Erdbebenberechnungen in der Praxis - IngWare GmbH

der
bauingenieur
Nr. 01 2011
Kein Tunnelblick
Die Schweizer Tunnelbaubranche ist sicher nicht mit
Tunnelblick unterwegs. Das Gegenteil ist der Fall.
Unsere Vorschau auf den Swisstunnel Congress
beweist dies eindeutig.
Erdbebensicherheit
In der Schweiz befassen sich Bauingenieure und
Planer intensiv mit der Erdbebengefahr.
Baulogistik
Das richtige Material zur richtigen Zeit am richtigen Ort.
Nachwuchsförderung
Wie junge Planer soziale, ökologische und wirtschaftliche
Aspekte vereinen.

der bauingenieur_April/11
ingware.ch
IngWare – bringt Dynamik in die Statik
Produkteunabhängige neutrale Beratung
Seit 18 Jahren beobachtet, testet und vergleicht bei Ingware ein Team
von Bauingenieuren den internationalen Softwaremarkt schwergewichtig
in den Bereichen Baustatik, Stahlbau, Grundbau und CAD.
Für unseren Kunden, den Bauingenieur, suchen wir ungeachtet der
Hersteller, die «Perlen» aus dem Meer von PC-Programmen. Von den
evaluierten Produkten, welche unsere hohen Anforderungskriterien
erfüllen, nehmen wir jeweils das Beste in unser Portfolio auf und bieten
dieses zu interessanten Konditionen an.
Die Hauptkriterien unserer Qualitätsprüfungen sind folgende:
���neuester Technologiestandard
���leichte Erlernbarkeit
���stetige Produkte-Weiterentwicklung
���etablierte und erfahrene Herstellerfirmen
mit internationaler Verbreitung
���faires Preis-/Leistungsverhältnis der Produkte
Software für Statik und Dynamik: AxisVM
Richti-Areal Wallisellen ZH
Wiel Arets Architects Zürich
JägerPartner AG Bauingenieure sia Zürich
Klassische (Statik/Grundbau)
und neue Technologien (Erdbeben)
IngWare ist immer am Puls der Neuzeit. Nebst der Software für klassische
Bauingenieurarbeiten bieten wir auch führende Produkte in der
Erdbebentechnologie (AxisVM, 3muri) an.
Schulung/Support
Mit unseren umfangreichen Kursangeboten bringen wir Sie immer auf
den neuesten Stand, zu Themen wie Erdbeben, 3DFEM oder
Grundbaustatik. Bei Fragen zu unseren Programmen steht Ihnen eine
kompetente, hilfsbereite Hotline zur Verfügung.
Marktpräsenz
Beratung ist keine Einbahnstrasse – Wir gehen auf Ihre Bedürfnisse ein
und pflegen eine respektvolle und persönliche Beziehung zu unseren
Kunden. Über 1000 Ingenieurbüros alleine in der Schweiz, arbeiten
mittlerweile mit Software aus unserem Haus. Dank den beliebten
Produkten wie AxisVM (3D-FEM), 3muri (Erdbeben), DC-Software
(Grundbaustatik) und weiteren Programmen aus den Bereichen Stahlbau
etc., gehört IngWare heute zu den führenden Schweizer Anbietern
mit der umfangreichsten Softwarepalette für Bauingenieure.
IngWare GmbH · 8703 Erlenbach · fon 044 910 34 34
www.ingware.ch ·info@ingware.ch
Mit dem Besten rechnen
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Software AxisVM – Wohn-/Geschäftshaus Wetzikon, Linsi + Deubelbeiss, Pfäffikon
Erdbebenberechnungen
in der Praxis
Seit der Einführung der Normenserie SIA 26x wird der Erdbebengefährdung von Bauwerken in der
Schweiz vermehrt eine grosse Bedeutung zugemessen – nicht nur von Ingenieuren, sondern auch
von Architekten und Bauherren. Zur rechnerischen Berücksichtigung von Erdbebeneinwirkungen
stehen dem Ingenieur verschiedene Verfahren zur Verfügung, alle mit ihren Besonderheiten, Vor-
und Nachteilen.
Text: Daniel Gass // Fotos: zvg.
Die Ertüchtigung von Gebäuden bezüglich
Erdbeben beinhaltet neben der eigentlichen
Erdbebenberechnung auch die entsprechende
Ausbildung konstruktiver Details,
die Sicherung nichttragender Bauteile und
die Kontrolle der Ausführung. Nur durch das
Zusammenspiel dieser Faktoren kann ein
optimales Ergebnis – ein erdbebensicheres
Bauwerk – erreicht werden.
Genauigkeit und Aufwand
Jeder Erdbebenberechnung liegt eine gewisse
Unsicherheit bezüglich der Erdbebeneinwirkung
zugrunde. Mit geeigneten Berechnungsverfahren
lässt sich das Verhalten
von Tragstrukturen im Erdbebenfall bzw. die
Erdbebensicherheit von Bauwerken jedoch
relativ gut beurteilen. Der Ingenieur kann
heute auf verschiedene Verfahren zur Erdbebenberechnung
zurückgreifen. Dabei gilt – je
genauer das Verfahren, desto grösser der
Rechenaufwand. Für eine Aufwandoptimierung
ist deshalb die Wahl des Berechnungsverfahrens
von entscheidender Bedeutung.
Dynamische Berechnung
Ein Berechnungsverfahren stellt immer eine
mathematisch erfassbare Vereinfachung
der Wirklichkeit dar. Das Zeitverlaufsverfahren
– engl. TimeHistory-Analysis – nimmt die
geringsten Vereinfachungen vor. Dabei wird
eine echte dynamische Berechnung unter
Annahme einer zeitabhängigen Erdbebeneinwirkung
– z.B. Beschleunigungsverlauf
– durchgeführt. Dynamische Berechnungen
sind äusserst zeitintensiv, sodass bei der
Anwendung dieses Verfahrens eine Handrechnung
nicht mehr möglich ist. Obwohl
verbreitete Programme wie AxisVM dynamische
Berechnungen erlauben, ist eine Zeitverlaufsberechnung
im Vergleich zu anderen
Verfahren sehr arbeitsintensiv. Es erfordert
ein fundiertes Fachwissen, nicht zuletzt deshalb,
weil die Norm SIA 261 keine Angaben
über dieses Verfahren macht.
Kraftbasierte Verfahren
Kraftbasierte Verfahren – wie die Ersatzkraft-
Methode und das Antwortspektren-Verfahren
– stellen die am häufi gsten eingesetzen
Erdbeben-Berechnungsverfahren dar. Sie
beruhen auf der Einführung von statischen
Erdbeben-Ersatzlasten. Bei diesen Verfahren
werden die Effekte der Erdbebeneinwirkung
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Software AxisVM – Kurhaus Oberwaid, Grünenfelder + Lorenz AG St.Gallen
in einer einzigen statischen Berechnung berücksichtigt.
Die Ersatzkraft-Methode stellt
das einzige Verfahren dar, welches sich im
Rahmen einer Handrechnung wirtschaftlich
auf reale Gebäude anwenden lässt. Obwohl
sie einen sehr einfachen und in den meisten
Fällen auch sehr konservativen Ansatz zur
Erdbebenberechnung darstellt, ist sie für einige
Anwendungen dennoch von grossem
Nutzen. Das Antwortspektren-Verfahren
verwendet als Grundlage eine Berechnung
mehrerer Eigenschwingungen. Dadurch
kann das Schwingungsverhalten des Gebäudes
detaillierter berücksichtigt werden.
Das Antwortspektren-Verfahren ist weniger
konservativ als die Ersatzkraft-Methode, erfordert
aber einen Rechenaufwand, welcher
nur noch durch den Einsatz von Software –
wie AxisVM – bewältigt werden kann. Die
Berechnung der Eigenschwingungen und
Erdbeben-Ersatzlasten erfolgt dabei nahezu
automatisch, jedoch ist die Überprüfbarkeit
der Ergebnisse gegenüber der Ersatzkraft-
Methode stark eingeschränkt. Eine Plausibilisierung
kann oft nur qualitativ anhand
von Erfahrungswerten erfolgen.
Verformungsbasierte Verfahren
Beim Ansatz von konstanten statischen
Ersatzlasten im Rahmen von kraftbasierten
Verfahren entfällt die Möglichkeit Schnitt-
Software AxisVM – Wohn-/Geschäftshaus Wetzikon, Linsi + Deubelbeiss, Pfäffikon
kraftumlagerungen infolge Plastifi zierung
bzw. Versagen einzelner Bauteile zu berücksichtigen.
Verformungsbasierte Berechnungsverfahren
ermitteln die Grösse
der Erdbebenlast für eine stetig gesteigerte
Verformung. Damit wird ein Zusammenhang
zwischen der aufgebrachten Horizontallast
und der Verformung hergestellt. Dieser kann
dann grafi sch als Kapazitätskurve dargestellt
werden. Die Beurteilung der Erdbebensicherheit
erfolgt durch den Vergleich des
Verschiebungsvermögens – der maximal
möglichen Verformung des Gebäudes ohne
Teileinsturz – und der Zielverschiebung –
engl. PerformancePoint. Die Berechnung
der Zielverschiebung erfolgt nach SIA 2018
und stellt die Anforderung der Norm an die
Erdbebensicherheit bei verformungsbasierten
Verfahren dar. Das PushOver-Verfahren
ist das am häufi gsten angewendete verformungsbasierte
Verfahren. Es basiert auf einer
Serie von statischen Berechnungen für
jeden untersuchten Verformungszustand.
Dieses Verfahren ist infolge des hohen Rechenaufwands
nur noch mit entsprechender
Software anwendbar. Programme wie 3muri
sind in der Lage, PushOver-Berechnungen
schnell und zuverlässig durchzuführen, und
ermöglichen dem Ingenieur eine effi ziente
Beurteilung der Erdbebensicherheit von
Gebäuden.
Berechnungsmodelle
Je nach eingesetztem Berechnungsverfahren
werden unterschiedliche Berechnungsmodelle
verwendet. Die Bandbreite reicht
von einfachen Mehrmassenschwingern
über Stab- und Rahmenstrukturen bis hin
zu detaillierten räumlichen Gebäudemodellen.
Je nach Verfahren eignen sich diese
Modelle unterschiedlich gut. Dabei gilt der
Grundsatz, dass ein Modell mit geringeren
Vereinfachungen generell zu realitätsnaheren
Ergebnissen führt.
Kombination aus Modell und Verfahren
Für die Erdbebenberechnung stehen dem
Ingenieur diverse Verfahren und Modelle
zur Verfügung. Eine wichtige Aufgabe
besteht darin, die geeignete Kombination
aus Modell und Verfahren für das jeweilige
Projekt zu wählen. Die Erdbebensicherheit
wird letztlich durch die Umsetzung der entsprechenden
Massnahmen sichergestellt.
Die Berechnung legt lediglich die Ausgangslage
fest, auf welcher die Planung
der Massnahmen zur Sicherstellung der
Erdbebensicherheit beruht. ■
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