Wie können Sie sich gegen Erdbeben absichern?

In unserer Beitragsreihe Naturkatastrophen – wie können Sie sich absichern, schauen wir uns im heutigen Beitrag das Thema Erdbeben genauer an.

Jüngstes schweres Erdbeben in Südkalifornien

Am 6. Juli 2019, 9:02 Uhr kam es in Kalifornien zu einem der letzten Erdbeben der jüngeren Zeit. Das Beben erreichte eine Stärke von 7,1 und war bis Las Vegas zu spüren.
Das Epizentrum lag 17 Kilometer nordöstlich der Kleinstadt Ridgecrest und etwa 200 Kilometer nordöstlich von Los Angeles. Bereits Tage zuvor hatte es in derselben Region ein Erdbeben der Stärke 6,4 gegeben.
Es war das stärkste Erdbeben in der Region der vergangenen 20 Jahre. Tote oder Schwerverletzte gab es glücklicherweise keine, es kam aber zu starken Schwankungen der Gebäude und zum Ausbruch mehrerer Feuer.
Vergleicht man Berichterstattungen zu Erdbeben der gleichen Stärke in Entwicklungsländern, sind die Schäden und die Opferzahlen erheblich höher.
Dies zeigt, dass man Erdbeben nicht willkürlich ausgeliefert ist, sondern durch geeignete Maßnahmen erdbebensicherer bauen kann.

Aber der Reihe nach.

Wie kommt es zu Erdbeben?

Erdbeben entstehen durch Spannungen in der Erdkruste, die sich plötzlich lösen. Diese Spannungen treten insbesondere an Stellen auf, an denen Kontinentalplatten aufeinandertreffen. So auch in Kalifornien im obigen Beispiel.
Demzufolge gibt es Gebiete, die erdbebengefährdeter sind als andere.

Abbildung 1 zeigt die Erdbebenhäufigkeit seit 1973. Deutlich sind hier die Grenzen der Kontinentalplatten zu sehen.

Abbildung 1: Erdbebenhäufigkeit seit 1973

Dementsprechend lässt sich die Erde in Erdbebengefährdungszonen einteilen. Die nachstehende Abbildung zeigt die Zonen für Europa.

Abbildung 2: Erdbebenzonen Europa

Der Verlauf eines Erdbebens bzw. von Erdbebenstößen ist ähnlich. Je näher man sich am Epizentrum (über dem Erdbebenherd liegendes Gebiet der Erdoberfläche) befindet, desto höher sind die auftretenden Beschleunigungen.

Der schematische Verlauf der Beschleunigungen über der Periodendauer ist in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3: Zeitlicher Verlauf eines Erdbebens

Die Bodenbeschaffung eines Standorts spielt ebenfalls eine Rolle. Felsiger Untergrund leitet die Beschleunigungen härter und direkter weiter als ein lehmiger Untergrund.

Berechnungsverfahren

Ursprünglich stammen die Berechnungsverfahren, um das Verhalten von Gebäuden und Maschinen bei Erdbeben zu analysieren, aus dem Baubereich. Hierbei werden häufig vereinfacht quasistatische Beschleunigungen angesetzt. Dynamische Effekte, wie z.B. die Erregung von Eigenfrequenzen, können dabei jedoch nicht berücksichtigt werden. Konservativ werden diese Effekte durch zusätzliche Überhöhungsfaktoren abgebildet, was zu teils stark konservativen Ergebnissen führt.

Eine Übertragung dieser Verfahren auf komplexe Maschinen und Anlagen ist nicht besonders genau, da das Schwingungsverhalten über eine statische Analyse nicht genau abgebildet werden kann. Aber wie so oft, ist es wichtig, dass man solche Berechnungen einfach nachrechnen und prüfen kann, weniger, wie genau das Ergebnis in Realität ist.

Daher lassen die verschiedensten Normen diese vereinfachten Berechnungen unter bestimmten Voraussetzungen zu.

Auf der anderen Seite ist eine dynamische Berechnung im Zeitbereich, bei der die Erregung des Bodens zugrunde gelegt wird, zu komplex. Zumal die genaue Funktion der Bewegung des Untergrundes als Funktion der Zeit nicht genau bekannt ist.

Eine sinnvolle Lösung mit vertretbarem Aufwand ist eine sogenannte Antwortspektrumanalyse, bei der die Beschleunigungsamplitude über der Frequenz bzw. Periodendauer angesetzt wird und die Antwort der Struktur aus konservativen Überlagerungen der einzelnen Schwingungsformen besteht.

Bei der Beurteilung von Bauteilen in Flugzeugen, Schiffen, Lastwagen oder militärischen Fahrzeugen unter Vibration gehen wir am Rande gesagt, rechnerisch ähnlich vor.

Wie können Sie sich gegen Erdbeben absichern?

Merkle und Partner setzt alle gängigen Verfahren zur Absicherung gegen Erdbeben, je nach Wunsch unserer Kunden, ein. Die Nachweise können nach allen gängigen Erdbebencodes (Eurocode, IBC, ASCE, SIA, GOST, NSCP, ASME, RCC-M, KTA u.a.) von uns geführt werden.
Dabei wird unterschieden, ob eine Anlage nur stehen bleiben sollte oder ob die Funktion auch nach oder sogar während des Erdbebens gewährleistet sein muss.
Bei Primärpumpen ASME Section III Class 1 von Kernreaktoren muss z.B. sichergestellt sein, dass die Pumpen auch während einem Erdbeben funktionieren, da sonst die Gefahr einer Kernschmelze besteht.

Eines der spannendsten Projekte war die Auslegung und Nachweisführung für ein HV-Deck und eine HV-Bushing für den Fusionsreaktor ITER in Italien, der in einigen Jahrzehnten saubere Energie erzeugen soll ohne strahlenden Abfall zu produzieren.

Wie Sie sehen, haben wir weitreichende Erfahrungen, um gemeinsam mit unseren Kunden entsprechende Nachweise speziell zugeschnitten zu führen.

Schützt eine Berechnung vor Erdbeben?

Nein, natürlich nicht. Es ist nur eine Frage der Stärke des Erdbebens, wann eine noch so gut ausgelegte Anlage zusammenbricht. Aber genauso, wie die Wahrscheinlichkeit eines Jahrhundertbebens sinkt, wird das Risiko kleiner, dass Gebäude oder Anlagen schon bei kleineren Erdbeben, die vergleichsweise wahrscheinlicher sind, zusammenbrechen.

Wir helfen Ihnen, erdbebenkritische Bereiche Ihrer Gebäude, Anlagen und Bauteilen zu identifizieren und zu optimieren.
Fordern auch Ihre Kunden für Ihre Anlagen entsprechende Nachweise bzw. Absicherungen im Erdbebenfall?
Sprechen Sie uns an. Wir zeigen Ihnen, wie wir Sie kompetent und effizient unterstützen können.

Ansprechpartner zu diesen Themen ist Dr. Maik Brehm, Tel. +49-(0)7321-9343-137. Er freut sich auf Ihren Anruf.

Ihr Stefan Merkle

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