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Rechenmodelle sollen Erdbebenrisiken für Gebäude besser erfassen
Wie stark ein Gebäude bei einem Erdbeben schwankt, hängt nicht allein von der Bodenbewegung ab. Ein neuer Rechenablauf verknüpft Analysen des Untergrunds, aufgezeichnete Erdbebenwellen und die Belastbarkeit eines Bauwerks. In einem Modellversuch unterschied sich die berechnete Erdbebenbelastung um den Faktor 3,4, die stärkste Verformung zwischen Stockwerken hingegen nur um den Faktor 1,32.
London (England). Wie ein Gebäude auf ein Erdbeben reagiert, lässt sich nicht allein aus der Stärke des Bebens ableiten. Auch die Bodenschichten unter dem Fundament und die Eigenschwingung eines Bauwerks beeinflussen, welche Kräfte seine Bauteile aufnehmen müssen. Dabei können sich manche Belastungen verstärken, während andere schwächer ausfallen als erwartet.
In der Ingenieurpraxis werden Untergrund, Erdbebenwellen und Tragkonstruktionen häufig mit unterschiedlichen Rechenverfahren untersucht. Ihre Ergebnisse müssen anschließend miteinander verknüpft werden, damit mögliche Schwachstellen sichtbar werden. Eine gemeinsame Betrachtung dieser Faktoren könnte die Bewertung gefährdeter Gebäude präzisieren.
Forscher der University of East London (UEL) um Dr. Jawed Qureshi haben einen gemeinsamen Rechenablauf an einem fünfstöckigen Stahlbetongebäude erprobt. Er verknüpft vier spezialisierte Werkzeuge, die Bodenschichten, die Stärke von Bodenbewegungen, die Verformung eines Gebäudes und die Belastbarkeit einer Stütze analysieren. So lässt sich das Zusammenspiel verschiedener Einflüsse auf ein und dasselbe Bauwerk untersuchen.
„Bauingenieure wissen seit jeher, dass Gebäude nicht isoliert versagen“, erklärt Dr. Jawed Qureshi.
Die Studie bezeichnet den Ansatz als Proto-AGI, also als mögliche Vorstufe einer allgemeinen künstlichen Intelligenz. Dahinter steht allerdings kein eigenständig urteilendes System, das über die Sicherheit eines Gebäudes entscheiden könnte. Die vier Anwendungen arbeiten überwiegend mit spezialisierten Rechenverfahren, deren Zwischenergebnisse bislang von Menschen übertragen und zusammengeführt werden.
Für den Vergleich verwendete das Team aufgezeichnete Bodenbewegungen des Northridge-Erdbebens in Kalifornien von 1994 und des Kobe-Erdbebens in Japan von 1995. Beide Datensätze stammen aus der Erdbebendatenbank NGA-West2 des Pacific Earthquake Engineering Research Center (PEER). Die aufgezeichneten Bewegungen wurden jeweils auf dasselbe Computermodell eines fünfgeschossigen Stahlbetonrahmens angewandt.
Im für das Gebäude untersuchten Schwingungsbereich lag die berechnete spektrale Erdbebenbelastung beim Northridge-Datensatz rund 3,4-mal höher als beim Kobe-Datensatz. Die größten relativen Verschiebungen zwischen zwei Stockwerken erreichten hingegen 0,45 Prozent beziehungsweise 0,34 Prozent und unterschieden sich damit nur um den Faktor 1,32. Die beiden Größen beschreiben unterschiedliche Aspekte des Bebens und der Reaktion des Gebäudes.
Beide Modellwerte blieben unter dem in der Studie verwendeten Grenzwert von einem Prozent für eine geringe Bauwerksschädigung. Daraus folgt jedoch nicht, dass ein tatsächlich betroffenes Gebäude nach einem entsprechenden Erdbeben ohne Prüfung sicher weitergenutzt werden könnte. Die Rechnungen vergleichen nur zwei gezielt ausgewählte Erdbebenaufzeichnungen, keine repräsentative Bandbreite möglicher Ereignisse.
Der Baugrund ist Teil der Berechnung. Eine Drucksondierung beschreibt für das untersuchte Beispiel eine vergleichsweise schwache und nachgiebige Schicht in fünf bis zwölf Metern Tiefe, die das Schwingungsverhalten beeinflussen könnte. Eine vollständige Berechnung der ortsspezifischen Verstärkung der Erdbebenwellen erfolgte in diesem Teil der Untersuchung allerdings nicht.