Reduzierung von Erdbebenschäden –

eine Herausforderung für Geo- und Ingenieurwissenschaften

 

F. Wenzel, Karlsruhe

 

Einleitung

 

Das letzte Drittel des Jahres 1999 war durch eine Reihe spektakulärer Schadensbeben gekennzeichnet, aus denen jeweils ver-schiedene wichtige Lektionen zu lernen sind. Am 17. August kamen nach offiziellen Angaben 20.000 Menschen in der Region Izmit (Türkei) in einem Beben der Momentenmagnitude Mw = 7.4 um; am 22. August wurden 140 Menschen Opfer eines mittelschweren Ereignisses nördlich von Athen (Mw = 5.9); am 20. September wurde Taiwan von einem Mw = 7.6 Beben erschüttert, dabei starben 3.400 Menschen. Die entstandenen direkten Schäden wurden von der Schweizer Rückversicherung (Swiss Re, sigma no. 2/2000) mit US$ 20 Milliarden (Türkei), 14 Milliarden (Taiwan) und 150 Millionen (Griechenland) geschätzt.

 

Die Statistik der Erdbeben und ihrer Schäden zeigt trotz dieser erschreckenden Zahlen, dass das Jahr 1999 nicht außergewöhnlich war. Im Mittel ereignen sich global 15 bis 18 Beben mit Magnituden größer als 7.0. Die durchschnittliche Zahl von Todesfällen liegt bei 17.000 pro Jahr und das tödlichste Erdbeben der letzten Dekade des vergangenen Jahrhunderts war das Rudbar-Manji Ereignis im Iran am 21. Juni 1990 mit 50.000 Toten.

 

Detaillierte Analysen dieser Beben, die aufgetretenen Schäden und die zu ziehenden Konsequenzen sind noch Gegenstand aktueller Forschung. Ich möchte aber, ohne einer abschließenden Wertung vorzugreifen, folgende Fakten in Erinnerung rufen:

 

Diese Ereignisse haben die Mitarbeiter des SFB 461 ‘Starkbeben – Von geowissen-schaftlichen Grundlagen zu Ingenieur-wissenschaften‘ in ihrer Auffassung bestärkt, dass Schadensreduzierung als komplexer Prozess verstanden werden muss, der nur mit hoher Interdisziplinarität erfolgreich ange-gangen werden kann (Wenzel, 1997). Herausforderungen an die Forschung und Entwicklung sind dabei vielfältig, können aber in drei Felder gruppiert werden: Verbesserung der Gefährdungsabschätzung, Schadens-minderung und Katastrophenmanagement (Wenzel et al., 1998).

 

Verbesserung der Gefährdungsabschätzung

 

Die Gefährdungsabschätzung von Erdbeben erfordert die Angabe eines Parameters der möglichen Bodenbewegung an einem gegebenen Ort bzw. flächenhaft. Dieser Parameter ist in der Praxis die maximale horizontale Bodenbeschleunigung (peak ground acceleration, PGA), die makro-seismische Intensität oder frequenzabhängige Werte des Beschleunigungsantwortspektrums. Mit PGA lassen sich die statischen Kräfte auf ein Bauwerk abschätzen. Intensität ist das bekannte mit der Europäischen Makro-seismischen Skala (Grünthal, 1998) perfektionierte empirische Schadens- und Erschütterungsmaß von I bis XII. Die spektralen Werte beschreiben dynamisch, welche Beschleunigungen auf ein Gebäude wirken, das eine bestimmte Eigenfrequenz besitzt.

 

Die einfachste Methode der Gefährdungs-abschätzung besteht darin, eine Karte zu zeichnen, die an jedem Ort die maximale historisch jemals beobachtete Intensität enthält. Dieses Herangehen ist deterministisch. Alternativ kann man auf der Basis der historischen Kataloge der Seismizität be-rechnen, mit welcher jährlichen Wahr-scheinlichkeit an einem Ort eine bestimmte Intensität (oder PGA) erreicht oder überschritten wird.

 

Unter der Annahme, dass das Auftreten von Beben in der Zeit einer Poisson-Verteilung genügt, lassen sich durchschnittliche Wiederholungsraten für Ereignisse mit gegebener Intensität berechnen. Dies ist die Methode, die heute weltweiter Standard ist (Giardini et al., 2000). Es liegt auf der Hand, dass es darauf ankommt, in zukünftigen Gefährdungsabschätzungen drei Faktoren einzubeziehen:

 

 

Im Fall der rumänischen mitteltiefen Beben unternimmt der SFB 461 den Versuch, durch das Verständnis der Geodynamik der Region Randbedingungen für die Gefährdungs-abschätzung zu definieren:

 

Starke Erdbeben stellen eine erhebliche Bedrohung für die rumänische Hauptstadt Bukarest dar. Statistisch betrachtet besteht eine 50%ige Wahrscheinlichkeit eines Bebens der Magnitude M = 7.6 innerhalb von 50 Jahren. Innerhalb der vergangenen 60 Jahre ereigneten sich unterhalb der sogenannten Vrancea Region in 130 km Entfernung von Bukarest vier starke Erdbeben (Oncescu und Bonjer, 1997): 10. November 1940 (M = 7.7, 160 km Tiefe); 4. März 1977 (M = 7.5, 100 km Tiefe); 30. August 1986 (M = 7.2, 140 km Tiefe); 30. Mai 1990 (M = 6.9, 80 km Tiefe). Das Ereignis von 1977 hatte katastrophale Auswirkungen mit 1500 Toten in Bukarest. Abbildung 1 zeigt die Verteilung der krustalen und mitteltiefen Beben Rumäniens.

 

Da das Gros der seismischen Gefährdung Rumäniens auf den mitteltiefen (70 bis 200 km) Vrancea-Beben beruht, sind die Prozeßbedingungen im oberen Erdmantel von erheblicher Bedeutung und sind Gegenstand interdisziplinärer Arbeiten (Sandulescu, 1988). In Tiefen bis 70 km wird nur geringe Bebentätigkeit mit kleinen Magnituden verzeichnet. Üblicherweise nimmt man daher an, dass es keine starken Beben in den obersten 70 km der Erde geben kann. Diese Hypothese spielt für die seismische Gefährdung eine wichtige Rolle, weil die Wirkung von Beben an der Oberfläche mit zunehmender Herdtiefe immer geringer wird. Als Faustregel gilt für die Beschleunigungswerte in Bukarest, daß eine Zunahme der Magnitude um 0.5 durch Tieferlegen dieses Bebens um 50 km ausgeglichen wird. Anders ausgedrückt: Ein Beben der Magnitude 7.0 im obersten Mantel hat etwa die gleiche Wirkung

auf Bukarest wie ein Beben der Magnitude 8.0, das sich in 170 km Tiefe ereignet.

 

Die geringe Seismizität bis in 70 km Tiefe kann sich ohne ein zuverlässiges Modell der Geodynamik und der stofflichen Verhältnisse als trügerisch herausstellen.

Abb. 1: Schematische Darstellung der rumänischen Sesimizität des letzten Jahrhunderts. Die krustalen Erdbeben ereignen sich räumlich verteilt, während sich die mitteltiefen Beben in einem kleinen Volumen konzentrieren.

 

Schließlich nimmt man an aktiven Subduktionszonen das Vorhandensein seismischer Ruhe über eine längere Zeit als Indikator für ein bevorstehendes Starkbeben (Seismic Gap Theory) an. Umgekehrt kann die in 120 km Tiefe lokalisierte seismische Lücke nur dann als wahrscheinlicher Ort des nächsten Starkbebens gedeutet werden, wenn die geodynamischen Verhältnisse unter Vrancea mit dem Verhalten einer aktiven Subduktionszone vergleichbar sind. Dies ist aber nicht ohne weiteres evident, da die Plattenkonvergenz bei der kontinentalen Kollision vor ca. 9 Mio. Jahren stark abgebremst wurde bzw. zum Stillstand kam (Sperner et al., 1997).

Schadensminderung durch bauliche Mass-nahmen

 

Im Bereich der Schadensminderung durch bauliche Maßnahmen arbeitet der SFB 461 (federführend ist das Institut für Massivbau und Baustofftechnologie der Universität Karlsruhe, Prof. Dr. J. Eibl) an der Entwicklung von kostensparenden Ver-stärkungen für Bauwerke mit modernen Werkstoffen. Verstärkt werden Wände aus Beton, Stahlbeton, Mauerwerk sowie Balken durch aufgeklebte, mit kohlefaserverstärkten (CFK) bzw. glasfaserverstärkten (GFK) Kunststoffmatten und Lamellen. Diese Verstärkungen bedürfen kaum besonderer Geräte zur Montage und sind wegen des geringen Gewichts der verwendeten Materialien optimal handhabbar und schnell auszuführen. Bezüglich des erzielbaren Traglastgewinns sind diese Materialien außerdem extrem leistungsfähig. Während übliche Verfahren zur Sanierung bzw. Verstärkung mit nachträglich eingefügten Stahlträgern, Fachwerken und Stützen zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Bewohner während der Reparatur und zu einer nur mehr beschränkten Nutzung der Bausubstanz führen, vermeidet dieses Verfahren derartige Nachteile.

 

Bei zu ertüchtigenden Mauerwerkscheiben, resp. Stahlbetonwänden erfolgt das Aufbringen der Matten auf einen mit Kunststoff-Voranstrich geglätteten Untergrund. Entscheidend ist für die geforderte dynamische Tragfähigkeit der verstärkten Konstruktion eine entsprechende Verankerung dieser Elemente, die, wie alle Versuche zeigen, als noch nicht befriedigend geklärt bezeichnet werden muß und weiter zu entwickeln ist. Dieses Verfahren soll bei Sanierung von beschädigten Baustrukturen in-situ erprobt werden. An einem Gebäude in Bukarest sind Messungen zur Systemidentifikation, d.h. vor allem die Erfassung der entsprechenden Eigenfrequenzen des geschädigten Bauwerks vor und nach der Sanierung vorgesehen. Ebenso erfolgt dort die Registrierung der im Falle eines Erdbebens tatsächlich auf-getretenen Beanspruchungen. Zeitlich parallel sollen im Labor experimentelle Untersuchung durchgeführt werden. Abbildung 2 skizziert die Grundidee der Bauwerksverstärkung durch Glasfasermatten.

Abb. 2: Glasfasermatten werden auf beiden Seiten des Mauerwerks aufgebracht, so dass sie mit dem Stahlbetonrahmen und dem Ziegelwerk mittels einer Epoxitschicht fest verklebt sind. Damit steigt die Steifigkeit gegenüber Scherbewegungen.

Ein weiteres Arbeitsgebiet der Ingenieure bezieht sich auf einen Leistungstest der sogenannten seismischen Isolatoren (Eibl, 1998). Zum Entwurf eines erdbebensicheren Bauwerks benötigt der Ingenieur zunächst eine möglichst zutreffende Information über das zu erwartende Erdbeben, d.h. über die dynamischen Einwirkungen am Grundgebirge. Den nächsten Schritt stellt dann die Konzeption des Bauwerks dar. Hier sind generell zwei Ansätze möglich:

  1. Das Tragwerk wird steif ausgebildet, um die aus dem Erdbeben resultierenden Zusatzbeanspruchungen sicher aufnehmen zu können. Das Tragwerk bleibt hierbei nur gering deformiert.
  2. Es werden Verformungen am Tragwerk zugelassen, was zu einer Reduktion der auftretenden Kräfte führt. Allerdings sind diesen Verformungen Grenzen gesetzt, da diese ihrerseits wieder zu Zusatz-beanspruchungen führen können. Probleme bereiten z.B. die in ihrer Anzahl zunehmenden Leitungsanschlüsse an Gebäuden. Sie sind der Gefahr ausgesetzt, zu reißen, was z.B. bei Gasleitungen zu Brandkatastrophen nach Erdbeben geführt hat. Alternativ dazu steht die seismische Isolierung von Bauwerken ,

 

Abb. 3: Konstruktionszeichnungen des mit Elastomerlagern isolierten Bauwerks der ‘Multidiscipilnary Seismic Test Site’ in Bukarest. 100 Tonnen ruhen auf den Elastomerlagern, die das Gebäude von den Bewegungen des Untergrundes isolieren sollen.

die derzeit eine weite Verbreitung erfährt. Durch die Isolierung wird die Eigenschwingzeit des Bauwerks hin zu größeren Schwingzeiten von einer Sekunde oder mehr verschoben. In diesem Periodenbereich wirken bei den meisten Erdbeben nur noch geringe Beschleunigungen auf das Bauwerk. Daher kommt der Lagerung mittels Elastomerlagern größte Bedeutung zu. Das positiv dynamische Verhalten hängt dabei entscheidend von folgenden Eigenschaften ab:

 

Bei Erdbeben, die auch bei relativ großen Schwingzeiten noch hohe Beschleunigungs-werte aufweisen, muss steif konstruiert werden. Das gleiche gilt, wenn große Verschiebungen zu vermeiden sind, zum Beispiel weil Zuflussleitungen bei Kraftwerken und Industrieanlagen diese nicht erlauben. Daher interessieren den konstruierenden Ingenieur die Einwirkungen am Grundgebirge und deren Weiterleitung bis zur Bauwerksohle, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme von Isolationsmaßnahmen.

Am 11. Juni 1999 wurde die 'Multidisciplinary Seismic Test Site' des SFB 461 'Starkbeben: Von geowissenschaftlichen Grundlagen zu Ingenieurmaßnahmen' offiziell in Bukarest eingeweiht. Die Versuchsanordnung besteht aus einem Betonfundament (72 Tonnen), auf dem eine 100 Tonnen schwere steife Stahlbetonkonstruktion auf 3 Elastometer-lagern gelagert ist. Das Fundament, der Aufbau und die Umgebung des Bauwerks sind mit empfindlichen Beschleunigungsmessern instrumentiert. Zwei Instrumente befinden sich in Bohrlöchern von je 30 m und 200 m Tiefe. Wenn die Erde bebt, registrieren diese Instrumente die Bewegung der Erde, des Fundaments und des Aufbaus. Der experimentelle Aufbau (Abb. 3) befindet sich auf dem Gelände des rumänischen Instituts für Gebäudeforschung (INCERC).

Ein Hauptziel des Versuchsaufbaus besteht in der Verifizierung der hochgradig nichtlinearen Stoffgesetze für die Definition der Elastometerlager und des Baugrunds.

 

Sie werden am Institut für Massivbau und Baustofftechnologie entwickelt, mit auf-wendigen Rechenmethoden (sog. Finiten Elemente Rechnungen, Abb. 4) realisiert und können unter gut kontrollierten Versuchs-bedingungen mit experimentellen Daten verglichen werden. Da die Bodenparameter der 'Multidisciplinary Seismic Test Site' aus Bohrungen sehr gut bekannt sind, liegt mit dem Testgelände INCERC ein einmaliger Versuchsaufbau vor.

 

Abb. 4: Unterteilung des Baugrundes der ‘Multidiscipilnary Seismic Test Site’ in Bukarest in Finite Elemente. Das dynamische Verhalten des Bauwerks wird mit dem Modell des Untergrundes mit den entsprechenden Stoffgesetzen simuliert und mit Beobachtungen verglichen. Längenangaben in Meter.

 

Die durch ein Erdbeben erzeugten Bodenbewegungen werden im Freifeld, d.h. ohne den Einfluss der Bauwerke registriert. Diese Signale werden in die Computer-Algorithmen 'gefüttert' und die Bewegungen im Gebäude berechnet. Über die Beobachtungen der Bewegungen ergibt sich dann der Vergleich mit der Realität.

Ein erstes Beben der Magnitude 5.7 konnte bereits mit der Versuchseinrichtung registriert werden.

Katastrophenmanagement

 

Der SFB 461 engagiert sich zur Zeit in mehreren Feldern, die dem Katastrophen-management zugerechnet werden können. Von besonderer Bedeutung ist ein Projekt, das nur interdisziplinär realisierbar ist: Die Be-rechnung realistischer Schadensszenarien für (Teile von) Bukarest. Die gesamte Wirkungskette vom Beben bis zu den einstürzenden Gebäuden, den entstehenden Schäden und menschlichen Opfern wird quantitativ geknüpft: Für ein bestimmtes Beben, das z. B. einer mittleren Wieder-holungsrate von 100 Jahren entspricht, wird die Bodenbewegung (mittels spektraler Werte der Beschleunigung) in Bukarest progno-stiziert. Weil die Bebenherde ca. 150 km entfernt sind, ist das im konsolidierten Gestein unter der Stadt ankommende Signal praktisch überall gleich, wird dann aber signifikant durch den Baugrund modifiziert. Diese sogenannten Standorteffekte können durchaus den Faktor 5 oder mehr ausmachen. Die flächenhafte Quantifizierung des Untergrunds, seiner geologischen und geotechnischen Parameter ist also kritisch für eine gute Prognose der Verteilung der Erschütterungen. Sie ist das Ergebnis der Zusammenarbeit von Seismologie, Geologie und Ingenieurgeologie. Federführend ist hierbei das Institut für Maschinenwesen im Baubetrieb (Prof. F. Gehbauer).

 

Um die Aufgabe überschaubar zu halten, wurde ein mehrere Quadratkilometer großes Gebiet der Innenstadt gewählt, in dem die Bauten aufgenommen und klassifiziert werden. Die wesentlichen Parameter, die die Baudynamik bestimmen, sind (1) die Eigenperiode eines Gebäudes, solange es linear schwingt, (2) die Last, über der es sich nicht-linear irreversibel verformt, sowie (3) die Duktilität, die die plastische Verformung des Gebäudes beschreibt, die es erleiden kann, ohne zu kollabieren.

 

Schäden am Bauwerk entstehen nur, wenn der lineare Bereich der Deformation verlassen wird. Mit obigen Parametern gewinnt man eine Kapazitätskurve, die das mechanische (lineare und nicht-lineare) Verhalten des Bauwerks charakterisiert. Dieses wird mit der Lastkurve des Erdbebens, dem sog. Antwortspektrum 'geschnitten'. Das resultierende Ausmaß der plastischen Verformung des Baus bestimmt dann die Schadenskategorie, in die das Gebäude eingeordnet wird.

 

Schadensszenarien dienen der Quantifizierung des potenziellen Schadens, der Quantifizierung der zur Schadensminderung nötigen Ressourcen, als Maß für die Effizienz von vorbeugenden Maßnahmen, als Ent-scheidungswerkzeug für Prioritäten bei Vorbeugungsmaßnahmen, als Maß für die Änderung des Risikos mit der Zeit und der schnellen Schadensprojektion nach einem Beben.

 

Weitere innovative Techniken der Schadensminderung, die im SFB entwickelt werden, sind:

 

 

Abb. 5: Schema eines Erdbebenfrühwarnsystems für Bukarest, basierend auf dem Unterschied zwischen der Laufzeit der P-Wellen zur Epizentralstation und der Laufzeit der schadensbewirkenden S-Wellen nach Bukarest. Der Unterschied beträgt etwa 30 Sekunden.

 

Schlussgedanken

 

Die Reduzierung von Katastrophenschäden ist mit Sicherheit eine der großen Heraus-forderungen der nächsten Jahrzehnte, bei der die Geowissenschaften eine wichtige Rolle spielen werden.

 

Die Hauptbotschaft nach 10 Jahren IDNDR lautet, dass eine nachhaltige Katastrophen-vorsorge die heute vorwiegend praktizierte Hilfe nach dem Beben nicht nur begleiten, sondern zum eigentlichen Kern des Katastrophenmanagements werden muss. Heute wendet die Weltbank ca. 20% ihrer Darlehen für Entwicklungsländer aus-schließlich dafür auf, durch Naturkatastrophen entstandene Schäden zu beheben, d.h. mit 20% aller Mittel wird keinerlei Fortschritt erzielt, sondern nur der Status Quo erhalten. Die steigenden Bevölkerungszahlen und die wachsende Vulnerabilität werden diesen Prozentsatz zwangsläufig erhöhen, wenn nicht bald vorbeugend gegengesteuert wird.

 

Wachsende Vulnerabilität ist aber nicht nur ein Problem der Entwicklungsländer, sondern muss ebenso in modernen Industriestaaten konstatiert werden. Nach einer jüngeren Studie der Universität Princeton ist in den U.S.A. die Verletzlichkeit für tropische Wirbelstürme und Erdbeben allein dadurch signifikant angestiegen, dass die betroffenen Regionen einen erheblichen Zuwachs an Bevölkerung und wirtschaftlichem Potenzial erlebt haben. In den von Wirbelstürmen bedrohten Staaten Florida, Maryland, North Carolina und Texas stiegen die Bevölkerung seit 1970 um ca. 50%, und die Einkünfte aus wirtschaftlicher Tätigkeit um nahezu das Dreifache. Für die erdbebengefährdeten Staaten Kalifornien und Washington liegen die entsprechenden Zahlen bei 80% Bevölkerungswachstum und dem zweieinhalbfachen Einkommen.

 

Bei allen Anstrengungen mittels wissen-schaftlicher und technischer Fortschritte, Auswirkungen von Katastrophen zu mindern, muss klar bleiben, dass dieser Teil der Anstrengungen nur dann sinnvoll ist, wenn das vorhandene Wissen umgesetzt wird, die Einhaltung von Bauregeln erzwungen wird, und die Fähigkeiten und Möglichkeiten der Menschen an den Orten, an denen Katastrophen stattfinden, gestärkt werden. Dies sind politische Aufgaben, die von der Wissenschaft immer wieder angemahnt werden müssen.

 

Literatur

 

Giardini D., Grünthal G., Shedlock K., Zhang P., 2000. The GSHAP Global Seismic Hazard Map, http://seismo.ethz.ch/GSHAP/global/global.html.

 

Grünthal, G. (ed), 1998. European Macroseismic Scale 1998 EMS-98. European Seismological Commission, Subcommission on Engineering Seismology, Working Group Macroseismic Scales, Luxembourg.

 

Oncescu, M.C., Bonjer, K.-P., 1997. A note on the depth recurrence and strain release of large Vrancea earthquakes. Tectonophysics, 272, 2-4, 291-302.

 

Sandulescu, M., 1988. Cenozoic tectonic history of the Carpathians. In: The Pannonian Basin, L.H. Royden and F. Horvath (eds.), AAPG Mem. 45, 17-25.

 

Sperner, B., Zweigel, P., Moser, F., Girbacea, R., 1997. The Neogene tectonic evolution of the Carpathian arc. Terra Abstracts, 9, 1, 152.

 

Van der Vink, G., 1998. Why the United States is becoming more vulnerable to natural Disaters. EOS Transactions American Geophysikal Union, Vol.79 (44), 534-537.

 

Wenzel, F., 1997. Strong Earthquakes: A Challenge for Geosciences and Civil Engineering - A New Collaborative Research Center in Germany, Seism. Res. Lett., 68, 3, 438-443.

 

Wenzel, F., Lungu, D., Novak, O. (eds), 1998. Vrancea Earthquakes: Tectonics, Hazard and Risk Mitigation. Selected papers of the First International Workshop on Vrancea Earthquakes, Bucharest, November 1-4, 1997, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, Netherlands, 374pp.

 

Wenzel, F., Oncescu, M.M., Baur M., Fiedrich F., Ionescu. C., 1999. An early warning system for Bucharest. Seismol. Res. Lett., 70, 2, 161-169.