Erdbebeningenieurwesen – Wikipedia

Interdisziplinärer Zweig der Ingenieurwissenschaften

Erdbebentechnik ist ein interdisziplinärer Zweig des Ingenieurwesens, der Bauwerke wie Gebäude und Brücken unter Berücksichtigung von Erdbeben entwirft und analysiert. Ihr übergeordnetes Ziel ist es, solche Bauwerke widerstandsfähiger gegen Erdbeben zu machen. Ein Erdbebeningenieur (oder seismischer Ingenieur) zielt darauf ab, Strukturen zu konstruieren, die bei geringfügigen Erschütterungen nicht beschädigt werden und schwere Schäden oder einen Zusammenbruch bei einem großen Erdbeben vermeiden. Erdbebeningenieurwesen ist das wissenschaftliche Gebiet, das sich mit dem Schutz der Gesellschaft, der natürlichen Umwelt und der vom Menschen geschaffenen Umwelt vor Erdbeben befasst, indem das seismische Risiko auf ein sozioökonomisch vertretbares Maß begrenzt wird.^[1] Traditionell wurde es eng definiert als die Untersuchung des Verhaltens von Bauwerken und Geostrukturen unter seismischen Belastungen; es wird als eine Teilmenge des Bauingenieurwesens, der Geotechnik, des Maschinenbaus, der Verfahrenstechnik, der angewandten Physik usw. angesehen. Die enormen Kosten, die bei den jüngsten Erdbeben verursacht wurden, haben jedoch zu einer Ausweitung seines Anwendungsbereichs auf Disziplinen aus dem weiteren Bereich des Bauwesens geführt Ingenieurwissenschaften, Maschinenbau, Nukleartechnik und aus den Sozialwissenschaften, insbesondere Soziologie, Politikwissenschaft, Wirtschafts- und Finanzwissenschaften.^[2]

Die Hauptziele des Erdbebeningenieurwesens sind:

• Sehen Sie die potenziellen Folgen starker Erdbeben auf städtische Gebiete und die zivile Infrastruktur voraus.
• Entwerfen, konstruieren und warten Sie Bauwerke, die bei Erdbebenbelastung den Erwartungen und in Übereinstimmung mit den Bauvorschriften entsprechen.^[3]

Eine richtig konstruierte Struktur muss nicht unbedingt extrem stark oder teuer sein. Es muss ordnungsgemäß konstruiert sein, um den seismischen Auswirkungen standzuhalten und gleichzeitig ein akzeptables Schadensniveau zu erleiden.

Seismische Belastung[edit]

Seismische Belastung bedeutet die Anwendung einer erdbebenerzeugten Anregung auf eine Struktur (oder Geostruktur). Es geschieht an Kontaktflächen eines Bauwerks entweder mit dem Boden,^[5] mit angrenzenden Strukturen,^[6] oder mit Schwerewellen von Tsunami. Die an einem bestimmten Ort auf der Erdoberfläche zu erwartende Belastung wird durch Ingenieurseismologie geschätzt. Dies hängt mit der Erdbebengefährdung des Standorts zusammen.

Seismische Leistung[edit]

Erdbeben oder seismische Leistung definiert die Fähigkeit einer Struktur, ihre Hauptfunktionen wie Sicherheit und Gebrauchstauglichkeit aufrechtzuerhalten, bei und nach eine besondere Erdbebenbelastung. Normalerweise wird eine Struktur betrachtet sicher wenn es nicht durch teilweises oder vollständiges Einstürzen Leben und Wohlergehen der Menschen in oder um ihn herum gefährdet. Eine Struktur kann in Betracht gezogen werden wartungsfähig wenn es in der Lage ist, seine betrieblichen Funktionen zu erfüllen, für die es entwickelt wurde.

Grundkonzepte des Erdbebeningenieurwesens, umgesetzt in den wichtigsten Bauvorschriften, gehen davon aus, dass ein Gebäude ein seltenes, sehr schweres Erdbeben mit erheblichen Schäden überstehen soll, ohne jedoch global einzustürzen.^[7] Andererseits sollte es für häufigere, aber weniger schwere seismische Ereignisse betriebsbereit bleiben.

Seismische Leistungsbewertung[edit]

Ingenieure müssen das quantifizierte Niveau der tatsächlichen oder erwarteten seismischen Leistung kennen, die mit dem direkten Schaden an einem einzelnen Gebäude verbunden ist, das einer bestimmten Bodenerschütterung ausgesetzt ist. Eine solche Bewertung kann entweder experimentell oder analytisch durchgeführt werden.

Experimentelle Bewertung[edit]

Experimentelle Auswertungen sind teure Tests, die normalerweise durchgeführt werden, indem ein (skaliertes) Modell der Struktur auf einem Schütteltisch platziert wird, der die Erdbeben simuliert und ihr Verhalten beobachtet.^[8] Solche Experimente wurden erstmals vor mehr als einem Jahrhundert durchgeführt.^[9] Erst seit kurzem ist es möglich, Tests im Maßstab 1:1 an vollständigen Strukturen durchzuführen.

Aufgrund der kostspieligen Natur solcher Tests werden sie hauptsächlich dazu verwendet, das seismische Verhalten von Bauwerken zu verstehen, Modelle zu validieren und Analysemethoden zu verifizieren. Daher tragen Rechenmodelle und numerische Verfahren, wenn sie einmal richtig validiert sind, tendenziell die Hauptlast für die seismische Leistungsbewertung von Bauwerken.

Analytische/Numerische Bewertung[edit]

Seismische Leistungsbewertung oder seismische Strukturanalyse ist ein leistungsfähiges Werkzeug des Erdbebeningenieurwesens, das eine detaillierte Modellierung der Struktur zusammen mit Methoden der Strukturanalyse verwendet, um ein besseres Verständnis der seismischen Leistung von Gebäude- und Nichtgebäudestrukturen zu erhalten. Die Technik als formaler Begriff ist eine relativ junge Entwicklung.

Im Allgemeinen basiert die seismische Tragwerksanalyse auf den Methoden der Baudynamik.^[10] Seit Jahrzehnten ist das bekannteste Instrument der seismischen Analyse die Erdbebenantwortspektrummethode, die auch zum heutigen Konzept der vorgeschlagenen Bauordnung beigetragen hat.^[11]

Solche Methoden sind jedoch nur für linear-elastische Systeme gut, da sie das Strukturverhalten bei Auftreten von Schäden (dh Nichtlinearität) weitgehend nicht modellieren können. Numerisch Schritt-für-Schritt-Integration erwies sich als effektivere Analysemethode für Struktursysteme mit mehreren Freiheitsgraden und signifikanter Nichtlinearität unter einem transienten Prozess der Bodenbewegungserregung.^[12] Die Verwendung der Finite-Elemente-Methode ist einer der gebräuchlichsten Ansätze zur Analyse von nichtlinearen Computermodellen zur Interaktion von Bodenstrukturen.

Grundsätzlich wird die numerische Analyse durchgeführt, um die seismische Leistung von Gebäuden zu bewerten. Leistungsbewertungen werden im Allgemeinen unter Verwendung einer nichtlinearen statischen Pushover-Analyse oder einer nichtlinearen Zeitverlaufsanalyse durchgeführt. Bei solchen Analysen ist eine genaue nichtlineare Modellierung von Bauteilen wie Trägern, Stützen, Träger-Stützen-Verbindungen, Wandscheiben etc. unabdingbar. Daher spielen experimentelle Ergebnisse eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Modellierungsparameter einzelner Bauteile, insbesondere solche, die erheblichen nichtlinearen Verformungen unterliegen. Die einzelnen Komponenten werden dann zusammengebaut, um ein vollständiges nichtlineares Modell der Struktur zu erstellen. Die so erstellten Modelle werden analysiert, um die Leistung von Gebäuden zu bewerten.

Die Fähigkeiten der Strukturanalysesoftware sind dabei ein wesentlicher Aspekt, da sie die möglichen Bauteilmodelle, die verfügbaren Analysemethoden und vor allem die numerische Robustheit einschränken. Letzteres wird eine wichtige Überlegung für Strukturen, die sich in den nichtlinearen Bereich wagen und sich einem globalen oder lokalen Kollaps nähern, da die numerische Lösung zunehmend instabil und daher schwer zu erreichen ist. Es gibt mehrere kommerziell erhältliche Finite-Elemente-Analysesoftware wie CSI-SAP2000 und CSI-PERFORM-3D, MTR/SASSI, Scia Engineer-ECtools, ABAQUS und Ansys, die alle für die seismische Leistungsbewertung von Gebäuden verwendet werden können. Darüber hinaus gibt es forschungsbasierte Finite-Elemente-Analyseplattformen wie OpenSees, MASTODON, das auf dem MOOSE Framework basiert, RUAUMOKO und das ältere DRAIN-2D/3D, von denen einige inzwischen Open Source sind.

Forschung für Erdbebeningenieurwesen[edit]

Forschung für das Erdbebeningenieurwesen bedeutet sowohl Feld- als auch analytische Untersuchungen oder Experimente, die der Entdeckung und wissenschaftlichen Erklärung von Fakten im Zusammenhang mit dem Erdbebeningenieurwesen, der Überarbeitung konventioneller Konzepte im Lichte neuer Erkenntnisse und der praktischen Anwendung der entwickelten Theorien dienen.

Die National Science Foundation (NSF) ist die wichtigste Regierungsbehörde der Vereinigten Staaten, die Grundlagenforschung und Ausbildung in allen Bereichen des Erdbebeningenieurwesens unterstützt. Es konzentriert sich insbesondere auf experimentelle, analytische und computergestützte Forschung zum Entwurf und zur Leistungssteigerung von strukturellen Systemen.

Das Earthquake Engineering Research Institute (EERI) ist in den USA und weltweit führend bei der Verbreitung von Informationen zur Erdbebenforschung.

Eine endgültige Liste von Schütteltischen im Zusammenhang mit der Erdbebenforschung auf der ganzen Welt finden Sie in Experimental Facilities for Earthquake Engineering Simulation Worldwide.^[14] Der prominenteste von ihnen ist jetzt der E-Defense Shake Table^[15] in Japan.

Wichtige US-Forschungsprogramme[edit]

NSF unterstützt auch das George E. Brown, Jr. Network for Earthquake Engineering Simulation

Das NSF Hazard Mitigation and Structural Engineering Program (HMSE) unterstützt die Erforschung neuer Technologien zur Verbesserung des Verhaltens und der Reaktion von Tragwerken, die Erdbebengefahren ausgesetzt sind; Grundlagenforschung zur Sicherheit und Zuverlässigkeit konstruierter Systeme; innovative Entwicklungen in der Analyse und modellbasierten Simulation von strukturellem Verhalten und Reaktion einschließlich Boden-Struktur-Interaktion; Entwurfskonzepte, die die Strukturleistung und -flexibilität verbessern; und Anwendung neuer Kontrolltechniken für strukturelle Systeme.^[16]

(NEES), das die Wissensentdeckung und Innovation zur Verringerung der Erdbeben- und Tsunami-Verluste der zivilen Infrastruktur des Landes sowie neue experimentelle Simulationstechniken und -instrumente vorantreibt.^[17]

Das NEES-Netzwerk umfasst 14 geografisch verteilte Labore zur gemeinsamen Nutzung, die verschiedene Arten experimenteller Arbeit unterstützen:^[17] geotechnische Zentrifugenforschung, Schütteltischtests, groß angelegte Strukturtests, Tsunami-Wellenbecken-Experimente und Feldforschung.^[18] Teilnehmende Universitäten sind: Cornell University; Lehigh-Universität; Staatliche Universität von Oregon; Rensselaer Polytechnisches Institut; Universität in Buffalo, State University of New York; Universität von Kalifornien, Berkeley; Universität von Kalifornien, Davis; Universität von California, Los Angeles; Universität von Kalifornien, San Diego; Universität von Kalifornien, Santa Barbara; Universität von Illinois, Urbana-Champaign; Universität von Minnesota; Universität von Nevada, Reno; und der University of Texas, Austin.^[17]

Die Ausrüstungsstandorte (Labors) und ein zentrales Datenarchiv sind über die NEEShub-Website mit der weltweiten Erdbebeningenieur-Community verbunden. Die NEES-Website wird von der HUBzero-Software betrieben, die an der Purdue University für nanoHUB speziell entwickelt wurde, um der wissenschaftlichen Gemeinschaft zu helfen, Ressourcen zu teilen und zusammenzuarbeiten. Die über das Internet2 verbundene Cyberinfrastruktur bietet interaktive Simulationstools, einen Entwicklungsbereich für Simulationstools, ein kuratiertes zentrales Datenarchiv, animierte Präsentationen, Benutzerunterstützung, Telepräsenz, Mechanismen zum Hochladen und Teilen von Ressourcen sowie Statistiken über Benutzer und Nutzungsmuster.

Diese Cyberinfrastruktur ermöglicht es Forschern: Daten innerhalb eines standardisierten Rahmens an einem zentralen Ort sicher zu speichern, zu organisieren und zu teilen; Fernbeobachtung und Teilnahme an Experimenten durch die Verwendung synchronisierter Echtzeitdaten und -videos; mit Kollegen zusammenarbeiten, um die Planung, Durchführung, Analyse und Veröffentlichung von Forschungsexperimenten zu erleichtern; und Durchführung von Computer- und Hybridsimulationen, die die Ergebnisse mehrerer verteilter Experimente kombinieren und physikalische Experimente mit Computersimulationen verknüpfen können, um die Untersuchung der Gesamtsystemleistung zu ermöglichen.

Diese Ressourcen bieten gemeinsam die Mittel für Zusammenarbeit und Entdeckung, um das seismische Design und die Leistung von zivilen und mechanischen Infrastruktursystemen zu verbessern.

Erdbebensimulation[edit]

Der aller erste Erdbebensimulationen wurden durch statisches Auftragen einiger horizontale Massenkräfte basierend auf skalierten Spitzenbodenbeschleunigungen zu einem mathematischen Modell eines Gebäudes.^[19] Mit der Weiterentwicklung der Computertechnologien begannen statische Ansätze dynamischen zu weichen.

Dynamische Experimente an Gebäude- und Nicht-Gebäude-Strukturen können physisch sein, wie Schütteltisch-Tests, oder virtuelle Experimente. In beiden Fällen ziehen es einige Forscher zur Überprüfung der erwarteten seismischen Leistung einer Struktur vor, sich mit sogenannten “Echtzeitverläufen” zu befassen, obwohl die letzte für ein hypothetisches Erdbeben, das entweder durch eine Bauordnung oder bestimmte Forschungsanforderungen festgelegt ist, nicht “real” sein kann . Daher besteht ein starker Anreiz, eine Erdbebensimulation durchzuführen, bei der es sich um den seismischen Input handelt, der nur wesentliche Merkmale eines realen Ereignisses besitzt.

Manchmal wird Erdbebensimulation auch als Nachbildung lokaler Effekte einer starken Erdbeschüttung verstanden.

Struktursimulation[edit]

Die theoretische oder experimentelle Bewertung der erwarteten seismischen Leistung erfordert meistens a Struktursimulation die auf dem Konzept der strukturellen Ähnlichkeit oder Ähnlichkeit basiert. Ähnlichkeit ist ein gewisses Maß an Analogie oder Ähnlichkeit zwischen zwei oder mehr Objekten. Der Begriff der Ähnlichkeit beruht entweder auf exakten oder ungefähren Wiederholungen von Mustern in den verglichenen Items.

Im Allgemeinen wird ein Gebäudemodell als Ähnlichkeit mit dem realen Objekt bezeichnet, wenn die beiden sich teilen geometrische Ähnlichkeit, kinematische Ähnlichkeit und dynamische Ähnlichkeit. Die lebendigste und effektivste Art der Ähnlichkeit ist die Kinematik einer. Kinematische Ähnlichkeit liegt vor, wenn die Bahnen und Geschwindigkeiten sich bewegender Teilchen eines Modells und seines Prototyps ähnlich sind.

Das ultimative Level von kinematische Ähnlichkeit ist kinematische Äquivalenz wenn im Fall des Erdbebeningenieurwesens die Zeitgeschichten der seitlichen Verschiebungen des Modells und seines Prototyps in jedem Stockwerk gleich wären.

Seismische Vibrationskontrolle[edit]

Seismische Vibrationskontrolle ist eine Reihe von technischen Mitteln, die darauf abzielen, seismische Auswirkungen in Gebäude- und Nichtbaustrukturen zu mindern. Alle seismischen Schwingungskontrollgeräte können klassifiziert werden als passiv, aktiv oder hybrid^[21] wo:

• passive Steuergeräte keine Feedback-Fähigkeit zwischen ihnen, den Strukturelementen und dem Boden haben;
• aktive Steuergeräte Integration von Echtzeit-Aufzeichnungsinstrumenten am Boden, die mit Erdbebeneingabeverarbeitungsgeräten und Aktuatoren innerhalb der Struktur integriert sind;
• hybride Steuergeräte haben kombinierte Eigenschaften von aktiven und passiven Regelsystemen.^[22]

Wenn seismische Bodenwellen nach oben gelangen und beginnen, einen Sockel eines Gebäudes zu durchdringen, verringert sich ihre Energieflussdichte aufgrund von Reflexionen dramatisch: normalerweise bis zu 90%. Die verbleibenden Teile der einfallenden Wellen während eines großen Erdbebens bergen jedoch immer noch ein enormes verheerendes Potenzial.

Nachdem die seismischen Wellen in einen Überbau eingedrungen sind, gibt es verschiedene Möglichkeiten, sie zu kontrollieren, um ihre schädliche Wirkung zu lindern und die seismische Leistung des Gebäudes zu verbessern, zum Beispiel:

Geräte der letzten Art, entsprechend abgekürzt als TMD für das gestimmte (passiv), als AMD für die aktiv, und als HMD für die Hybrid-Massendämpfer, werden seit einem Vierteljahrhundert vor allem in Japan untersucht und in Hochhäusern installiert.^[24]

Es gibt jedoch noch einen ganz anderen Ansatz: die teilweise Unterdrückung des seismischen Energieflusses in den Überbau, die sogenannte Seismik oder Basisisolation.

Dazu werden in oder unter alle wesentlichen tragenden Elemente im Sockel des Gebäudes einige Pads eingelegt, die einen Oberbau von seinem auf einem rüttelnden Untergrund stehenden Unterbau weitgehend entkoppeln sollen.

Die ersten Beweise für den Erdbebenschutz durch das Prinzip der Basenisolierung wurden in Pasargadae, einer Stadt im alten Persien, dem heutigen Iran, entdeckt und stammen aus dem 6. Jahrhundert v. Im Folgenden finden Sie einige Beispiele für heutige Technologien zur Kontrolle seismischer Schwingungen.

Trockenmauern in Peru[edit]

Peru ist ein stark seismisches Land; Jahrhundertelang erwies sich die Trockensteinbauweise als erdbebensicherer als die Verwendung von Mörtel. Die Menschen der Inka-Zivilisation waren Meister der polierten ‘Trockensteinmauern’, Quader genannt, bei denen Steinblöcke so geschnitten wurden, dass sie ohne Mörtel fest zusammenpassten. Die Inkas gehörten zu den besten Steinmetzen, die die Welt je gesehen hat^[25] und viele Kreuzungen in ihrem Mauerwerk waren so perfekt, dass nicht einmal Grashalme zwischen die Steine ​​passten.

Die Steine ​​der von den Inkas errichteten Trockenmauern konnten sich leicht bewegen und umlagern, ohne dass die Mauern einstürzten, eine passive Strukturkontrolltechnik, die sowohl das Prinzip der Energiedissipation (Coulomb-Dämpfung) als auch das der Unterdrückung resonanter Verstärkungen nutzt.^[26]

Abgestimmter Massendämpfer[edit]

Typischerweise sind die abgestimmten Massendämpfer riesige Betonblöcke, die in Wolkenkratzern oder anderen Strukturen montiert sind und sich mittels einer Art Federmechanismus gegen die Resonanzfrequenzschwingungen der Strukturen bewegen.

Der Wolkenkratzer Taipei 101 muss Taipei-Winden und Erdbeben standhalten, die in dieser Region Asiens/Pazifiks üblich sind. Dazu wurde ein 660 Tonnen schweres Stahlpendel, das als abgestimmter Massendämpfer dient, konstruiert und auf der Struktur montiert. Vom 92. bis zum 88. Stockwerk aufgehängt, schwingt das Pendel, um resonante Verstärkungen von seitlichen Verschiebungen im Gebäude durch Erdbeben und starke Böen zu verringern.

Hysteretische Dämpfer[edit]

EIN Hysteresedämpfer soll eine bessere und zuverlässigere seismische Leistung als die einer herkömmlichen Struktur bereitstellen, indem die Dissipation der seismischen Eingangsenergie erhöht wird.^[27] Zu diesem Zweck werden fünf Hauptgruppen von Hysteresedämpfern verwendet, nämlich:

• Flüssigkeitsviskose Dämpfer (FVDs)

Viskose Dämpfer haben den Vorteil, ein ergänzendes Dämpfungssystem zu sein. Sie haben eine ovale Hystereseschleife und die Dämpfung ist geschwindigkeitsabhängig. Während möglicherweise eine geringfügige Wartung erforderlich ist, müssen Viskosedämpfer nach einem Erdbeben im Allgemeinen nicht ersetzt werden. Obwohl sie teurer als andere Dämpfungstechnologien sind, können sie sowohl für seismische als auch für Windlasten verwendet werden und sind die am häufigsten verwendeten Hysteresedämpfer.^[28]

Reibungsdämpfer sind in der Regel in zwei Haupttypen erhältlich, linear und rotatorisch, und leiten Energie durch Wärme ab. Der Dämpfer arbeitet nach dem Prinzip eines Coulomb-Dämpfers. Je nach Konstruktion können Reibungsdämpfer Stick-Slip-Phänomene und Kaltverschweißungen aufweisen. Der Hauptnachteil besteht darin, dass Reibflächen mit der Zeit verschleißen können und daher nicht zur Ableitung von Windlasten empfohlen werden. Beim Einsatz in seismischen Anwendungen ist der Verschleiß kein Problem und es ist keine Wartung erforderlich. Sie haben eine rechteckige Hystereseschleife und neigen, solange das Gebäude ausreichend elastisch ist, dazu, sich nach einem Erdbeben in ihre ursprüngliche Position zurückzusetzen.

• Metallisch nachgebende Dämpfer (MYDs)

Metallische nachgiebige Dämpfer geben, wie der Name schon sagt, nach, um die Energie des Erdbebens zu absorbieren. Diese Art von Dämpfern absorbiert viel Energie, muss jedoch nach einem Erdbeben ersetzt werden und kann verhindern, dass sich das Gebäude in seine ursprüngliche Position zurücksetzt.

• Viskoelastische Dämpfer (VEDs)

Viskoelastische Dämpfer sind insofern nützlich, als sie sowohl für Wind- als auch für seismische Anwendungen verwendet werden können, sie sind normalerweise auf kleine Verschiebungen beschränkt. Es gibt einige Bedenken hinsichtlich der Zuverlässigkeit der Technologie, da einige Marken in den Vereinigten Staaten nicht in Gebäuden verwendet werden dürfen.

• Spreizende Pendeldämpfer (Swing)

Basisisolierung[edit]

Die Sockelisolation soll verhindern, dass die kinetische Energie des Erdbebens im Gebäude in elastische Energie umgewandelt wird. Diese Technologien tun dies, indem sie die Struktur vom Boden isolieren, sodass sie sich einigermaßen unabhängig bewegen können. Der Grad, in dem die Energie in die Struktur übertragen wird und wie die Energie abgeführt wird, hängt von der verwendeten Technologie ab.

Bleigummilager oder LRB ist eine Art der Basisisolierung, die eine starke Dämpfung verwendet. Es wurde von Bill Robinson, einem Neuseeländer, erfunden.^[29]

Ein starker Dämpfungsmechanismus, der in Vibrationskontrolltechnologien und insbesondere in Sockelisolationsvorrichtungen eingebaut ist, wird oft als eine wertvolle Quelle zur Unterdrückung von Vibrationen angesehen, wodurch die seismische Leistung eines Gebäudes verbessert wird. Bei den eher nachgiebigen Systemen wie fußisolierten Konstruktionen mit relativ geringer Lagersteifigkeit aber hoher Dämpfung kann die sogenannte “Dämpfungskraft” bei einem starken Erdbeben die Hauptschubkraft ausmachen. Das Video^[30] zeigt ein Bleigummilager, das in der Caltrans-SRMD-Anlage der UCSD getestet wird. Das Lager besteht aus Gummi mit Bleikern. Es war ein einachsiger Test, bei dem das Lager auch unter voller Strukturbelastung stand. Viele Gebäude und Brücken, sowohl in Neuseeland als auch anderswo, sind mit Bleidämpfern und Blei- und Gummilagern geschützt. Te Papa Tongarewa, das Nationalmuseum von Neuseeland, und das neuseeländische Parlamentsgebäude wurden mit den Lagern ausgestattet. Beide sind in Wellington, das auf einem aktiven Fehler sitzt.^[29]

• Federn mit Dämpferfußisolator

Auf dem Foto, das vor dem Erdbeben in Northridge im Jahr 1994 aufgenommen wurde, ist ein unter einem dreistöckigen Stadthaus in Santa Monica, Kalifornien, installierter Isolator mit Federn mit Dämpferbasis zu sehen. Es ist ein Basisisolationsgerät, das konzeptionell ähnlich ist wie Bleigummilager.

Eines von zwei dreistöckigen Stadthäusern wie dieses, das für die Aufzeichnung von vertikalen und horizontalen Beschleunigungen auf seinem Boden und dem Boden gut instrumentiert war, hat eine starke Erschütterung während des Northridge-Erdbebens überstanden und wertvolle aufgezeichnete Informationen für weitere Untersuchungen hinterlassen.

Einfaches Wälzlager ist eine Basisisolierungsvorrichtung, die zum Schutz verschiedener Gebäude- und Nicht-Gebäudestrukturen gegen potenziell schädliche seitliche Einwirkungen starker Erdbeben bestimmt ist.

Dieser metallische Lagerträger kann unter bestimmten Vorkehrungen als seismischer Isolator an Hochhäuser und Gebäude auf weichem Boden angepasst werden. Kürzlich wurde es unter dem Namen metallisches Wälzlager für einen Wohnkomplex (17 Stockwerke) in Tokio, Japan.^[31]

• Reibpendellager

Reibpendellager (FPB) ist ein anderer Name von Reibungspendelsystem (FPS). Es basiert auf drei Säulen:^[32]

• gelenkiger Reibungsschieber;
• sphärische konkave Gleitfläche;
• umschließender Zylinder zur seitlichen Verschiebesicherung.

Rechts ist eine Momentaufnahme mit dem Link zum Videoclip eines Rütteltischtests eines FPB-Systems, das ein starres Gebäudemodell unterstützt, dargestellt.

Seismisches Design[edit]

Seismisches Design basiert auf genehmigten technischen Verfahren, Prinzipien und Kriterien, die dazu bestimmt sind, erdbebengefährdete Bauwerke zu entwerfen oder nachzurüsten.^[19] Diese Kriterien stimmen nur mit dem heutigen Wissensstand über Erdbebenbauwerke überein.^[33] Daher garantiert eine Gebäudekonstruktion, die den Vorschriften der Erdbebennormen genau entspricht, keine Sicherheit gegen Einsturz oder schwere Schäden.^[34]

Der Preis für ein schlechtes seismisches Design kann enorm sein. Dennoch war die seismische Bemessung schon immer ein Versuch und Irrtum, sei es auf der Grundlage physikalischer Gesetze oder auf empirischen Erkenntnissen über die Tragfähigkeit verschiedener Formen und Materialien.

Um die seismische Auslegung, seismische Analyse oder seismische Bewertung von neuen und bestehenden Tiefbauprojekten zu üben, sollte ein Ingenieur normalerweise eine Prüfung ablegen Seismische Prinzipien^[35] die im Bundesstaat Kalifornien umfassen:

• Seismische Daten und seismische Designkriterien
• Seismische Eigenschaften von Engineered Systems
• Seismische Kräfte
• Seismische Analyseverfahren
• Seismische Detaillierung und Bauqualitätskontrolle

Um komplexe Struktursysteme aufzubauen,^[36] Die seismische Auslegung verwendet weitgehend die gleiche relativ geringe Anzahl von grundlegenden Strukturelementen (von Vorrichtungen zur Schwingungsdämpfung ganz zu schweigen) wie bei jedem nicht-seismischen Auslegungsprojekt.

Normalerweise sind Bauwerke gemäß Bauvorschriften so ausgelegt, dass sie dem größten Erdbeben einer bestimmten Wahrscheinlichkeit, das an ihrem Standort wahrscheinlich auftreten wird, „widerstehen“. Dies bedeutet, dass der Verlust von Menschenleben minimiert werden sollte, indem ein Einsturz der Gebäude verhindert wird.

Die seismische Bemessung erfolgt durch das Verständnis der möglichen Versagensarten einer Struktur und die Bereitstellung der entsprechenden Festigkeit, Steifigkeit, Duktilität und Konfiguration der Struktur^[37] um sicherzustellen, dass diese Modi nicht auftreten können.

Anforderungen an die seismische Auslegung[edit]

Anforderungen an die seismische Auslegung hängen von der Art des Bauwerks, der Örtlichkeit des Projekts und seinen Behörden ab, die geltende seismische Bemessungsvorschriften und -kriterien festlegen.^[7] Beispielsweise nannten die Anforderungen des kalifornischen Verkehrsministeriums Die seismischen Entwurfskriterien (DEZA) und zielte auf den Entwurf neuer Brücken in Kalifornien ab^[38] einen innovativen, auf seismischer Leistung basierenden Ansatz einbeziehen.

Das wichtigste Merkmal in der SDC-Designphilosophie ist die Verschiebung von a kraftbasierte Bewertung der seismischen Nachfrage nach a verschiebungsbasierte Bewertung von Nachfrage und Kapazität. Somit basiert der neu angenommene Verdrängungsansatz auf dem Vergleich der elastische Verschiebung fordern Sie die unelastische Verschiebung Tragfähigkeit der primären Strukturbauteile bei gleichzeitiger Gewährleistung eines Mindestmaßes an unelastischer Tragfähigkeit an allen potentiellen plastischen Scharnierstellen.

Neben der geplanten Konstruktion selbst können seismische Bemessungsanforderungen Folgendes umfassen: Bodenstabilisierung unter der Struktur: Manchmal bricht stark erschütterter Boden auf, was zum Einsturz der darauf sitzenden Struktur führt.^[40]

Folgende Themen sollten im Vordergrund stehen: Verflüssigung; dynamische seitliche Erddrücke auf Stützmauern; seismische Hangstabilität; erdbebenbedingte Siedlung.^[41]

Nukleare Anlagen sollten ihre Sicherheit im Falle von Erdbeben oder anderen feindlichen äußeren Ereignissen nicht gefährden. Daher basiert ihre seismische Auslegung auf weit strengeren Kriterien als bei nichtnuklearen Anlagen.^[42] Die Nuklearunfälle von Fukushima I und die Schäden an anderen Nuklearanlagen im Anschluss an das Erdbeben und den Tsunami von Tōhoku 2011 haben jedoch die Aufmerksamkeit auf die anhaltende Besorgnis über die japanischen Standards für die nukleare seismische Auslegung gelenkt und viele andere Regierungen veranlasst, ihre Nuklearprogramme neu zu bewerten. Zweifel wurden auch an der seismischen Bewertung und Auslegung bestimmter anderer Kraftwerke, einschließlich des Kernkraftwerks Fessenheim in Frankreich, geäußert.

Fehlermodi[edit]

Fehlermodus ist die Art und Weise, wie ein erdbebeninduziertes Versagen beobachtet wird. Es beschreibt im Allgemeinen die Art und Weise, wie der Fehler auftritt. Obwohl es kostspielig und zeitaufwändig ist, bleibt das Lernen aus jedem echten Erdbebenversagen ein Routinerezept, um Fortschritte in seismisches Design Methoden. Im Folgenden werden einige typische Arten von erdbebenbedingten Ausfällen vorgestellt.

Mangelnde Bewehrung in Verbindung mit schlechtem Mörtel und unzureichender Dach-Wand-Anbindung kann zu erheblichen Schäden an unbewehrtes Mauerwerk. Stark rissige oder schiefe Wände gehören zu den häufigsten Erdbebenschäden. Gefährlich sind auch die Schäden, die zwischen den Wänden und Dach- oder Bodenmembranen auftreten können. Eine Trennung zwischen Rahmen und Wänden kann die vertikale Abstützung von Dach- und Bodensystemen gefährden.

Weicher Story-Effekt. Das Fehlen einer ausreichenden Steifigkeit am Boden verursachte Schäden an dieser Struktur. Eine genaue Betrachtung des Bildes zeigt, dass die rohe Bretterverkleidung, die einst mit einem Ziegelfurnier bedeckt war, vollständig von der Ständerwand abgebaut wurde. Nur die Steifigkeit des darüber liegenden Geschosses in Verbindung mit der Abstützung an den beiden verdeckten Seiten durch durchgehende Wände, die nicht wie an den Straßenseiten von großen Türen durchbrochen werden, verhindert ein vollständiges Einstürzen des Bauwerks.

Bodenverflüssigung. In den Fällen, in denen der Boden aus lockeren körnigen Ablagerungen besteht, die dazu neigen, einen übermäßigen hydrostatischen Porenwasserdruck von ausreichender Größe und Kompaktheit zu entwickeln, kann die Verflüssigung dieser lockeren, gesättigten Ablagerungen zu ungleichmäßigen Setzungen und Neigungen von Bauwerken führen. Dies verursachte während des Erdbebens von 1964 große Schäden an Tausenden von Gebäuden in Niigata, Japan.^[43]

Erdrutsch Felssturz. Ein Erdrutsch ist ein geologisches Phänomen, das eine Vielzahl von Bodenbewegungen umfasst, einschließlich Steinschlag. Typischerweise ist die Einwirkung der Schwerkraft die primäre Triebkraft für das Auftreten eines Erdrutsches, obwohl in diesem Fall ein weiterer Faktor die ursprüngliche Hangstabilität beeinflusste: Der Erdrutsch erforderte eine Erdbebenauslöser bevor sie freigelassen werden.

Schlagen gegen Nachbargebäude. Dies ist ein Foto des eingestürzten fünfstöckigen Turms, St. Joseph’s Seminary, Los Altos, Kalifornien, der zu einem Todesfall führte. Während des Erdbebens von Loma Prieta hämmerte der Turm gegen das unabhängig vibrierende angrenzende Gebäude dahinter. Die Möglichkeit von Stößen hängt von den seitlichen Verschiebungen beider Gebäude ab, die genau geschätzt und berücksichtigt werden sollten.

Beim Erdbeben in Northridge wurden die Fugen des Kaiser Permanente-Bürogebäudes in Betonrahmenbauweise vollständig zertrümmert unzureichender Einschlussstahl, was zum Einsturz des zweiten Stockwerks führte. In Querrichtung sind Verbund-Stirnwände, bestehend aus zwei Mauerwerkssteinen und einer die Querlast tragenden Spritzbetonschicht, aufgrund von unzureichende Durchbindung und ist gescheitert.

Effekt des Abgleitens von Fundamenten eines relativ starren Wohngebäudes während des Erdbebens in Whittier Narrows 1987. Das Erdbeben der Stärke 5,9 erschütterte das Garvey West Apartment-Gebäude in Monterey Park, Kalifornien, und verlagerte seinen Überbau auf seinem Fundament um etwa 10 Zoll nach Osten.

Wird ein Aufbau nicht auf einem Sockelisolationssystem montiert, sollte dessen Verschiebung auf dem Keller verhindert werden.

Stahlbetonsäule platzte beim Northridge-Erdbeben aufgrund von unzureichender Schubbewehrungsmodus wodurch die Hauptverstärkung nach außen gewölbt werden kann. Das Deck löste sich am Scharnier und versagte beim Scheren. Infolgedessen stürzte der Unterführungsabschnitt La Cienega-Venedig der Autobahn 10 ein.

Erdbeben in Loma Prieta: Seitenansicht von Stahlbeton Support-Säulen-Fehler was hat ausgelöst das Oberdeck kollabiert auf das Unterdeck des zweistöckigen Cypress-Viadukts des Interstate Highway 880, Oakland, CA.

Versagen der Stützmauer beim Erdbeben von Loma Prieta im Gebiet der Santa Cruz Mountains: markante nach Nordwesten verlaufende Dehnungsrisse mit einer Breite von bis zu 12 cm (4,7 in) im Betonüberlauf zum Austrian Dam, dem nördlichen Widerlager.

Bodenerschütterungen lösten eine Bodenverflüssigung in einer unterirdischen Sandschicht aus, was zu einer unterschiedlichen seitlichen und vertikalen Bewegung in einem darüber liegenden Panzer aus nicht verflüssigtem Sand und Schluff führte. Dies Art des Erdschlusses, genannt seitliches Spreizen, ist eine der Hauptursachen für verflüssigungsbedingte Erdbebenschäden.^[44]

Schwer beschädigtes Gebäude der Agricultural Development Bank of China nach dem Erdbeben in Sichuan 2008: die meisten Balken und Pfeilerstützen werden geschert. Große Diagonalrisse in Mauerwerk und Furnier sind auf Belastungen in der Ebene zurückzuführen, während abrupte Setzungen am rechten Ende des Gebäudes auf eine Deponie zurückzuführen sind, die auch ohne Erdbeben gefährlich sein kann.^[45]

Zweifache Tsunami-Auswirkung: Meereswellen, hydraulischer Druck und Überschwemmung. So löste das Erdbeben im Indischen Ozean vom 26. umliegende Küstengemeinden mit riesigen Wellen überschwemmen bis zu 30 Meter (100 Fuß) hoch.^[47]

Erdbebensichere Konstruktion[edit]

Erdbebenbau bedeutet Umsetzung von seismisches Design um zu ermöglichen, dass Gebäude und Nicht-Bauwerke die zu erwartende Erdbebenbelastung erwartungsgemäß und in Übereinstimmung mit den geltenden Bauvorschriften überstehen.

Design und Konstruktion sind eng miteinander verbunden. Um eine gute Verarbeitung zu erreichen, sollte die Detaillierung der Stäbe und ihrer Verbindungen so einfach wie möglich sein. Wie jede Konstruktion im Allgemeinen ist Erdbebenbau ein Prozess, der aus dem Bau, der Nachrüstung oder dem Zusammenbau von Infrastruktur unter Berücksichtigung der verfügbaren Baumaterialien besteht.^[48]

Die destabilisierende Wirkung eines Erdbebens auf Bauwerke kann Direkte (seismische Bewegung des Bodens) oder indirekt (Erdbebenbedingte Erdrutsche, Bodenverflüssigung und Tsunamiwellen).

Ein Bauwerk kann den Anschein von Stabilität erwecken, aber bei einem Erdbeben nur eine Gefahr darstellen.^[49] Entscheidend ist, dass erdbebensichere Bautechniken für die Sicherheit genauso wichtig sind wie die Qualitätskontrolle und die Verwendung der richtigen Materialien. Erdbebenunternehmer sollte im Staat/Provinz/Land des Projektstandorts (je nach örtlichen Vorschriften) registriert und versichert sein^{[citation needed]}.

Um mögliche Verluste zu minimieren, sollte der Bauprozess so organisiert werden, dass ein Erdbeben jederzeit vor Bauende auftreten kann.

Jedes Bauprojekt erfordert ein qualifiziertes Team von Fachleuten, die die grundlegenden Merkmale der seismischen Leistung verschiedener Bauwerke sowie die Bauleitung kennen.

Adobe-Strukturen[edit]

Rund dreißig Prozent der Weltbevölkerung lebt oder arbeitet im Lehmbau.^[50]Lehmziegel vom Typ Adobe sind eines der ältesten und am häufigsten verwendeten Baumaterialien. Die Verwendung von Adobe ist in einigen der am stärksten gefährdeten Regionen der Welt, traditionell in Lateinamerika, Afrika, dem indischen Subkontinent und anderen Teilen Asiens, des Nahen Ostens und Südeuropas, weit verbreitet.

Adobe-Gebäude gelten bei starken Beben als sehr anfällig.^[51] Es stehen jedoch mehrere Möglichkeiten zur seismischen Verstärkung neuer und bestehender Lehmbauwerke zur Verfügung.^[52]

Schlüsselfaktoren für die verbesserte seismische Leistung von Lehmbau sind:

• Qualität der Konstruktion.
• Kompaktes, kastenförmiges Layout.
• Seismische Verstärkung.^[53]

Kalk- und Sandsteinstrukturen[edit]

Kalkstein ist in der Architektur sehr verbreitet, insbesondere in Nordamerika und Europa. Viele Sehenswürdigkeiten auf der ganzen Welt bestehen aus Kalkstein. Viele mittelalterliche Kirchen und Burgen in Europa bestehen aus Kalk- und Sandsteinmauerwerk. Sie sind die langlebigen Materialien, aber ihr ziemlich hohes Gewicht ist für eine angemessene seismische Leistung nicht von Vorteil.

Die Anwendung moderner Technologie bei seismischen Nachrüstungen kann die Überlebensfähigkeit von unbewehrten Mauerwerksstrukturen verbessern. Als Beispiel wurde das Salt Lake City and County Building in Utah von 1973 bis 1989 umfassend renoviert und repariert, wobei der Schwerpunkt auf der Erhaltung der historischen Genauigkeit des Aussehens lag. Dies geschah in Verbindung mit einer seismischen Aufrüstung, bei der die schwache Sandsteinstruktur auf das Fundament zur Isolierung gelegt wurde, um sie besser vor Erdbebenschäden zu schützen.

Holzrahmenkonstruktionen[edit]

Der Holzrahmen reicht Tausende von Jahren zurück und wurde in vielen Teilen der Welt zu verschiedenen Zeiten wie dem alten Japan, Europa und dem mittelalterlichen England an Orten verwendet, an denen Holz in guter Versorgung war und Bausteine ​​​​und die Fähigkeiten, ihn zu verarbeiten, nicht waren.

Die Verwendung von Holzrahmenkonstruktionen in Gebäuden bietet ihre vollständige Skelettstruktur, die einige strukturelle Vorteile bietet, da sich der Holzrahmen, wenn er richtig konstruiert ist, besser eignet seismische Überlebensfähigkeit.^[54]

Leichtbaustrukturen[edit]

Leichtrahmenkonstruktionen erhalten in der Regel seismische Widerstandsfähigkeit von starren Sperrholz-Scherwänden und Holzbauplatten-Membranen.^[55] Spezielle Bestimmungen für erdbebensichere Systeme für alle Holzwerkstoffkonstruktionen erfordern die Berücksichtigung von Schlitzverhältnissen, horizontalen und vertikalen Schlitzscheren und Verbinder-/Befestigungswerten. Außerdem sind Kollektoren oder Schleppstreben erforderlich, um die Scherkräfte entlang einer Membranlänge zu verteilen.

Bewehrte Mauerwerkskonstruktionen[edit]

Ein Bausystem, bei dem Stahlbewehrung in die Mörtelfugen des Mauerwerks eingebettet oder in Löcher gelegt und nach dem Verfüllen mit Beton oder Mörtel bezeichnet wird verstärktes Mauerwerk.^[56]

Das verheerende Erdbeben in Long Beach von 1933 zeigte, dass die Mauerwerkskonstruktion sofort verbessert werden sollte. Dann machte der California State Code das verstärkte Mauerwerk obligatorisch.

Es gibt verschiedene Praktiken und Techniken, um verstärktes Mauerwerk zu erreichen. Die gebräuchlichste Art ist das bewehrte Hohlblockmauerwerk. Die Wirksamkeit sowohl der vertikalen als auch der horizontalen Bewehrung hängt stark von der Art und Qualität des Mauerwerks, dh Mauerwerk und Mörtel, ab.

Um ein duktiles Verhalten von Mauerwerk zu erreichen, ist es erforderlich, dass die Schubfestigkeit der Wand größer als die Biegefestigkeit ist.^[57]

Stahlbetonkonstruktionen[edit]

Stahlbeton ist Beton, in den Stahlbewehrungsstäbe (Bewehrungsstäbe) oder Fasern eingearbeitet wurden, um ein ansonsten sprödes Material zu verstärken. Mit ihr lassen sich Balken, Stützen, Decken oder Brücken herstellen.

Spannbeton ist eine Art Stahlbeton, der zur Überwindung der natürlichen Spannungsschwäche von Beton verwendet wird. Es kann auf Balken, Böden oder Brücken mit einer größeren Spannweite als bei normalem Stahlbeton angewendet werden. Spannglieder (im Allgemeinen aus hochfesten Stahlseilen oder -stäben) werden verwendet, um eine Klemmlast bereitzustellen, die eine Druckspannung erzeugt, die die Zugspannung ausgleicht, die das Betondruckelement ansonsten aufgrund einer Biegebelastung erfahren würde.

Um einen katastrophalen Einsturz bei Erderschütterungen zu verhindern (im Interesse der Lebenssicherheit), sollte ein herkömmlicher Stahlbetonrahmen duktile Verbindungen haben. Abhängig von den verwendeten Methoden und den auferlegten seismischen Kräften können solche Gebäude sofort nutzbar sein, umfangreiche Reparaturen erfordern oder möglicherweise abgerissen werden.

Vorgespannte Strukturen[edit]

Vorgespannte Struktur ist diejenige, deren Gesamtintegrität, Stabilität und Sicherheit in erster Linie von a Vorspannung. Vorspannung bedeutet die absichtliche Erzeugung von Dauerspannungen in einem Bauwerk, um seine Leistung unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu verbessern.^[58]

Es gibt folgende Grundarten der Vorspannung:

• Vorverdichtung (meist mit Eigengewicht einer Struktur)
• Vorspannung mit hochfesten eingebetteten Spanngliedern
• Vorspannung mit hochfesten verklebten oder unverklebten Spanngliedern

Heute ist das Konzept der vorgespannten Struktur weit verbreitet bei der Planung von Gebäuden, unterirdischen Strukturen, Fernsehtürmen, Kraftwerken, schwimmenden Lager- und Offshore-Anlagen, Kernreaktorschiffen und zahlreichen Arten von Brückensystemen.^[59]

Eine nützliche Idee von Vorspannung war den Architekten des antiken Roms anscheinend bekannt; Schauen Sie sich zB die hohe Dachbodenmauer des Kolosseums an, die als Stabilisierung für die darunter liegenden Mauerpfeiler dient.

Stahlgerüst[edit]

Stahlgerüst gelten als weitgehend erdbebensicher, aber einige Ausfälle sind aufgetreten. Eine große Anzahl von geschweißten, momentenfesten Stahlrahmengebäuden, die erdbebensicher aussahen, zeigten überraschend sprödes Verhalten und wurden beim Northridge-Erdbeben 1994 gefährlich beschädigt.^[60] Danach initiierte die Federal Emergency Management Agency (FEMA) die Entwicklung von Reparaturtechniken und neuen Konstruktionsansätzen, um Schäden an Stahlmomentrahmengebäuden bei zukünftigen Erdbeben zu minimieren.^[61]

Für die seismische Bemessung von Baustahl auf der Grundlage des Load and Resistance Factor Design (LRFD)-Ansatzes ist es sehr wichtig, die Fähigkeit einer Struktur zu bewerten, ihren Tragwiderstand im unelastischen Bereich zu entwickeln und beizubehalten. Ein Maß für diese Fähigkeit ist die Duktilität, die bei a . beobachtet werden kann Material selbst, in einem Strukturelement, oder zu a ganze Struktur.

Als Folge der Erdbebenerfahrungen in Northridge hat das American Institute of Steel Construction AISC 358 “Pre-Qualified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames” eingeführt. Die AISC-Bestimmungen zur seismischen Auslegung verlangen, dass alle momentenbeständigen Stahlrahmen entweder Verbindungen gemäß AISC 358 verwenden oder Verbindungen verwenden, die einer vorqualifizierenden zyklischen Prüfung unterzogen wurden.^[62]

Vorhersage von Erdbebenschäden[edit]

Schätzung des Erdbebenschadens wird normalerweise als a . definiert Schadensverhältnis (DR) ist ein Verhältnis der Reparaturkosten für Erdbebenschäden zum Gesamtwert eines Gebäudes.^[63]Wahrscheinlicher maximaler Verlust (PML) ist ein gebräuchlicher Begriff für die Schätzung von Erdbebenschäden, es fehlt jedoch eine genaue Definition. 1999 wurde ASTM E2026 ‘Standard Guide for the Estimation of Building Damageability in Earthquakes’ erstellt, um die Nomenklatur für die seismische Verlustschätzung zu standardisieren und Richtlinien für den Überprüfungsprozess und die Qualifikationen des Gutachters festzulegen.^[64]

Schätzungen von Erdbebenschäden werden auch als bezeichnet Seismische Risikobewertungen. Der Risikobewertungsprozess beinhaltet im Allgemeinen die Bestimmung der Wahrscheinlichkeit verschiedener Bodenbewegungen in Verbindung mit der Anfälligkeit oder Beschädigung des Gebäudes unter diesen Bodenbewegungen. Die Ergebnisse sind in Prozent des Gebäudewiederbeschaffungswertes definiert.^[65]

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

Externe Links[edit]