D – A – C H – M I T T E I L U N G S B L AT T · der nach DIN 4024 [3] geforderte Frequenzabstand von 25% ist eingehalten. Als zweiter Schritt der dynamischen Analyse wurde die

D – A – C H – M I T T E I L U N G S B L A T T

Eine gemeinsame Publikation von

D G E B

Deutsche Gesellschaft für Erdbebeningenieurwesen und Baudynamik www.dgeb.org

O G E

Österreichische Gesellschaft für Erdbebeningenieurwesen und Baudynamik www.oge.or.at

S G E B

Schweizer Gesellschaft für Erdbebeningenieurwesen und Baudynamik www.sgeb.ch

ISSN 1434–6591

E R D B E B E N I N G E N I E U R W E S E N U N D B A U D Y N A M I K

Inhalt

Aktuelle Meldungen S 2

Aufsätze

Dynamische Untersuchungen im Anlagenbau S 3

W. Kuhlmann, Th. Kasper,

Th. Kempen, Hans-Jürgen Krause

Kostenauswirkungen durch In-Kraft-Treten

der neuen Tragwerksnormen SIA 260 bis 267 S 9

B. Duvernay, E.M. Anliker

Bericht

Fotodokumentation der Erdbebenschäden S 13

K. Meskouris, W. Brüstle

S 1

D-A-CH-MitteilungsblattBand 81, März 2006

E D I T O R I A L

Am 22. und 23. September letzten Jahres fand in der

Universität zu Köln die gemeinsame D-A-CH-Tagung

unserer drei Gesellschaften unter dem Motto „Aktuelle

Themen des Erdbebeningenieurwesens und der Baudy-

namik“ statt. Das Inhaltsverzeichnis des Tagungsbandes,

der als DGEB-Publikation Nr. 13 vorliegt, steht unter „Ak-

tuelles“ auf der DGEB- Homepage www.dgeb.org und der

Tagungsband selbst kann zum Preis von 15,00 EUR (für

Nichtmitglieder der drei Gesellschaften 20,00 EUR) per

email bei [email protected] bestellt werden.

Ebenfalls auf der DGEB-Homepage unter „Aktuelles“ ste-

hen die Ankündigung und das Programm des kommen-

den DIN-Seminars „Erdbebensicheres Bauen – Hilfestel-

lung für die Anwendung der neuen DIN 4149“, das am

Freitag, 31. März an der Universität zu Köln stattfinden

wird. Hier sei besonders auf die 15%ige Ermäßigung des

Tagungsbeitrags von 290,00 Euro zzgl. MWSt. für DGEB-

und DIN-Mitglieder hingewiesen. Der DGEB- Jahresbei-

trag, in dem auch die frei Haus gelieferten zwei „Bauinge-

nieur“- Ausgaben mit den D-A-CH-Mitteilungen enthal-

ten sind, beträgt übrigens nur 25,00 Euro!

Wir möchten Sie weiter auf eine von der DGEB in Zusam-

menarbeit mit dem Landeserdbebendienst Baden-Würt-

temberg soeben herausgegebene Fotodokumentation des

Albstadt-Bebens von 1978 aufmerksam machen; einige

weitere Informationen dazu finden Sie auf den nächsten

Seiten. Die entsprechende CD kann von Mitgliedern von

DGEB, SGEB und OGE zum Preis von 15,00 EUR (Nicht-

mitglieder: 20,00 EUR) bezogen werden; Bestellungen bit-

te an [email protected] richten.

Zum Schluss möchten wir Sie auch diesmal an die Inter-

netseiten unserer Gesellschaften

http://www.dgeb.org

http://www.oge.or.at

http://www.sgeb.ch

erinnern und Sie dazu einladen, sich auf diesem Weg über

die Arbeit der nationalen Gesellschaften zu informieren

und eine Mitgliedschaft in Betracht zu ziehen.

Konstantin Meskouris

Rainer Flesch

Thomas Wenk

Rainer Flesch

(Generalsekretär OGE)

Thomas Wenk

(Vorsitzender SGEB)

Konstantin Meskouris

(Vorsitzender DGEB)

Die Stiftung für Baudynamik und Erdbebeningenieurwesen vergibt 2006 erstmals den „Architektur- und Ingenieurpreis erdbebensicheres Bauen“. Ausgezeichnet wird ein neues, mustergültig gestaltetes Gebäude, und die beteiligten Planer werden geehrt. Dadurch soll gezeigt werden, dass bei früh-zeitiger Zusammenarbeit von Architekt und Bauingenieur einfache und zweckdienliche Lösungen möglich und die Mehrkosten unwesentlich sind. Mit dem Preisausschreiben unterstützt die Stiftung die Bestrebungen der Schweizer Ge-sellschaft für Erdbebeningenieurwesen und Baudynamik (SGEB) zur Förderung und Verbreitung des Wissens über das dringend notwendige erdbebensichere Bauen in der Schweiz. Für die Beurteilung durch eine Jury aus namhaften Archi-tekten und Bauingenieuren zählen vor allem der erdbeben-

gerechte konzeptionelle Entwurf und die ästhetisch und funktionell überzeugende Architektur mit Einbezug von all-fälligen „erdbebenbedingten“ Elementen des Tragwerks und der darauf abgestimmten nichttragenden Bauteile wie Fassaden, Zwischenwände und Installationen. Das preis-gekrönte Gebäude wird bei einem öffentlichen Anlass be-kannt gemacht und mit einer Tafel versehen. Ehrenurkun-den und das Preisgeld von 20 000 Franken gehen an die pla-nenden Architekten und Ingenieure.

P r e i s f ü r e r d b e b e n s i c h e r e s B a u e n

Die Eingabeunterlagen können unter www.baudyn.ch

eingesehen und heruntergeladen werden.

Weitere Informationen: Prof. Hugo Bachmann, Dübendorf

[email protected], Tel. 01 821 69 49

Vier Jahre nach London findet die traditionsreiche Europäi-sche Konferenz für Erdbebeningenieurwesen diesen Herbst in der Schweiz statt. Sie wird erstmals zusammen mit der Ge-neralversammlung der Europäischen Seismologischen Kommission abgehalten, d.h. die 13. ECEE fusioniert mit der 30. ESC General Assembly zur 1. Europäischen Konferenz für Erdbebeningenieurwesen und Seismologie (ECEES). Die Konferenz findet vom 3. bis 8. September 2006 im Kon-gresszentrum in Genf statt. Die bisherigen Konferenzaktivi-täten der beiden früheren Reihen werden weitergeführt. Neu dazu kommen gemeinsame Veranstaltungen zur Förde-rung des Gedankenaustausches zwischen Ingenieuren und Seismologen. Das Detailprogramm der Konferenz findet sich unter: www.ecees.org.

Der Abgabetermin für Abstracts war Ende Januar 2006. Bis Ende April 2006 können jedoch so genannte „stand-alone Abstracts“ eingereicht werden. Formatvorlagen sowie wei-tere Informationen stehen ebenfalls unter www.ecees.org. Die ECEES wird gemeinsam organisiert von der Schweizer Gesellschaft für Erdbebeningenieurwesen und Baudynamik (SGEB), dem Schweizerischen Erdbebendienst (SED) und dem Bundesamt für Umwelt (BAFU). Dem Organisations-komitee gehören an: Dr. Martin Koller (Co-Chairman), Prof. Dr. Domenico Giardini (Co-Chairman), Dr. Donat Fäh, Dr. Olivier Lateltin und Dr. Martin Wieland.

Thomas Wenk

E u r o p ä i s c h e E r d b e b e n k o n f e r e n z v o m 3 . b i s 8 . S e p t e m b e r 2 0 0 6 i n G e n f

Noch nicht alle Architekten kennen das beste Vorgehen im Hinblick auf optimale Lösungen und minimale Kosten für das erdbebensichere Bauen. Nun hat Prof. Dr. Dr. h.c. Hugo Bachmann ein hilfreiches Faltblatt konzipiert: „Erdbebensi-cheres Bauen in der Schweiz – worauf es ankommt und wa-rum. Eine Kurzinformation für Architekten, Bauherren und Behörden“, das von der Stiftung für Baudynamik und Erdbe-beningenieurwesen (www.baudyn.ch) in Zusammenarbeit mit dem Bundesamt für Wasser und Geologie herausgege-ben worden ist. Knapp und prägnant werden darin Grundla-gen gegeben und Themen behandelt wie die Risikosituation in der Schweiz, Erdbebenzonen, Baugrund- und Bauwerk-sklassen gemäß SIA-Normen sowie – besonders wichtig – das optimale Vorgehen zur Vermeidung von unnötigen Mehr-kosten. Zentral sind praktische Checklisten für Architekten und Bauherren und beigefügt sind auch wichtige Grundsät-

ze für den erdbebengerechten Entwurf von Hochbauten. Mit dieser kurz gefassten und leicht lesbaren Publikation un-terstützen und ergänzen die Herausgeber die Bestrebungen der Schweizer Gesellschaft für Erdbebeningenieurwesen und Baudynamik (SGEB) zur Verbreitung von Grundlagen-wissen und zur Einführung neuer Erkenntnisse in die Bau-praxis. Dr. Thomas Wenk, Präsident der SGEB

E r d b e b e n s i c h e r e s B a u e n f ü r A r c h i t e k t e n

Das handliche Faltblatt kann beim Bundesamt für Umwelt (BAFU) auf

Deutsch unter: www.bwg.admin.ch/themen/natur/d/pdf/EQ_Flyer_d.pdf

und auf Französisch unter: www.bwg.admin.ch/themen/natur/f/pdf/

EQ_Flyer_f.pdf herunter geladen werden.

D-A-CH-Mitteilungsblatt Band 81, März 2006

S 2

A K T U E L L E M E L D U N G E N

S 3


Zusammenfassung

Im Anlagenbau spielen dynamische Untersuchungen eine wichtige Rolle, weil die dynamischen Einwirkungen häufig zu den maßgebenden Bemessungssituationen führen. Dies betrifft sowohl die Standsicherheit als auch die Gebrauchs-tauglichkeit. Hinsichtlich der Standsicherheit kann man zwischen maschineninduzierten Schwingungen und Erdbe-benanregung unterscheiden. Die Gebrauchstauglichkeit ist insbesondere beim Nachweis erschütterungsempfindlicher Anlagen gegen etwaige Störungen aus dem Umfeld zu be-rücksichtigen. Die dynamische Untersuchung solcher Ein-wirkungen wird in diesem Beitrag anhand von drei Beispie-len aus der Ingenieurspraxis vorgestellt, die die verschiede-nen Fragestellungen abdecken. Dies sind: a) maschinenin-duzierte Schwingungen am Beispiel einer Zentrifugenkon-struktion, b) erdbebengefährdete Anlagen am Beispiel eines Anlagenparks in Nevada und c) erschütterungsisolierte An-lagen am Beispiel eines Hallenbereichs zur Microchip-Her-stellung.

1 Einführung

Die für die dynamischen Untersuchungen von Anlagen rele-vanten Einwirkungen können von außen auf die Anlagen einwirken (z.B. durch Erdbeben) oder durch den Betrieb der Anlagen selbst verursacht werden (z.B. durch rotierende Teile). Während beim Lastfall Erdbeben die Tragfähigkeit unter dieser seltenen Einwirkung zu gewährleisten ist, ist bei dynamischen Beanspruchungen aus dem Betrieb der An-lagen insbesondere die Sicherheit gegen Ermüdung des Ma-terials durch die ständigen Lastwechsel nachzuweisen. Hin-sichtlich der Gebrauchstauglichkeit ist es je nach Anlagenart erforderlich, einen vorab festgelegten Grad der Erschütte-rungsfreiheit zu garantieren. Als Randbedingungen für ei-nen störungsfreien Betrieb der Anlagen sind z.B. die maxi-malen Schwinggeschwindigkeiten oder Auslenkungen zu berücksichtigen. Diese Untersuchungen werden in der Regel rechnerisch durchgeführt. Mittels Schwingungsmessungen können vor-

ab die aus dem Umfeld einwirkenden Erschütterungen quantifiziert und der Berechnung zugrunde gelegt werden. Außerdem sind Messungen im Endzustand wichtig, um die Gebrauchstauglichkeit zu bestätigen und um die Annah-men, auf denen die Nachweise der Standsicherheit basieren, zu verifizieren [1, 2]. Sowohl Berechnungen als auch Messungen werden im Rah-men der drei Beispiele in den folgenden Kapiteln vorgestellt.

2 Maschineninduzierte Schwingungen

2.1 Problemstellung und Lösungsansatz

Die in Bild 1 dargestellte Zentrifuge sollte in einen Fer-tigungsprozess eingebunden werden. Aus Gründen der An-ordnung der verschiedenen Anlagen und der daher erfor-derlichen Bestückung in etwa 3 m Höhe war es notwendig, die Zentrifuge aufzuständern. Beim Betrieb der Zentrifuge fährt diese innerhalb von 3 s auf ihre Maximaldrehzahl von 800 U/min, rotiert damit ca. 30 s lang und bremst in 3 s wie-der ab. Durch Regulieren des Antriebs können die Beschleu-nigungs- und Abbremszeiten der Zentrifuge alternativ auf 1 s verringert werden. Zur Reduktion der Schwingungen beim Betrieb waren außerdem von vornherein vier Schwingungs-dämpfer zwischen Zentrifuge und Unterkonstruktion vor-gesehen. Im Rahmen einer dynamischen Untersuchung sollte die Konstruktion so bemessen werden, dass unter der dyna-mischen Belastung die Tragfähigkeit über die Lebensdauer der Zentrifuge und die Gebrauchstauglichkeit gewährleistet ist.

Dynamische Untersuchungen im Anlagenbau W. Kuhlmann, Th. Kasper, Th. Kempen, Hans-Jürgen Krause

Bild 1. Zentrifuge mit Unterkonstruktion

Dr.-Ing. Wolfram Kuhlmann

Leiter Fachbereich Baudynamik

[email protected]

Dipl.-Ing. Thomas Kasper

Projektleiter Tragwerksplanung

[email protected]

Dipl.-Ing. Thomas Kempen

Dr.-Ing. Hans-Jürgen Krause

Geschäftsführende Gesellschafter

[email protected]

Kempen Krause Ingenieurgesellschaft

Ritterstr. 20, 52072 Aachen

www.igkempen.de


S 4

A U F S A T Z

Dazu wurden zunächst die einwirkenden Kräfte ermittelt und verschiedene Konstruktionsvarianten untersucht. Hier-bei zeigte sich, dass die ursprünglich geplante Unterkon-struktion aus baudynamischen Gründen verworfen werden musste. Als Alternative hierzu kam die in Bild 1 dargestellte Tragstruktur zu Ausführung, bei der die Eckstützen durch K-Verbände ausgesteift wurden. Oberhalb einer Kopfplatte befindet sich die eigentliche Zentrifuge, deren vier Auflager-punkte mit Feder-Dämpfer-Elementen angeschlossen wur-den. Die dazwischen eingebauten Rundprofile sind zum ei-nen aus Platzgründen erforderlich, zum anderen wird durch sie die Massenexzentrizität der Zentrifuge und die daraus resultierende unsymmetrische Absenkung auf die Dämpfer ausgeglichen.

2.2 Belastungsfunktion und Finite-Elemente-Modell

Den Untersuchungen liegen die folgenden Vorgaben zu-grunde: – Unwucht: 30% des Füllgewichts – maximale Betriebsdauer: 2400 Std./Jahr – geplante Lebensdauer: 20–25 Jahre – maximale Verschiebung während

des Betriebs: 10 mm – Kennwerte der Dämpfer:

kv = 0,23 kN/mm, kh = 0,14 kN/mm, c = 15kNs/m – außerdem die Geometrie und

Massenverhältnisse Den Zeitverlauf der einwirkenden Kräfte in den beiden horizontalen Richtungen infolge der rotierenden Masse zeigt Bild 2 für eine Beschleuni-gungszeit von 3 s. Die Belastungsfunk-tion für eine Beschleunigungszeit von 1 s weist einen analogen Verlauf auf.

2.3 Ergebnisse der numerischen

Untersuchung und Bemessung

Mit dem in Bild 3 dargestellten Finite-Elemente-Modell wurden die dynami-schen Simulationsrechnungen zwei-stufig durchgeführt: zunächst wurden die Eigenfrequenzen der Konstruktion berechnet, anschließend wurde die Strukturantwort auf die zeitabhängige Belastung ermittelt. Die Eigenfrequenzanalyse führte zur der in Bild 3 b) dargestellten ersten Ei-

genform mit einer Eigenfrequenz von 42,5 Hz. Diese liegt da-mit deutlich über der Erregerfrequenz von 13,3 Hz und auch der nach DIN 4024 [3] geforderte Frequenzabstand von 25% ist eingehalten. Als zweiter Schritt der dynamischen Analyse wurde die Strukturantwort auf die zeitabhängige Belastung ermittelt. Bereits vor der Wahl der Unterkonstruktion war vereinbart worden, die Anfahr- und Abbremsvorgänge unter Berück-sichtigung der Dämpfer genau zu untersuchen. Daher wur-de die Berechnung mittels Zeitverlaufsuntersuchungen durchgeführt. Die dynamischen Lastanteile wurden für Be-schleunigungszeiten von 3 s und 1 s separat berechnet. Für die nachfolgende Bemessung wurden die statischen und dynamische Lastanteile kombiniert. In Bild 3 c) sind exem-plarisch die resultierenden Normalkräfte in den K-Verbän-den dargestellt. Die Bemessung, insbesondere der Nachweis der Ermüdung, erfolgte für alle Bestandteile der Stahlkon-struktion. Während unter einer rein statischen Betrachtung die Konstruktion überdimensioniert erscheint, ist sie für den Nachweis der Ermüdung ausgenutzt, wie Tabelle 1 zeigt.

2.4 Ergebnisse der Schwingungsmessungen und Vergleich mit

den Berechnungsergebnissen

Zur Überprüfung des Schwingungsverhaltens wurde an der fertig gestellten Konstruktion eine Kontrollmessung durch-geführt. Die Messung wurde beim Betrieb der Zentrifuge mit einer möglichst realistischen Unwucht durchgeführt. Dazu wurde zunächst die unbeladene Zentrifuge in Betrieb ge-nommen und anschließend durch zwei verschieden große Unwuchten beladen. Gemessen wurde sowohl oberhalb als auch unterhalb der Dämpfer mit einem triaxialen Beschleu-nigungsaufnehmer. In Bild 4 ist links exemplarisch der un-terhalb der Dämpfer gemessene Beschleunigungszeitver-lauf (x-Richtung) dargestellt. Klar erkennbar ist der 3 s lan-

Bild 2. Zeitverlauf der horizontalen Belastungen

Tabelle 1. Ausnutzung der Tragwiderstände

Bild 3. a) Modell der Konstruktion b) Eigenform c) Schnittgrößen

S 5


ge Beschleunigungsvorgang. In der Graphik rechts ist das aus diesem Zeitverlauf mittels Fast-Fourier-Transformation ermittelte Frequenzspektrum gezeigt. Man erkennt deutlich die dominierende Erregerfrequenz von 13,3 Hz sowie deren Vielfache. Zum Vergleich der berechneten mit den gemessenen Maxi-malbeschleunigungen sind diese für die x-Richtung in Ta-

belle 2 in m/s2 zusammengestellt, wobei man eine äußerst gute Übereinstimmung erkennt. Berücksichtigt man, dass die bei der Messung vorhandene Unwucht durch ungleich-mäßig verteilte Metallstücke nur grob der in der numeri-schen Simulation angesetzten maximalen Unwucht ent-spricht, sind die Toleranzen zwischen Messung und Simula-tion plausibel. Wie anhand des vorgestellten Beispiels gezeigt wurde, er-folgt die Bemessung von Bauteilen, die maschineninduzier-ten Schwingungen unterliegen, rechnerisch durch eine ge-naue Berücksichtigung der Einwirkungen. Anschließende Schwingungsmessungen sind zu empfehlen, um die rech-nerischen Nachweise und die Einhaltung der Gebrauchs-tauglichkeitskriterien zu verifizieren.

3 Erdbebengefährdete Anlagen


An einem Standort in Nevada (USA) sollte eine Produktions-anlage errichtet werden. Die Anlage besteht aus einzelnen Bearbeitungszentren, die über Förderstrecken miteinander verbunden sind und nacheinander von den Produkten durchlaufen werden. Aufgrund der hohen seismischen Ge-fährdung am Standort kommt der erdbebengerechten Kon-struktion besondere Bedeutung zu. Dabei ist das Schutzziel ausschließlich das Leben der Personen in der Nähe der Ma-schinen und nicht die Gebrauchstauglichkeit der Anlage während oder nach einem Erdbeben. Somit beschränkt sich der Nachweis auf die Standsicherheit der Anlagen. Aus der Vielzahl der Anlagen wurden für den rechnerischen Nachweis sechs repräsentative Baugruppen ausgewählt, bei denen im Erdbebenfall die größten Probleme zu erwarten sind. Für diese Anlagen wird die Nachweisführung in folgen-den Einzelschritten durchgeführt: 1. Ermittlung der seismischen Einwirkung am Standort

nach dem Uniform Building Code UBC 1997 [4]

2. Modellierung der Anlage mittels eines räumlichen Stabwerkmodells nach der Finite Elemente-Methode

3. bei Bedarf Verstärkung der Anlage zur Sicherstellung der Standsicher-heit im Erdbebenfall

4. Bemessung der Anlage auf der Grundlage der DIN 18800 [5]

Eine Besonderheit stellt in diesem Beispiel die Verknüpfung der ver-schiedenen länderrelevanten Nor-men dar. Grundsätzlich besteht die Möglich-keit einer durchgängigen Bemessung auf der Grundlage amerikanischer Richtlinien [6, 7]. Da es sich bei den Anlagen allerdings um Exportkon-struktionen handelt, die aus europäi-schen Stahlerzeugnissen gefertigt werden, ist die Übertragbarkeit der

amerikanischen Stahlbau-Normen nicht ohne weiteres ge-währleistet. Andererseits ist die Anwendung der amerikani-schen Norm für die Ermittlung der Erdbebeneinwirkung un-abdingbar. Es wird daher der folgende Weg gewählt: Wäh-rend die Erdbebeneinwirkung nach amerikanischer Norm ermittelt wird, erfolgt die Bemessung mit den zugehörigen Nachweisen nach deutscher Norm. Generell ist nach den Be-stimmungen des UBC ein solches Vorgehen explizit möglich und gewährleistet eine Nachweisführung ohne innere Wi-dersprüche bei optimaler Erfassung des Materials und der Standortsituation.

Tabelle 2. Vergleich zwischen Messung und Berechnung

Bild 4. Messergebnisse

Bild 5. Erdbebenzonen der USA [4]

Tabelle 3. Grundlagen zur Ermittlung des Antwortspektrums


S 6

3.2 Erdbebeneinwirkung

In Bild 5 ist die Einteilung der USA in die verschiedenen Erd-bebenzonen dargestellt. Der Standort in Nevada (grau hin-terlegt) liegt in der Zone 4 und damit der höchsten Erdbe-benzone der USA. Die zur Ermittlung der Erdbebeneinwir-kung erforderlichen Kennwerte sind in Tabelle 3 zusam-mengefasst. Bei Ansatz dieser Eingangswerte ergibt sich das in Bild 6 dargestellte Spektrum, mit dem die Erdbebenuntersuchun-gen durchgeführt wurden. Zum Vergleich ist außerdem das Spektrum für einen Standort in der höchsten Erdbebenzone in Deutschland bei ungünstigen Bodenverhältnissen im Dia-gramm dargestellt. Man erkennt deutlich die sehr große Erdbebengefährdung am Standort der Produktionsanlage.

3.3 Tragwerk einer Beispielanlage

Wie oben erläutert wurde der Erdbebennachweis anhand ausgewählter Anlagen geführt. In diesem Abschnitt wird exemplarisch das Vorgehen anhand einer Beispielanlage er-läutert. Bei dieser Beispielanlage sah der ursprüngliche Entwurf der Konstruktion als Aussteifungselemente nur lokale Verstär-kungen für die Standsicherheit im Erdbebenfall vor, um die verschiedenen Zugangsmöglichkeiten nicht einzuschrän-ken. Bei der Erdbebenuntersuchung stellte sich jedoch rasch he-raus, dass ohne weitere Aussteifungselemente die Erdbe-bensicherheit nicht gewährleistet werden kann. Aus den möglichen Varianten der Aussteifungssysteme wurde die in Bild 7 dargestellte Konstruktion gewählt. Die Konstruktion wurde mit Hilfe eines Finite-Elemente-Programms [8] untersucht, wobei die verwendeten Profile als Stabelemente abgebildet wurden. Für die numerische Untersuchung wurden zunächst die Eigenfrequenzen be-stimmt. Sie liegen bei 4,5 Hz in Querrichtung und 4,6 Hz in Längsrichtung. Die dritte und alle weiteren Eigenfrequen-zen liegen zwischen 6 und 7 Hz sowie oberhalb von 10 Hz. In der multimodalen Berechnung wurden pauschal die ers-ten 30 Modalbeiträge berücksichtigt. Die Ergebnisse des Lastfalls Erdbeben werden getrennt für die beiden horizon-talen Einwirkungsrichtungen ermittelt. Aus der maßgeben-den Überlagerung mit den Schnittgrößen infolge Eigenge-wicht ergeben sich die Bemessungsschnittgrößen der Au-ßergewöhnlichen Bemessungskombination. Nach der Ermittlung der Erdbebeneinwirkung nach der amerikanischen Norm [4] erfolgten die Berechnung der Schnittgrößen und die anschließende Bemessung der Stahl-baukonstruktion nach DIN 18800 [5]. Für den Nachweis der Gebrauchstauglichkeit wurden au-ßerdem die auftretenden Verformungen untersucht. Dabei

war sicherzustellen, dass diese Verformungen so klein blei-ben, dass eine Beschädigung der Maschinen durch Verkan-tungen o.ä. ausgeschlossen ist. Bei den ermittelten Verfor-mungen von maximal etwa 1 cm ist dies gewährleistet. Analog zum beschriebenen Vorgehen wurden fünf weitere repräsentative Anlagen auf ihre Standsicherheit im Erdbe-benfall nachgewiesen und erforderlichenfalls verstärkt. Die Aussteifungsmaßnahmen konnten problemlos in die je-weils geplante Anlagenkonstruktion integriert werden und verbesserten als positiven Nebeneffekt das Verformungsver-halten der Anlagen im Regelbetrieb. Unter Verwendung des hier vorgestellten Verfahrens, bei dem amerikanische und deutsche Normen kombiniert be-nutzt wurden, können Erdbebennachweise für jeden belie-bigen Standort auf der Erde erbracht werden. Gibt es für den jeweiligen Standort eine nationale Erdbebennorm, so kann diese wie vorgestellt mit anderen, z.B. deutschen oder euro-päischen Normen, zur Nachweisführung gekoppelt werden. Fehlen solche nationale Normen, so kann unter Berücksich-tigung der maximalen Bodenbeschleunigung am Standort das Antwortspektrum näherungsweise nach DIN 4149 [9] oder EC 8 [10] ermittelt werden.

4 Erschütterungsisolierte Anlagen


In einem neu zu errichtenden elektrotechnischen Zentral -labor sollen Forschungsarbeiten für die Halbleitertechnolo-gie durchgeführt werden. Das Halleninnere wurde als so ge-nannter Reinraum ausgebildet, wodurch Verunreinigungen in Form von Stäuben aus der Atmosphäre weitestgehend fern gehalten werden und daraus resultierende Störungen minimiert werden können. Herzstück des Fertigungsprozes-ses ist die Produktion von sogenannten Wafern, denen mit-tels Lithografieverfahren das Microchip-Layout übertragen wird. Für die fehlerfreie Funktion dieser Belichteranlagen ist ein hohes Maß an Erschütterungsfreiheit bis hinein in den µ-Meterbereich konstruktiv zu gewährleisten. Zur Umsetzung dieser Anforderungen kommen grundsätz-lich Maßnahmen am Emissionsort, den Übertragungswegen und dem Immissionsort in Betracht. Aufgrund der Vielzahl der Störquellen und deren starke räumliche Verteilung war deren Aktivisolierung unmöglich und man entschied sich daher für eine Passivisolierung nahe am zu schützenden Ob-jekt.

Bild 7. Beispielanlage mit Aussteifungssystem

Bild 6. Ermitteltes Antwortspektrum

A U F S A T Z

S 7


Dazu wurden die Hallenbereiche, in denen die genannten Geräte aufgestellt werden, inselartig als Sonderfundamente ausgebildet. Um die möglichen Übertragungswege ein-zuschränken, wurde zudem um die Fundamente ein offener Schlitz ausgeführt, der im Endzustand von einem beweg-lichen Fugenprofil überdeckt wird. Hierdurch konnte eine bis zur Gründungsebene durchgeführte Entkopplung vom übrigen Gebäude erreicht werden (Bild 10). Bei der Wahl des geeigneten Lösungsansatzes waren des weiteren eine kostenoptimierte Konstruktion, sowie die be-züglich des Bauablaufs problemlose und fehlerfreie Umsetz-barkeit mit entscheidend.

4.2 Randbedingungen und (Schwingungstechnische)

Messungen

Als mögliche Störquellen, die die geplante Nutzung am Standort beeinträchtigen, waren auszumachen: – Personenverkehr in der unmittelbaren Umgebung – Kraftfahrzeugverkehr auf den umliegenden Verkehrsflä-

chen und der nahe gelegenen Schnellstraße – Schienenbahnverkehr auf der nahe liegenden Bahntrasse – natürliche Seismik des Bodens Zur Beschreibung der Erschütterungen, die über den vor Ort anstehenden Baugrund übertragen werden lagen Schwin-gungsmessungen vor, die am Standort durchgeführt wur-den. Bei dieser Analyse wurden zum einen die tatsächlichen Anregungen von den nahe gelegenen Verkehrsflächen und zum anderen simulierte Anregungen durch Hüpfen und Laufen von Testpersonen mit einbezogen. Über einen Zeitraum von ca. 5h wurden die resultierenden Schwinggeschwindigkeiten in alle drei Raumrichtungen aufgezeichnet und anschließend durch Auswertung mittels Spektralanalyse der Frequenzinhalt der horizontalen Ein-wirkungen ermittelt (Bild 8 links). In Bild 8 rechts sind die ermittelten horizontalen Frequenzen durch Stoßanregung dargestellt. Zusammenfassend lassen sich daraus zwei cha-rakteristische Frequenzberge der Störgrößen angeben: Für die horizontale Richtung: 2 – 15 Hz und 50 – 60 Hz Für die vertikale Richtung: 2 – 15 Hz und 60 – 90 Hz

4.3 Berechnungen zur Auswahl der Lagerung

Als wirksamste Maßnahme bei der vorliegenden breitbandi-gen Anregung, bot sich die elastische Lagerung der Sonder-fundamente an. Hierzu wird die Lagerebene unmittelbar un-ter dem schutzbedürftigen Bereich angeordnet, was bau-praktisch entweder durch Federelemente oder Elastomerla-ger realisiert werden kann. Aufgrund der erforderlichen Zu-gänglichkeit der Konstruktion wurden in diesem Fall Elasto-merlager gewählt.

Da jede Einflussgröße naturgemäß Streuungen unterliegt, galt es mit Blick auf eine möglichst exakte Vorhersagbarkeit des Schwingungsverhaltens die zu berücksichtigenden Pa-rameter zu minimieren. Deshalb entschied man sich zur Ausbildung eines starren, massigen Fundamentkörpers, der vollflächig auf Polyurethan-Matten als Schwingungsisolie-rung aufliegt. Dabei wurden die Lagerpressungen so einge-stellt, dass sie möglichst nahe an der Lastgrenze für die sta-tische Dauerlast liegen und der Werkstoff damit optimal aus-genutzt wird. Von Vorteil ist ferner, dass trotz einer verhält-nismäßig kleinen Einfederung von rund 1,2 mm eine hohe Dämmwirkung erzielt wird. Zur Abschätzung des Schwingungsverhaltens konnte auf-grund des kompakten und relativ kleinen Fundamentköpers als Ingenieur-Ersatzmodell der Ein-Massen-Schwinger ge-wählt werden. Als Stellgrößen des Modells sind durch die konstruktive Umsetzung die Masse des Schwingers über die Plattendicke und die Feder-Dämpfer-Charakteristik anhand der Materialart und Schichtdicke beeinflussbar. Von diesen Parametern hängt unmittelbar die Eigenfrequenz des Fun-daments ab. Die Isolation des Elastomerlagers wiederum ist insbesondere bei Schwingungen oberhalb der Eigenfre-quenz des Fundaments wirksam. Im Rahmen eines Varian-tenvergleichs wurde die Kombination mit dem in Bild 9 dar-gestellten Verlauf des erzielten Isolationsgrades ausgewählt. Hierbei beträgt die Dicke des Fundaments 1 m und die des Lagers 25 mm.

Bild 8. Horizontale Frequenzspektren des Bodens

Bild 9. Isoliergrad des gewählten Systems

Bild 10. Konstruktive Durchbildung im Schnitt


S 8

A U F S A T Z

Der Isoliergrad I [%] hängt dabei von den Erregerfrequen-zen f, der Eigenfrequenz f0 und dem mechanischen Verlust-faktor h (entspricht dem Doppelten des Lehr’schen Dämp-fungsmaßes, hier: h = 0,2) wie folgt ab:

4.4 Konstruktive Durchbildung

Im Rahmen der Ausführung erwies sich die einfache Um-setzbarkeit des in Bild 10 dargestellten Details als sehr vor-teilhaft. Zur Realisierung der Fuge zwischen dem 1 m dicken Fundament und der Umgebung wurde eine Winkelstütz-mauer eingesetzt. Unterhalb des Fundaments und des Elas-tomerlagers wurde eine Magerbetonschicht angeordnet, da-runter liegt ein Kies-Schotter-Polster, um einen homogenen Untergrund zu erzielen. Mit dieser konstruktiven Durchbil-dung war es problemlos möglich, die Erstellung der Sonder-fundamente in den gesamten Bauablauf zu integrieren, da mit Einbau des angrenzenden Hallenbodens alle Arbeiten zur Schwingungsisolierung abgeschlossen waren und es zu keinerlei Behinderungen der nachfolgenden Gewerke mehr kam. Bild 11 zeigt links den 1m dicken, rechteckigen Fundament-körper nach dem Entfernen der Randabschalungen und Tei-le der Winkelstützwände vor dem Verfüllen des Arbeitrau-mes. Der umlaufende, offen bleibende Schlitz, in Bild 11 rechts dargestellt, bietet den Vorteil einer guten Kontrollier-barkeit der seitlichen Entkopplung. Nach Fertigstellung des Zentrallabors bestätigte sich in der Praxis, dass die gewählte Konstruktion die gestellten Anfor-derungen an die Erschütterungsfreiheit erfüllt. Dies bestä-tigte auch, dass im Frequenzband zwischen 50 und 60 Hz die maßgebenden Schwingungen auftraten und diese durch die Isolierwirkung erfolgreich vermindert wurden. Bei der Schwingungsisolation von empfindlichen Bereichen ist grundsätzlich zunächst die Wahl der Art der Isolation ent-scheidend. Ob an der Emissionsquelle oder am Immisions-ort eine Maßnahme gewählt wird, und ob dabei auf Feder- bzw. Elastomerlager, die Anordnung von Trennfugen oder andere Maßnahmen zurückgegriffen wird, muss zum Erzie-len einer optimalen Lösung im Einzelfall vom Baudynami-ker beurteilt werden. Bei der Schwingungsisolation bieten sich außerdem Schwingungsmessungen an, um die Wirk-samkeit der gewählten Maßnahmen zu bestätigen.

5 Zusammenfassung

Im Anlagenbau stellen baudyna-mische Fragestellungen häufig eine der wesentlichen Problemstellungen dar. Im Vergleich zu den möglicher-weise immensen Sanierungskosten bei einer Vernachlässigung der bau-dynamischen Aspekte ist eine zuver-lässige Untersuchung des dyna-mischen Verhaltens immer von Vor-teil. Im vorliegenden Beitrag wurden ver-schiedene baudynamische Unter-suchungen im Anlagenbau anhand von drei ausgewählten Beispielen

vorgestellt. Die dynamischen Beanspruchungen dieser Bei-spiele sind maschineninduzierte Schwingungen, Erdbebe-neinwirkungen und breitbandige Erschütterungen aus der Umgebung. Die Anlagen müssen den einwirkenden Lasten nicht nur standhalten, sondern hinsichtlich ihrer Ge-brauchstauglichkeit teilweise sehr strengen Anforderungen genügen. Die Untersuchungen wurden rechnerisch und ex-perimentell durch Schwingungsmessungen durchgeführt. In der Praxis hat sich bei solchen Projekten wiederholt ge-zeigt, dass Vorschläge zur Verwendung schwingungsisolie-render Bauteile von ausführenden Firmen schnell zur Fest-legung auf ein bestimmtes System oder Produkt führen, das nicht immer die technisch und wirtschaftlich beste Lösung darstellt. Daher besteht gerade bei solchen Fragestellungen die Notwendigkeit einer sachkundigen Beratung und Abwä-gung der verschiedenen Möglichkeiten durch einen unab-hängigen Baudynamiker. Wenn Schwingungsmessungen möglich sind, sind sie oft ein zur Erfassung des realen Zustandes notwendiges Instru-ment. Wie in diesem Artikel gezeigt, sollte der Aufwand für die rechnerischen Nachweise und die Schwingungsmessun-gen in einem ausgewogenen Verhältnis zueinander stehen.

Bild 11. Ausgeführte Konstruktionsdetails

Literatur

[1] Meskouris, K., Hinzen, K.-G.: Bauwerke und Erdbeben

Vieweg Verlag, Wiesbaden, 2003

[2] Petersen, C.: Dynamik der Baukonstruktionen, Vieweg

Verlag, Wiesbaden, 1996

[3] DIN 4024: Maschinenfundamente, Teil 1: Elastische Stützkonstruktionen

für Maschinen mit rotierenden Massen, 1988

[4] International Conference of Building Officials:

Uniform Building Code UBC 1997, 75th Edition, 1997

[5] DIN 18800: Stahlbauten – Bemessung und Konstruktion, 1990

[6] American Institute of Steel Constructions: Allowable Stress Design and

Plastic Design Specification for Structural Steel Buildings, AISC-ASD,

1989

[7] American Institute of Steel Constructions: Load and Resistance Factor

Design Specification for Structural Steel Buildings, AISC-LRFD, 1994

[8] Infograph: Software für die Tragwerksplanung,

www.infograph.de, Aachen, 2005

[9] DIN 4149: Bauten in deutschen Erdbebengebieten, 1981

[10] EC 8: Eurocode 8: Auslegung von Bauwerken gegen Erd beben,

Europäisches Komitee für Normung, Brüssel, 2004

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1 Zusammenfassung

Die neuen Tragwerksnormen des SIA Nr. 260 bis 267 (2003) führen zu einem besseren Verständnis der Ein- und Auswir-kungen auf Tragwerke und höherer Erdbebensicherheit. Mehrkosten an Tragwerken als Folge der Normen SIA 260 bis 267 resultieren aus: – höheren Erdbebeneinwirkungen – verbesserter Durchstanzbemessung – höheren Lastfaktoren bei Eigenlasten – verschärfter Baustoffprüfung für Konstruktionsbeton im Werk Minderkosten an Tragwerken als Folge der Norm SIA 260 bis 267 resultieren aus: – höherer Materialausnutzung beim Betonstahl – besseren Tragkonzepten – moderneren Bemessungsmethoden für eine duktilere Bauweise Im Auftrag des Bundesamtes für Wasser und Geologie (BWG) wurden Verwaltungsgebäude beurteilt. Bei den fünf Fallbeispielen resultieren Kostenunterschiede für die Trag-werke im Bereich der Berechnungsgenauigkeit von +/- 1,- Fr./m3 bis 2, - Fr./m3 SIA Bauvolumen. Es entstehen somit keine deutlichen Mehrkosten aufgrund des In-Kraft-Tretens der neuen Tragwerksnormen SIA 260 bis 267 für repräsentative Gebäude des Bauwerkbestandes des Bundes. Die substantielle Erhöhung der Erdbebenein-wirkungen im Vergleich mit der vorhergehenden Normen-generation verursacht nur eine sehr geringe Erhöhung der Kosten im Bereich von 0% bis 1% der Rohbaukosten für die-se typischen administrativen Stahlbetongebäude.

2 Ausgangslage

Mit dem Bundesratsbeschluss vom 11. Dezember 2000 wird eine erdbebensichere Ausführung für die Bundesbauten, ge-mäß dem geltenden, einschlägigen Normenwerk des SIA, verlangt. Seit dem Sommer 2004 gelten die neuen Tragwerksnormen SIA 260 bis 267 (2003). Da generell die Erdbebensicherheit der Tragwerke differenzierter betrachtet werden muss, stellt sich bei Bauherren und Planern die Frage, ob das Bauen nach den neuen Normen des SIA zu einer Kostensteigerung führt. Im November 2004 beauftragte das Bundesamt für Wasser und Geologie (BWG) die HOLINGER AG mit der Aus-arbeitung einer Studie [1]. Mittels Untersuchung an Fallbei-spielen repräsentativer, bestehender, neuerer Verwaltungs-gebäude des Bundes aus Stahlbeton, sollten Mehr- oder Min-derkosten, infolge der neuen Tragwerksnormen, abge-schätzt werden. Das Ergebnis von Forschungen des Erdbebendienstes (SED) [2] und der Angleichung an die europäischen Normen führ-ten zur Annahme höherer Erdbebeneinwirkungen. Für das Normbeben wird neu eine Wiederkehrperiode von 475 Jah-ren (bisher 400 Jahre) angenommen. Einige Landesteile sind neu einer höheren Erdbebenzone zugeteilt worden. Der Einfluss verschiedener Baugrundklassen kann nun differen-zierter berücksichtigt werden. Neben den neuen Erdbebenzonenkarten und höheren La-steinwirkungen aus Erdbeben wurden auch die Berech-nungsmethoden weiter entwickelt. Die praktische Anwen-dung der neusten Erkenntnisse des Erdbeben-Engineerings ist heute weit verbreiteter als noch vor 15 Jahren (vorgängi-ge Normengeneration 1989). Mehrkosten aufgrund der höheren Erdbebeneinwirkungen einerseits und Minderkosten wegen modernerer Bemes-sungsmethoden und höherer Ausnutzung der Stahlspannun-gen andererseits sind je nach Tragwerkskonzept spürbar oder nicht relevant. Wo aus gestalterischen Gründen reichli-che Aussteifungswände vorliegen, können doppelte Erdbe-benkräfte noch problemlos verkraftet werden. Aus der Sicht eines praxisorientierten Tragwerkplaners sind die zukünftigen Mehr- oder Minderkosten des Bundes für Tragwerke von Verwaltungsgebäuden abzuschätzen. Der Bund geht davon aus, dass die im Investitionsplan 2005 – 2008 des Bundes vorgesehenen neuen Bauwerke im Wert von ca. 1,5 Mia. Fr. in Bezug auf Nutzung, Standard, Größe, Konzept, Baustoffe, Erdbebenzone, Baugrundklasse und m3-Preise gemäß SIA etwa den bisherigen Gebäuden ent-sprechen werden.

Kostenauswirkungen durch In-Kraft-Treten der neuen Tragwerksnormen SIA 260 bis 267 für repräsentative Verwaltungsgebäude aus Stahlbeton des Bundes

B. Duvernay, E. M. Anliker

Blaise Duvernay, Dipl. Ing. ETH, MS CE,

Bundesamt für Wasser und Geologie, Biel

++41 32 328 87 48

[email protected]

Ernst M. Anliker, Dipl. Ing. HTL / SIA

Holinger AG, Bern

++ 41 31 370 30 32

[email protected]


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3 Baubeschrieb der fünf Fallbeispiele

Folgende eingrenzende Randbedingungen, welche für etwa 90 % der erwähnten, geplanten Investitionen des Bundes zu-treffen dürften und mit den Fallbeispielen vergleichbar sind, werden deshalb für die Schätzungen festgelegt: – Gebäudehöhe: 1 – 3 Untergeschosse, 3 – 6 Obergeschosse – Gebäudewert: 10 Mio. Fr. bis 90 Mio. Fr. – Spezifische Kosten: Fr. 500,--/m3 SIA bis Fr. 900,--/m3 SIA

– Tragwerkskonzept: Neue Stahlbetontrag-werke mit Flachdecken üblicher Schlank-heitsgrade (im Mittel l/H=26) und ausstei-fenden Stahlbetonwänden

– Erdbebenzone Z1 (agd = 0,6 m/s2) – Baugrundklasse C – Bauwerksklasse BWK II (Verwaltungs-

gebäude) – Erdbebenbemessung mit dem Ersatzkraft-

verfahren Norm SIA 261 Beurteilt wurden Gebäude in Bern und Umge-bung und in Biel-Bienne. Ein Foto eines der Fallbeispiele und typische Abmessungen der Tragwerke sind in den Bildern 1 und 2 darge-stellt.

4 Vergleich der Erdbebenersatzkräfte

Verglichen wurden die erforderlichen Aus-steifungen der fünf Gebäude (Fallbeispiele) bezüglich Abmessungen und Baukosten für die Erdbebenaussteifungen nach alter und neuer Norm SIA mit dem gleichen Rechenmo-dell, jedoch mit verschiedenen Einwirkun-gen. In der Regel sind für Tragwerke in diesem Frequenzbereich die anzunehmenden Erdbe-benkräfte etwa doppelt so groß gemäß Norm SIA 261 (2003) [3] gegenüber Norm SIA 160 (1989) [4]. Da die Tragwerke oft zahlreiche Stahlbeton-wände als Raumabschlüsse, Treppenhaus-

oder Liftkerne aufweisen, bestehen meist unberücksichtigte Tragreserven bezüglich Erdbebensicherheit. Eine Erhö-hung der Erdbebenkräfte bewirkt somit nicht zwingend eine lineare Erhöhung der Wandflächen oder des Stahlver-brauchs. Bei Gebäuden mit unregelmäßig angeordneten und/oder wenigen Aussteifungen wirken sich dagegen höhere Erdbe-benkräfte stärker auf die Baukosten aus. Einige Details der angenommenen Eigenfrequenzen der Gebäude sowie die dazugehörenden Bemessungswerte der spektralen Be-schleunigung SIA 160 (1989) und SIA 261 (2003) sind in Bild 3 zusammengestellt.

5 Vergleich der Mengen (Schalung, Betonstahl, Beton)

Der Bemessungswert fsd der Fließgrenze von Betonstahl be-trägt 435 N/mm2 in der Norm SIA 262 (2003) [5] und 383 N/mm2 in der Norm SIA 162 (1989) [6]. Die höhere Stahlaus-nutzung beträgt neu 14%. Der Lastfaktor für die Eigenlasten wurde um 4% vergrößert. Für Innenbauteile wird verein-facht von einer Einsparung beim Betonstahl von 10% aus-gegangen, soweit die Tragsicherheit bei der Bemessung maßgebend ist. Neu ist bei Flachdecken eine Bewehrung für die Einsturzsicherung über der gestützten Fläche der Stüt-zen anzuordnen. Die Erhöhung der Erdbebenersatzkräfte von 100% auf 217%, (Plateaubereich des Bemessungsspektrums) erfor-dert bei knapper Bemessung der Aussteifungswände erheb-liche Mehrmengen an Schalung, Betonstahl und Beton.

Bild 1. Foto des BAG-Gebäudes in Liebefeld (1997)

Bild 3. Grundschwingzeit (0.3 bis 0.5 s) und Bemessungswert der spektralen Beschleunigung für die Fallbeispiele

Bild 2. Typische Abmessungen der Tragwerke

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6 Vergleich der Kosten

Die angenommenen Einheitspreise für die Kostenermittlung sind in Bild 4 aufgeführt. Wie Vergleichsberechnungen zeigen, wirkt sich die Ungenauigkeit der getroffenen An-nahmen bei den Schätzungen der Mehr- oder Minderkosten bei den Bürogebäuden nur ge-ringfügig aus. Die Absturzsicherung der Flachdecken ge-mäß Norm SIA 262 (2003) wurde neu eingeführt. Es resultie-ren dadurch im Durchschnitt Mehrkosten von etwa Fr. 0,50/m3 SIA bis Fr. 1,00/m3 SIA Bauvolumen. Bei Platten und Wänden ergibt die höhere Materialausnut-zung des Betonstahls nach neuer Norm SIA 262 (2003) Ein-sparungen von Fr. 1,50/m3 SIA bis Fr. 2,50/m3 SIA Bauvolu-men. Bei massiven Fundamentplatten ist die Einsparung an Betonstahl beispielsweise erheblich. Die verstärkten, bezüglich Erdbebensicherheit maßgeben-den Aussteifungswände, welche infolge der Norm SIA 261 (2003) erforderlich sind, verursachen bei den fünf Gebäuden Mehrkosten, zwischen Fr. 0,-/m3 SIA bis Fr. 2,50/m3 SIA Bau-volumen. Der Saldo der Mehr- und Minderkosten beträgt Fr. 1,50/m3 SIA Mehrkosten beim Tragwerk TITANIC II und Fr. 1,00/m3 SIA Bauvolumen Einsparungen beim Tragwerk BAG. Wie in Bild 5 dargestellt, heben sich im Durchschnitt der fünf Bürogebäude Mehr- und Minderkosten auf. Es herrscht somit etwa Kostengleichheit, egal ob nach den Tragwerksnormen des SIA von 1989 oder von 2003 bemessen wird. Die geringen Mehr- oder Minderkosten liegen im Be-reich der Berechnungsgenauigkeit oder des gestalterischen Ermessensspielraums der Architekten und Bauingenieure bei der Tragwerksplanung.

7 Abschätzen der Kostenauswirkungen für geplante Bundesbauten

Die vom Bund geplante Investitionssumme von 2005 – 2008 beträgt 1,51 Mia Fr. Etwa 1,2 Mia Fr., oder 80% davon entfal-len auf die Gebäudekosten.

Das mutmaßliche Bauvolumen beträgt 1,6 Mio m3 SIA, ge-schätzt mit einem mittleren Kubikmeterpreis von Fr. 750,-/m3 SIA. Die Rohbaukosten der Gebäude betragen im Mittel Fr. 200,-/m3 SIA oder 27% der gesamten Gebäudekosten. Die angerechneten Erdbebenaussteifungen der Tragwerke kos-ten im Mittel Fr. 12,-/m3 SIA. Die zugehörigen Mehrkosten infolge neuer Norm SIA 261 (Einwirkungen) wurden bei den Fallbeispielen auf max. Fr. 2,50/m3 SIA geschätzt (TITANIC II). Dem stehen infolge neu-er Norm SIA 262 (Betonbau) Einsparungen im Bereich der gleichen Größenordnung gegenüber beim Betonstahl der anderen Bauteile, wie Bodenplatten, Kellerwänden und Plat-ten. Ein resultierender Mehrkostensaldo dürfte in der Regel ent-fallen bzw. auf einzelne Objekte (Ausreißer) begrenzt blei-ben und etwa < Fr. 1,-/m3 SIA betragen. Würden im „worst case“ alle Neubauten im Durchschnitt mit Fr. 1,-/m3 SIA ver-teuert, ergäben sich dadurch für den Zeitraum von 2005 – 2008 maximale Mehrkosten im Bereich von < 1,5 Mio Fr. bzw. 1 ‰ der Investitionssumme. Die Realisierung nach un-terschiedlichen Tragwerksnormengenerationen, ob von 1989 oder von 2003, hat somit einen geringen Einfluss auf die Baukosten. In Erwägung ist ferner zu ziehen, dass bei normengerechter Bauweise die Unterhalts- und Instandstellungskosten redu-ziert werden können, aufgrund der um 1 cm bis 2 cm größe-ren Betonüberdeckung, der verbesserten Rissbegrenzung, den Betoneigenschaften und duktilerer Bauweise. Dies dürf-te positive Auswirkungen auf die Länge der Nutzungsdauer und allfällige Nutzungsänderungen haben.

Wahrscheinlich resultieren geringere Unterhaltskosten primär für die den Umwelt-, Baugrund-, Brand- und Tem-peratureinflüssen ausgesetz-ten Sichtbetonflächen. Bei Verwaltungsgebäuden ist mit 1,2% jährlichen Unterhalts-, Erhaltungs- und Instandset-zungskosten zu rechnen Der Kostenanteil für den Unter-halt der Tragwerke während der Nutzungsdauer von 100 Jahren beträgt 2 ‰ der Trag-werkskosten oder 0,5 ‰ der Gebäudekosten (Prof. P. Mey-er, P. Curschellas, ETHZ). Bei Planungshorizonten von 10 - 30 Jahren können die Unter-haltskosten für Tragwerke vernachlässigt werden.

Bild 4. Einheitspreise für Kostenvergleich

Bild 5. Kostenvergleiche der fünf Fallbeispiele


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Der Mehrwert eines nach SIA 260 – 267 bemessenen Trag-werks ist wegen besseren Möglichkeiten der Umnutzung vorgängig nicht abzuschätzen und wird vernachlässigt. Ertüchtigungen oder Anpassungen der Tragwerke kosten gelegentlich Fr. 1,- bis 5,- Fr./m3 SIA Bauvolumen. Auch bei einem sehr kostspieligen Tragwerk ist wegen der neuen Normenanwendung somit tendenziell von einer resultieren-den Einsparung über die ganze Nutzungsdauer auszugehen. Bevor die letztgenannten zum Teil spekulativen Nutzungs-dauer-Überlegungen präzisiert werden können, sind weite-re Erfahrungen mit den Auswirkungen der Normen SIA 260 bis 267 (2003) abzuwarten.

8 Ausblick

Die neuen Tragwerksnormen des SIA Nr. 260 bis 267 (2003) führen zu einem besseren Verständnis der Ein- und Auswir-kungen auf Tragwerke und höherer Erdbebensicherheit. Verschiedene Unterschiede mit der vorhandenen Normen-generation verursachen Mehr- und Minder-Kosten. Diese Studie hat gezeigt auf Grund der Analyse von fünf Fallbei-spielen, dass keine deutlichen Mehrkosten aufgrund des In-Kraft-Tretens der neuen Tragwerksnormen SIA 260 bis 267 für repräsentative Gebäude des Bauwerkbestandes des Bun-des entstehen. Die substantielle Erhöhung der Erdbebenein-wirkungen im Vergleich mit der vorhergehenden Normen-generation verursacht nur eine sehr geringe Erhöhung der

Kosten im Bereich von 0% bis 1% der Rohbaukosten für die-se typischen administrativen Stahlbetongebäude. Die Kosteneffizienz bei der Erdbebensicherung von Neu- und Altbauten basiert in erster Linie auf der symmetrischen, durchgehenden und duktilen Erdbebenaussteifung eines Gebäudes. Diese wird bereits in der Wettbewerbs- und der Konzeptphase des Projekts, durch die Einbindung eines im Erdbeben-Engineering erfahrenen Bauingenieurs, erzielt. Die neuen Tragwerksnormen des SIA 260 – 267 (2003) sind dazu unentbehrliche Bemessungsgrundlagen.

Literatur [1] Bundesamt für Wasser und Geologie (BWG), „Kostenauswirkungen

bei normengemässer, erdbebengerechter Realisierung von Neubauten

in der Schweiz“, Bericht, Holinger AG, Bern, Januar 2005.

[2] Schweizerische Erdbebendienst (SED), „Seismic Hazard of Switzerland,

2004“, Bericht, Zürich, November 2004.

[3] SIA 261, „Einwirkungen auf Tragwerke“, Norm, Schweizer Ingenieur-

und Architektenverein, Zürich, 2003.

[4] SIA 160, „Einwirkungen auf Tragwerke“, Norm, Schweizer Ingenieur-

und Architektenverein, Zürich, 1989.

[5] SIA 262, „Betonbau“, Norm, Schweizer Ingenieur- und Architekten -

verein, Zürich, 2003.

[6] SIA 162, „Betonbauten“, Norm, Schweizer Ingenieur- und Architekten-

verein, Zürich, 1989.

Erdbeben und Gebäudeschäden

Das Erdbeben vom Sonntag, den 3.9.1978 ereignete sich um 06 Uhr 08 Ortszeit. Das Epizentrum lag in der heutigen Gemein-de Albstadt, die Herdtiefe betrug ca. 6 – 7 km. Die Magnitude des Erdbebens wurde mit 5,7 auf der Richterskala gemessen. Das Beben 1978 war im 20. Jahrhundert nach den Beben in den Jahren 1911 und 1943 das dritte in einer Serie von etwa gleichstarken Ereignissen auf der Zoller-nalb. Nach der MSK-Intensitätsskala wurde die Stärke der Bodenerschütte-rung in Teilen von Albstadt mit Grad VII-VIII eingestuft. Das Beben war im Um-kreis von etwa 300 km um das Epizen-trum spürbar. Glücklicherweise wurde bei diesem Erd-beben niemand ernstlich verletzt. Dies ist zu einem gewissen Teil auch dem Um-stand zuzuschreiben, dass zum Zeitpunkt des Bebens fast niemand auf den Gehstei-gen unterwegs war und die herabstür-zenden Gebäudeteile somit keine Per-sonenschäden verursachten. Am Sonntagvormittag (3.9.1978) wurde der Katastrophen-alarm ausgelöst. Mehrere tausend Gebäude in Albstadt waren in erheblichem Maße beschädigt. Einige hundert Gebäude mussten sicher-heitshalber abgestützt werden. Die Schäden an einigen dut-zend Gebäuden (vor allem in Albstadt-Tailfingen und in Alb-stadt-Onstmettingen) waren so gravierend, dass ein Abriss empfohlen wurde. Dementsprechend wurden Abbrüche bzw. Teilabbrüche von Gebäuden vorgenommen. In etwa 2000 Fällen mussten die Kamine von Wohngebäuden abge-tragen werden, in etwa 20 Fällen wurden Fabrikkamine teil-weise abgebrochen. Bei einer sehr großen Anzahl von Ge-bäuden mussten Reparatur- bzw. Sanierungsmaßnahmen vorgenommen werden. Der Sachschaden an Gebäuden be-trug nach Schätzung der Münchner Rück-Versicherung ins-gesamt etwa 275 Mio. DM (ohne Folgeschäden).

Dokumentation

Die Bilder zeigen sehr eindrucks-voll die erdbebenspezifischen Bauwerksschäden in Albstadt (z. B. heraus gefallene Giebelwände, teilweise tiefe Mauerrisse, be-schädigte und abgestürzte Schornsteine, abgeworfene Dach-ziegel und Mauerteile etc.). Die Gebäudeschäden sind in der vor-liegenden Dokumentation in viel-fältiger Weise und großer Anzahl festgehalten. Ebenfalls enthalten sind Bilder der Katastrophen- und Rettungssituation in den Stunden und Tagen nach dem Erdbeben, sowie Bilder bei und nach Gebäu-desanierung, Reparatur und Wie-deraufbau in den nachfolgenden Wochen und Monaten. Die fotografischen Aufnahmen der Gebäudeschäden nach dem Erdbeben bei Albstadt am 3.9.1978 besitzen hohen dokumentari-

schen Wert, insbesondere für Seismologie, Bauingenieurwe-sen und Katastrophenschutz. Prof. Dr. Kostas Meskouris

Dr. Wolfgang Brüstle

Fotodokumentation der Erdbebenschäden nach dem Erdbeben von Albstadt (Baden-Württemberg)

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Peter Doll aus Albstadt hat nach dem katastrophalen Erdbeben am 3.9.1978 als Hobbyfotograf Fotos von Gebäudeschäden in Albstadt (heutige Gemeinde Albstadt, mit Stadtteilen Tailfingen, Onstmettingen und Ebingen, Zollernalbkreis, Baden-Württem-berg, Deutschland) aufgenommen und gesammelt. Diese Bilder waren bisher zum Teil nicht veröffentlicht und sind daher weit-gehend unbekannt. Die DGEB hat von Herrn Doll die Verwertungsrechte der Bilder erhalten und der Landeserdbebendienst Baden-Württemberg am Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau (LGRB) im Regierungspräsidium Freiburg hat eine elektronische Erfassung und inhaltliche Aufbereitung der Bilder und der zugehörigen Texte vorgenommen. Die ausgewählten Dokumente liegen jetzt in digitaler Form vor und stehen der Öffentlichkeit und der Forschung auf einer CD zur Verfügung. Diese enthält ca. 200 gescannte Bilder (JPEG-Format, Auflösung 300 dpi) mit Beschreibung, wobei alle ent-haltenen Daten und Informationen von Peter Doll stammen. Wir danken Herrn Doll sehr für die vorübergehende Überlassung sei-ner Original-Dokumente und für seine freundliche Kooperation. Die CD kann von Mitgliedern von DGEB, SGEB und OGE zum Preis von 15,00 EUR (Nichtmitglieder: 20,00 EUR) bezogen wer-den. Bestellungen sind bitte an [email protected] zu richten.

Documents

D – A – C H – M I T T E I L U N G S B L AT T · der nach DIN 4024 [3] geforderte Frequenzabstand von 25% ist eingehalten. Als zweiter Schritt der dynamischen Analyse wurde die