Sind unsere Häuser im Falle eines Erdbebens wirklich sicher?

Apropos Erdbeben: Jeder kennt sie, aber wissen Sie, wie Erdbeben entstehen? Wie werden Bauwerke wie Häuser und Brücken beschädigt? Lassen Sie uns dieses Thema gemeinsam besprechen.

Einfach ausgedrückt ist ein Erdbeben eine Veränderung 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 1 Diagramm 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 2 Schematische Darstellung des Erdbebenauftretens und der Auswirkungen auf Häuser

Erdbeben sind zwar beängstigend, aber nicht alle von ihnen sind zerstörerisch. Laut einschlägiger Statistik ereignen sich weltweit jährlich durchschnittlich etwa 5 Millionen Erdbeben, doch etwa 50.000 Erdbeben sind für uns tatsächlich spürbar, und nur 100 davon können Schäden verursachen.

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

Durch Beobachtung können wir erkennen, dass der größte Unterschied zwischen den beiden die Ringbalken-Struktursäule ist. Abbildung 3 weist keinen Ringbalken und keine tragenden Säulen auf und der Einsturz ist schwerwiegend. Während Abbildung 4 einen Ringbalken und Struktursäulen aufweist, weist nur ein Teil der Wand X-förmige Risse auf, die Hauptstruktur ist jedoch nicht beschädigt und es kommt grundsätzlich nicht zu Personenschäden.

Abbildung 3

Mauerwerkskonstruktion ohne Ringbalken-Stütze

Abbildung 4

Mauerwerkskonstruktion mit Ringbalken und Stützen

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 fungieren Ringbalkenstützen als Bindeband in Mauerwerksgebäuden, indem sie lose Bodenplatten und Mauerwerkswände zu einem Ganzen verbinden und so deren Erdbebensicherheit verbessern.

Neben den Schäden am Mauerwerk sind am Erdbebenort auch zahlreiche Schäden an der Fachwerkkonstruktion zu verzeichnen. Wie in den Abbildungen 5 und 6 dargestellt, sind in beiden Fällen Schäden an der Rahmenstruktur am Erdbebenort zu sehen. In Abbildung 5 wurde die Mauerwerksfüllwand in der Mitte des unteren Rahmens abgeschert, sodass ein X-förmiger Riss entstand, und in Abbildung 6 wurde die Säule in der Ecke beschädigt.

Abbildung 5

Schäden an der Mauerwerksausfachung innerhalb der Rahmenkonstruktion

Abbildung 6

Die Rahmensäulen der Rahmenkonstruktion sind beschädigt

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 5 oder die Säule mit einer halbhohen Fensterbank in Abbildung 6 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 7

Scherversagen der inneren Mauerwerksausfachungswand

Abbildung 8

Die Rahmensäulen der Rahmenkonstruktion sind beschädigt

Abb. 9

Füllen von X-förmigen Rissen in Wänden

Abb.10

Das untere Stockwerk der Rahmenkonstruktion stürzte ein

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 mysteriöse 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.

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 12 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 und Wasserwirtschaft, Technische Universität Zhejiang)

Herausgeber: Guru