mängel im konzeptionellen Entwurf des Tragwerks zurückzuführen sind. Diese Schäden treten vor allem aufgrund folgender Mängel auf:

  • Ungenügende horizontale Aussteifung
  • Weiches Geschoss
  • Nichttragende Bauteile
  • Aufeinanderprallen benachbarter Gebäude
  • Bodenverflüssigung


Ungenügende horizontale Aussteifung
Um horizontalen Einwirkungen, wie sie bei einem Erdbeben entstehen, standhalten zu können, ist die horizontale Aussteifung ausschlaggebend. Sie benötigt vertikale Bauteile (z.B. Wände, Rahmen, Fachwerk), die in der Lage sind, horizontale Kräfte aufzunehmen ohne sich zu stark zu verformen – sie brauchen eine gewisse Steifigkeit.
Auch in Gebieten mit erhöhter Erdbebengefährdung ist immer noch eine große Anzahl von Gebäuden mit unzureichender horizontaler Aussteifung zu finden (Abb. 2a und 2b). Die Auswirkung einer solchen Schwachstelle ist katastrophal, da sie oft zu einem kompletten Einsturz des Gebäudes führt.

   
Abb. 2a: Izmit 1999. Foto: P. Lestuzzi, SGEB-Erkundigungsmission Abb. 2b: Kobe 1995. Foto: Architectural Institute of Japan

 

Weiches Geschoss
Ein weiches Geschoss (engl. soft story) gehört zu den weit verbreiteten Schwachstellen und führt bei einem Erdbeben zum Einsturz eines großen Teils des Gebäudes. In vielen Ländern, leider oft auch in stark erdbebengefährdeten Gebieten, werden im Erdgeschoss die in den Obergeschossen vorhandenen Aussteifungselemente weggelassen und dafür Stützen angeordnet, um Platz für Geschäfte zu haben. Diese Anordnung ist sehr ungünstig in Bezug auf die Erdbebeneinwirkung, da die Stützen die Erschütterungen oft nicht aufnehmen können und versagen.

   

Abb. 3a und 3b: Weiches Geschoss oder “Soft Story”, Izmit 1999.
Fotos: P. Lestuzzi, SGEB-Erkundungsmission

Nichttragende Bauteile
Auch nichttragende Bauteile können große Schäden anrichten. Bei moderaten Erschütterungen sind die Schäden an nichttragenden Bauteilen sogar für den größten Teil der finanziellen Verluste verantwortlich. Während der Entwurfsphase sind diese Bauteile daher unbedingt zu berücksichtigen, insbesondere weil sie auch zum Einsturz des Tragwerks führen können (z.B. kann eine Teilausfachung in einem Rahmentragwerk zum Schubbruch der Stützen führen).
Während eines Erdbebens heruntergefallene Fassadenelemente können schwere Schäden verursachen, die Zugänge für Rettungskräfte versperren und das Leben von Personen auf der Straße gefährden. Die Verankerungen der Fassadenelemente müssen daher nicht nur für vertikale Lasten sondern auch für horizontale Einwirkungen bemessen werden.

   

Abb. 4a und 4b: Heruntergefallene Fassadenelemente, Kobe 1995.
Foto 4a: Architectural Institute of Japan, Foto 4b: T. Wenk, SGEB-Erkundungsmission

Aufeinanderprallen benachbarter Gebäude
Erdbeben erzeugen sehr große Verformungen und können daher zu einer Kollision benachbarter Gebäude führen. Dies ist besonders gefährlich, wenn die Geschossdecken auf unterschiedlicher Höhe liegen und gegen Stützen stoßen.

   

Abb. 5a und 5b: Aufeinanderprallen benachbarter Gebäude, Izmit 1999.
Fotos: P. Lestuzzi, SGEB-Erkundungsmission

Bodenverflüssigung
Feine sandige oder lehmige Böden können sich bei starken Erschütterungen wie eine Flüssigkeit verhalten, wenn diese Böden mit hohem Wassergehalt verbunden sind. Dieses Phänomen wird als Bodenverflüssigung bezeichnet. Gebäude können dann absinken oder umkippen.

   

Abb. 6a und 6b: Bodenverflüssigung, Izmit 1999.
Fotos P. Lestuzzi, SGEB-Erkundungsmission


2. Erdbebengefährdung

Unter Erdbebengefährdung versteht man die Wahrscheinlichkeit, mit der ein Erdbeben zu erwarten ist. Sie wird üblicherweise für eine Wiederkehrperiode von 475 Jahren angegeben. Diese Wiederkehrperiode entspricht einer Überschreitungswahrscheinlichkeit von 10 % in 50 Jahren. 50 Jahre werden als pauschale Nutzungsdauer eines Gebäudes angenommen. Die Erdbebengefährdung wird üblicherweise durch Gefährdungskarten dargestellt. Die Gefährdungskarten können zum Beispiel die Makroseismische Intensität zeigen (Abb. 7).



Abb. 7: Erdbebengefährdung für Deutschland, Österreich und Schweiz (H. Bachmann: Erdbebengerechter Entwurf von Hochbauten – Grundsätze für Ingenieure, Architekten, Bauherren und Behörden. Erdbebengerechter Entwurf von Hochbauten – Grundsätze für Ingenieure, Architekten, Bauherren und Behörden. Richtlinien des BWG. Bern, 2002)

Bei Normenwerken werden eher die Maximalwerte der horizontalen Bodenbeschleunigung in den verschiedenen Erdbebenzone vorgeschrieben (Abb. 8).
Die Norm DIN 4149 (2005) unterteilt Deutschland in vier Erdbebenzonen (Zone 0, 1, 2 und 3, Abb. 8). Für die Erdbebenbemessung werden folgende Werte der horizontalen Bodenbeschleunigung vorgeschrieben :

-    Erdbebenzone 1 : 0,4 m/s2
-    Erdbebenzone 2 : 0,6 m/s2
-    Erdbebenzone 3 : 0,8 m/s2

Für Erdbebenzone 0 wird kein Beschleunigungswert angegeben.


Abb. 8: Erdbebengefährdung für Deutschland (DIN 4149 (Norm): Bauten in deutschen Erdbebengebieten – Lastannahmen, Bemessung und Ausführung üblicher Hochbauten. Berlin 2005)

Der Großteil Deutschlands gilt als nicht erdbebengefährdet. Die am stärksten gefährdeten Gebiete der Zone 3 liegen um Basel und Aachen sowie in der Schwäbischen Alb und in der Nähe von Chemnitz.


3. Vorbeugende Maßnahmen

Erdbebensicheres Bauen
Es gibt Bauweisen, die sich bei einem Erdbeben positiv auswirken, indem sie bei einer horizontalen Belastung große Verformungen zulassen. Folgende Bauweisen können bei entsprechender Konstruktion und Ausführung als erdbebengerecht eingestuft werden:

  • Stahlbauten
  • Stahlbetonkonstruktionen in Ortbetonbauweise (d.h. der flüssige Beton wird erst vor Ort auf der Baustelle verarbeitet)
  • Stahl-Stahlbeton-Verbundbauweise
  • Holzbauweise
  • Fachwerk

Berücksichtigt werden sollten folgende Konstruktionsprinzipien, die bei Erdbebenbelastungen einen höheren Widerstand aufweisen:

  • redundante Bauteile (zusätzliche, im Normalfall nicht benötigte Bauteile, die bei Versagen des eigentlichen Bauteils dessen Funktion übernehmen),
  • symmetrische Grundrisse der Gebäude (Skizze Grundrissgestaltung),
  • Anordnung vertikal durchlaufender massiver Kerne (Skizze Aufrissgestaltung),
  • horizontale Aussteifungen, z.B. durch Schubwände,
  • duktile (d.h. nicht spröde) Materialien und Verbindungen.


Erdbebenschutz für mobiles Kulturgut
Der Schutz eines Bauwerkes vor Erdbeben ist die wichtigste Maßnahme, um die beherbergten Sammlungen zu bewahren. Es gibt jedoch auch Maßnahmen, die im Inneren des Gebäudes zum Schutz von mobilem Kulturgut vorgenommen werden sollten.
Zunächst ist darauf zu achten, dass sämtliche Objekte inventarisiert sind, damit im Fall eines Schadens festgestellt werden kann, was zerstört wurde.

In erdbebengefährdeten Regionen muss mobiles Kulturgut richtig gelagert werden. Ausgestellte Objekte müssen gut aufgehängt oder befestigt sein. In Bibliotheken, Archiven und Museumsdepots müssen Regale, evtl. auch Schränke, an der Wand oder an der Decke befestigt sein, um sie vor dem Umkippen zu schützen. Die Objekte in den Regalen sollten vor dem Herausfallen geschützt werden. Dies kann durch vorgesetzte Glasscheiben oder Riegelkonstruktionen geschehen. In stark erdbebengefährdeten Regionen kann man mögliche Schäden durch Umfallen durch weiche Regalbodenauflagen minimieren. Schubkästen sollten so konstruiert sein, dass sie sich nicht von alleine öffnen.

In der Schweiz wurden in den letzten Jahrzehnten spezielle Kulturgutschutzräume zur Lagerung von beweglichem Kulturgut gebaut. Diese Räumlichkeiten dienen als Depotstandorte für bedeutendes bewegliches Kulturgut. Ihre Bauweise ist auf einen bewaffneten Konflikt ausgerichtet, bewährt sich aber auch im Erdbebenfall.

                                                                                                       
                                                                           Mylène Devaux und Pierino Lestuzzi     

 

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