Verhalten von Mauerwerksbauten unter Erdbebeneinwirkung: Auswertung der Schäden des Albstadt-Erdbebens vom 3. September 1978

126 © Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin · Mauerwerk 14 (2010), Heft 3

Numerische Untersuchungen zum Verhalten von Mauerwerks-bauten unter Erdbebeneinwirkung führen oft zu pessimistischenSchadensprognosen, welche im Gegensatz zu den Beobachtun-gen stehen. Um diesen Widerspruch aufzulösen, werden erfah-rungsbasierte Verletzbarkeitsfunktionen für typische Mauer-werksgebäude auf der Grundlage der durch das Erdbeben vom3. September 1978 bei Albstadt (mit einer Lokalmagnitude ML von5,7 und Epizentralintensität I0 = VII–VIII) verursachten Schädenentwickelt. Anhand des Bauwerksbestandes von 1978 erfolgt dieEinordnung der beobachteten Schäden in Schadensgrade aufBasis der European Macroseismic Scale EMS-98 [1]. Die für denBauwerksbestand repräsentativen Bauweisen werden heraus -gearbeitet; für die vorherrschenden Gebäude aus unbewehrtemMauerwerk ist eine weitere Unterscheidung nach Baualter, Ge-schosszahl und phänomenologischen Gesichtspunkten möglich.

Vulnerability of masonry structures under seismic action: Damageanalysis of the September 3, 1978 Albstadt earthquake. Numeri-cal studies of the earthquake behavior of masonry buildings inCentral Europe based on national building codes acc. to the Euro-code 8 lead to pessimistic damage prognoses, which are in con -tradiction to the observed behavior. In order to eliminate this dis -crepancy realistic experience-based vulnerability and displace-ment functions for typical masonry constructions are developed.Because of the rather limited number of earthquake damage ob-servations, the Magnitude ML 5.7 Albstadt earthquake from Sep-tember 3, 1978 (intensity VII–VIII) in South Germany also basedon its excellent documentation is reconstructed with the buildingstock existing at that time. The prevailing building types and forthese the characteristic damage cases are investigated in closecooperation with the local authorities. The presented unreinforcedmasonry structures are divided by year of construction, numberof storeys and phenomenological aspects.

1 Normung und Schadensdaten

Die Annäherung an die Verletzbarkeit von Bauwerken kannmit unterschiedlichen Methoden und Hilfsmitteln erfol-gen. Lange Zeit boten – sicher auch bedingt durch dasFehlen der rechentechnischen Voraussetzungen – Erfah-rungswerte die maßgebliche Orientierung zur Bewertungund Gewährleistung der Erdbebensicherheit. Die Situationhat sich dadurch geändert, dass rechnerische Untersuchun-gen zum Erdbebenverhalten von Mauerwerksgebäuden ba-sierend auf den nach Eurocode 8 ausgerichteten Erdbe-ben- und Tragwerksnormen in Mitteleuropa durchgeführt

werden und pessimistischen Schadensprognosen im Wider-spruch zum beobachteten Verhalten vergleichbarer Bau-ten bei stärkeren Erdbeben im Ausland stehen. Nachweiseversagen demzufolge unter Bemessungsgrößen, die gegen -über den Spitzenbodenbeschleunigungen bereits abgemin-derte Einwirkungsvorgaben darstellen.

Der Widerspruch zwischen den immer weiter steigen-den Einwirkungsparametern, den Ergebnissen von Berech-nungen und dem tatsächlichen (beobachteten) Bauwerks-verhalten konnte auch durch experimentelle Untersuchun-gen bis dato nur begrenzt gelöst bzw. in Ansätzen plausibelbeantwortet werden. Inwieweit die an Wandelementen ge-wonnenen Versuchsergebnisse das nichtlineare räumlicheVerhalten zu beschreiben vermögen, darf als offen gelten.

Erschwerend kommt hinzu, dass sich die Vielfalt derBestandsgebäude einer Typisierung entziehen, der auf ex-perimentellem Wege entsprochen werden könnte. Es be-darf alternativer Untersuchungen, um das Verhalten vonMauerwerksbauten wirklichkeitsnah beschreiben zu kön-nen. Dazu gehören experimentelle Untersuchungen imGroßmaßstab, d. h. die Auswertung von Erdbebenschädenund demzufolge eine erfahrungsgestützte Bewertung derErdbebenwiderstandsfähigkeit. Dieser Ansatz wird auchdadurch möglich, weil auch neue Generationen von Bau -normen für Länder, die wie Deutschland starken Erdbe-ben sehr selten ausgesetzt sind, eine einfache „Hierarchie“der Nachweisführung ermöglichen. Die Einhaltung ein -facher Bauregeln, die Gewährleistung konstruktiver Min-deststandards hat Vorrang vor aufwendigen Berechnun-gen. Man kann sich jedoch des Eindrucks nicht erwehren,dass es in der Vergangenheit versäumt wurde, diesen aufaufwandsseitig (und im Ergebnis) klugen Ansatz durch dieAuswertung des beobachteten Gebäudeverhaltens auf eineFaktengrundlage zu stellen, und die konstruktiven Mindest-anforderungen für „Einfache Mauerwerksbauten“ bauprak-tisch nutzbar zu machen.

Obwohl seit mehreren Jahren Technische Baubestim-mungen zur Auslegung von allgemeinen Hochbauten indeutschen Erdbebengebieten vorliegen, muss als unbekanntgelten, inwieweit ihre Anwendung erfolgte bzw. diese zueiner Erhöhung der Erdbebentauglichkeit beigetragen ha-ben. Durch das Ausbleiben schwerer Beben wurde bislangkein nach DIN 4149 [2] ausgelegtes Gebäude einer Be-währungsprobe unterzogen. Es fehlte bis dato der Maß-stab, um analytische und ebenso experimentelle Simula-tionen kalibrieren zu können.

Verhalten von Mauerwerksbauten unter Erdbeben -einwirkung: Auswertung der Schäden des Albstadt-Erdbebens vom 3. September 1978

Jochen SchwarzSilke Beinersdorf Tobias Langhammer Mathias Leipold

Fachthemen

DOI: 10.1002/dama.201000467

127Mauerwerk 14 (2010), Heft 3

J. Schwarz/S. Beinersdorf/T. Langhammer/M. Leipold · Verhalten von Mauerwerksbauten unter Erdbebeneinwirkung: Auswertung der Schäden des Albstadt-Erdbebens

Eine Extrapolation historischer Erdbeben ist nur miterheblichen Einschränkungen möglich, da die Gebäude-merkmale aufgrund generationstypischer Veränderungennicht mehr eindeutig reinterpretiert und Erfahrungswerteaufgrund der aktuellen Bebauung nicht in Szenarien künf-tiger Ereignisse projiziert werden können. Qualitative Ver-änderungen der Bausubstanz sind bei den Mauerwerks -gebäuden über die Steinsorten (Übergang von Natursteinzu Voll- und Hohlziegeln) und zunehmende Auflösungkompakter Grundrisse besonders auffällig.

Die Verletzbarkeit des Gebäudebestandes in deutschenErdbebengebieten ist bis dato nicht systematisch unter-sucht worden. Als erster Schritt in diese Richtung darf dievom Zentrum für die Ingenieuranalyse von Erdbebenschä-den (EDAC) für die Bundesrepublik durchgeführte geo-statistische Erhebung zur „Betroffenheit“ betrachtet wer-den. Erstmals werden zahlenkonkret neben den durch dieeinzelnen Zonen überdeckten Flächen auch die in deneinzelnen Zonen betroffene Bevölkerung und Bebauung,gestaffelt nach den Bundesländern, ermittelt [3].

Mittels Geographischer Informationssysteme (GIS)und durch den Vergleich der Zonenzuordnung (neu – alt)lässt sich auch nachvollziehen, wie sich die baulichen An-forderungen in den einzelnen Gebieten (Verwaltungsein-heiten) verändert haben. Der Grad der Veränderung derZonenkarte ist insbesondere in den Fällen von Bedeutung,wo vormals von baulicher Seite keine Erdbebenvorkehrun-gen zu treffen waren. Untersuchungen ergaben, dass etwa13 % aller Gebäude in Baden-Württemberg (BW), ca. 11 %in Nordrhein-Westfalen (NRW) neu in eine Erdbebenzonefallen; ca. 57 % (BW) bzw. 28 % (NRW) sind mit Nach-weisanforderungen konfrontiert. Erdbebensicheres Bauenist demzufolge erforderlich. Gleichzeitig stellt sich die Fragenach der Verhältnismäßigkeit der Nachweisforderungen amMaßstab der durch die aktuelle Norm fixierten Ziele, dassBauwerke dem Bemessungserdbeben widerstehen und nachdiesem Ereignis eine ausreichende Resttragfähigkeit besit-zen sollen. Die Kopplung von analytischen und erfahrungs-gestützten Bewertungsmethoden bietet den Ansatz, um dieDiskrepanz zwischen Modell und Beobachtung in einer fürdie Bauwerksnormung geeigneten Form lösen bzw. quan-tifizieren zu können. Dabei sind folgende Fragestellungenzu klären: (1) Wie gelingt es, die erfahrungs- und verhaltensgestütz-

ten Konzepte durch eine belastbare und verallgemei-nerungsfähige Datenbasis zu untersetzen?

(2) Wie können einfache konstruktive Kenngrößen mitNachweistauglichkeit anhand der Erfahrungswertenormentauglich aufbereitet werden; welche weiterenKenngrößen zeigen einen signifikanten Zusammen-hang mit dem Erdbebenschaden und können somitals Bewertungsmaßstab (Schadensindikator) eingeführtwerden?

(3) Wie vertrauenswürdig und leistungsfähig sind die Re-chenhilfsmittel, um für Nachweisaufgaben zugelassenwerden zu können? Inwieweit wird durch die Ergeb-nisse und unter konkreten Einwirkungsvorgaben dasreale Verhalten von Mauerwerksgebäuden abgebildet?

Auswertungen in [11] und [13] stellen sich diesen Fragen;sie werden hier zusammengeführt und durch aktuelle Er-gebnisse im Auswerteumfang ergänzt. Gleichzeitig wird an-

gedeutet, mit welchen Untersuchungslinien normentaug -liche Antworten abgeleitet und begründet werden können.

2 Bedeutung des Albstadt-Erdbebens vom 3. September 1978

Eine realistische und differenzierte Bewertung der Verletz-barkeit bestehender Gebäude erfordert eine ausreichendeDatengrundlage und den Abgleich mit dem beobachtetenBauwerksverhalten. Sie stößt objektiv auf Grenzen, wennSchadensdaten nicht oder nur für geringe Erdbebenstär-ken vorliegen und historische Schadensereignisse zeitlichzu weit zurückreichen. In Mitteleuropa sind nur wenigeSchadensdaten vorhanden, die sich für die Beurteilungder heutigen Bausubstanz eignen.

Durch die Bezugnahme auf die Schadensdaten undBauwerksgrundrisse in Erdbebengebieten der SchwäbischenAlb wird ein solcher Bewertungs- und Skalierungsmaßstabquasi als „1 : 1-Versuch“ für eine ganze Stadt (mit ca. 2200Mauerwerksgebäuden, davon 930 in fachwerkartiger Misch-bauweise) bereitgestellt [4], [5].

Das Erdbeben vom 3. September 1978 ist das stärksteBeben, das die Bundesrepublik Deutschland in den letz-ten 50 Jahren betroffen hat. Aufgrund des zurückliegen-den Zeitfensters ist eine für deutsche Erdbebengebiete ein -malige Repräsentativität der Bestandsbauten gewährleistet.Die Bedeutung, die diesem Ereignis beizumessen ist, lässtsich daran festmachen, dass nach dem Beben in 1981 dieDIN 4149 [6] Hochbauten in deutschen Erdbebengebie-ten eingeführt wurde. Aufgrund der Intensität des Bebens(I = VII–VIII) kann das Ereignis als repräsentativ für dieZone 3 betrachtet werden. Die Ergebnisse stehen somitnormenseitig für die ungünstigsten Einwirkungsbedingun-gen, so dass sich grundlegende Schlussfolgerungen überdie Auslegungs- bzw. Nachweisanforderungen für unbe-wehrte Mauerwerkgebäude in den Zonen 2 und 1 ableitenlassen.

Die Analysen des Erdbebens vom 3. September 1978konzentrierten sich bis dato auf die Rekonstruktion derSchadenssituation und Nachrechnung von Schadensfällen(vgl. [4], [5], [7]). Die 2003 initiierten Auswertungen imHauptschadensgebiet Albstadt-Tailfingen beinhalten nebenden Schadensfällen („Negativbeispiele“) auch die in derZahl überwiegenden „Positivbeispiele“, d. h., die vom Erd-beben unbeeinträchtigten Objekte sind bekannt. Ihrer Un-tersuchung dürfte ein gleichrangiger bzw. größerer Stel-lenwert zuzuweisen sein.

3 Empirische Bewertung der Verletzbarkeit3.1 Bestandsanalyse

Mit der Zielstellung einer bestandsgenauen (mikroskaligen)Schadenskartierung wurde im Stadtgebiet Albstadt-Tail-fingen eine detaillierte Bauwerksaufnahme durchgeführtund Baupläne sowie andere Bestandsdaten recherchiert.Insgesamt konnten anhand der Archivdaten und Schadens-protokolle in der Gemeinde Albstadt 1300 Schadensfälle(s. Bild 1) rekonstruiert werden [7]. Die Arbeiten wurdenvom Bauamt in Albstadt sowie der Landesstelle für Bau-technik in Stuttgart unterstützt.

Im Ergebnis der mehrjährigen Bestandserhebungenliegt der gesamte Bauwerksbestand von 1978 katalogisiertund typisiert vor. Die nach dem Beben gemeldeten Schä-

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den werden in Schadensgrade anhand der European Ma -croseismic Scale EMS-98 überführt und liegen somit ineiner einheitlichen Bewertung vor (vgl. [7]).

Tabelle 1 gibt die Beschreibung und Beispiele der be-obachteten Schadensgrade D1 bis D4 (nur in einigen we-nigen Fällen aufgetreten). In den vorherrschenden Scha-densgraden D2 und D3 dominieren diagonale Risse zwi-schen den Öffnungen sowie Versagen senkrecht zur Ebenevon nicht rückverankerten Giebelwänden. Zur Sicherunggeschädigter Außenwände wurden zumeist Holzabsprie -ßungen verwendet (als D3 bis D4 klassifiziert). Aufgrundder geringen Herdtiefe konzentrierten sich die schwerenSchäden mit Schadensgrad D3 bis D4 auf eine sehr schmaleZone von wenigen Kilometern Länge [8], welche haupt -sächlich der Projektion der Herdlinie auf die Oberflächeentspricht (s. Bild 1).

3.2 Typisierung der Bauwerke und Einordnung in Verletzbarkeitsklassen nach EMS-98

Wie in vielen anderen deutschen Städten dominieren auchin Albstadt Mauerwerksgebäude in Kombination mit Fach-werk. Trotz einer großen Bandbreite überwiegen Mauer-werksgebäude aus den Jahren 1920 bis 1930. Diese wur-den zumeist in Ziegel bzw. Bimsstein (vulkanischen Ur-sprungs, aus lokalen Steinbrüchen) in Kombination mitMörtel eher geringer Qualität ausgeführt. In diesen Häu-sern fanden im Allgemeinen Holzbalkendecken Anwen-dung (vgl. [4], [5]).

Bild 1. Beobachtete Schäden (Definition der Farben s. Ta-belle 1) und Sonderschäden (im Bild hellgrün gekennzeich-net) in Albstadt Tailfingen und Projektion der Herdlinie desAlbstadt-Erdbebens vom 3. September 1978 auf die Erdober-fläche nach [4], [5]Fig. 1. Observed damages (Definition of colours see Table 1)and exeptional damages (market light green in the picture) inAlbstadt-Tailfingen and projection of rupture line to the sur-face of the Albstadt-earthquake September 3, 1978, cf. [4], [5]

Tabelle 1. Definition der Schadensgrade nach EMS-98 und Beispiele der durch das Albstadt-Erdbeben 1978 geschädigtenMauerwerksgebäude nach [7]; s. a. Bild 1Table 1. Definition of damage grades acc. to EMS-98 and examples of damaged masonry buildings after the Albstadt-earth-quake 1978 cf. [7]; see Figure 1

Di Schaden (allgemein) – Merkmale Schema BeispielStrukturell Nicht strukturell

D0 Ungeschädigt

D1 Vernachlässigbar bis gering

Kein struktureller Schaden Geringer nichtstruktureller Schaden: Haarrisse in wenigen Wänden,

kleine Putzablösungen; vereinzelt Herabfallen von losen Ziegeln von

oberen Gebäudebereichen

D2 Moderat

Geringer struktureller Schaden: Moderater nichtstruktureller Schaden:Risse in vielen Wänden größere Putzablösungen,

Teileinstürze von Schornsteinen

D3 Stark bis schwer

Moderater struktureller Schaden: Schwerer nichtstruktureller Schaden: Große, ausgedehnte Risse in Verrutschen von Dachziegeln,

den meisten Wänden Schornsteinversagen in der Dachebene; Kollaps nichttragender Bauteile

D4 Sehr schwer

Schwerer struktureller Schaden: Sehr schwerer nichtstruktureller Versagen tragender Wände Schaden

Teilweise Versagen von Dacheindeckung und Decken

D5 Zerstörung Nicht beobachtet

Sehr schwerer struktureller Schaden: Kompletter bzw.

nahezu kompletter Einsturz



Die in Albstadt-Tailfingen aufgenommen Mauerwerks-bauten teilen sich in verschiedene Typen, wobei die Ty -pen 1-2 und 2-1 noch hinsichtlich Etagenanzahl n und Bau-jahr unterteilt werden (Tabelle 2):– Typ 1-1: Unbewehrtes Ziegelmauerwerk– Typen 1-2 A/B/*: Unbewehrtes Mauerwerk mit Holz-

balkendecken (Typ 1-2*: andere; hier nicht dargestellt;siehe [11])

– Typ 1-3: Mischbauweise aus unbewehrtem Mauerwerkmit Fachwerk

– Typen 2-1 A/B/*: Unbewehrtes Mauerwerk mit Stahl-betondecken (Typ 2-1* andere; hier nicht dargestellt;siehe [11])

– Typ 2-2: Unbewehrtes Mauerwerk mit Stahlbetonrah-menelementen.

Zum Zeitpunkt des Erdbebens 1978 und auch heute do-minieren diese Typen im Gebäudebestand.

3.3 Empirische Verletzbarkeitsfunktionen

Empirische Verletzbarkeitsfunktionen geben im höchstenGrad der Aufbereitung die Verteilung der Schadensgradefür konkrete Bauweisen unter bestimmten Einwirkungs -intensitäten; im höchsten Grad der Verallgemeinerung ge-

ben sie die Schadensverteilung in Abhängigkeit von derVerletzbarkeitsklasse. Die Unterschiedlichkeit der Scha-densverteilung einer Bauweise ist Ausdruck der vorhande-nen Streubreite seiner Repräsentanten, die eben einen un-terschiedlichen Grad der Erdbebentauglichkeit bzw. -wi-derstandsfähigkeit besitzen. Es gehört zu den Qualitäts-merkmalen der European Macroseismic Scale EMS-98 [1],dass diese Streubreite durch Wahrscheinlichkeitsbereicheder für den Bauwerkstyp maßgeblichen Verletzbarkeits-klassen als charakteristische empirische Kenngröße ein-geführt wird. Verletzbarkeitsklassen werden in Tabelle 2(von den Symbolen der der EMS-98 abweichend) wie folgtgekennzeichnet: höchstwahrscheinlich (most likely) „B“,wahrscheinlich (probable), hier z. B. (BC) oder (AB), oderAusnahmefälle (exceptional), hier (BC) oder (CD).

Im Zuge der Gebäudeaufnahme wurde jedem Ge-bäude im Aufnahmegebiet eine Verletzbarkeitsklasse (VC)zugeordnet:– Die Verletzbarkeitsklasse B ist charakteristisch für die

Typen 1-2 A (Geschosszahl n = 2, Baujahr 1920 bis 1939,179 Datensätze DS) und 1-2 B (n = 3, 1920 bis 1930,18 DS).

– Die Verletzbarkeitsklasse C ist charakteristisch für dieTypen 2-1 A (n = 2, 1949 bis 1965, 389 DS) und 2-1 B (n = 3, 1955 bis 1965, 65 DS; DS-Datensatz).

Tabelle 2. Repräsentative Verletzbarkeitsklassen VC nach EMS-98 [1] für die typisierten Mauerwerksgebäude in Albstadtnach [5]Table 2. Representative vulnerability classes (VC) according to the principles of EMS-98 [1] for masonry type structures inAlbstadt [5]

Typ Beispiel Anzahl der VCDatensätze

Unbewehrtes Mauerwerk allgemein(Holzbalkendecken) (A) B (C)

1-2 A 179 (AB) B (BC)

1-2 B 18 (AB) B (BC)

Unbewehrtes Mauerwerk allgemeinmit Stahlbetondecken (B) C (D)

2-1 A 393 (BC) C (CD)

2-1 B 65 (BC) C (CD)



Die beobachteten Schadensgrade können nun zu einerempirischen Verletzbarkeitsfunktion zusammengefasst wer-den, die nicht nur die maximalen Schadensgrade (D2, D3),sondern auch die Schadensgrade D0 („ungeschädigt“) undD1 ausweist. In Bild 2 werden die Verletzbarkeitsfunktio-nen für die vier hier modellhaft herausgearbeiteten Mauer-werkstypen aufbereitet. Die leicht erhöhte Anzahl vonSchadensgraden D2 und D3 bei den Typen 1-2 A/B be-stätigt die höhere Verletzbarkeit im Vergleich zu den Ty-pen 2-1 A/B.

Als weitere Kenngröße der empirischen Verletzbar-keitsbewertung kann der mittlere Schadensgrad Dm (auchbezeichnet als Mean Damage Grade MDG) für den Ge-samtbestand eines Bauwerkstyps angegeben werden. Wiebereits die Verletzbarkeitsfunktionen in Bild 2 zeigen, lie-gen die Werte im Bereich von Dm = 1,2 (Typ 1-2 A/B) bisDm = 0,8 (Typ 2-1 A/B).

Mit der Verletzbarkeitsklasse verbindet sich nach derEMS-98 eine bestimmte Schadenserwartung für schadens-verursachende Intensitäten. Insofern wäre die endgültigeZuordnung abhängig von den tatsächlich beim Beben auf-getretenen Schütterwirkungen, die in einschlägigen Kata-logen einheitlich mit der Intensität I =VII–VIII (7,5) klas-sifiziert werden. Am Maßstab der beobachteten Schadens-grade wäre eine optimistischere Bewertung, z. B. VC (BC)statt VC B bzw. VC (CD) statt C, begründbar.

3.4 Einfluss der Untergrundbedingungen

Die lokale Verteilung der Schäden sowie der Anteil an ge-schädigten Gebäuden und die maximal beobachtetenSchadensgrade der Gebäudetypen weisen nicht nur aufdie jeweilige Verletzbarkeitsklasse, sondern auch auf stand-ortspezifische Verstärkungseffekte hin. Dieser Nachweis ge-lingt, nachdem auf Basis von Messungen der natürlichenseismischen Bodenunruhe und Anwendung der spektralenH/V-Methode die Unterbedingungen flächendeckend nachden von Geologie und Baugrund abhängigen Untergrund-klassen der DIN 4149:2005 eingeteilt werden können (vgl.[12]).

In Albstadt-Tailfingen vorherrschend ist die Unter-grundklasse R; zur Mitte des Tales hin und somit zum

Flussverlauf der Schmiecha nimmt die Mächtigkeit der Se-dimente zu. Es erfolgt der Übergang zu den geologischenKlassen T und S, die in Kombination mit Bodenklassen Bund C im Bereich des Hangfußes und hangaufwärts anzu-treffen sind [12]. Bild 3 zeigt den Zusammenhang von Un-tergrundklasse nach DIN 4149:2005 für die zugehörigeSchadensverteilung des Bestandes für den Typ 1-2 A. Esist deutlich zu erkennen, dass höhere Schadensgrade mitUntergrundklassen (B-R), (C-R) korrelieren, die höhereVerstärkungspotentiale zu generieren vermögen. Die Aus-wertung bestätigt, dass insbesondere die maximal beob-achteten Schadensgrade teilweise auf die Überlagerungder erhöhten Verletzbarkeit mit ungünstigen Standort -bedingungen zurückzuführen sind.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass bei die-sem Referenzereignis für die höchste Zone der DIN 4149auch die am stärksten geschädigten Gebäude nachweislichdas allgemeine Schutzziel (kein Kollaps, keine Gefahr fürMenschen) erfüllt haben. Inwieweit hier die in 1971 ein -geführte vorläufige Richtlinie für das Bauen in Erdbeben-

Bild 3. Einfluss der Bodenklasse (BKL) und Untergrund-klasse (UKL) auf die beobachtete Schadensverteilung amBeispiel der Mauerwerksgebäude des Typs 1-2 AFig. 3. Impact of local subsoil and geology conditions onthe distribution of observed damage grades for the Masonrybuildings of Type 1-2 A

Bild 2. Empirische Verletzbarkeitsfunktionen: Verteilung der EMS-Schadensgrade der Bauwerkstypen nach Tabelle 2; hiervervollständigt um den Anteil „ungeschädigter“ GebäudeFig. 2. Empirical vulnerability functions: Distribution of individual EMS damage grades for masonry type structures givenby Table 2; completed by the percentage of undamaged buildings



gebieten des Landes Baden-Württemberg hier einen Beitraggeleistet hat, muss offen bleiben. Dennoch gilt als Fazit,dass Gebäude ohne Erdbebenvorkehrungen ein „Zone 3-Ereignis“ in der Mehrzahl schadensfrei wider- bzw. über-standen haben. Es ist naheliegend zu prüfen, welche Er-gebnisse sich aus analytischen Schadensprognosen ablei-ten lassen. Dabei geht es weniger um den Einzelnachweisals vielmehr um die Übertragung jeweils einer Methodik(bzw. eines Programms) auf einen größeren Gebäudebe-stand.

4 Analytische Bewertung der Verletzbarkeit (Schadensprognose für unbewehrte Mauerwerksbauten)

4.1 Datenbasis und Hilfsmittel

Für die Nachrechnung werden für die in [4], [5] heraus -gearbeiteten Mauerwerkstypen repräsentative Gebäudeausgewählt, vorzugsweise zunächst solche, für die eine genaue Schadensdokumentation erhoben werden konnte(vgl. Bild 4). Für diese Bestandsgebäude werden die imGrundriss und Aufriss maßgeblichen Geometrie- und Kon-struktionsmerkmale anhand der Archivdaten aufbereitetbzw. digitalisiert und als Eingabedateien für die semi-em-pirische und analytische Untersuchung mit dem BLM-Tool[9] vorbereitet.

Das im Zusammenhang mit der Bewertung von Wohn-und Schulgebäuden in Zentralasien entwickelte BLM-Toolermöglicht eine Bewertung der Erdbebenwiderstandsfähig-keit von Lehm- und Mauerwerksgebäuden in den drei Datenebenen von Konstruktiver Durchbildung (Ebene 1);Mehrbelastung in den torsionsbeanspruchten Bereichen(Ebene 2) und Kapazitätsanalyse (Ebene 3). In Ebene 3wird über die statisch-nichtlineare „Pushover“-Analyse dieKapazitätskurve des Bauwerkes in beiden Tragrichtungengetrennt ermittelt. Der Vorteil des Tools besteht darin, dassdie Ergebnisse der drei Untersuchungsebenen (semi-empi-risch) zu einer Gesamtbewertung zusammengeführt wer-den, die die wahrscheinlichen Schadensbereiche in ihrerunterschiedlichen Schädigung kennzeichnet (vgl. Bild 5).

Kritische Bereiche im Bauwerk können somit für einevorgegebene Bodenbewegung frühzeitig identifiziert unddurch Schadensmuster ergänzt werden. Eine ausführlicheBeschreibung ist [7] bzw. [9] zu entnehmen.

4.2 Bodenbewegung während des Albstadt-Erdbebens

Der Interpretation der analytischen Ergebnisse sind Gren-zen durch die Unschärfe auf der Einwirkungsseite gesetzt.

In der Regel fehlen Messungen im Bereich der größtenSchütterwirkungen und Gebäudeschäden. Damit fehlenauch belastbare Daten, um über genaue Gebäudenach-rechnungen das Modellergebnis an der Wirklichkeit spie-geln zu können. Dies gilt auch für das Albstadt-Beben von1978. In [13] wird ein Versuch zur Annäherung an dieStärke des Erdbebens und die zugehörigen Bodenbewe-gungen unternommen. Dabei wird unterstellt, dass die In-tensität des Erdbebens mit den instrumentellen Magnitu-denbestimmungen (MW = 5,1) plausibel korreliert. UnterVorgabe eines Magnitudenbereichs von MW = 5,1 ± 0,2und von Entfernungen kleiner 10 bis 20 km wird nachÜberprüfung der in der Europäischen Strong-Motion-Bi-bliothek [10] enthaltenen herdnahen Beschleunigungsauf-zeichnungen ein Erwartungsbereich der Felsbeschleuni-gungen von agR = 1,0 bis 2,0 m/s2 festgelegt. Die im Unter-suchungsgebiet aufgetretenen Bodenbeschleunigungendürften mit großer Wahrscheinlichkeit größer gewesensein als die durch die DIN 4149 für Zone 3 ausgewieseneBemessungsbeschleunigung (agR = 0,8 m/s2).

Da die analytischen Untersuchungen ausschließlichmit der Pushover-Analyse (POA) verbunden sind, und sichsomit der Schädigungszustand aus einem Schnittpunkt derEinwirkung auf der (von den Bauwerksmerkmalen abhän-gigen) Kapazitätskurve ableiten lässt (Bild 6), steht und

Bild 5. Vergleich des beobachteten Schadensbildes mit der(erfahrungs- und verhaltensbasierten) Schadensprognosemittels BLM-Tool [9] für das Bestandgebäude aus Bild 4Fig. 5. Comparison of the observed damage with the deter-mined one by BLM [9] for the masonry Type 2-1A in Fig. 4

Bild 4. Rekonstruktion der Rissmuster eines Bestandsgebäudes vom Typ 1-2 AFig. 4. Damage pattern and cracks for a masonry building of Type 1-2 A



fällt die Prognose mit der Spektrumform. Mit dem Kon-zept der geologie- und untergrundabhängigen Spektrenwird in DIN 4149:2005 für deutsche Erdbebengebiete einsehr leistungsfähiges Instrumentarium zur Verfügung ge-stellt, das mit den eine mit den 6 Untergrundklassen diffe-renzierte Beschreibung der Standortbedingungen in Alb -stadt ermöglicht (vgl. [11]).

4.3 Analytische Verletzbarkeitsfunktionen

Die gewählte Vorgehensweise zur Entwicklung der analy-tischen Verletzbarkeitsfunktionen wird am Beispiel vonBild 6 erläutert. Es wird auf Ergebnisse der Kapazitätsana-lyse (Ebene 3) Bezug genommen. Die verschiebungsbasier-ten Kapazitätskurven werden in Spektralverschiebungs-Spektralbeschleunigungsspektren überführt, deren Kurven -verlauf definitionsgemäß die Bereiche der berechnetenEMS-Schadensgrade (vgl. Tabelle 1) abgrenzt (s. a. [13],[14]). Die beiden Haupttragrichtungen werden getrennt be-trachtet. Es gibt demzufolge zwei Kurven, die auch denGrad der unterschiedlichen Verletzbarkeit bzw. den Gradder Regelmäßigkeit veranschaulichen (Bild 6 links, unten).Die Streubreite für jeden Schadensgrad (Horizontallinie)erklärt sich durch die separate Betrachtung der aussteifen-den Wände in Längs- und Querrichtung; der Mittelwertwird durch das Symbol der Untergrundklasse gekennzeich-net. Je größer der horizontale Streifen, desto unterschiedli-cher sind die Eigenschaften in den beiden Tragrichtungen.Desto unsicherer sind auch die Prognosen, wenn die Trag -richtungen getrennt betrachtet werden. Maßgeblich sind

die Beschleunigungen, die bezogen auf die beiden Trag -richtungen den Schadensgrad initiieren können (Bild 6rechts, unten). Durch Angaben zu den für bestimmteSchadensgrade verantwortlichen Beschleunigungen, diffe-renziert nach den mit DIN 4149:2005 konformen Spek-tren, können die einwirkungsabhängigen Prognosen ge-genübergestellt werden, wobei neben dem Bereich auchein mittlere Beschleunigung für den Schadengrad angebenwird (Bild 6 rechts, oben).

Da im Ergebnis der instrumentellen Standortanaly-sen (u. a. [12]) jedem Gebäude eine charakteristische Un-tergrundklasse zugeordnet werden kann (im Beispiel vonBild 6: Untergrundklasse B-T), gelingt eine bauwerks- undstandortkonkrete Schadensprognose. Im Rahmen der Un-tersuchungen wird für jedes der (aktuell 40) aufbereitetenBestandsgebäude die Schädigung unter allen durch DIN4149:2005 differenzierten Untergrundklassen ermittelt.

Zur Einordnung und Bewertung der analytischen Ver-letzbarkeitskurve bedarf es des beobachteten Schadens imVergleich zur unterstellten Bodenbewegung. Zwei Beispielewerden in den Bildern 7 und 8 gegeben. Die Kurve dermaßgeblichen Untergrundklasse ist farblich (blaue Linie)hervorgehoben. Der vertikale Streifen gibt den zuvor dis-kutierten Erwartungswert der Bodenbeschleunigung (1,0bis 2,0 m/s2); der horizontale Streifen steht für den tat -sächlich aufgetreten Schadensgrad. Im Idealfall sollte sichdas Ergebnis der Analyse im Schnittpunkt beider Streifen,d. h. von Einwirkungs- und Reaktionsseite, einstellen.

Wie die durchgeführten Untersuchungen zeigen, tre-ten verschiedene Situationen auf, die in [13] eingehender

Bild 6. Gewählte Vorgehensweise zur Ermittlung der analytischen, untergrundbezogenen VerletzbarkeitsfunktionenFig. 6. Developed procedure to assign subsoil-related analytical vulnerability functions (accelerations for the characteristicsubsoil class to generate EMS damage grades)



erläutert werden. Im Idealfall stimmt der Erwartungswertder einwirkungsabhängigen Schädigung mit der real auf-getretenen überein. Bild 7 gibt ein Beispiel, in dem dieAnalyse in einer im Hinblick auf das Bauwerksverhaltenoptimistischen Form von der Beobachtung abweicht, d. h.,der beobachtete Schadensgrad wird rechnerisch erst beigrößeren Beschleunigungen erreicht.

Bild 8 steht für ein Beispiel, bei dem die Analyse in einer im Hinblick auf das Bauwerksverhalten pessimisti-schen Form abweicht, d. h., das Modell liefert am Maßstabder Beobachtung zu ungünstige Ergebnisse. (Es wäre eineAnpassung erforderlich, die dem Gedanken des „Gebäude-faktors“ nahe käme [13]). Als extrem ist der Fall zu betrach-ten, wenn kein oder nur ein geringer (in der Regel nicht-struktureller) Schaden beobachtet wurde und die Analyseselbst bei geringer Bodenbewegung Schäden prognosti-ziert.

In den Bildern 6 und 7 stehen die Beschleunigungenfür den Spitzenwert der Felsbeschleunigung (agR); in denVerletzbarkeitskurven sind die für Untergrundklasse ste-henden Spektren impliziert. (Die Bodenbeschleunigungen(agS) folgen aus der Erhöhung um den Bodenfaktor.)

5 Vergleich zwischen Analyse und Beobachtung5.1 Schadensgrade

Wie die Fallunterscheidung bereits vermuten lässt, führendie Untersuchungen bei strikter Einhaltung der vereinbar-ten Modellierungsgrundsätze ohne spezifische Anpassungan die Bauwerksgegebenheiten (dazu zählt auch die Ver-nachlässigung von Wänden, die eine Wandmindestdickeunterschreiten) zu Ergebnissen, die sich zunächst einerGeneralisierung entziehen.

In Bild 9 wird der Versuch einer vergleichenden Dar-stellung von 40 Mauerwerksgebäuden unternommen. Dertatsächlich aufgetretene Schadensgrad wird zunächst nachder Bauweise angegeben (Typen 1 und 2 nach Tabelle 2).

Für unterschiedliche Bodenbeschleunigungen wird derSchadensgrad unter Ansatz der charakteristischen Unter-grundklasse und des zugehörigen DIN-Spektrums (blaueKurven in den Bildern 7 und 8) ermittelt. Die aus denAnalysen bestimmten Schadensgrade können nur in einemStreubereich angegeben werden, der rein methodisch durchdie separate Betrachtung der Tragrichtungen zu erklärenist (vgl. Schema in Bild 6).

Die Punkte geben hier gemittelte Bodenbeschleuni-gungen für die prognostizierten Schadensgrade wieder. Be-rechnungen wurden für Bodenbeschleunigungen zwischen0,2 und 4,0 m/s2 durchgeführt, so dass sich die einwir-kungsabhängige Annäherung an die Beobachtung nach-vollziehen lässt. In Bild 9 werden die ermittelten Schadens-grade für die Bodenbeschleunigungen 0,8 m/s2 (dies ent-spricht der Bemessungsbeschleunigung für die Zone 3 nachDIN 4149:2005) und für den Erwartungsbereich zwischen1,0 bis 2,0 m/s2 wiedergegeben. Die wesentliche Aussagelautet, dass es keine Beschleunigung gibt, mit der sich dieGesamtheit der Gebäudeschäden zutreffend erklären ließe.Auffällig ist der Unterschied im Verhalten der beiden Mauer-werkstypen. Der beobachtete Schaden (DG 1978) liegt beiTyp 2 unter den durch die Analysen prognostizierten Scha -densgraden (DG BLM).

5.2 Schadenszonen

In die erfahrungsgestützte Gesamtbewertung fließen dieBewertungsergebnisse der einzelnen Ebenen ein. Es ist so-mit möglich, den Umfang und die Lage der Schäden (kriti-sche Zonen) innerhalb des Gebäudes anschaulich darzu-stellen (vgl. Bild 4). Derzeit aufbereitete Beispiele verdeut-lichen, dass die Schadenszonen durchaus zutreffend pro-gnostiziert werden, hingegen das räumliche Zusammen-wirken nur unter bestimmten Bedingungen modellseitigzutreffend abgebildet wird.

Insofern ist man bei solchen Bestandsgebäuden wohleher darauf angewiesen, auf eine Nachrechnung zu ver-zichten und stattdessen dem nachweislich gutmütigen (zugroßen Teilen völlig schadensfreien) Verhalten durch an-dere „erfahrungsgestützte“ Bewertungskriterien Rechnungzu tragen.

Angesichts der Zunahme von angebotenen Program-men, die eine verschiebungsbasierte (analytische) Verletz-barkeitsbewertung anbieten, steht ein Vergleich der Routi-nen, der Möglichkeiten der Modellierung von den oft hete -rogenen, für den Mauerwerksbau charakteristischen Misch-bauweisen und der Qualität der Schadensprognosen aus.

Bild 7. Vergleich zwischen Analyse und dem Erwartungs -bereich (Beobachtung): Beispiel für eine optimistische Scha-densprognose; Nr. 1 in Bild 9 (Spitzenwert der Felsbeschleu-nigung (PGA = agR)Fig. 7. Comparison of calculation and observed damage: example for an optimistic damage prognosis, cf. No. 1 inFig. 9 (PGA = agR)

Bild 8. Vergleich zwischen Analyse und dem Erwartungs -bereich (Beobachtung): Beispiel für eine pessimistische Pro-gnose (hier: für das Gebäude aus Bild 5; No. 3 in Bild 9;PGA = agRFig. 8. Comparison of calculation and observed damage: example for an pessimistic damage prognosis, cf. No. 3 inFig. 9 (PGA = agR)



Wie erste Vergleiche in [13] bestätigen, sind die analyti-schen Verletzbarkeitsfunktionen vornehmlich dann ver-trauenswürdig, wenn Schädigungsmuster angeboten wer-den, die in den Wandbereichen die reale Schädigung anti-zipieren.

6 Weiterführung der Untersuchungen zur normentauglichenUmsetzung der Ergebnisse

In Spiegelung der langjährigen Normungsarbeit für deut-sche Erdbebengebiete und gestützt auf die Auswertungder Schadensfälle des Albstadt-Erdbebens wird von [14]erstmals die Frage nach Sinnfälligkeit eines „Gebäudefak-tors“ gestellt. Der „Gebäudefaktor“ wird dabei als ein über-greifendes Konzept verstanden, das von den konkreten Be-obachtungen ausgeht und verhaltensbasiert so entwickeltwird, dass durch Vergleich konkreter Bauwerksparametermit den Erfahrungswerten grundsätzlich auf einen Nach-weis verzichtet werden kann. Insofern bildet das Konzeptdes „Gebäudefaktors“ eine Ergänzung zu den vereinfach-ten Regeln, die die konkreten Beobachtungen aufnehmenund auf dieser Grundlage keine weitere Faktorenfestlegungerforderlich machen.

Dies ist nach [13] auch die Brücke, die Erdbebenbau-normen weiterhin für den unbewehrten Mauerwerksbauzu nutzen. Sie besteht darin, erfahrungsgestützt Bauwerks -

eigenschaften vorzuschreiben, bei denen die Erdbeben -sicherheit für einen vorgegebenen Einwirkungsbereich ge-währleistet ist. In Eurocode 8 finden sie sich in 9.7 Regelnfür „Einfache Mauerwerksbauten“ („Simple Masonry“) z. B.in Form der (empfohlenen) geometrischen Bedingungenfür Schubwände, der zulässigen Anzahl von Vollgeschos-sen über Grund oder der Mindestquerschnittsfläche vonSchubwänden.

Die Einführung eines „Gebäudefaktors“, der dem rea-len Verhalten Rechnung trägt, würde voraussetzen, zu er-klären, durch welche Parameter und Kenngrößen das (na-hezu) schadensfreie Erdbebenverhalten z. B. während desAlbstadt-Erdbebes 1978 und durch welche daraus abge -leiteten konstruktiven Anforderungen Analogieschlüsse inRichtung vereinfachter Nachweisführung begründet wer-den können.

Im Rahmen erster Untersuchungen wurde exempla-risch mit entsprechenden Auswertungen begonnen. Dererreichte Bearbeitungsstand wird in [13] vorgestellt. Eineendgültige Interpretation bedarf offenkundig weitergehen-der Untersuchungen. Da bisher vorwiegend die Schadens-fälle ausgewertet wurden, bietet es sich an, bei der weite-ren Überprüfung der Gebäudekennwerte stärker auf dieungeschädigten Mauerwerkgebäude zu orientieren. Dabeiwären primär die Gebäude zu betrachten, die der letztenBaugeneration angehören. Zur Aufwandreduzierung kann

Bild 9. Vergleich der 1978 beobachteten („DG 1978-Typ“) mit den für beide Tragrichtungen mittels BLM separat berechnetenSchadengraden („DG BLM“); Auswertung von 40 unbewehrten Mauerwerkgebäuden unter Ansatz der Felsbeschleunigung(PGA = agR); n. a.: nicht berechnetFig. 9. Comparison of the observed damage grade with the analytically determined one by BLM [9] for the masonry Type 2-1A in Fig. 4, n. a.: not analyzed



sich auf die “ungünstigsten Fälle“ (Bauwerke der höchstenVerletzbarkeit auf Standorten mit ausgeprägter Verstär-kung der Bodenbewegung) konzentriert werden.

DanksagungAn den durchgeführten Gebäudeaufnahmen 2003/2004und 2007/2008 haben weiterhin mitgewirkt: L. Abraham -czyk, Ch. Kaufmann, H. Maiwald, T. Maqsood, T. Swainsowie Studenten des Master-Studiengangs „Natural Ha-zards Mitigation in Structural Engineering“ der Bauhaus-Universität Weimar.

Literatur

[1] Grünthal, G., Musson, R. M. W., Schwarz, J., Stucci, M.: Euro-pean Macroseismic Scale 1998. Hrsg. v. Grünthal (Ed.), Bd. 15,Luxembourg, (1998). [online] http://www.gfz-potsdam.de/pb5/pb53/projekt/ems/

[2] DIN 4149: Bauten in deutschen Erdbebengebieten – Last -annahmen, Bemessung und Ausführung üblicher Hochbau-ten. Deutsche Normen, (2005).

[3] Abrahamczyk, L., Langhammer, T., Schwarz, J.: Erdbeben-gebiete der Bundesrepublik Deutschland – eine statistischeAuswertung. Bautechnik 82 (2005), H. 8, S. 500–507.

[4] Schwarz, J., Beinersdorf, S., Swain, T., Langhammer, T., Lei-pold, M.: Vulnerability of masonry structures – experiencefrom recent damaging earthquakes in Central Europe. In pro-ceedings: Seismic Risk 2008 – Earthquakes in North-WesternEurope, Bd. F02, hrsg. v. Camelbeeck, Degée, Degrande, Sabbe(Eds.), S. 209–216, Li ge (2008).

[5] Schwarz, J., Beinersdorf, S., Swain, T. M., Langhammer, T.,Leipold, M., Kaufmann, C., Wenk, T.: Realistic vulnerabilityand displacement functions for masonry structures derivedfrom damaging earthquakes in Central Europe. In proceed -ings: 14th World Conference on Earthquake Engineering, Bd.05-04-0060, Beijing, China (2008) (Abstract ID: 09-01-0122).

[6] DIN 4149-1: Bauten in deutschen Erdbebengebieten – Last-annahmen, Bemessung und Ausführung üblicher Hochbau-ten. Deutsche Normen, DIN 4149, Berlin [u. a.], (1981).

[7] Schwarz, J., Langhammer, T., Kaufmann, C.: Quantifizie-rung der Schadenspotentiale infolge Erdbeben. Teil 1: Rekon-struktion des Bebens in der Schwäbischen Alb vom 03. Sep-tember 1978. Bautechnik 82 (2005), H. 8, S. 520–532.

[8] Hiller, D.: Makroseismische Wirkungen des Albstadt-Bebensvom 3. September 1978 in Baden-Württemberg. Institut fürGeophysik der Universität Stuttgart, (1985). Dissertation.

[9] EDAC: BLM – Bewertungstool für Lehm- und Mauerwerks-bauten. (2002). [online]http://www.edac.biz/index.php?id=200

[10] ISESD: Internet Site for European Strong-Motion Data –European Commission. (2002). [online]http://www.isesd.hi.is/

[11] Beinersdorf, S., Schwarz, J., Langhammer, T.: Auswertungder Schäden des Albstadt-Erdbebens vom 3. September 1978:Empirische Bewertung der Verletzbarkeit von Mauerwerks-bauten. In SIA Dokumentation D 023. D-A-CH – Tagung 2009:Erdbeben und Mauerwerk, S. 9–16, Zürich (2009).

[12] Amstein, S., Lang, D. H., Schwarz, J.: Schütterwirkungenhistorischer Erdbeben und aktuelle Anwendungsgebiete fürdas Erdbebeningenieurwesen. Bautechnik 82 (2005), H. 9,S. 641–656.

[13] Schwarz, J., Leipold, M., Kaufmann, C., Tulaganov, B.: ZurWirklichkeitsnähe analytischer Schadensprognosen: Auswer-tung der Schäden des Albstadt-Erdbebens vom 3. September1978. In: SIA Dokumentation D 0231. D-A-CH – Tagung 2009:Erdbeben und Mauerwerk, S. 17–26, Zürich (2009).

[14] Schwarz, J.: Modellierung und Wirklichkeit im Erdbeben -ingenieurwesen – zur Bedeutung verhaltens- und erfahrungs-gestützter Nachweismethoden. In: Schriftenreihe des Institutsfür Konstruktiven Ingenieurbau, Heft 13, Festschrift anläss-lich des 80. Geburtstages von Prof. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. e. h.Erhard Hampe (1928–1998) – Spuren und Erinnerungen,S. 159–184, Weimar, (2008).

Autoren dieses Beitrages:Dr.-Ing. Jochen [email protected] Dipl.-Ing. Silke Beinersdorf [email protected] Dipl.-Ing. Tobias [email protected]ät Weimar, Earthquake Damage Analysis Center(EDAC), Marienstraße 13, D – 99421 WeimarDipl.-Ing. Mathias Leipold,[email protected]ät Weimar, Research Training Group GRK 1462, Berkaer Straße 8, D – 99421 Weimar

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Verhalten von Mauerwerksbauten unter Erdbebeneinwirkung: Auswertung der Schäden des Albstadt-Erdbebens vom 3. September 1978