Integraler baulicher Erdbebenschutz II: Definition des Lastfalls Erdbeben

13 Pages·1982·0.74 MB·German

by  Dr. Konrad Staudacher (auth.)

© Springer Basel AG 1982
Ursprünglich erschienen bei Birkhäuser Verlag Basel 1982
ISBN 978-3-7643-1337-1 ISBN 978-3-0348-5355-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-0348-5355-2
Integraler baulicher Erdbebenschutz II:
Definition des Lastf aIls Erdbeben
Von Konrad Staudacher, Zurich
Schweizer Ingenieur und Architekt
Sonderdruck aus Heft 47/1981
Druck: Konrad Bosch AG, 8003 ZUrich
Seismik
Integraler baulicher Erdbebenschutz II: 5. Aufbau einer Statistik gemessener
Starkbeben zum Ersatz bestehen
Definition des Lastfa Ils Erdbeben der durch neue Starkbeben-Gefahr
dungskarten, die sich direkt inge
nieurmassig anwenden lassen
Von Konrad Staudacher, Zurich 6. Ubergang von Spektralformen auf
Mittelwert-Basis zu Spektralfor
men auf Maximalwert-Basis
7. Beschrankung des Einsatzes von
Das Tragwerk integral erdbebensicherer Bauwerke iibersteht intensive und extremale Stark
Bemesssungs-Spektralformen auf
beben schadlos. Ein solcherart erweiterter Schutz auft rag stellt an die Definition des Lastfalls
die unteren lntensitatsstufen und
Erdbeben gegeniiber Baunormen stark erhiihte Anspriiche. In diesem Artikel wird eine alter
auf die Generierung von kiinstli
native Definitionsmethode vorgeschlagen. Damit kiinnen verschiedene alte Forderungen er
fiillt werden, die darauf abzielen, den Lastfall phiinomengerechter zu definieren chen Bemessungsbeben
8. Ersatz der Spektralformen durch
typische dreidimensionale Bemes
sungsbeben fUr die oberen lntensi
tatsstufen (Spektralformen nur fUr
werks infolge Starkbeben die nominel
Einleitung Spezialaufgaben)
len Werte urn ein Mehrfaches (Faktor 2
9. Entwicklung eines Verfahrens zur
bis 3) iibertreffen. Fehler dieser Gras
Bestimmung der Hauptachsen der
Der erweiterte SchutzauJtrag des inte senordnung sind beim integralen bauli
dreidimensionalen seismischen Bo
gralen baulichen Erdbebenschutzes [I] chen Erdbebenschutz nicht tolerierbar.
denbewegung, die sich durch extre
betrifft ausgewahlte Bauwerkklassen in
Extremale Starkbeben wurden bisher male Bewegungsintensitaten aus
hochseismischen Regionen. Er solI den
erst in geringer Zahl aufgezeichnet. Die zeichnen
beschrankten Schutzauftrag der heute
Bedeutung extremaler Starkbeben als 10. Wahl eines Koordinatensystems
gliltigen Normen ablosen. Mit der Ent
Lastfall fiir Bauwerke liegt aber be fUr die dreidimensionalen Bemes
wick lung der riiumlich schwimmenden
kanntlich nicht in der Haufigkeit ihres sungsbeben, das mit den Hauptach
Lagerung als Massnahme zur Erdbeben
Auftretens, sondern im fast unbegrenz sen der seismischen Bodenbewe
isolation der Bauwerke hat der integrale
ten Zerstorungspotential und in den ka gung zusammenfallt, urn das Auf
bauliche Erdbebenschutz auch prakti
tastrophenartigen Folgen, die Schaden finden der fUr das Bauwerk ungiin
sche Bedeutung erlangt [2]. Die neuen
an gewissen kritischen Bauwerken ha stigsten Erdbeben-Einfallsrichtun
technischen Moglichkeiten verbessern
ben konnen. Da solche Beben einen gen zu erleichtern.
die architektonische Gestaltungsfrei
ausgepragten Einzelcharakter aufwei
heit beim Bauen in seismischen Regio
sen, eignen sie sich nicht wie Beben un
nen und bilden ein Mittel zur umfas
terer lntensitatsstufen, probabilistisch
senden Erdbebensicherung der Bauwer
erfasst zu werden. Sie werden deshalb 2. Das Konzept der vektoriellen
ke. Bekanntlich sind verschiedene
grundsatzliche Probleme des baulichen mit Vorteil deterministisch, d.h. mit ty seismischen Bewegungsintensitat
pischen, gemessenen oder in Einzelfal
Erdbebenschutzes bisher ohne befriedi BI
len kiinstlich generierten Bemessungs
gende Losung geblieben [3]. Sie wurden
beben definiert. In Normen wird diese
im Hinblick auf den erweiterten Urn den neuen Anforderungen gerecht
oberste I ntensitiitsstuJe nicht behandelt.
Schutzauftrag neu iiberdacht: Dieser zu werden, sind Anderungen in der Me
Artikel behandelt speziell die Methode Die Entwicklung der raumlich schwim thodik der Lastfall-Definition kaum zu
zur Definition des LastJalls Erdbeben. menden Lagerung bringt nun die tech vermeiden. 1m folgenden wird deshalb
Die Voraussetzungen beziiglich Stand nische Moglichkeit zum Schutz der eine zu den erwahnten Normen alterna
ort, technische Massnahmen zur Erdbe Bauwerke gegen extremale Starkbeben. tive Definitionsmethode vorgestellt.
bensicherung und rechnerischer Nach Es ist daher notig, die genannten Bisher wurden zur Darstellung der Erd
weis der tatsachlichen erreichten Si Schwachen in der Definition des Last bebenintensitiit empirische oder seis
cherheit eines Bauwerks werden von [I] mologische Kenngrossen verwendet.
falls Erdbeben zu iiberwinden. Wicht i
iibernommen. Die daraus abzuleiten ge Fragen der Lastfall-Definiton [3] soll Zu den empirischen Kenngrossen ge
den Anspriiche an die Lastfall-Defini ten mit dem Ziel iiberarbeitet werden, hart die modified Mercalli-Skala. Sie
tion gehen wesentlich iiber jene hinaus, den Lastfall phiinomengerechterzu defi beruht auf der sUbjektiven Beurteilung
die bisher an Erdbebennormen [4 bis 7] nieren. Die genannte Untersuchung er von spiirbaren Bodenbewegungen und
gestellt wurden. gab, dass im Hinblick auf den integra von sichtbaren Schaden. Die Bodenbe
len baulichen Erdbebenschutz folgende wegungen werden dazu nicht gemessen.
Massnahmen erwogen werden sollten: Zu den seismologischen Kenngrossen
gehort die nach oben offene Richter
1. Ziele einer Neudefinition des
I. Echt dreidimensionale Lastfall-De Skala. Sie stiitzt sich auf die Berech
Lastfalls
finition nung der im Herd freigesetzten Bewe
2. Einbezug der grossten bekannten gungsenergie. Der lngenieur hat darauf
Grundsatzlich reichen die heute ver Starkbeben-lntensitaten das Problem zu 16sen, wie solche glob a
fiigbaren Starkbeben-Aufzeichnungen 3. Entwicklung einer Kenngrosse fUr len Intensitatsangaben zum Eichen der
dazu aus, fiir kleinere bis mittlere Stark die lntensitat von dreidimensiona Bemessungsbeben fUr den Standort des
beben-Intensitiiten reprasentative Be len Starkbeben, die sich zur inge Bauwerks verwendet werden konnen.
messungs-Spektralformen zu erstellen. nieurmassigen Anwendung eignet Dazu braucht er normalerweise die
Bemessungs-Spektralformen, wie sie in 4. Ermittlung von Starkbeben-Cha grosste Beschleunigung als Referenz
Normen verwendet werden, beruhen rakteristika (Frequenzinhalt, kine grosse. Fiir diese Aufgabe liegt eine
jedoch konventionsgemass auf einer matische Kenngrossen) getrennt Vielzahl von Losungsvorschlagen vor
Mittelwert-Basis. Dadurch kann die nach Baugrund-Typ und Intensi [8]. In [3] wurde nun aber ein wei teres
wirkliche Beanspruchung eines Bau- tatsstufe Mal aufgezeigt, dass zwischen empiri-
Seismik
.::J~*L....--l.-.--..I
If) •
enw
IL...---I-----II1 -----'-----11I -----'-----I! >I llID
V
--'--------I. u
W
If)
:~il.' -4' II'~eDI"nI "UW"I~f-- ) l=ZZW! I>lZf0)lZf0)
I I I ,·1 I I • ">eZ n IeIl-nnl =ZWl~ ! >WaII"-:~ 'W'aI~' ':
c U ....J....J....J
V lJ) l.&J :Z:::WW
~ ~ ~ ~
([)
-1500 - - - CD
.::~:!~t. Ir--r---11
o
,---r--;II ,---r--;I1 ------r------11- --'----'1I
"I-'W'''
WW
>
v
o 10 0 30 40 5 151 60
:~I~
'"
I I I 11111 I>IeInf I ) tWn
V
-150 - -
NN -;:; :z
en IWf) :W:;
:5Ih~t·1 I I I I I I ">ezn m0-~ ~I "zUI- : C"ZWl~'1(! IWfffI)))W1WUI~~-f)
V ~.0, ; !WUE . :~"U:I: ' I>~- -O>W'
If)
-150 - -- lW!I
.:: l4Jt"~I- '"
I- ID
"'In
I I I I I I I I W>
v
o 10 20 30 40 50 151
eIfn) C0. D;
'I"l l'"
V
W
cD Z (f)
IND '" 2U: L=WZ! )> (WIZf-) W1zZ- :
Z CD z:W
'>" " NN I I :~W: I :UWa :-aU,:
V "I0D ~WU 1">wUf ')WQ-e'. eQ(f).
N
'"
'I"- ~
W_
>
v
BUd 1. Bemessungsbeben ED01: Pacoima Dam-AuJzeichnung des San-Fernando-Bebens (9.2.1971, KaliJornien, USA) nach der Hauptachsen-Orientierung;
Dauer: 41.72 [s}, Richter-Magnitude M 6.6, QueUe CALTECH (C041)
schen bzw. seismologischen Kenngros - Intensitiit der seismischen Bodenbe gefiihrdung von Bauwerken durch ein
sen und der grossten Beschleunigung wegung (ohne Bezug zur Auswirkung gegebenes Starkbeben ausdriickt. Zer
als Referenzgrosse keine mathematisch auf das Bauwerk) stOrungen treten ein, wenn die elasti
fassbare Korrelation besteht. - Intensitiit der Bauwerk-Reaktion (a Is schen Materialgrenzen in exponierten
In Wirklichkeit zeigt sich die Intensi Folge des Bebens). Tragwerkteilen iiberschritten werden.
Hit eines Erdbebens ingenieurmassig Es wird somit eine seismische Kenn Deshalb erscheint eine Kenngrosse fUr
auf zwei Ebenen: grosse gesucht, welche die Zerstorungs- die elastische Reaktion grundsatzlich
Seismik
600
_ -4'
-
N "-
Q:C"O-
0
:I: v -
U
-600 -4' (U../.'.J).
600 _NN U--4l' .---,444;''' UUU:.(.0/.:'. J .): -:tZtZU!:!> J>: >Z(._/.0'.). (._./0Z.' .)
Q:-4' I I :Z::>aQ::aQ::
0 UJUJUJ
:I: v I,e,In:I ~UU J U:-VI:'lUU-UJ' U-UUJ'
UJa: a:
-600 CD
CO
.Q...: -14I'l
UJN
I I >
v
I
20 itO 60 80 100 lsi 120
Bild 2. Bemessungsbeben ED51: Kunstlich generierte Extremalbeben-Funktion nach der Hauptachsen-Orientierung; Dauer: 120 [s}, Richter-Magnitude M 8,
QueUe CALTECH (Typ A) + Vertikalkomponente (ergiinzt)
zur Vorhersage geeigneter. Sie bezieht tion der Bauwerke in den tiefsten der maximalen Beschleunigung des Be
sich auf die obere Grenze der ohne Zer Eigenfrequenzen bekannt. Sie stellt da bens gerechnet werden muss (eine von
storungen zuliissigen Beanspruchung. mit den gesuchten Bezug zwischen der verschiedenen Definitionsmoglichkei
Kenngrossen fUr die inelastische Reak seismischen Bodenbewegung und der ten). Der Ursprung OE des Koordina
tion verweisen hingegen auf Grenzen elastischen Bauwerk-Reaktion her. Bei tensystems der dreidimensionalen Be
«tolerierter Zerstorungen» des Bau de Ausdrucke werden jedoch tradi schleunigungsfunktion DE (T)I 23 liegt
werks, die schwer zu definieren bzw. tionsgemass nur auf einzelne der drei im Nullpunkt der Aufzeichnungsgera
rechnerisch und experimentell nachzu Richtungskomponenten der Erdbeben teo
weisen sind. Die gewahlte Definition funktion angewendet. In A'nderung die
Analog zum Massen-Tragheitstensor
vermeidet somit Unsicherheiten wegen ser Praxis wird vorgeschlagen, seismi
kann nun ein seismischer Positionen
bauwerkspezifischen Eigenheiten der sche Kenngrossen in Zukunft auf die
Triigheitstensor ()ik gebildet werden, des
Reaktion inelastischer Systeme. komplette, dreidimensionale Erdbeben
sen Komponenten die bekannten Trag
funktion zu beziehen. Dazu eignen sich
Die Kenngrosse hat die wichtige Aufga heits- und Deviationsmomente sind.
grundsatzlich beide genannten Kenn
be, den Bezug zwischen der Intensitat Jede (momentane) Position des Be
grossen. Wie sich zeigen wird, hat die
der seismischen Bodenbewegung eines schleunigungsvektors DE (T) beziiglich
Root-Square-Grosse allerdings gegen
einzelnen Bebens und der Intensitat der seines Ursprungs OE wird wahrend
uber der Spektralintensitat wichtige
elastischen Bauwerk-Reaktion eines ge einer infinitesimalen Dauer dT einge
Vorteile.
gebenen Bauwerks herzustellen. Sie soli nommen. Die Produkte dieser Vekto
zudem ingenieurmassig direkt anwend ren mal die infinitesimalen Zeitschritte
a) Physikalische Herleitnng
bar und von einfacher mathematischer dT, aufsummiert im Zeitinterval T2 -TI
Form sein. Auf Seiten der Erdbeben Bild lund Bild 2 zeigen typische Stark der Intensivbewegungsphase, ergeben
funktion sind dazu so verschiedenartige beben. Daraus wird die sog. Intensivbe die einzelnen Komponenten ()ik des
Parameter wie der Frequenzinhalt, die wegungsphase ausgeschieden (Bild 3), Tensors. Ihre Dimension [m. S-3/2) liegt
Art und Abfolge extremaler Ausschlage wahrend deren Dauer mit Beschleuni in der Mitte zwischen einer Beschleuni
und der Charakter der durchlaufenen gungsamplituden grosser als 50 Prozent gung und einer Geschwindigkeit und
Gesteinsformationen zu berucksichti
gen. Auf Seiten des Bauwerks sind es Bild 3. Definition der Intensivbewegungsphase TrT] eines Starkbebens. Schnitt durch die dreidimensio
insbesondere die komplexen Vibra nale Beschleunigungsfunktion DE(T)1.2.J
tionseigenschaften (seismisch anregba
re Eigenfrequenzen und Modalformen,
DE 1,2,3
Dampfungsgrossen) und die Ruck
kopplung zwischen der Bauwerk-Reak
tion und der Bewegung des Baugrunds.
2.1. Definition der vektoriellen seismi
schen Bewegnngsintensitiit
Mit der Spektralintensitat nach Hous T
ner (9) und der Root-Square-Grosse [II)
besitzen wir zwei bewahrte, ingenieur
massig anwendbare seismische Kenn
grossen. Insbesondere die Spektralin
tensitat nach Housner ist aufgrund ih
rer Definition (Kap. 3.1) als direktes
Mass fUr die elastische Erdbebenreak-
Seismik
berucksichtigt dam it gleichzeitig den grossen bevorzugt in und urn die Ziel des Vergleichs war es abzuklaren
Einfluss der Spitzenbeschleunigungen Hauptachsen der Bewegungsintensi - welche U nterschiede in der Bewer
und der Dauer der Intensivbewegungs tat auftreten (Punkt 4). tung der Intensitat zwischen den ver
phase. - Sie ist im Gegensatz zu seismologi schiedenen seismischen Kenngros
schen und empirischen Kenngrossen sen auftreten
b) Mathematische Formulierung direkt ingenieurmassig anwendbar - ob der Ersatz der Spektralintensitat
und als Referenzgrosse fUr die Stark durch die Bewegungsintensitat B1
In tensorieller Schreibweise und unter
beben-Statistik und fUr die Starkbe oder eine andere geeignete Kenn
Beizug des Kroneckerdeltas Dik besitzen
ben-Gefahrdungskarten geeignet grosse moglich ist, ohne dabei andere
die Komponenten (}ik des seismischen
(Punkt 5). Nachteile in Kauf nehmen zu mus
Positionen-Tragheitstensors folgende
- Sie erlaubt es, die fur den Erdbeben sen.
mathematische Form (i,k./ = 1,2,3):
Sicherheitsnachweis benotigten In
tensitatsstufen des Lastfalls auszu
3.1. Verwendete Kenngrossen
(1) scheiden (Punkte 5 bis 8).
T, - Sie dient der Bestimmung von Die tensorielle Schreibweise der nach
(}ik= f (DE[.trE[,oik-DEi·1YEk)·dT Hauptachsen der seismischen Boden folgenden Kenngrossen erfolgt kom
T, bewegung. Damit lassen sich die Erd ponentenweise. Die statistische Haupt
bebenfunktionen in Zukunft nach grosse ist jedoch dreidimensional defi
den Hauptachsen orientieren, was niert und hat die allgemeine vektorielle
Daraus lasst sich folgende Eigenwert
die Bestimmung der grossten Bau Form
gleichung bilden
werk-Reaktionen erleichtert (Punkte
(y[.y[)'/2
9 und 10). (4) y=
Die vektorielle seismische Bewegungsin
wobei Y fUr eine der nachfolgenden
mit den drei Haupt-Tragheitsmomen tensitiit B1 erfullte damit die gestellten
seismischen Kenngrossen steht. Es sei
ten B1,,2,3 und den Komponenten nk der Anforderungen von allen untersuchten
vermerkt, dass zur Berechnung von re
zugehorigen Hauptachsen. Die vorge seismischen Kenngrossen am besten.
prasentativen Werten Y[ das Koordina
schlagene Kenngrosse entsteht darauf Die defintive Wahl muss allerdings
tensystem der dreidimensionalen Erd
als Quadratwurzel der Summe der yom Nachweis abhiingig gemacht wer
bebenfunktion vorgangig ins Haupt
Haupt-Tragheitsmomente den, dass die Bewegungsintensitat B1
achsensystem gedreht werden muss
den Bezug zwischen der Intensitat der
(Kap.4.2).
(3) BI = (B1[' B1[) 112 seismischen Bodenbewegung und der Foigende seismische Kenngrossen wur
Intensitat der elastischen Bauwerk-Re
den in die Untersuchung einbezogen (i,
aktion in reprasentativer Weise herzu
k,/= 1,2,3):
Die neue vektorielle Kenngrosse B1 be stellen vermag.
ruht somit auf einer Formulierung, die
der Root-Square-Grosse verwandt ist, a) Spektrale Kenngrossen
und wird vektorielle seismische Bewe
Die spektralen Kenngrossen gehen
gungsintensitiit, Kurzform Bewegungs 3. Vergleich seismischer yom bekannten seismischen Reaktions
intensitiit B1, genannt [2]. Die Haupt Kenngrossen spektrum aus, das von Housner [9] und
Tragheitsmomente B1[, sind die Extre
Hudson [10] fUr Normzwecke entwik
malwerte der Bewegungsintensitat in
Dieser Nachweis soll wie folgt gefuhrt kelt wurde.
den drei Hauptachsen. Die Hauptach
sen selbst stehen senkrecht aufeinander werden: Spektralintensitiit nach Housner [11]:
und bilden ein bevorzugtes Koordina I. Es wird vorausgesetzt, dass die Spek [Dimension: m]
tensystem des zugehorigen Starkbe tralintensitiit nach Housner derzeit
BT2
bens. die zur ingenieurmassigen Anwen (5) Sl[ = f t-; (XC, BT). d (BT)
dung reprasentativste seismische BT,
2.2. Vorteile der gewiihlten Kenngrosse Kenngrosse ist. Aufgrund ihrer De
Koeffizienten nach Housner:
finition stellt sie einen direkten Be
Der Lastfall Erdbeben solI phanomen
zug zwischen der Intensitat der seis BT, =0.1 [s]
gerechter erfasst werden. Dazu mussten
mischen Bodenbewegung und der BT2=2.5 [s]
die Anforderungen an die Definitions
elastischen Bauwerk-Reaktion her. XC =0.02
methode strenger formuliert werden
(Kap. I, «Ziele einer Neudefinition»). Gewichteter Spektralwert [2]: [m· s-']
2. Zusatzlich zur Bewegungsintensitat
Es hat sich jedoch gezeigt, dass die (6) GS[ = Xi' ~[(XC,BT)
B1 wurde eine Anzahl weiterer, po
neuen Anforderungen mit der Bewe
tentiell geeigneter Kenngrossen aus Vorgeschlagene Koeffizienten fUr tief
gungsintensitat B1 auch in der Praxis
gewahlt, urn am Beispiel einer Serie frequente Systeme:
erfUllt werden konnen:
von typischen Starkbeben einen qua X, = 1.0 BT, =2.0 [s]
- Die Bewegungsintensitat ist defini litativen Vergleich mit der Spektral X2= 1.0 BT2= 1.0 [s] XC= 0.05
tionsgemass auf komplette, dreidi intensitat als Referenzgrosse durch X3=0.2 BT3=0.5 [s]
mensionale Erdbebenfunktionen al zufUhren.
(BT bezeichnet Schwingungsperioden,
ler Intensitatsstufen anwendbar
XC Dampfungsfaktoren, V(XC,BT)
(Punkte 1 und 2 der Ziele). 3. Ais Vergleichsbasis wurde neben
Spektralgesch windigkeiten zugehorig
- Sie ist ein Integral uber die Beschleu den Komponentenwerten (123) auch
zu definierten BT- und XC-Werten, X
nigungsfunktion und kann dam it di die Vektoraddition (V) verwendet.
Gewichtungsfaktoren.)
rekt zum Eichen von Bemessungsbe Nur letztere wird als reprasentativ
ben verwendet werden (Punkt 3). fUr die Intensitat der dreidimensio
b) Mittelwerte der Bodenbewegung
- Sie erleichtert die Ermittlung der nalen Bauwerk-Reaktion auf die
Starkbeben-Charakteristika, da die dreidimensionale seismische Boden Die Vorschlage der Abschnitte b) und
extremalen kinematischen Kenn- bewegung betrachtet. c) konnen als kinematische Kenngros-
Seismik
sen bezeichnet werden, da sie direkt auf ED: Starkbeben extremaler Bewe folgte vorerst an den Funktionen in den
die Erdbebenfunktion im Zeitbereich gungsintensitiit BI (BI > 6) Koordinatenachsen der Aufzeichnung,
abstellen EE: Ortsiibliche Starkbeben des unte- so wie sie an der Messstation registriert
ren Bewegungsintensitiits-Be- wurden, und anschliessend fUr die be
Root Mean Square (RMS, [J 1]): [m 'S-2]
reichs (BI < 3). rechneten Hauptachsen der seismi
schen Bodenbewegung (Kap. 4). In
(7) RMS{= ( T2-1T 2 Tf 2D"E2{ • dT) 112 DEEie kboenidnetenn S zaummm erelkcahtneegroisricehne nE DE xutrned einem letzten Schritt wurde schliesslich
T, die Vektoraddition (V) der Komponen
malbeben-Sicherheitsnachweis direkt
tenanteile zur Bestimmung der mass
Vektorielle seismische Bewegungsinten in die 2-Stufen-Methode iibernommen
geblichen vektoriellen Kenngrosse ge
siiit (Root Square RS, [J I) bzw. ZRS, werden [I].
miiss Gl. 4 ausgefUhrt.
[2j): [m 'S-3/2]
Zugehorig zu den genannten Stark be
t2
ben-Kategorien wurden aus den be
3.4. Resultate des Vergleichs
(~ kannten CALTECH-Serien typischer,
(8) BI{= DE; • dT
gemessener, amerikanischer Aufzeich Bild 4 bringt die graphische Auswer
nungen [13] und kiinstlich generierter tung des Vergleichs fUr folgende Kenn
Gemittelter Absolutwert (YEE, [2j):
Funktionen [14] folgende Starkbeben grossen: DE, BI, ZGA, SI und GS. Die
[m.s-2] ausgewiihlt : kompletten Zahlenunterlagen liegen in
[2] vor. Folgende Schliisse ergeben sich:
Kategorie EA: Parkfield-Beben yom
(9) 27. Juni 1966 (EA 01) I. Die Spektralintensitiit SI in Hous
CALTECH-Beben, Typ ners Definition ist fUr Bauwerke mit
D (EA 51) fundamentalen Eigenfrequenzen im
Zeitgewichteter gemittelter Absolutwert
Kategorie EB: EI Centro-Beben yom mittleren Frequenzbereich (I - 4
(YEET,[2j): [m.s-312]
18. Mai 1940 (EB 01) Hz) ausgelegt. Sie gibt damit das
T2 CALTECH-Beben, Typ Reaktionsverhalten von Bauwerken
(10) ZGA{= (T2-T,)'/2 . fIDE{I.dT B (EB 51) mit hOheren oder tieferen funda
T, Kategorie ED: Pacoima Dam-Auf- mentalen Eigenfrequenzen weniger
zeichnung des San Fer zuverliissig wieder. Durch Verschie
c) Extremalwerte der Bodenbewegung nando-Bebens yom 9. ben der Integralgrenzen oder Filtern
Grosste Beschleunigung: DE{ max. Februar 1971 (EDOl) nicht benotigter Funktionsanteile
[m.s-2] CALTECH-Beben, Typ kann sie aber deren Bediirfnissen
Grosste Geschwindigkeit: D'E{ max. A (ED51) angepasst werden.
[m's-'] Kategorie EE: San Francisco-Beben 2. Der Verlauf der kinematischen
yom 22. Miirz 1957 Kenngrossen Bewegunsintensitiit BI
Grosste Verschiebung: DE{ max. [m]
(EEOl) und zeitgewichteter gemittelter Ab
(Tist die Bezeichnung fUr die Zeit bzw. CALTECH-Beben, Typ solutwert ZGA ist zur Referenzgros
Dauer und DE(T) ',2,3 die Beschleuni C (EE51). se SI weitgehend affin. Die Feststel
gungsfunktion des Erdbebens.) lung gilt fUr die Absolutwerte in Bild
Die Kategorie EC ist bisher ungenii
4 oben wie fUr die Relativwerte, be
gend dokumentiert bzw. mit Vertre
3.2. Verwendeter Satz von Bemessungs zogen auf die grosste der Kompo
tern, deren Intensitiit bei guter Bau
beben nenten 1, 2 oder 3, in Bild 4 unten.
grundqualitiit keine gefiihrlichen Reak
Stark be ben wurden ihrem Charakter Auch die Reihenfolge innerhalb und
tionen hervorzurufen vermag. Gegen
nach in folgende Kategorien eingeteilt zwischen den Beben (Absolutwerte)
Starkbeben der Kategorie EFsind keine
[12]: ist iiberall gewahrt. Trotz grundsiitz
umfassenden Schutzmoglichkeiten be
lichen U nterschieden in der Defini
EA: Stossartige Starkbeben kannt. (Die kiinstlich generierten CAL
tionsweise und den Dimensionen
EB: «White Noise»-iihnliche Starkbe TECH-Beben, 50er Serie, wurden nach
(Kap. 3.1) eignen sich diese Kenn
ben mittlerer Dauer triiglich mit geeigneten Vertikalkompo
grossen damit zum Ersatz der Refe
EC: Starkbeben mit dominantem Fre nenten versehen.)
renzgrosse.
quenzbereich
Eine vollstiindige Darstellung der ver 3. Der Verlauf der Absolutwerte der
EF: Starkbeben mit grossen dauern-
wendeten Bemessungsbeben und ihrer grossten Beschleunigung DE weicht
den Bodenverschiebungen.
Charakteristika befindet sich in [2]. von allen anderen Kenngrossen
Aus der Praxis des baulichen Erdbeben Bild 1 und Bild 2 sind typische extrema stark ab (Bild 4 oben). Diese Tatsa
schutzes ist jedoch bekannt, dass diese Ie Bemessungsbeben. Ihre Koordina che wird durch die grossen Unter
Einteilung nur bedingt zum Verstiind tensysteme wurden nach dem Verfah schiede in der relativen Bewertung
nis der beobachteten Bauschiiden be i ren in Kap. 4 vorgiingig Hauptachsen zwischen den einzelnen Beben bestii
triigt. Es ist vielmehr die Kombination orientiert. tigt und geht auf entsprechende Un
von Spitzenbeschleunigungen mit einer terschiede im Frequenzinhalt der
langen Intensivbewegungsphase, die verschiedenen Beben zuruck (s.
3.3. Vorgehen
fUr grosse Bauwerk-Schiiden verant Reaktionsspektren in [2]). Der Ein
wortlich ist. Die Dimension und die Art Zum Vergleich der verwendeten seismi satz der grossten Beschleunigung DE
der Definition der Bewegungsintensitiit schen Kenngrossen wurde folgendes als seismische Kenngrosse sollte des
BI eignen sich besonders, diesem Sach Vorgehen gewiihlt: halb auf sehr steife Bauwerke be
verhalt optimal Rechnung zu tragen. Bei jeder der dreidimensionalen Stark schriinkt bleiben.
Deshalb wurde die Einteilung nach [12] bebenfunktionen wurde vorerst die In 4. Der Verlauf des gewichteten Spek
im Rahmen des vorliegenden Konzepts tensivbewegungsphase (Kap. 2.1.) aus tralwerts GS folgt im allgemeinen
mit zwei Sammelkategorien ergiinzt, geschieden. Ais niichster Schritt wur der Spektralintensitiit SI. Da er spe
die sich auf die Bewegungsintensitiit BI den komponentenweise (123) die Werte ziell fUr Bauwerke mit tiefen Grund
abstiitzen (BI-Werte giiltig fUr hochseis der seismischen Kenngrossen nach frequenzen urn 1 [Hz] ausgelegt wur
mische Regionen wie Kalifornien): Kap. 3.1. bestimmt. Ihre Ermittlung er- de, treten an einigen Stellen zu den
Seismik
die Intensitat der seismisehen Bodenbe
DE
wegung besonders gross ist.
1: Horizontalrichtung 1
BI
2: Horizoritalrichtung 2
ZGA Ungunstigste Einfallsrichtungen der
51 3: Vertikalrichtung
G5 V: Vektoraddition Erdbeben auf Bauwerke:
14 Andererseits fallt bei der Durehsicht
der einsehlagigen Literatur auf, dass ein
(/) 12 Konzept fehIt, wie jene Einfallsriehtun
C) /1\ gen der Bemessungsbeben auf das Bau
iii 10 werk ermittelt werden sollen, welche
< \ I !I die tatsaehlieh grossten Reaktionen
~ 8 , hervorrufen. Die Methode der verwen
i, /!
CD \ deten Lastfall-Definition und des Erd
6 I ,/"I, \ i ,/ beben-Sieherheitsnaehweises haben
-\ / i1 ~~ \ \ ' 1/ ~ diese Untersuchung bisher offenbar
4
~ h, --.., ""!.l ~ \ A "...."... ~ 'fJ / '\ ~ ~ / pnuienhktt eg edreuerfhetnfe rbteigimt [ 3N].a Scohlwcehies Gdeesri cinhttes
2 ~~ f/,t ~ V," f-~ ;1. "~ , , __ VI " '" / r-:-... lA .. gralen Erdbebensicherheit allerdings
" nicht liinger vemachliissigt werden.
123V123V123V123V123V123V123V123V
EA 01 EA 51 EB 01 EB 51 ED 01 ED 51 EE 01 EE 51 4.2. Eine gemeinsame Losung
Absolute Werte (m-s) Der Weg zur Losung der beiden Aufga
ben fUhrt iiber die Untersuehung der
160 Richtungsabhiingigkeit der seismisehen
I Kenngrossen. Wie in Kap. 2.1 gezeigt
140 , wurde, erlaubt die mathematische
P
(/) Form der Bewegungsintensitat BI die
C) 120
iii ,i I Bestimmung von Hauptachsen der seis
< 100 : mischen Bodenbewegung (GL. 2). Da
CNCD ) 80 ~\ ~ V~ ;\1~ ~~~ ~f1'J \, .' D<~\ ~i ~ ? sdHtieea udpetBra eebwheseiedgnue nne gxgstrienestmteenlalslt ieitnsat t, Akuainfng na bddeiiene s eeirnn
·W
'0' 60 "\ ! i einfaeher Weise gelost werden. Die
zweite wird wesentlieh vereinfaeht,
40 wenn die Richtungsabhiingigkeit der
Bewegungsintensitat beriieksichtigt
20 wird.
4.3. Resultat der Achsorientierung der
123V123V123V123V123V123V123V123V
Bemessungsbeben
EA 01 EA 51 EB QI EB 51 ED 01 ED 51 EE 01 EE 51
Relotivwerte bezogen auf grosste Komponente (%) Die vorgeschlagene Achsorientierung
mit dem BI-Verfahren (Kap. 2.1) wurde
Bild 4. Vergleich seismischer Kenngrossen fur typische. dreidimensionale USA-Starkbeben in den Koordi auf die aeht ausgewahIten Bemessungs
natenachsen der Aufzeichnung. Griisste Beschleunigung Dt. Bewegungsintensitiit Bl. zeitgewichteter gemit beben angewendet; die Resultate sind
telter Absolutwert ZGA. Spektralintensitiit SI. gewichteterSpektralwert GS
aus dem Vergleich von Bild 4 mit Bild 5
ersiehtlich. Die Erfahrungen mit die
iibrigen Kenngrossen gegenlaufige sem Verfahren konnen wie folgt zusam
4. Hauptachsen der seismischen
Bewegungen auf. Diese Abweichun mengefasst werden:
Bodenbewegung
gen halten sich in Grenzen.
I. Hauptaehsen der seismischen Bo
5. Eine Einteilung der seismischen Bo
denbewegung lassen sich fUr aile Be
denbewegung in drei Intensitatsstu
messungsbeben bestimmen.
fen bietet sich an: Standard-, Inten 4.1. Zwei Aufgaben
2. Die einzelnen Werte der Bewegungs
siv- und Extremalbeben. Den Orientierung des Koordinatensystems: intensitat HIt, bestimmt fUr die drei
Grenzwerten der Intensitiitsstufen,
H'auptachsen, weichen von den ent
ausgedriickt in Bewegungsintensita
Wiihrend der Arbeiten mit den seismi sprechenden Werten in den Auf
ten BI, kann z. B. das Verhiiltnis schen Kenngrossen stellten sich Zwei zeichnungsachsen der Messstation
1 :2:5 zugewiesen werden; dieses Ver
fel ein, ob es richtig sei, die Untersu bei einzelnen Beben erheblich abo
haltnis gilt fUr hochseismische Re
chung an den Funktionen in den Auf 3. Bei stossartigen Beben (EDOI,
gionen wie Kalifornien.
zeichnungsachsen der Messstation zu EA 51) tritt die Riehtungsabhiingig
Dieses Resultat lust erwarten, dass fUhren. Die Orientierung dieser Achsen kelt markant in Erscheinung. Sie be
beim vorgeschlagenen Ersatz der Spek ist willkurlich. Grosste Beschleunigun schrankt sieh nieht auf die Bewe
tralintensitat SI durch die vektorielle gen, Geschwindigkeiten oder Verschie gungsintensitiit HI aile in, aueh die
seismische Bewegungsintensitiit BI als bungen darin zu suchen, obwohl sie im iibrigen seismischen Kenngrossen
seismische Referenzgrosse zur inge allgemeinen nieht in eine der gemesse veriindern sich Z. T. stark. So betragt
nieurmiissigen Lastfall-Definition keine nen Achsen fallen, erscheint tatsiich die grosste Beschleunigung in der
Nachteile auftreten. Beide Kenngrossen lich als fragwiirdige Praxis. Es bestan horizontalen W37 N-Komponente
erlauben Voraussagen der elastischen den deshalb gute Griinde anzunehmen, (Bild I) neu 1.38 [g], wahrend sie in
Bauwerk-Reaktion von vergleichbarer dass Richtungen der dreidimensionalen der Literatur [13, 15] mit 1.18 [g] auf
Qualitiit. Erdbebenfunktionen bestehen, worin gefUhrt ist.
Seismik
4. Kiinstlich generierte Erdbeben Uin
DE
gerer Dauer (EB 51, ED 51) sind be 1: Horizontalrichtung 1
81
reits weitgehend nach Hauptachsen 2: Horizontalrichlung 2
ZGA
vororientiert. Das ist eine Folge des 51 3: Vertikalrichlung
V: Vekloraddilion
verwendeten Generierungsverfah GS
rens. Es unterdriickt eine allfallige
14
Korrelation zwischen den einzelnen
Komponenten der dreidimensiona 12 1\\
len Erdbebenfunktionen [18]. IJl
C,!)
5. Einzelne Beben (EBOl, EEOl, - 10
EE 51) besitzen in der Horizontale IJl / \1/ i I
oct i!
tbuenngee kne (isn. eT raaugshgeeiptsraeglltiepns oHidaeu, p[2tr])i.c h CN,! ) 8 ;" \. '1.,1 / \ Iiiil
udUCananstltseie frdrossiureunc ciHhhata ueuinnnpg SteBatncae hrrakksnbee neledb-yOee rnrh i Uaeiinbbnteeiivnre e rdurgisneeiz gtyeg di agonetr f, ··w(0Xl 64 ~\ ~; f\. I'-. / J;: lAIr~ "~ ~ ~Ii, , // \,\\1. [I/ ;--~\ \ .\ VI.i ! " I
zbel eibBte [b16e nbdisa u1e8r]. weitgehend konstant 2 t,' .'.\ v/: 1~-" R'. V - ~ .. ".. .' .. " / '. .. .. / :;:--~ ~ ~
123V123V123V123V123V123V123V123V
Aus den Resultaten darf gefolgert wer
EA 01 EA 51 EB 01 EB 51 ED 01 ED 51 EE 01 EE 51
den: Absolute Werle (m - s)
- Starkbeben besitzen Hauptachsen
der seismischen Bodenbewegung, die 160
im allgemeinen nicht mit den Auf I I I
zeichnungsachsen der Messstation Cr"Il 140 _.
!
zusammenfallen. i
I
- Starkbeben sollten nach ihren 120 J
I
Hauptachsen orientiert werden, be IJl L -,..
~ 100 '-,
vstoirm dmiet wseeirsdmeins.c hen Kenngrossen be IoJctl ~. :l- (II ~ ~-1i: J~ D<.~ X\ ~ ~
NC,! ) 80 I~' ~! 1/ .: ---~ II . \ \
4g.u4n. gEsrisnatteznascihtaste n extremaler Bewe iii 60 . :r i ._.- 1 I'
·w \1 : I
Die Hauptaehsen der seismisehen Bo ·0 1.0 'I
~ ! i
denbewegung definieren Riehtungen __
extremaler Bewegungsintensitat BI. 20 II II I----. . !1 I
Urn die Sue he nach den ungiinstigsten i 1 I i i
Einfallsrichtungen der dreidimensiona 123 V 123 V 123 V 123 V 12 3 V 123 V1 23 V 12 3V
len Bemessungsbeben auf das Bauwerk EA 01 EA 51 EB 01 EB 51 ED 01 ED 51 EE 01 EE 51
zu erleichtern, wird das Koordinatensy Relalivwerte bezogen auf grosste Komponente (%)
stem nun in die Hauptaehsen gelegt. Es
ware allerdings wiinsehenswert, die ver Bild 5. Vergleich seismischer Kenngrossen fur typische. dreidimensionale USA-Starkbeben nach der
tikale Aehse konnte ihre Lage beibehal Hauptachsen-Orientierung. Grosste Beschleunigung DE, Bewegungsintensitiit Bl, zeitgewichtetergemittelter
Absolutwert ZGA, Spektralintensitiit SI, gewichteterSpektralwert GS
ten, urn einen einfaehen Bezug zum De
finitions-Koordinatensystem des Bau
werks herzustellen.
verwenden, ohne ihre vertikale Aus Dreidimensionaler Last fall, definiert
Diesem Anliegen kommt entgegen,
richtung gegeniiber der Messung zu an mit baugrundabhangigen Bemessungs
dass die vertikale Erregung mit weni
dern. Spektralformen auf Maximalwert
gen Ausnahmen deutlieh weniger in
Basis. Spektrale Richtungsfaktoren:
tensiv ausfallt als die horizontale [15].
Die Kontrolle an den verwendeten und 1:1 :2/3 1• Lastfall-Sicherheitsfaktor
fUr Hauptbelastungen: z. B. 1.4 Der
weiteren Bemessungsbeben bestatigte, 5. Definition von drei 2.
Grenzwert der Bewegungsintensitat BI
dass die so bestimmte «senkreehte»
Lastfa ll-Intensitatsstufe n von Standard be ben entspricht jenem
Hauptaehse von der eehten Vertikal
des lO-lahresbebens der betroffenen
aehse nur in einem Spezialfall (EDOI)
Die vektorielle seismische Bewegungs hochseismischen Region.
mehr als 10 Grad abweieht. Bild 6 zeigt,
intensitat BI erlaubt es schliesslich, be
wie die horizontalen Achsen bei Vorga
Typischer BI-Grenzwert fUr Kalifor
liebige Beben aller aufgefUhrten Kate
be der vertikalen Achse bestimmt wer nien: 3.0
gorien (Kap. 3.2) ingenieurmassig und
den konnen. Ihre Lage ergibt sich aus
einer ersten (kleinen) Rotation der direkt in Erdbeben-Intensitatsstufen Typische Vertreter: EE01, EE51
einzuteilen. Fiir die Bediirfnisse des in
L-Achse urn die M-Achse in die hori
tegralen baulichen Erdbebenschutzes
zontale Position L 'und einer zweiten
wurden drei lntensitiitsstufen gewiihlt.
(kleinen) Rotation der M-Achse urn die
Ihre Bedeutung wurde gegeniiber [2]
neue L'-Achse in die horizontale Posi neu wie folgt festgelegt und gilt in die 1 Bewegungsintensitiit Bl horzontale Hauptrich
tion M'. Beide Rotationen beeinflussen tung 1: horizontale Hauptrichtung 2: vertikale
die Werte BII nur wenig. Diese Technik ser Form fUr hochseismisehe Regionen: Hauptrichtung.
erlaubt es in vielen Fallen, Starkbeben Standardbeben: Bauwerke mit und
Z Die Last!a/l-Sicherheits!aktoren hiingen rom
zum Erdbeben-Sieherheitsnachweis zu ohne Schutz system Sicherheitskonzept der einzelnen Baunormen abo