Erdbebenbemessung von Stauanlagen gemäß DIN 19700 – Vorgehensweise für Baden-Württemberg Andreas Bieberstein Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik / Karlsruher Institut für Technologie / Karlsruhe / Deutschland Thomas M. Weber Studer Engineering GmbH / Zürich / Schweiz Bernd Karolus Landesamt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg / Karlsruhe / Deutschland Zusammenfassung In Baden-Württemberg existieren mehrere hundert Stauanlagen, und neue Anlagen werden geplant und gebaut. Zur Erdbebenbemessung dieser Anlagen gemäß DIN 19700:2004-07 fehlten bislang die erforderlichen Grundlagen. Die Einschätzung der Erdbebengefährdung entsprechend der Anforderungen gemäß DIN 19700 liegt nunmehr vor [1]. Auf dieser Basis wird für Baden-Württemberg eine Vorgabe zur Erdbebenbemessung von Stauanlagen gemäß DIN 19700 erarbeitet. Der Beitrag stellt wesentliche Aspekte vor.

1. Einführung In Baden-Württemberg existieren mehrere hundert Stauanlagen. Viele der bestehenden Anlagen sind nicht nach modernen Gesichtspunkten der Erdbebensicher-heit ausgelegt und sollen in mittlerer Zukunft vertieft überprüft werden. Ferner werden neue Stauanlagen, vor allem Hochwasserrückhaltebecken, geplant und gebaut. Dass die Berücksichtigung von Erdbeben bei der Bemessung von Stauanlagen relevant ist, verdeut-licht unter anderem das Versagen des Lower San Fer-nando Dams in Kalifornien, der im Jahre 1971 infolge eines Erdbebens mit der Magnitude Mw von 6,6 weit-gehend zerstört wurde (Bild 1). In Hinblick auf die Erdbebenbemessung von Stauanla-gen gemäß DIN 19700:2004-07 [2] fehlten für Baden-Württemberg bislang die erforderlichen Bemessungs-grundlagen bzw. die Gefährdungsabschätzungen. Die erdbebengerechte Auslegung für Bauwerke mit hohem Risikopotential, wie beispielsweise Talsperren, ist in Deutschland in der aktuellen Hochbau-Erdbebennorm (vgl. z. B. DIN EN 1998-1 NA [3]) nicht geregelt. Für solche Bauwerke werden höhere mittlere Wiederho-lungsperioden entsprechender Erschütterungsparameter für den Nachweis der Erdbebensicherheit erforderlich. Anhand einer Neueinschätzung der Erdbebengefährdung für Deutschland und somit auch für Baden-Württemberg nach modernen Erkenntnissen seitens des Deutschen GeoForschungsZentrums Potsdam liegen nunmehr ent-sprechende Angaben zur seismischen Gefährdung vor

[1]. Diese Erdbebengefährdungsanalyse bildet die Grundlage der zurzeit im Entwurf verfügbaren „Arbeits-hilfe zum Nachweis der Erdbebensicherheit von Talsper-ren und Hochwasserrückhaltebecken in Baden-Württemberg“ [4]. Ferner sind verschiedene internatio-nale und nationale Richtlinien berücksichtigt worden [5, 6, 7, 8].

Bild 1: Lower San Fernando Damm nach dem Erdbe-ben von 1971 in San Fernando, Magnitude Mw 6.6 (Quelle: R.E. Wallace, U.S. Geological Survey, 1971)

2. Seismische Gefährdung in Baden-Württemberg Mit Erscheinen der DIN 19700:2004-07 [2] sind in Baden-Württemberg in Hinsicht auf die Erdbebenbe-messung insofern offene Fragen entstanden, als die erforderlichen seismischen Lastannahmen für die ge-mäß [2] nachzuweisenden Betriebs- und Bemessungs-erdbeben nicht verfügbar waren. In der Folge wurden in den letzten Jahren von unterschiedlichen Einrich-tungen seismologische Gutachten für verschiedene Standorte von Stauanlagen angefertigt.

Bild 2: Erdbebengefährdungskarte für die Bundesrepu-blik Deutschland [1] - Spitzenbodenbeschleunigungen PGA (Felsuntergrund, 50 %-Fraktile) für 4 % Über-schreitenswahrscheinlichkeit in 100 Jahren bzw. einer jährlichen Überschreitenswahrscheinlichkeit von 4·10−4, der eine mittlere Wiederholungsperiode von T = 2500 Jahren entspricht. Seitens der Wasserwirtschaftsverwaltung des Landes Baden-Württemberg wird jedoch angestrebt, die Be-messung der Stauanlagen auf Basis einheitlicher seis-mologischer Grundlagendaten entsprechend dem Stand der Technik durchzuführen. Daher wurde vereinbart, die vom Deutschen GeoForschungsZentrum Potsdam auf probabilistischer Grundlage ermittelte seismische Gefährdungseinschätzung zugrundezulegen [1]. Für das Zielgebiet der Bundesrepublik Deutschland erfolg-ten die probabilistischen Gefährdungsberechnungen mit einem Gitterpunktabstand von 0,1°N x 0,1°E. Ins-gesamt stehen Kartendarstellungen für vier Gefähr-dungsniveaus – ausgedrückt in mittleren Wiederho-lungsperioden T von Bodenbeschleunigungen für T = 100, 500, 1000 und 2500 Jahren – zur Verfügung. Beispielhaft ist in Bild 2 die Erdbebengefährdungskar-

te für Deutschland für die Spitzenbodenbeschleuni-gung PGA für Felsuntergrund, 50 %-Fraktile und mitt-lerer Wiederholungsperiode von 2500 Jahren darge-stellt. 3. Ermittlung der Erdbebenanregung Zur Ermittlung des Betriebs- und Bemessungserdbe-bens für Standorte auf Fels können die Antwortspekt-ren für die jeweilige Stauanlage von der Internetseite des GFZ Potsdam (www.gfz-potsdam.de/DIN19700) interaktiv abgerufen werden. Für Stauanlagen, die nicht auf Fels gegründet sind, ist ein Standortgutachten zur Bestimmung der Amplifikation der Erdbebenanre-gung durch Lockergestein erforderlich. Für kleine Stauanlagen und Erdbebenwiederholungspe-rioden bis zu 1000 Jahren kann vereinfachend je nach geologischem Untergrund und Baugrund das entspre-chende normierte Standortantwortspektrum nach DIN EN 1998-1 NA [3] bei der Spitzenbodenbe-schleunigung nach [1] eingehängt und mit dem Standortfaktor multipliziert werden. 4. Nachweiskonzept 4.1 Allgemeines Das Nachweiskonzept für Stauanlagen stützt sich auf DIN 19700 [2]. In der Bemessung ist die Tragsicher-heit der Stauanlage für zwei Erdbebenszenarien nach-zuweisen, dem Betriebserdbeben und dem Bemes-sungserdbeben. Für Stauanlagen bis 40 m Bauwerks-höhe sind pseudostatische Nachweise sowohl für Erd-dämme als auch Staumauern zulässig. Für große Anla-gen ist eine dynamische Berechnung erforderlich. Zu-sätzliche Angaben in Hinsicht auf die Berücksichti-gung von Erdbebennachweisen bei Hochwasserrück-haltebecken sind in [7] enthalten. 4.2 Erddämme Die pseudostatische Berechnung von kleinen und mitt-leren Erddämmen stellt eine starke Vereinfachung des wahren Erdbebenverhaltens der Konstruktion dar. Basierend auf Erfahrungen aus Ländern hoher Seismi-zität (z. B. USA und Japan) hat sich gezeigt, dass zum Vorgehen einer pseudostatischen Berechnung gemäß DIN 19700 [2] ergänzende Abklärungen der Anwend-barkeit dieser vereinfachten Betrachtung geboten sind. Die Schäden beim San Fernando Erdbeben (1971) verdeutlichen, dass bei durchströmten Erddämmen die alleinige Anwendung pseudostatischer Methoden nicht zulässig ist, wenn deren Materialien bei Erschütterun-gen zu einem Porenwasserdruckanstieg neigen. Der Lower San Fernando Damm (vgl. Bild 1) war gemäß pseudostatischen Analysen rechnerisch erdbebensicher. Hieran wird deutlich, dass die Betrachtung erdbeben-induzierter Porenwasserüberdrücke bzw. der Nachweis gegenüber Bodenverflüssigung (Liquefaction) eine hohe Relevanz besitzt.

Ferner ist darauf hinzuweisen, dass beim Nachweis der Böschungstragsicherheit insbesondere bei Berücksich-tigung der Einwirkung des Bemessungserdbebens ein Unterschreiten des geforderten Sicherheitsbeiwertes nicht auszuschließen ist. Der pseudostatische Nachweis ist im Erdbebenfall oft konservativ, wenn Bodenver-flüssigung ausgeschlossen werden kann. Eine rechneri-sche Unterschreitung der Sicherheit von 1,0 bedeutet in diesem Fall nicht grundsätzlich ein globales Versagen der Stauanlage. Vielmehr ist nicht alleinig der einzu-haltende Sicherheitsbeiwert maßgebend, sondern es sind die durch das Erdbeben induzierten Gleitverschie-bungen in Hinsicht auf ihre Verträglichkeit zu bewer-ten. Aus diesem Grund sind im Entwurf der Arbeitshil-fe verschiedene Methoden empfohlen und Kriterien zur Beurteilung der Zulässigkeit von Gleitverschiebungen gegeben. Weiter wird darauf hingewiesen, dass bei Dammhöhen größer 20 m die Eigenfrequenz des Dammkörpers oft im Bereich des Plateaus des Bemessungsspektrums liegt. Deshalb kann ein Nachweis mit Verwendung der maximalen Bodenbeschleunigung, wie er nach DIN 19700 [2] zulässig ist, unter Umständen nicht zwin-gend zu konservativen Resultaten führen. Ebenso verlangt die Forderung der DIN 19700 [2] nach einer dynamischen Analyse für Erddämme ab 40 m Höhe eine zusätzliche Spezifizierung in der Nach-weisführung. Eine vereinfachte lineare Finite-Element-Analyse mit einem konstanten Schubmodul ist in der Regel ungenügend. Vielmehr gilt es, die spannungs- und dehnungsabhängige Nichtlinearität des Bodenma-terials umfänglich zu berücksichtigen. Daraus ergibt sich zwangsweise die Beurteilung der Deformationen des Dammes, da ein globaler Sicherheitsbeiwert mit einer nichtlinearen dynamischen Berechnung nicht ermittelt werden kann. Aus Sicht der Autoren sind Methoden, wie z. B. Newmark (1965) [9], welche die erdbebeninduzierten Gleitverschiebungen analysieren, u. U. gleichwertig zu nichtlinearen FE-Berechnungen. 4.3 Staumauern Bei Betonmauern ist das Vorgehen gemäß DIN 19700 [2] allgemein akzeptiert. Im Vergleich zu Erddämmen ergeben sich bei der Bewertung von Staumauern weni-ger häufig Fragen, da das Vorgehen bei der Erdbeben-analyse von Hochbauten ähnliche Methoden verlangt und auf Staumauern sinngemäß übertragen werden kann. Staumauern weisen im Allgemeinen keine Ar-mierung auf, weshalb die Prüfung der zulässigen Spannungen auf Zug, Druck und Schub ein wesentli-ches Nachweiskriterium ist. Wenngleich das Kriterium der Begrenzung der Zugspannungen in DIN 19700 [2] nicht angeführt ist, wird es in die Arbeitshilfe aufge-nommen werden. 5. Erste Erfahrungen Die Vorgehensweise zum Nachweis der Erdbeben-sicherheit wurde an mehreren Stauanlagen überprüft.

Dabei zeigte sich, dass die Vorgehensweise [4] in ihren Grundlagen praktikabel und anwendbar ist, aber zu-sätzliche Erläuterungen erfordert. Ein Problemschwerpunkt liegt bei der Analyse erdbe-beninduzierter Porenwasserüberdrücke bei locker gela-gerten Sedimentschichten, z. B. bei Hochwasserrück-haltebecken in Flussauen. Diesem Phänomen wurde bislang kaum Beachtung geschenkt. Diesbezüglich werden sowohl Erkundungsmethoden als auch Bewer-tungskriterien angegeben. Es zeigte sich, dass oft we-nige Erfahrungen in den Bereichen dynamischer Bodenkennziffern, Schwingungsberechnungen und Festigkeitsuntersuchungen vorliegen. Es ist deshalb – insbesondere bei höheren Stauanlagen – zu empfehlen, rechtzeitig Sachverständige in den Nachweis bzw. die Überprüfung des jeweiligen Projektes mit einzubezie-hen. 4.4 Risikobetrachtungen Nach DIN 19700-10 Abschnitt 11 [2] sind verbleiben-de Risiken infolge der Überschreitung des Bemes-sungserdbebens zu bewerten und durch flankierende Massnahmen zu mindern. Ein genaueres Vorgehen im Rahmen der sogenannten Restrisikobetrachtung ist nicht vorgegeben. Letztlich sind Betrachtungen mit Einschuss von Berechnungen nach DIN 19700 nicht gefordert. In mehreren Projekten in Baden-Württemberg wurden im Rahmen der Überprüfung bestehender Stauanlagen verformungsbasierte Nachweise geführt. Dabei wurden die Deformationen unter Erdbebeneinwirkungen mit Wiederholungsperioden größer des Bemessungserdbe-bens ermittelt und bewertet. Ferner ist zu berücksichtigen, dass die Erdbebenge-fährdung häufig auch eine multiple Gefährdung ist [10]. In Bergregionen können durch Erdbeben Hang-rutschungen oder Steinschläge induziert werden, die im Reservoir Flutwellen verursachen bzw. die Stauanlage direkt beschädigen können. Eine Beurteilung der um-gebenden Berghänge ist im Rahmen der Erdbeben-analyse einer Stauanlage erforderlich. Sicherheitsrelevante Nebenanlagen, wie z. B. der Grundablass und die Hochwasserentlastung, sollten nach dem Erdbeben funktionstüchtig bleiben, damit der Reservoirwasserstand kontrolliert werden kann. Si-cherheitsrelevante Nebenanlagen sollten somit auch für das Bemessungserdbeben robust dimensioniert werden. 6. Zusammenfassung und Ausblick Insgesamt lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen: Das Land Baden-Württemberg beabsichtigt die Erdbe-benbemessung von Stauanlagen gemäß DIN 19700:2004-07 [2] auf eine einheitliche Bemessungs-grundlage zu stellen. Hierzu wird eine Arbeitshilfe

geschaffen. Grundlage sind probabilistische Erdbeben-gefährdungskarten für die Bundesrepublik Deutschland für mittlere Wiederholungsperioden T der Boden-beschleunigung für T = 100, 500, 1000 und 2500 Jah-re, die am GFZ Potsdam [1] berechnet wurden. Die Arbeitshilfe soll Betreibern, Ingenieurbüros sowie Aufsichts- bzw. Genehmigungsbehörden in Baden-Württemberg eine einheitliche Vorgehensweise zum Nachweis der Erdbebensicherheit von Stauanlagen gemäß DIN 19700:2004-07 ermöglichen. Bisherige probeweise Anwendungen der Arbeitshilfe für verschiedene Stauanlagen zeigen, dass insbesonde-re bei bestehenden Stauanlagen, für die im Rahmen von Vertieften Überprüfungen erstmals Nachweise gegen Erdbeben erforderlich werden, zusätzlicher Untersuchungs- bzw. Erkundungsaufwand nicht auszu-schließen ist. Ferner ist darauf hinzuweisen, dass eine Abstimmung zwischen Betreiber, sachverständigem Ingenieur und Aufsichtsbehörde im jeweiligen Einzel-fall unerlässlich ist. Insbesondere bei Stauanlagen mit geringer Höhe, die sich auf Lockergestein gründen, sind die Anforderungen in Hinsicht auf erdbebenindu-zierte Porenwasserüberdrücke im Untergrund u. U. eingehend zu bewerten. Die Autoren regen an zu prüfen, ob die hier zugrunde-liegende seismische Gefährdungsabschätzung [1] für Stauanlagen ggf. bundesweit Anwendung finden kann. Vor dem Hintergrund, dass in verschiedenen Bundes-ländern bereits anderweitige Regelungen bzw. Vorge-hensweisen zur behandelten Problematik bestehen (vgl. z. B. [6]), sollten Anstrengungen unternommen wer-den, ein bundesweit gültiges Regelwerk zu schaffen, um die Erdbebenbemessung von Stauanlagen national zu vereinheitlichen. Literaturverzeichnis [1] Grünthal, G., Bosse, D., Stromeyer, D.: Die neue

Generation der probabilistischen seismischen Ge-fährdungseinschätzung der Bundesrepublik Deutschland. Version 2007 mit Anwendung für die Erdbeben-Lastfälle der DIN 19700:2004-07 "Stau-anlagen". Scientific Technical Report STR 09/07, Deutsches GeoForschungsZentrum, Potsdam (2009).

[2] DIN 19700: Stauanlagen – Teil 10: Gemeinsame

Festlegungen, Teil 11: Talsperren, Teil 12: Hoch-wasserrückhaltebecken. Deutsches Institut für Nor-mung e. V., Beuth Verlag, (2004).

[3] DIN EN 1998-1 NA (2011) Nationaler Anhang -

Eurocode 8: Auslegung von Bauwerken gegen Erd-beben - Teil 1: Grundlagen, Erdbebeneinwirkungen und Regeln für Hochbauten.

[4] Studer, J.A., Weber T.M., Bieberstein, A.: Arbeits-

hilfe zum Nachweis der Erdbebensicherheit von

Talsperren und Hochwasserrückhaltebecken in Ba-den-Württemberg. Entwurfsfassung, (2011).

[5] BWG: Sicherheit der Stauanlagen, Basisdokument

zu dem Nachweis der Erdbebensicherheit. Berichte des BWG, Serie Wasser. Bundesamt für Wasser und Geologie der Schweiz (Bundesamt für Ener-gie), (2003).

[6] NRW: Berücksichtigung von Erdbebenbelastungen

nach DIN 19700 in Nordrhein-Westfalen. Merk-blatt 58, Landesumweltamt Nordrhein-Westfalen, (2006).

[7] LUBW: Arbeitshilfe zur DIN 19700 für Hochwas-

serrückhaltebecken, Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg, (2007).

[8] ICOLD Bulletin 148 (2012): Selecting seismic

parameters for large dams (revision of Bulletin 72). International Commission on Large Dams.

[9] Newmark, N.M.: Effects of earthquakes on dams

and embankments, Géotechnique 15 (1965), Heft 2, S. 139-160.

[10] Wieland, M. (2013): Seismic design of major

components. International Water Power & Dam Construction.