Welche Art von Haus ist bei einem Erdbeben sicherer?

Am 18. Dezember um 23:59 Uhr ereignete sich in Jishishan Baoan, Autonomer Kreis Dongxiang und Salar der Autonomen Präfektur Linxia Hui, Provinz Gansu, ein Erdbeben der Stärke 6,2 mit einer Herdtiefe von 10 Kilometern.

Bis 9 Uhr am 20. hat das Erdbeben von Jishishan mit der Stärke 6,2 in der Provinz Gansu 113 Todesopfer und 782 Verletzte gefordert.

Abbildung 1: Am 19. Dezember führten Rettungskräfte Rettungsarbeiten in der Stadt Dahejia im Kreis Jishishan durch. Foto: Reporter Zhang Ling von der Nachrichtenagentur Xinhua

Xu Xiwei, Gründungspräsident des Nationalen Instituts für Katastrophenvorbeugung und -kontrolle und Professor an der China University of Geosciences, sagte, die Zahl der Opfer des Erdbebens sei unerwartet gewesen. Ein Erdbeben der Stärke 6,2 gilt als Erdbeben mittlerer Intensität. Anders als bei starken Erdbeben wie dem Erdbeben von Wenchuan und dem Erdbeben von Yushu ist die Häufigkeit solcher „Hintergrundbeben“ höher. Es gibt viele Gründe für die hohe Zahl an Opfern bei diesem Erdbeben.

Einer der wichtigen Gründe besteht darin, dass die Erdbebensicherheit des Hauses relativ unzureichend ist und es bei Vibrationsschäden leicht zum Einsturz kommen kann oder Seitenwände einstürzen.

Wie also verursachen Erdbeben Schäden an Häusern? Welche Art von Haus ist bei einem Erdbeben sicherer?

Ein Erdbeben ist eine Bewegung innerhalb der Erdkruste, die eine Vibrationsquelle erzeugt, die die Vibration dann in Form seismischer Wellen auf die umliegenden Häuser überträgt und dort Schäden verursacht. Die Ursache dieser Vibrationsquelle können Aktivitäten zwischen Platten, Vulkanausbrüche, Felsstürze usw. sein.

Wie in Abbildung 1 unten dargestellt, können seismische Wellen in drei Typen unterteilt werden: Longitudinalwellen (P-Wellen), Transversalwellen (S-Wellen) und Oberflächenwellen (L-Wellen). Wenn die Wellenquelle erzeugt wird, beginnen diese drei Wellen zu laufen, wie die drei Autos auf dem Bild, aber ihre Form und Geschwindigkeit sind unterschiedlich, wenn sie laufen.

Abbildung 2: Darstellung der Ausbreitung seismischer Wellen

P-Wellen sind wie das grüne Auto auf dem Bild. Sie schwingen in die gleiche Richtung wie ihre Ausbreitung, haben die höchste Geschwindigkeit und erreichen den Boden als Erstes, wodurch dieser auf und ab vibriert. Allerdings sind sie weniger zerstörerisch. Dicht dahinter folgt die S-Welle, die durch das rote Auto dargestellt wird. Ihre Schwingungsrichtung ist senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung und sie kann den Boden nach links und rechts sowie nach vorne und hinten erzittern lassen, was zu ziemlich zerstörerischen Auswirkungen führt. Schließlich gibt es noch die Oberflächenwelle (L-Welle), die durch unser blaues Auto dargestellt wird. Es handelt sich um eine neue seismische Welle, die durch die P-Welle und die S-Welle an der Oberfläche erzeugt wird. Es kann sich nur entlang der Erdoberfläche ausbreiten und ist der Hauptfaktor für schwere Schäden an Gebäuden.

Abbildung 3: Schematische Darstellung eines Erdbebens, das ein Haus betrifft

Erdbeben sind zwar beängstigend, aber nicht alle von ihnen sind zerstörerisch. Laut einschlägiger Statistik ereignen sich weltweit jährlich durchschnittlich etwa 5 Millionen Erdbeben, von denen wir jedoch etwa 50.000 tatsächlich spüren können und bei etwa 100 dieser Erdbeben möglicherweise Schäden verursacht werden.

Als nächstes werfen wir einen Blick auf die Auswirkungen der verbleibenden 100 zerstörerischen Erdbeben auf Häuser. Das Bild unten zeigt zwei Mauerwerksstrukturen im Kreis Beichuan während des Wenchuan-Erdbebens 2008. Die beiden Gebäude waren weniger als 50 Meter voneinander entfernt, doch der Schadenunterschied war erstaunlich.

Durch Beobachtung können wir erkennen, dass der größte Unterschied zwischen den beiden die Ringbalken-Struktursäule ist. Abbildung 4 weist keinen Ringbalken und keine tragenden Säulen auf und der Einsturz ist schwerwiegend. Abbildung 5 weist einen Ringbalken und Struktursäulen auf und nur einige Wände weisen X-förmige Risse auf, die Hauptstruktur ist jedoch nicht beschädigt und es kommt grundsätzlich nicht zu Personenschäden.

Abbildung 4 Mauerwerksaufbau von Tragwerksstützen ohne Ringbalken

Abbildung 5 Mauerwerkskonstruktion mit Ringbalken und Stützenträger

Ich glaube, jeder hat im Leben schon einmal die Erfahrung gemacht, Pakete zu packen. Wenn ein Paket nicht mit Klebeband umwickelt ist, sitzt es sehr locker. Ebenso fungiert die Ringanker-Strukturstütze bei Mauerwerksgebäuden als Bindeband, das lose Bodenplatten und Mauerwerkswände zu einem Ganzen verbindet und so die Erdbebensicherheit verbessert.

Neben den Schäden am Mauerwerk sind am Erdbebenort auch zahlreiche Schäden an der Fachwerkkonstruktion zu verzeichnen. Wie in den Abbildungen 6 und 7 dargestellt, sind in beiden Fällen Schäden an der Rahmenstruktur am Erdbebenort zu sehen. In Abbildung 6 wurde die Mauerwerksfüllwand in der Mitte des unteren Rahmens abgeschert, sodass ein X-förmiger Riss entstand, und in Abbildung 7 wurden die Säulen in den Ecken beschädigt.

Abbildung 6 Schäden an der Mauerwerksausfachung innerhalb der Rahmenkonstruktion

Abbildung 7 Schäden an den Rahmensäulen der Rahmenkonstruktion

Warum also kam es zu einer solchen Zerstörung? Dies bringt uns zum Wort Steifheit. Unter Steifigkeit versteht man die Fähigkeit, Verformungen zu widerstehen. Je größer die Steifigkeit, desto größer die Widerstandsfähigkeit gegen Verformungen, desto größer ist jedoch auch die Erdbebenbelastung. Unabhängig davon, ob es sich um die Mauerwerksausfachungswand in Abbildung 6 oder die Säule mit einer halbhohen Fensterbank in Abbildung 7 handelt, erhöhen sie ihre eigene Steifigkeit, was zu einer ungleichmäßigen Steifigkeit führt. Dadurch werden Bauteile mit höherer Steifigkeit bei einem Erdbeben stärker beschädigt. Dies ist ein häufiges Sprichwort: „Wer dazu in der Lage ist, sollte mehr arbeiten.“ Da Sie starrer sind, tragen Sie zwar mehr Verantwortung, sind aber am Ende auch derjenige, der am meisten leidet.

Auch beim Erdbeben der Stärke 9,5 in Luding traten die oben genannten Schadensarten in unterschiedlichem Ausmaß erneut auf. Die folgende Abbildung zeigt die relevante Schadenssituation, die durch das Erdbeben in Luding verursacht wurde.

Abbildung 8 Schubversagen der inneren Mauerwerksausfachungswand

Abbildung 9 Beschädigung der inneren Dekorschicht der Rahmenkonstruktion

Abbildung 10 Füllen des X-förmigen Risses in der Wand

Abbildung 11 Gesamteinsturz des unteren Stockwerks der Rahmenkonstruktion

Oben haben wir uns die spezifischen Formen der Schäden an Häusern bei Erdbeben angesehen. Wie können wir also diese Erdbebenschäden reduzieren? Die heutzutage am weitesten verbreitete Technologie ist die seismische Isolationstechnologie. Lassen Sie uns heute einen kurzen Blick auf dieses Geheimnis werfen.

Bei der Erdbebenisolationstechnologie geht es darum, die Gebäudestruktur durch Erdbebenisolationsvorrichtungen vom Boden zu isolieren. Durch die Verformung der Isolationsschicht werden Bodenvibrationen absorbiert, wodurch die Überstruktur vor Erdbebenschäden geschützt wird. Die folgende Abbildung ist eine einfache schematische Darstellung des Prinzips der seismischen Isolierung.

Abbildung 12: Schematische Darstellung des Prinzips der seismischen Isolation

Darüber hinaus besteht die Technologie zur Energiedissipation und Stoßdämpfung darin, einige nicht tragende Komponenten der Struktur (wie Stützen, Scherwände, Verbindungsstücke usw.) in Energiedissipationskomponenten mit starker Verformungskapazität umzuwandeln oder in bestimmten Teilen der Struktur (wie zwischen Schichten, an Knoten usw.) Energiedissipationsvorrichtungen zu installieren. Sein Kern besteht darin, Erdbebenenergie zu nutzen.

Abbildung 13: Stoßdämpfer

Die oben genannten Maßnahmen zur seismischen Isolierung werden in China häufig eingesetzt. Zu den typischen Gebäuden mit erdbebensicherer Isolierung zählen das als „Starkes Gebäude“ bekannte Volkskrankenhaus des Landkreises Lushan, das Projekt des Flughafens Peking-Daxing und das Projekt des Flughafens Yunnan-Kunming.

Zu den typischen Projekten zur Energieableitung und Stoßdämpfung zählen das Beijing Yingtai Center, das Tianjin World Trade Center, das Kunming Spring Eye und andere Bauwerke. Natürlich gibt es in China auch Fälle, in denen diese beiden Technologien kombiniert eingesetzt werden. Beispielsweise werden im Projekt des Tangshan Maternal and Child Health Hospital, der Tancheng Vocational and Technical School und der Sichuan Xichang Panxi International Trade City sowohl Technologien zur Erdbebenisolierung als auch zur Stoßdämpfung eingesetzt.

Und schließlich: Sind unsere Häuser wirklich sicher, wenn es tatsächlich zu einem Erdbeben kommt? Ich denke, solange unsere Häuser über eine vernünftige Standortplanung, eine angemessene Konstruktionstheorie und standardmäßige Bautechnologie verfügen, können sie mäßigen Erdbeben standhalten. Wenn wir auf dieser Grundlage sinnvolle Technologien zur Erdbebenreduzierung und Isolierung hinzufügen, werden solche Häuser zweifellos sicher sein.

ENDE

Autor: Guo Yu (Fakultät für Bauingenieurwesen, Technische Universität Zhejiang)