Erdbebensicheres Bauen

Lange Zeit wurde das Erdbebenrisiko sozusagen als naturgegeben erachtet. Man ging wohl davon aus, dass die Folgen der Bodenbewegungen für die Bauwerke einfach hingenommen werden müssen. In den letzten Jahrzehnten lernte man dank intensiver Forschung immer besser, wie man die Erdbebensicherheit von Bauwerken deutlich erhöhen kann. Angesichts der (folgen-)schweren Erdbeben der letzten Jahre in Sumatra, Chile, Haiti und nun in Japan ist das bestimmt auch nicht zu früh.

Vom Erdbebenherd ausgehende seismische Wellen führen an der Erdoberfläche zu zyklischen Verschiebungen des Bodens in horizontaler und vertikaler Richtung. Im und auf dem Boden befindliche Baustrukturen werden zwangsläufig durch diese Bewegungen beschleunigt und dadurch zu Schwingungen angeregt. Der obere Teil der Bauwerke aber möchte – wegen seiner Massenträgheit – sozusagen am liebsten dort bleiben, wo er immer gewesen ist. Das bewirkt starke Schwingungen des Bauwerkes, die häufig zu plastischen Verformungen des Tragwerks und zu erheblichen Schäden mit lokalem Versagen und im Extremfall zum Einsturz des Tragwerks führen.

Der Eurocode 8 ist europaweit als Bemessungsregel eingeführt. In Deutschland gilt DIN 4149 (Bauten in deutschen Erdbebengebieten – Lastannahmen, Bemessung und Ausführung üblicher Hochbauten) als nationale Umsetzung des Eurocodes. Hier wird über eine Erdbebenkarte die konkrete Gefährdung eines Bauwerkes am Standort fest gemacht. Der meist gefährdeten Zonen sind die Gebiete östlich von Aachen, um die Städte Gera und Freiburg herum sowie südlich von Tübingen zugeordnet. Ebenso entscheidend für die Erdbebensicherheit ist jedoch auch der Untergrund.

Als am sichersten gelten Bauweisen, die bei horizontaler Belastung große Verformungen zulassen und nur mit Vorankündigung (also nicht spontan oder „spröde“) versagen. Erdbebensicher konstruiert und ausgeführt werden können u.a. Stahlbauten, Stahlbetonkonstruktionen als Ortbetonbauwerke, Verbundbauweisen in Stahl–Stahlbeton oder Holzbauweisen.

Auch mit einer geeigneten Lagerung (Stahlkugelfundamente, Bleieinlagen und anderen Stoßdämpfern) können Gebäude errichtet werden, die Schwingungen gut dämpfen können. Spezielle Verspannungen der Gebäuderahmen können ebenso zum Ausgleich von Schwingungen herangezogen werden. Bei Hochhäusern werden massereiche Pendel (so genannte Tilgerpendel) an der Gebäudespitze verwendet, die Erdbebenwellen schlucken sollen. Im einfachsten Fall in Form von Wassertanks. Dies können aber auch frei aufgehängte Stahlkugeln wie beim Hochhaus „Taipei 101“ auf Taiwan (Durchmesser 5,50 Meter, Gewicht 660 Tonnen) sein. Sie bewegen sich entgegen der vom Wind oder einem Erdbeben ausgelösten Gebäudeschwingungen und dämpfen diese so.

Und welche konstruktiven Maßnahmen gibt es allgemein zur Erdbebensicherung von Gebäuden?

Steife Geschosse
Sind aussteifende Elemente wie Wände in einzelnen Geschossen nicht vorhanden sondern werden diese nur durch Stützen getragen, spricht man hier von weichen Geschossen (soft storey). Die Stützen sind aber oft nicht in der Lage, die Relativverschiebungen zwischen dem sich bewegenden Boden und dem oberen Teil des Gebäudes schadlos mitzumachen. Ein Einsturz ist oft unvermeidlich.

Symmetrische Aussteifung
Unsymmetrische Aussteifungen sind eine häufige Ursache von Einstürzen von Gebäuden bei Erdbeben. Jedes Gebäude hat im Grundriss ein Massenzentrum, in dem die wirkenden Trägheitskräfte angenommen werden, ein Widerstandszentrum für horizontale Kräfte und einen entsprechenden Schubmittelpunkt. Wenn das Widerstandszentrum nicht im Massenzentrum entstehen Torsionsbelastungen. Das Gebäude verdreht sich dann im Grundriss um den Schubmittelpunkt. Im Idealfall liegt also das Widerstandszentrum im oder nahe beim Massenzentrum oder es muss ein genügender Torsionswiderstand vorhanden sein. Beides wird durch eine weitgehend symmetrische Anordnung der Aussteifungen möglichst entlang der Gebäuderänder oder mit großem Abstand zum Massenzentrum erreicht.

Eindeutige Tragsysteme
Sind Stützen durch tragende Mauerwerkswände ausgefacht, wirkt sich dies bei Erdbeben ungünstig aus, da die Stützen eine wesentlich geringere Steifigkeit gegen horizontale Verschiebungen haben als die Mauerwerkswände. Daher werden die Erdbebenkräfte weitgehend durch die Mauerwerkswände aufgenommen. Wenn die Mauerwerkswände infolge der Erdbebenkräfte versagen, können sie auch Eigenlasten des Bauwerks nicht mehr abtragen. Mauerwerk ist sehr steif und zugleich spröde. Es „explodiert“ manchmal richtig gehend bereits bei kleinen Verformungen. Aussteifende Wände aus armiertem Mauerwerk oder gar aus Stahlbeton sind sinnvoller. Nicht tragende Mauerwerkswände sollten durch Fugen von den tragenden Bauteile getrennt sein.

Lange Stützen
Das Schubversagen von kurzen Stützen bildet eine häufige Einsturzursache von Gebäuden bei Erdbeben. Es handelt sich dabei um Stützen, die durch eine nachträgliche Anordnung von Brüstungen entstehen. Bei kurzen Stützen mit beträchtlicher Biegesteifigkeit ergibt sich eine grosse Querkraft, die oft schon vor dem Erreichen des plastischen Moments zu einem Schubbruch führt.

Fachwerke
Zur Aussteifung von Hochbauten – vor allem Industriebauten – können auch Stahlfachwerke eingesetzt werden. Übliche Fachwerke mit zentrischen Anschlüssen in den Knoten und mit schlanken Diagonalstäben können bei zyklischer Beanspruchung jedoch ein ungünstiges Verhalten aufweisen. Diagonalstäbe fließen unter Zug und werden länger, und sie knicken unter Druck. Bei zyklischen Bewegungen ist deren Steifigkeit nur noch klein, und ein baldigen Versagen kann die Folge sein. Solche Fachwerke sollen deshalb nur für elastisches Verhalten oder allenfalls sehr niedrige Duktilität bemessen werden.

Geschossdecken
In mehrgeschossigen Gebäuden müssen die Geschossdecken als praktisch starre Scheiben wirken können. Sie müssen mit sämtlichen vertikalen Tragelementen schubfest verbunden sein. Die Decken sichern so den Zusammenhalt in horizontaler Richtung und verteilen Erdbebenkräfte und daraus resultierende Verschiebungen auf die vertikalen Tragelemente entsprechend deren Steifigkeiten. Bewährt haben sich monolithische Decken aus Stahlbeton, in denen wenn nötig eine verstärkte Randbewehrung angeordnet ist.

Weiche Tragwerke
Zur Verbesserung des Erdbebenverhaltens eines Gebäudes denken manche Architekten und Bauingenieure an eine Verstärkung, d.h. an eine Erhöhung der Festigkeit bzw. des Tragwiderstandes für horizontale Kräfte. Eine Verstärkung bewirkt immer auch eine höhere Steifigkeit, wodurch die Eigenfrequenz erhöht wird. Unter bestimmten Bedingungen können jedoch weiche Tragwerke besser sein als steife. Durch die damit verbundene Vergrößerung der Dämpfung werden die einwirkenden Erdbebenkräfte und damit auch das Schadenpotential erheblich reduziert. Allerdings müssen daraus resultierende große Verformungen des Gebäudes schadensfrei von allen Bauteilen aufgenommen werden können.

Fassadenbauteile
Die Verankerungen von Fassadenbauteilen werden häufig nur für vertikale Kräfte (Eigenlasten) dimensioniert. Oft werden Fassadenbauteile gar nur auf Konsolen gestellt und oben fixiert. Bei Erdbebeneinwirkung können jedoch horizontale und vertikale Bewegungen einen Absturz der Fassadenbauteile mit entsprechender Gefährdung von Fußgängern oder Fahrzeugen mit sich führen. Verankerungen von Fassadenbauteilen sind deshalb fachgerecht zu dimensionieren und zu konstruieren. Auch müssen Fugen zwischen Fassadenbauteilen zu erwartende Verformungen des Tragwerks aufnehmen können.

Unterdecken
Herabfallende Unterdecken und Beleuchtungskörper können Personen erheblich gefährden. Deren Befestigungen müssen deshalb nicht nur das Eigengewicht sondern auch Kräfte aus vertikalen und horizontalen Bewegungen und Vibrationen übertragen können. Gleiches gilt für die Befestigungen von Lüftungskanälen und Leitungen aller Art, die in den Hohlräumen zwischen Unterdecke und tragender Decke montiert sind.