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Sicheres Bauen in Erdbebengebieten

Erdbeben in Deutschland

Bilder von durch Erdbeben zerstörte Gebäude oder sogar ganzer Städte kennen die meisten Menschen in Deutschland glücklicherweise nur aus den Nachrichten. Doch auch hier können sich durchaus größere Erdbeben ereignen, insbesondere Nordrhein-Westfalen und Baden-Württemberg sind hier am stärksten betroffen, aber auch Teile Bayerns und Thüringens. 

Doch das Auftreten von Erdbeben muss nicht gleichbedeutend mit schweren Beschädigungen oder sogar einstürzenden Gebäuden sein, denn es gibt Möglichkeiten, erdbebensicher zu bauen. In Deutschland steht mit der DIN 4149 eine Norm zur Verfügung, nach der bauliche Anlagen so bemessen werden können, dass sie einem definierten Bemessungserdbeben widerstehen und auch nach dem Beben über eine ausreichende Resttragfähigkeit verfügen.

Zone 0 = Intensität 6,0 - 6,5Erbebentonen in Deutschland

  • vornehmlich innerhalb von Gebäuden spürbar, außerhalb teilweise
  • spürbare Erschütterung des gesamten Gebäudes, hängende Objekte schwingen deutlich, einige Gegenstände fallen um
  • Haarrisse in einigen Wänden, vereinzelt brechen Glasscheiben, Putz kann herabfallen

Zone 1 = Intensität 6,5 - 7,0

  • innerhalb und außerhalb von Gebäuden deutlich spürbar, einige Personen erschrecken und flüchten nach draußen
  • Herunterfallen von Gegenständen, Möbel verschieben sich
  • Risse und Ausbrüche in Wänden und Putz, Kamine können einstürzen

Zone 2 = Intensität 7,0 - 7,5

  • innerhalb von Gebäuden können Personen das Gleichgewicht verlieren, viele erschrecken und flüchten nach draußen
  • Möbel können umfallen, Wasser schwappt aus Pools
  • Mauerrisse, einstürzende Kamine

Zone 3 = Intensität ≥ 7,5

  • innerhalb und außerhalb von Gebäuden verlieren Personen das Gleichgewicht
  • Möbel fallen um, Bodenerschütterungen können sichtbar sein, Grabsteine fallen um
  • einige Gebäude können teilweise einstürzen

Beschreibung der Erdbebenzonen

Die obenstehende Karte entspricht der Darstellung in DIN 4149:2005-04, Bild 2 „Erdbebenzonen der Bundesrepublik Deutschland“. Den Erdbebenzonen wurden Intensitätsintervalle auf Basis der Europäischen Makroseismischen Skala (EMS) zugeordnet. Die nebenstehend aufgeführten Beschreibungen stellen einen stark reduzierten Auszug aus dem englischen Originaltext dar und sollen lediglich der Veranschaulichung dienen.

Neben der eigentlichen Erdbebenzone spielen die Untergrundverhältnisse, der Baugrund und die Geologie des Gebäudestandorts eine wesentliche Rolle. Es ist daher unumgänglich, diese Randbedingungen durch spezialisierte Fachleute ermitteln und festlegen zu lassen.

Gesetzliche und normative Rahmenbedingungen

Gemäß Musterbauordnung §3 und §12 müssen Gebäude in der Lage sein, die auftretenden Beanspruchungen aus Eigengewicht, Nutzlasten oder Wind und Schnee sicher und schadensfrei aufzunehmen. Diese Anforderung gilt auch im in Deutschland eher unwahrscheinlichen Fall eines stärkeren Erdbebens. Um die Standsicherheit von Gebäuden und Bauteilen im Erdbebenfall zu gewährleisten, gilt derzeit in Deutschland die DIN 4149:2005-04 „Bauten in deutschen Erdbebengebieten“, die sich mit den Lastannahmen sowie der Bemessung und Ausführung üblicher Hochbauten befasst. Im Zuge der Harmonisierung europäischer Normen darf davon ausgegangen werden, dass auf absehbare Zeit der Eurocode 8 „Auslegung von Bauwerken gegen Erdbeben“ diese nationale Norm ablösen wird.
Die Inhalte beider Normenwerke sind weitgehend identisch und besagen, dass bauliche Anlagen so zu bemessen und auszubilden sind, dass sie einem definierten Bemessungserdbeben widerstehen können und auch nach dem Beben über eine ausreichende Resttragfähigkeit verfügen. Nicht tragende Bauteile sind so auszubilden, dass sie im Falle eines Erdbebens keine Personen gefährden.  Auf den Kern reduziert heißt das:

  • menschliches Leben ist zu schützen 
  • Schäden müssen begrenzt bleiben und 
  • wichtige Bauwerke zum Schutz der Bevölkerung müssen funktionstüchtig bleiben 

Grundlagen des erdbebensicheren Bauens

Um ein erdbebensicheres Gebäude zu planen, gilt es das Verhalten von Gebäuden und Bauteilen unter seismischer Beanspruchung zu verstehen. In DIN 4149 werden Empfehlungen für den Entwurf von erdbebensicheren Bauwerken gegeben, welche vereinfachend als „Regelmäßigkeit im Grund- und Aufriss“ beschrieben werden. Regelmäßige Strukturen verhalten sich erdbebentechnisch deutlich günstiger als unregelmäßige Strukturen. Nachfolgend sind auszugsweise einige der wichtigsten Kriterien aufgeführt:

  • Wahl eines möglichst einfachen Tragwerksystems mit eindeutigen Kraftübertragungswegen
  • Einsatz von Tragwerksteilen mit ähnlichen Steifigkeiten und Trageigenschaften
  • Vorzug duktiler Konstruktionen mit großer Energiedissipation, d.h. Erdbebenkräfte werden ohne Tragfähigkeitsversagen in eine Bauteilverformung umgewandelt
  • Vermeidung von großen Massen in den oberen Stockwerken
  • Möglichst kompakte und symmetrische Grundrissplanung mit Verzicht auf stark gegliederte Formen
  • Grundrisse mit möglichst hohem Torsionswiderstand
  • Möglichst durchgehende Anordnung der aussteifenden Bauteile von der Gründung bis zum Dach
  • Vermeidung größerer Rücksprünge zwischen den einzelnen Geschossen

Darüber hinaus sollten die nachfolgend aufgeführten Grundprinzipien beim statischen Nachweis berücksichtigt werden, sodass diese Bemessungsregeln im wörtlichen Sinn eine solide Basis bilden: 

  • vorwiegend horizontale Beschleunigungen aus dem Boden aktivieren die gesamte Tragstruktur des Gebäudes
  • entgegen der quasi-statischen Lastannahmen von Eigen- und Nutzlasten weisen die tatsächlichen dynamischen Kräfte eines Erdbebens deutlich größere Streuungen im Vergleich zu den anzusetzenden Ersatzlasten auf
  • die quasi-statische Bemessung eines Tragwerks ist durch eine auf der sicheren Seite liegenden „Unterschätzung“ der Steifigkeit gekennzeichnet, im Lastfall Erdbeben müssen die Steifigkeiten möglichst genau abgeschätzt werden, um realistische Ersatzlasten ermitteln zu können

Im Technik aktuell Nr. 70 Erdbebensicherheit mit Rigips sind die baurechtlichen und normativen Grundlagen zur Bemessung erdbebensicherer Bauteile noch detaillierter beschrieben. Neben Hinweisen zur Berechnung tragender und aussteifender Bauteile im Holzbau werden auch konstruktive Maßnahmen für die erdbebensichere Ausführung nicht tragender innerer Trennwände und Unterdecken gegeben.

Zum Technik aktuell Nr. 70: Erdbebensicheres Bauen mit Rigips...

Rigips Produkte für den Einsatz in Erdbebengebieten

Eine Bauweise, die bei möglicher Erdbebenbeanspruchung besonders gut geeignet ist, ist der Holzbau und insbesondere die Holztafelbauweise. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass die tragenden und aussteifenden Bauteile in der Lage sind, die Erdbebenkräfte aufzunehmen und ohne Einsturz lediglich in Bauteilverformung umzuwandeln. Dieses Verhalten wird gemeinhin als Energiedissipation bezeichnet.
Ein essenzieller Bestandteil von Holztafeln ist die mittragende und aussteifende Beplankung aus Plattenwerkstoffen. DIN 4149 nennt Beispiele für uneingeschränkt anwendbare Beplankungsmaterialien für Holztafeln. Das sind größtenteils Holzwerkstoffplatten, doch auch Rigips-Produkte sind durch zwei allgemeine Bauartgenehmigungen ebenfalls uneingeschränkt anwendbar:

  • Z-9.1-898 regelt die Verwendung der Gipsfaserplatte Rigidur H
  • Z-9.1-830 regelt die Verwendung der Rigips Feuerschutzplatte RF

Rigips Produkt - Technische Eigenschaften

Rigidur H Gipsfaserplatte nach DIN EN 15283-2

  • Erdbebengeeignet nach Z-9.1-898
  • Duktilitätsklasse 2 nach DIN 4149
  • Verhaltensbeiwert q ≤ 2,5

Zur Allgemeinen Bauartgenehmigung Rigidur in Erdbebengebieten...

Habito; Feuerschutzplatte RF    

  • Gipsplatte Typ GKF nach DIN 18180 bzw. Typ DF nach DIN EN 520
  • Erdbebengeeignet nach Z-9.1-830
  • Duktilitätsklasse 1 oder 2 nach DIN 4149
  • Verhaltensbeiwert q ≤ 2,0

Zur Allgemeinen Bauartgenehmigung GKF in Erdbebengebieten...

Nicht tragende innere Trennwände

Auch die statisch nicht tragenden Bauteile leisten einen Beitrag zum Verhalten eines Gebäudes gegenüber Erdbeben. Je höher die Gesamtmasse des Gebäudes ist, desto höher ist auch die mitschwingende Masse, also auch die im Erdbebenfall anzusetzenden Ersatzlasten. Der leichte Innenausbau bietet daher gleich zwei wichtige Vorteile:

  • die Reduktion der mitschwingenden Masse, und
  • die Dämpfung der dynamischen Reaktion

Nicht tragende innere Trennwände mit einer Höhe von mehr als 3,50 m müssen entsprechend DIN 4149 gesondert nachgewiesen werden. Der Nachweis kann vereinfachend als Vergleich der Beanspruchung aus Erdbebenersatzlast und den Gebrauchslasten nach DIN 4103-1 geführt werden.

Unterdecken

Abgehängte Unterdecken können im Erdbebenfall zusätzlichen Beanspruchungen ausgesetzt sein. Dies können sowohl horizontale Deckenverschiebungen sein, als auch vertikale Sog- und Drucklasten. Dabei muss nachgewiesen werden, dass auch die Unterdecke unter der Bemessungs-Erdbebeneinwirkung kein Risiko für Personen darstellt und keine nachteiligen Auswirkungen auf das Verhalten der tragenden Bauteile hat. Dabei sind über die eigentliche statische Bemessung hinaus folgende konstruktiven Maßnahmen erforderlich:

  • Ausführung einer Unterkonstruktion mit Grund- und Tragprofil (höhenversetzte Anordnung)
  • Abhängehöhe so niedrig wie möglich planen
  • Abhänger der Lastklasse 0,4 kN nach DIN 18168 verwenden
  • Abhänger und Profilverbinder stets mit der Unterkonstruktion verschrauben
  • Befestigung von Zusatzlasten direkt in der Rohdecke
  • Verwendung von Befestigungsmitteln für seismische Beanspruchung
  • Keine Einleitung von vertikalen Deckenlasten in die angrenzenden Wände 
  • Auswahl einer Beplankung mit möglichst geringem Eigengewicht
  • Anordnung von Diagonalaussteifungen zwischen Unterkonstruktion und Rohdecke
  • Druckfester Anschluss an die angrenzenden Wände ohne Einleitung von Zugkräften