Innovation in Earthquake Resistant Design (INERD) - ein Konzept für erdbebensicheres Bauen

Das INERD - Konzept ist ein zusätzliches berechnungs- und planungsunabhängiges Konstruktions- system, das auf Stahlbetonrahmenkonstruktionen angewendet werden kann. INERD soll helfen, dem Tragwerk die von Eurocode 1 geforderte Robustheit zu verleihen, die Fähigkeit des Tragwerks, Ereignissen wie Feuer, Explosionen, Anprall sowie den Folgen menschlichen Versagens standzuhalten, ohne im Vergleich zur eigentlichen Ursache übermäßige Schäden zu erleiden. Das spezielle Ziel des INERD-Systems ist die Vermeidung fortschreitender Versagensmechanismen, z. B. einer Kette, bei der ein lokales Versagen ein wesentlich größeres globales Versagen nach sich zieht.

"Soft Storey" Mechanismus

Warum brauchen Stahlbetonkonstruktionen, die gemäß Eurocode 2 und Eurocode 8 erstellt wurden, Maßnahmen für die Robustheit?

In Erdbebengebieten errichtete Bauten sind einer Reihe von Unsicherheiten verschiedenster Herkunft ausgesetzt. Im speziellen Fall bedeutet das, dass sich für Stahlbetongebäude folgende Probleme ergeben können:
Im Allgemeinen werden biegesteife Konstruktionen als bloße Stahlbetonrahmen berechnet. Ihr tatsächliches Verhalten ändert sich jedoch oft, wenn Wände vorhanden sind, die eine ungünstige Auswirkung auf einzelne Tragglieder und auf das gesamte Tragwerk haben. Die häufigste Versagensart von biegesteifen Stahlbetonrahmen ist der so genannte "Soft Storey" Mechanismus, bei dem erhebliche Schäden am Erdgeschoss (siehe Abb. 1) auftreten.

Dieser "Soft Storey" Mechanismus ist entweder auf größere offene Bereiche im Erdgeschoss zurückzuführen (Raum für Läden, Lobby etc.) oder auf die größere Anfälligkeit der Ausfachungswände im Erdgeschoss aufgrund von größeren Schubverformungen. Die Biegemomente und Stützenverformungen sind daher in diesem geschwächten ersten Geschoss größer als in darüberliegenden Etagen, deren Wände mit Mauerwerk gefüllt und daher weniger anfällig sind. Biegemomente in Kombination mit Druck- und Scherkräften führen zu einem Versagen der Stützen im ersten Geschoss und verursachen einen vorzeitigen Gebäudeeinsturz.

Außerdem kann die Reaktion der Streben in den Ausfachungswänden die Verformung des Rahmentragwerks behindern und so zu einer verstärkten Belastung in Stützen und anderweitigem örtlichen Versagen führen.

Im Zusammenhang mit dieser Situation ist zu erwähnen, dass in Eurocode 8 [§ 5.9 (1)] dieses Problem aufgegriffen wurde und gefordert wird, Abhilfemaßnahmen für Rahmen mit Ausfachungen zu ergreifen.

Abweichungen dieser Art können bei Änderungen der Innenräume in der Planungs- und Bauphase oder aber auch bei Eingriffen in späteren Nutzungsphasen des Gebäudes entstehen und liegen so häufig außerhalb des Einflussbereichs des Planers.

Gemäß den Erdbebenplanungsvorschriften ist es in den meisten Fällen erlaubt, sowohl bei der  Berechnung als auch bei der Planung die vertikalen Komponenten des Erdbebens zu vernachlässigen.  Die tatsächliche Normalkraft in Stützen ist daher nur geschätzt. Hierzu ein Beispiel für Eurocode 8 – Erdbebenklasse 2: Die Annahme der vertikalen Spitzenbeschleunigung sollte 0,9 Mal größer sein als die der horizontalen Beschleunigung.

In einem Gebiet mit einer maximalen Bodenbeschleunigung von ag = 0,4 g bedeutet das, dass die Schwerkraft entweder um 0,4 g x 0,9 = 0,36 g (d. h. 36 %) reduziert oder erhöht ist.  

Stützen werden so ausgelegt, damit sie der Normalkraft kombiniert mit dem Biegemoment standhalten. Es ist jedoch offensichtlich, dass eine Näherung von 36 % betreffend die Normalkraft erhebliche Folgen für den tatsächlichen Biegewiderstand der stahlbetonbewehrten Stützen haben kann, was auf die Form der M-N-Interaktionskurven der Stahlbetonelemente (siehe Abb. 2) zurückzuführen ist. Diese Ungenauigkeit kann ausreichen, um die Schwachstelle des biegesteifen Rahmens von den Riegeln, wo sie erwartet werden, in die Stützen zu verschieben.

Ein weiteres Problem bei Stahlbetonrahmenkonstruktion tritt im Zusammenhang mit der Materialqualität auf. Diese Qualität erfordert eine eingehende und kontinuierliche Prüfung, und oft besteht ein gewisser Unsicherheitsfaktor bei dieser Kenngröße. Insbesondere, wenn die Betonfestigkeit geringer ist, als für die Stütze gefordert oder größer ist als für einen Träger erwartet, kommt es leicht zu einem vorzeitigen Versagen der Stütze und anschließend zu einer Versagenskette.  

Robustheit unter Erdbebenbedingungen ist daher auch für Rahmen mit Momentwiderstand erforderlich, die entsprechend den Vorschriften geplant wurden.

Das INERD-Konzept

Das INERD-Konzept für Stahlbetonrahmen besteht darin, dass Stahlprofile in die Stahlbetonstützen im ersten Geschoss des Gebäudes (siehe Abb. 3) eingestellt werden. Das Profil ist nicht für die Tragwerksplanung gedacht, die wie üblich für Stahlbetonkonstruktionen ausgeführt wird. Es soll als Sicherheitsgurt dienen, der seine Wirkung nur im Falle von Betonversagen unter Erdbebeneinwirkung entfaltet.

Untersuchungen haben gezeigt, dass dieses Konzept eine effiziente Art und Weise ist, um dem Tragwerk eine erhebliche Robustheit zu verleihen. Tatsächlich ist der Widerstand der lokalen Verbundstütze größer als der bloße Widerstand des für die Planung berücksichtigten Stahlbetons. Außerdem ist dieser Widerstand aufgrund der Form der M-N-Interaktionskurve des Stahlprofils (siehe Abb. 2) weniger empfindlich bei Unsicherheiten über die tatsächliche Normalkraft in der Stütze und auch weniger empfindlich bei Unklarheiten über die Materialeigenschaften, da Stahlprofile als Industrieprodukte einer strengeren Qualitätskontrolle unterliegen. Daher begrenzt das INERD-Konzept, selbst unter den oben beschriebenen ungünstigen Bedingungen,  erheblich das Risiko eines "Soft Storey" Mechanismus.

Selbst wenn ein “Soft Storey” Mechanismus auftritt, zeigt das Stahlprofil eine hohe Rotationskapazität. Es kann daher den Stahlbetonstützenquerschnitt ersetzen, wenn der Beton vollständig versagt hat oder Längsbewehrung unter Erdbebeneinfluss ausgeknickt ist. Es verbessert dann die Duktilität der Konstruktion, und der "Soft Storey" Mechanismus ist weniger spröde als in den Fällen, in denen nur Stahlbetonrahmen eingesetzt wurden.

Abb. 4 zeigt das Beispiel eines Experiments, bei dem es darum geht, inwieweit mit dem INERD-Konzept eine Verbesserung des Widerstands und der Duktilität einer bestimmten Stahlbetonstütze, die einer konstanten Stauchung und zyklischen Biegung unterworfen ist, erreicht werden kann. Es lässt sich feststellen, dass selbst ein Profil limitierter Größe eine Verbesserung des Tragverhaltens hervorruft, ohne dass das Gesamtverhalten des Tragwerks wesentlich geändert wird. Dies rechtfertigt, dass das Gebäude insgesamt als Stahlbetonrahmen geplant werden kann.

Es werden vier Kriterien vorgeschlagen, um ein einzubetonierendes Stahlprofil zu definieren:  

  • Das Stahlprofil allein sollte in der Lage sein, die geplante Bemessungs-Längskraft im Erdbebenfall aufzunehmen. Das bedeutet, dass das Gebäude nach einem Erdbeben immer noch steht, auch wenn der Beton am Ort der plastischen Gelenke komplett zerstört ist.  
  • Das Stahlprofil allein muss in der Lage sein, die unter der Biege- und Abscherbeanspruchung versagende Stahlbetonstütze unter Erdbebenlast zu ersetzen.  
  • Die Stahlprofile dürfen nicht wesentlich die örtliche Biegesteifigkeit EI der Stützen verändern, damit die Steifigkeit so weit als möglich der der ursprünglichen Stahlbetonkonstruktion nahekommt, denn eine erhöhte Steifigkeit würde einen Anstieg der Erdbebenkräfte bedeuten, was nicht wünschenswert ist. Darüber hinaus würde jede Änderung der Steifigkeit eine Änderung der Eigenfrequenz und somit der Bemessungsannahmen für den Erdbebenfall hervorrufen.
  • Änderungen der Stützeneigenschaften sollten in der gleichen Größenordnung für beide Lastrichtungen erfolgen, d. h. bei der Biegung der Stützen um starke und schwache Achsen, um inhomogene Änderungen der Bauwerkseigenschaften zu vermeiden.  


Die praktischen Definitionen dieser Kriterien gehen aus dem Referenzdokument 2 „Allgemeiner technischer Hintergrund der Software“ hervor.