Erdbeben

Fakultät für Bauingenieur- und Umweltwissenschaften
Institut für Mechanik und Statik
Labor für Ingenieurinformatik
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Norbert Gebbeken
Katastrophenschutz
Baulicher Bevölkerungsschutz
Norbert Gebbeken & Team
Aktuelle Pressesplitter
Gliederung
 Motivation
 Erdbeben
 Grundlagen
 Einwirkung
 Erkundung, Bewertung
 Rest-Tragfähigkeit
 Hochwasser
 Zusammenfassung
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Naturgewalten – Menschen – Naturkatastrophen
World Hazard Map – 19.09.2014 17:52
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Naturgewalten - Naturkatastrophen
• Erdbeben
• Stürme
• Überflutungen
• Schnee
• Lawinen
• Felsstürze
• Brände
• Vulkane
• Hangrutsche
• Gewitter
• Hagel
• Klimaänderung
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Erdbeben
“Die Erde bebte und ward bewegt,
und die Grundfesten der Berge regten sich und bebten”
Psalm 18,8
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Natural Threat Earthquake
Takes care of
• 450 real estates abroad
• with about 1500 buildings
> 1,5 thousand million assets
http://gmo.gfz-potsdam.de/pub/poster/poster.html
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Erdbeben
13. April 1992 Bonn
192 Mio Euro Schäden
Beschädigte Häuser in Völkershausen (Rhön),
Gebirgsschlag vom 13. März 1989 (Waldenburger)
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Earthquake – China Sichuan
DLR
Disaster management
Geodesy,
Remote reconnaissance
General Consulate BRD
Reconnaissance
Earthquake engineering
Photos wikipedia
Earthquake China, Sichuan, Chengdu 12.05.2008, M 7.9, PGA 0,9m/qs,
Fatalities 88000, economic loss 86 thousands of millions US $
Single buildings intact, entire neighbourhoods destroyed
Photo MJG
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Ereignis < Erdbeben > Einwirkungen
During earthquake
After earthquake
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Berechnung
Erdbebeneinwirkung
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Erdbeben – Bestimmung der Einwirkung
Isaac Newton
(1642-1727)
Wikimedia
Leonhard Euler
(1707-1783)
Wikimedia
Erdbeben-Ingenieure benötigen:
• Beschleunigungen
• Geschwindigkeiten
• Verschiebungen
Es gibt keine physikalischen Beziehungen zwischen
Intensitäten / Magnituden und Erdbeben-Beschleunigungen!
Acceleration-Time-Diagram
Abendblatt, DPA, 2009
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Erdbeben – Bestimmung der Einwirkung
EC 8: Keine Angaben zu ag > internationale Datenbanken > USGS
Erdbebenzonen sind in unterschiedlichen Normen unterschiedlich!
Vorsicht bei Ausschreibungen deutscher Behörden für Gebäude im Ausland!
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Definitionen:
• PGA?
• Eff_a?
• …
Müller
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Erdbeben – Bestimmung der Einwirkung
Reamer &
Hinzen
Probleme:
• Modell wirkliches Gebäude
– Schädigung verändert
Steifigkeit und Festigkeit Nachbeben!

Schwingperiode ändert sich
 Überlegungen
In der Praxis
 Plateauwerte häufig bevorzugt
Lokales Antwortspektrum!
> Richtige Interpretation! <> statisches System beinhaltet Unsicherheiten
Photos wikipedia
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Erdbeben – Bestimmung der Einwirkung
Bestimmung der lokalen Beschleunigung
horizontal + vertikal
ist noch immer eine Herausforderung
Erdbebeningenieur <> Geophysiker
Merke!
Erdbeben = Räumliche Wellenfortpflanzung
http://www.leifiphysik.de/sites/default/files/medien/
epizentrum_mechanwell_aus.jpg
Einwirkung unsicher + /-100% <> Statik drei Stellen hinter dem Komma!
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Erkundung
und
Bewertung
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Erdbeben - Erkundung
Codes + Guidelines:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Eurocode 8, part 3
Guideline of the Federal Foreign Office (AA)
UBC, chapter 16, division IV
FEMA 154 (Rapid Visual Screening)
FEMA 310 (Evaluation)
FEMA 356 (Rehabilitation – Prestandard and Commentory)
FEMA 547 (Rehabilitation - Techniques)
ASCE/SEI 31-03 (Evaluation)
ASCE/SEI 41-06 (Retrofitting)
SIA 462 (Code)
SIA 2018 (Guideline)
More …
Physik ist global identisch.
Nicht aber Sicherheit, Qualität, Technologien!
Nationalstaatliches Interesse dominiert Sicherheit und Risiko!
> Sicherheit und Risiko sind relativ
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Wesentliche Erkundungswerkzeuge
Ablauf:
1. Visual inspection
2. Inspection with hand reach
3. Nondestructive inspection + testing
4. Destructive inspection
5. Material testing
Endoscope-Camera
Gebbeken, Braun, Hachmann, Yilmaz: IJPS, 2012
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Erdbeben - Erkundung
Berechnung
Erfüllungsfaktor
0 < fc < 1
Goethe-Institut Bandung
Photo MJG
Aristoteles (384-322 v.Chr.): „Natura non facit saltus“ - Normen <> Gesetze der Physik
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Erdbeben - Erkundung
Fotos
MJG / OPB
Computermodell
Foto
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Erdbeben - Erkundung
Photos
MJG / OPB
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Erdbeben - Erkundung
Bewehrungsdetektion
Ok für Oberflächenbewehrung
Photos
MJG / OPB
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Erdbeben - Erkundung
Photos
MJG / OPB
Bewehrungsdetektion
und
Betondaten
Erdbeben gerechte Konstruktion wichtig wie Statik!
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Erdbeben - Bewertung
Photos
MJG / OPB
Bestimmung und Bewertung
von
Eigen-Moden
Seismisch relevantes
Struktur-Modell
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Erdbeben - Bewertung
In general 5 calculation methods:
1. Simplified Response Spectrum Method (quasi static)
2. Modal Response Spectrum Method (quasi static)
3. Nonlinear Push Over Calculation Method (quasi static)
4. Nonlinear Dynamic Calculation Method
5. Method Considering Behavior Factors q
MJG / OPB
Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der Eingangsdaten!?
> Unsicherheiten!
Validierung
Gebbeken, Braun, Hachmann, Yilmaz:
International Journal of Protective Structures, 2012
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Gebbeken
Wagner
Rest-Tragfähigkeit?!
Im Katastrophenfall
und beim (Wieder-)Aufbau
immer gefordert
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Rest-Tragfähigkeit
Day 1 – Snake 144
Brückeninspektionen in Kosovo
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Rest-Tragfähigkeit
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Rest-Tragfähigkeit
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Rest-Tragfähigkeit
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Rest-Tragfähigkeit
SNAKE 144
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Warum hält
das?
???
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ModellBildung!
Müller
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Rest-Tragfähigkeit - Modellbildung
folgerichtig MLC = 0, aber
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Rest-Tragfähigkeit
MLC = 0
0 < MLC = ? < MLC_erf
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Hochwasser
Binnenland
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„Alpenhochwasser“ 2005
Quelle: Münchener Rück
Großwetterlage 20.-23. August:
Zwischenkaltfront
Tief „Norbert“
Front 22.08.
Alpenraum
Besonders betroffene
Regionen in Europa
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„Alpenhochwasser“ 2005
Quelle: www.theage.com.au
Quelle: www.spiegel.de
Quelle: BRK Eschenlohe
Quelle: ddp
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Hochwasserschutz im „Großen“
Sicherheit: bisher 1 x in 10000 Jahren
jetzt 1 x in 100000 Jahren
> Umbau 1,6 Milliarden p.a.
Jahrhunderthochwasser?
Sturmflutwehr, Maeslantkering
Sturmflutwehr Oosterschelde
Haringvlietdam
GEO Dez 2009
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„Alpenhochwasser“ 2005
Lech am Arlberg
Aussagen:
Zwischenkaltfront
• Unvorstellbare Regenmengen
• reißende Sturzfluten
• Tonnen von Geröll
• Schotterschicht
• Vermurungen
• Verklausungen
• Erdrutsche
• Stromnetz ausgefallen
• Wasserversorgung ausgefallen
• Mobilfunknetz ausgefallen
• Spur der Verwüstung
• Naturgewalten hilflos
ausgeliefert
Aufarbeiten der Katastrophe: technisch und kulturell (u.a. mit LMU, Gebbeken Insa [2009])
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„Alpenhochwasser“ 2005
Eingriff in die Natur durch
Verlegung angestammter
Gewässerverläufe
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„Alpenhochwasser“ 2005
Lech
Ereignis: 22./23.08.2005
1.
2.
3.
4.
Böschungserosion durch Hochwasser
Gefahr Hangrutschung
Schnellabdeckung
Evakuierung
Situation heute, Wildbachverbau + Hangsicherung
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„Alpenhochwasser“ 2005
Lech
Ereignis: 23.08.2005
Wiederherstellung Gebäude: 17.12.2005
3 Monate Bauzeit!
Kartierung der Risse
> Grundlage des
Angebotes, Sanierung
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„Alpenhochwasser“ 2005
Neubau und Verstärkung
von Schutzinfrastruktur
bis 2007
Kartierung der Risse
> Grundlage des
Angebotes,
Sanierung
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Hochwasserschutz BRK / DRK - UniBwM
 Beratung
 Ausbildung
 Forschung
 Entwicklung
 Planung
 Ausführung
2006
Ilse Aigner – Schirmherrin Wasserwacht
Baulicher Schutz
und
Monitoring
Siedlungsflächen einschränken
Überwachungsnetz „Inn“
Pegelstände und Vorhersage
2011
Skriptum Fachberater HWS
Retentionsräume erhalten oder schaffen
Renaturierungen
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Zusammenfassung
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Zusammenfassung
• Naturgefahren sind natürlich – Katastrophen sind Menschen verantwortet
• Sicherheit und Risiko sind relativ
• Ermittlung der Einwirkungen herausfordernd - Eintretenswahrscheinlichkeit
• Überbewertung der Genauigkeit statischer Berechnungen
• Rest-Tragfähigkeit – aktuelle Forschung
• Prüfingenieur „Katastrophenschutz“?
2014-2017: 3,5 Mio, Koordinator Gebbeken
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Literatur:
ACI318-08 American Concrete Institute: Building Code Requirements for Structural Concrete. Chapter 21: Earthquake
Resistant Structures Farmington Hills, USA, ACI Standard (2008)
ASCE1993 American Society of Civil Engineers: Seismic Engineering. Research and Practice. New York City, ASCE (1993)
Bachmann, H.: Erdbebensicherung von Bauwerken, Basel, Birkhäuser Verlag (1995)
Ballio, G. et al.: Seismic design of steel structures, Milano, Politecnico di Milano, Sezione Costruzioni Metalliche (1990)
Bolt, B.A.: Erdbeben. Berlin Heidelberg New York Tokyo, Springer (1984)
Building Seismic Safety Council: NEHRP Recommended Provisions for Seismic Regulations for New Buildings. Part1: Provisions, Part 2:
Commentary, Federal Emergency Management Agency (FEMA), Washington D.C., USA (1995)
DIN4149 DIN 4149, Bauten in deutschen Erdbebengebieten, Lastannahmen, Bemessung und Ausführung üblicher Hochbauten, Ausg. April
2005
DIN EN 1998 1-6 (Eurocode 8)} (EC8), Ausgabe April 2006, Teile 1-6, Teil 1 (Grundlagen, Erdbebeneinwirkungen für Hochbauten), Teil 2
(Brücken), Teil 3 (Beurteilung und Ertüchtigung von Brücken), Teil 4 (Silos, Tankbauwerke und Rohrleitungen), Teil 5 (Gründungen,
Stützbauwerke und geotechnische Aspekte), Teil 6 (Türme, Maste und Schornsteine)
Dowrick, D.J.: Earthquake Resistant Design. Chichester New York Brisbane Toronto Singapore John Wiley & Sons (1987)
Gebbeken, N.: Durch Erdbeben induzierte Bauwerksschwingungen. Seminardokumentation Nr. K98-2 -- Bauwerksschwingungen und
konstruktive Maßnahmen zu ihrer Vermeidung/Verringerung, Ingenieur Akademie Bayern, München (1998)
Meskouris, K.; Hinzen, K.-G.; Butenweg C.; Mistler M.: Bauwerke und Erdbeben, Wiesbaden Vieweg 2. Auflage 2007
Nachtigall, I.; Gebbeken, N.; Urrutia-Galicia, J.: On the analysis of vertical circular cylindrical tanks under earthquake excitation at its base.
Engineering Structures, Vol.~25, Issue 2, (2003) 201-213, Elsevier ISSN 0141-0296
Petersen, C.: Dynamik der Baukonstruktionen, Braunschweig, Wiesbaden, Vieweg Verlag (1996)
Wiegel, R.L.: Earthquake Engineering. Englewood Cliffs, Prentice Hall 1970
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Earthquake - Reconnaissance
Data mining:
1. Local building law
2. Local code “actions on buildings”
3. Local earthquake code
4. Local design code
5. Architectural drawings and building descriptions
6. Geotechnical report referring to seismic conditions
7. Structural analysis
8. Construction drawings, structural detailing plans – different in different Nations
9. Report on reconstruction, renovation and change of use
10. Photographs from construction phase
11. Earthquakes that took place during lifetime of the building – cumulative
earthquake damage
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Earthquake - Reconnaissance
Identification of structure:
1. Identify shape of building in side view (all sides) and if possible in top view
(earthquake suitable? AC-aggregates on roof? Etc.)
2. Verify geometrical data and number of stories
3. Identify damages, deterioration, alga vegetation, etc.
4. Check use of rooms and corridors (office, storage, library, installation, etc)
5. Determine sub-soil type
6. Identify potential hazards from structural and non structural elements, e.g.
masonry walls without ring beam
7. Identify seismic load resisting system horizontally and vertically
8. Identify foundation structure
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Katastrophenschutz
Katastrophe:
• Wendung zum Niedergang
• folgenschweres Unglücksereignis
• Schadensereignis, das Leben und Gesundheit, Sachwerte und die
lebensnotwendigen Versorgungsmaßnahmen erheblich gefährdet.
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Tagesmeldungen
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Katastrophen > Verringerung der Auswirkungen > Verpflichtung
Aufgabe von Architekten und Bauingenieuren
Sicherstellung der passiven Sicherheit (safety)
für die bauliche Infrastruktur
zur Abwendung
der Gefahr für Leib und Leben
für gewöhnliche und außergewöhnliche Einwirkungen
Akzeptanz
Sec
urity
Safety
MUC 21.01.2010, dpa
Wie viel Sicherheit wird gesellschaftlich akzeptiert und ist bezahlbar?
Sicherheit – Risiko – relativ!
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Earthquake - Reconnaissance
Structural and non-structural defects
Photos MJG
Masonry wall ends without beam ring
Anchorage of roof truss
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Erdbeben
Iso-Container, Stahl
Versuch <> Berechnung
Zeitverlaufsberechnung
Erdbeben, Versuch, Rütteltisch
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Naturgefahr Erdbeben
Entwicklung effizienter kostengünstiger
Erdbebenschutzsysteme hier mit SDA-Engineering
Weiterbildung und Information
• Hochschulen
• Akademien
Erdbebenuntersuchungen
am Gesamtmodell
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