NEUE EUROPÄISCHE VORSCHRIFTEN FÜR DIE VERWENDUNG VON DÜBELN IN ERDBEBENZONEN

Die Bemessung von Dübeln unter seismischer Einwirkung ist in der EOTA TR045 (bis zur Einführung der EN 1992-4) festgelegt. Dieses Dokument bezieht sich auf die Beurteilung von Dübeln unter seismischer Einwirkung gemäß Anhang E der ETAG 001, worin die Differenzierung in die seismischen Leistungskategorien C1 und C2 gefordert wird.

Die seismische Leistungskategorie C1 gibt lediglich die Leistung der Dübel im Grenzzustand der Tragfähigkeit an, während die höchste seismische Leistungskategorie C2 zusätzlich zur Leistung im Grenzzustand der Tragfähigkeit auch noch die Verschiebungen im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit und im Grenzzustand der Tragfähigkeit enthält. Folgende Tabelle stellt die Beziehung zwischen den seismischen Anforderungen, der Erdbebeneinwirkung und der Bedeutungskategorie von Gebäuden dar.

Erdbebeneinwirkunga Bedeutungskategorie nach EN 1998-1:2004, 4.2.5
Klasse ag Sc I II III IV
sehr geringb ag S ≤ 0,05 g Keine zusätzlichen Anforderungen
geringb 0,05 g < ag S ≤ 0,10 g C1 C1d oder C2e C2
> gering ag S > 0,10 g C1 C2

 

a – Die Schwellenwerte für die Erdbebeneinwirkung dürfen dem nationalen Anhang der EN 1998-1 entnommen werden.
b – Definition nach EN 1998-1:2004, 3.2.1
c – ag entspricht der Bodenbeschleunigung für Baugrundklasse A (EN 1998-1:2004, 3.2.1)
S – Bodenparameter (siehe z. B. EN 1998-1:2004, 3.2.2)
d – C1 für die Befestigungen von nichttragenden Bauteilen an Bauwerken (siehe TR 045 § 5.1)
e – C2 für die Befestigungen von tragenden Bauteilen an Bauwerken (siehe TR045 § 5.1)

Viele Regionen Europas sind erdbebengefährdet. Seismische Erschütterungen können Menschenleben gefährden und die Funktionsfähigkeit von Bauwerken beeinträchtigen sowie Schäden verursachen.

Seismic Map

Seismische Gefährdungskarte von Europa mit Angabe der Ereignisse, die in den nächsten 50 Jahren mit 10 %iger Wahrscheinlichkeit überschritten werden.

Die Erdbebengefährdung hat Auswirkungen auf tragende und auch auf nichttragende Bauteile. In den letzten Jahrzehnten lag das Hauptaugenmerk im Bauingenieurwesen auf der Strukturdynamik, um vor allem den Einsturz von Gebäuden zu verhindern. Dafür wurden differenzierte Konstruktionsanalyseverfahren entwickelt, auf denen die heute geltenden Vorschriften basieren, und es wurden neue Lösungen, wie Isolatoren und Dämpfer, erarbeitet. Seit einiger Zeit konzentriert sich die Forschung auf die Reaktion der nichttragenden Bauteile und Gebäudeausstattung auf Erdbeben.

GEBÄUDE

Erdbeben zählen zu den gefährlichsten Naturereignissen, die äußerst zerstörerische Auswirkungen auf Bauwerke haben können. Das Tragwerk eines Gebäudes kann auf die horizontale seismische Beanspruchung je nach geltenden Randbedingungen mit einem fragilen oder einem duktilen Verhalten reagieren. Die Anschlüsse zwischen den Bauteilen sind für die Energiedissipation wichtig, damit ein wirksames aseismisches Verhalten ausgelöst wird.

NICHTTRAGENDE BAUTEILE

Betrachtet man die jüngsten Erdbebenereignisse (L’Aquila 2009, Chile 2010, Christchurch 2011, Tohoku 2011, Emilia 2012), stellt man fest, dass die Schäden an nichttragenden Bauteilen enorme wirtschaftliche Verluste verursachten und die Wiederherstellung der Funktionsfähigkeit der Gebäude lange Zeit in Anspruch nahm.

Viele Aspekte wirken sich auf das seismische Verhalten von Gebäuden aus. Dazu zählen auch das dynamische Verhalten der Gebäudeausstattung, die seismische Aktivität in der Region, die Nähe zu einer aktiven Verwerfung, die lokalen Bodenverhältnisse und die dynamischen Eigenschaften des Gebäudes, um nur einige zu nennen. Jedoch haben noch viele weitere, wichtige Faktoren Einfluss auf das seismische Verhalten nichttragender Bauteile. Zu den wichtigsten gehören die Lage innerhalb des Gebäudes, die dynamischen Eigenschaften des nichttragenden Bauteils und die Art seines Anschlusses an das Tragwerk, seine Geometrie und sein Verbindungssystem.

Das Verhalten eines nichttragenden Bauteils lässt sich besser verstehen, wenn die unterschiedlichen Auswirkungen, die durch ein Erdbeben hervorgerufen werden, separat betrachtet werden. Folgende Auswirkungen werden unterschieden:

  1. Trägheitseffekte – Die diesem Phänomen unterliegenden Gegenstände kann man auch als „beschleunigungsempfindlich“ bezeichnen. Je nach Einspannungsart (z. B. nicht verankerte Schränke, freistehende Bücherregale, Gestelle, Notstromaggregat) kann dies zum Umkippen oder Verrutschen der Gegenstände führen.
  2. Gebäudeverformungen – Dieser Effekt hat ebenso wie die Geschossverschiebungen großen Einfluss auf „verformungsempfindliche“ nichttragende Bauteile (z. B. Fenster, Trennwände oder andere fest mit dem Bauwerk verbundene Elemente).
  3. Gebäudeabstände – Während eines Erdbebens können zwischen dicht stehenden benachbarten Gebäuden Stöße (= Erschütterungen durch Gebäude, die sich in unterschiedliche Richtungen verformen) erzeugt werden. Diese können Schäden an beschleunigungsempfindlichen und verformungsempfindlichen nichttragenden Bauteilen hervorrufen, die diese Distanz überspannen (z. B. Geländer, Fassadensimse, Rohre, Sprinklerleitungen, Lüftungskanäle, Trennwände und Bodenbeläge).
  4. Wechselwirkungen zwischen nichttragenden Bauteilen – Im selben Bereich eines Gebäudes installiert, können sich nichttragende Bauteile gegenseitig beeinflussen, wie z. B. eine Zwischendecke und ein Leitungskanal. Diese Elemente können verschiedene Formen, Größen und dynamische Eigenschaften besitzen, unterschiedliche Aussteifungen oder Schwingungsverhalten aufweisen und deshalb eine dynamische Reaktion hervorrufen (z. B. Sprinklerleitungen an der Decke, benachbarte Rohre und aufgehängte Gebäudetechnik können in Schwingung versetzt werden und ein benachbartes Bauteil beeinflussen).

Für jede Auswirkung gibt es eine spezielle Lösung, mit der sich Schäden oder das Versagen nichttragender Bauteile vermeiden lässt. Diese Erkenntnisse lassen sich auch direkt auf die Dübeltechnik übertragen. Aus diesen Gründen sollten nachträglich eingebaute Dübel sorgfältig ausgewählt und bemessen werden, damit ein zufriedenstellendes und zuverlässiges Verhalten bei seismischer Beanspruchung gewährleistet ist.

FORSCHUNG IN KOOPERATION MIT ITW

Das von ITW Construction Products Italy gemeinsam mit dem Fachbereich Bauwesen, Umwelt und Architektur an der Universität Padua ins Leben gerufene Forschungsprogramm „Befestigungen in seismischen Anwendungen“ befasste sich mit dem seismischen Verhalten von Befestigungselementen. Insbesondere der erste Teil des Forschungsprojekts widmete sich Untersuchungen an nachträglich eingebauten Dübeln für nichttragende Bauteile und führte dazu Rütteltischversuche durch.

Dank dieser Versuchsreihe konnte das Wissen über das dynamische Verhalten ausgewählter Produkte um einiges vertieft werden. Dabei wurden die kritischsten und häufigsten Anwendungsfälle von Dübeln betrachtet. Die Forschung lieferte mit ihren Ergebnissen Informationen, die in die Entwicklung neuer Produkte einfließen werden, und untersuchte Anwendungsbereiche, die von den jetzigen Vorschriften noch nicht abgedeckt werden.

Anhand des gewählten Prüfaufbaus und der verwendeten Bauwerkseinheiten wurden die Auswirkungen eines Erdbebens auf nichttragende Bauteile, wie maschinelle Einrichtungen oder medizinische Geräte, im Innern eines Gebäudes präzise nachgebildet. Die Prüfungen wurden am Labor für Strukturdynamik und Schwingungsüberwachung des ENEA-Forschungszentrums in Rom durchgeführt. Im Mittelpunkt stand der Einsatz von Dübeln in zwei allgemein üblichen Verankerungsgründen: Beton und Füllmauerwerk. Es wurde Beton der Festigkeitsklasse C25/30 verwendet und das Mauerwerk bestand aus Poroton® Lochziegel. Die im Beton installierten Befestigungsmittel wurden sowohl in ungerissenem als auch in gerissenem Beton geprüft. Um die realen Bedingungen zu simulieren, wurde auf das Mauerwerk eine 1 cm dicke Putzschicht aufgetragen.

Seismic

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