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«Dokumentation Beurteilung der Erdbebensicherheit bestehender Strassenbrücken Bundesamt für Strassen • Office fédéral des routes ASTRA • OFROU ...»

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Bundesamt für Strassen

Dokumentation

Beurteilung der Erdbebensicherheit

bestehender Strassenbrücken

Bundesamt für Strassen • Office fédéral des routes ASTRA • OFROU

Ufficio federale delle strade • Uffizi federal da vias USTRA • UVIAS

Eidg. Dep. für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation • Dép. fédéral de l’environnement, des transports, de l’énergie et de la communication Dip. federale dell’ambiente, dei trasporti, dell’energia e delle comunicazioni • Dep. federal da l'ambient, dals transports, da l'energia e da la communicaziun Dokumentation Beurteilung der Erdbebensicherheit bestehender Strassenbrücken Impressum Autor Dr. Thomas Wenk Illustration Bild 4.7: Alga S.p.A., Milano Alle Bilder ausser Bild 4.7: Autor Herausgeber Bundesamt für Strassen ASTRA, Abteilung Strassennetze; Standards, Forschung, Sicherheit, 3003 Bern Ort, Jahr Bern, 2005 Bezugsquelle BBL, Vertrieb Publikationen, CH-3003 Bern, Fax 031 325 50 58, www.bbl.admin.ch/bundespublikationen Bestell-Nr. 308.327.d Download: www.astra.admin.ch Preis (gedruckte Version) CHF 50.- (inkl. MWST) Der Inhalt dieser Dokumentation verpflichtet nur den vom Bundesamt für Strassen beauftragten Autor.

© ASTRA 2005, Abdruck unter Angabe der Quelle gestattet.

Inhaltsverzeichnis Bundesamt für Strassen Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis................................................................. 5 Zusammenfassung................................................................ 7 Verdankungen................................................................... 8 1 Einleitung..................................................................... 9

1.1 Ausgangslage............................................................... 9

1.2 Konzept................................................................... 9

1.3 Abgrenzung................................................................ 9 2 Entwicklung der Erdbebenbestimmungen..........

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Zusammenfassung Die meisten Brücken des schweizerischen Nationalstrassennetzes sind vor dem Inkrafttreten moderner Erdbebennormen erstellt worden. Sie sind entweder überhaupt nicht oder nur unzureichend für Erdbebeneinwirkung bemessen worden. Eine gewisse Anzahl der bestehenden Brücken kann deshalb aus heutiger Sicht eine ungenügende Erdbebensicherheit aufweisen. Um diese kritischen Bauwerke mit begrenztem Aufwand aus der Gesamtheit der Brücken herausfiltern zu können, wurde ein einfaches zweistufiges Beurteilungsverfahren der Erdbebensicherheit entwickelt.

In der ersten Stufe werden in einem raschen Verfahren mit einer Checkliste im Umfang einer A4-Seite alle Brücken beurteilt. Nur die in der ersten Stufe als kritisch bezüglich Erdbebensicherheit eingestuften Brücken werden anschliessend in der zweiten Stufe vertieft analysiert. Die Beurteilungskriterien der ersten Stufe umfassen hauptsächlich typische Schwachstellen von Brücken bezüglich Erdbebenverhalten wie kurze Auflagerbank, Gerbergelenke, Zwischenfugen auf Stützen, starke Krümmung, grosse Schiefe oder hohe Widerlagerwände. Rahmen- und Sprengwerkbrücken werden in der Regel als genügend erdbebebensicher ausgeschieden, während Bogen- und Schrägseilbrücken sowie andere Spezialtypen direkt in die zweite Stufe verwiesen werden. Ein wichtiger Punkt der ersten Stufe ist ferner die Einteilung der Brücken nach ihrer Bedeutung in eine der drei Bauwerksklassen gemäss Norm SIA 261.

In der zweiten Stufe der Beurteilung erfolgt eine umfassende Überprüfung der Erdbebensicherheit. Da das kraftbasierte Verfahren, das übliche Vorgehen gemäss den Tragwerksnormen, für bestehende Brücken weniger geeignet ist, wird für die zweite Stufe die verformungsbasierte Überprüfung empfohlen, mit der das effektiv vorhandene Verformungsvermögen besser erfasst werden kann. Für diejenigen Brücken, die auch die zweite Stufe der Beurteilung nicht bestehen, werden mögliche Erdbebenertüchtigungsstrategien vorgeschlagen. Bevor jedoch eine Brücke ertüchtigt wird, ist die Verhältnismässigkeit der Kosten der erzielten Risikoreduktion gegenüberzustellen. Das Beurteilungskonzept ist primär auf die am meisten verbreiteten Balkenbrücken und die in der Schweiz vorherrschende niedrige bis mittlere Seismizität ausgerichtet.

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Verdankungen Die Erarbeitung dieses Berichts wurde ermöglicht dank der Finanzierung durch das Bundesamt für Strassen (ASTRA). Mein persönlicher Dank gilt Herrn Willi Schuler, Bereich Kunstbauten im ASTRA, für die Betreuung und fachliche Unterstützung und Herrn Michel Donzel, Leiter des Bereichs Kunstbauten im ASTRA, für die fundierte Kritik. Herrn Dr. Joseph Jacquemoud, Sion, möchte ich für die Unterstützung bei den ersten Probeanwendungen im Wallis und für die wertvollen Anregungen ganz herzlich danken. Zahlreiche Verbesserungsvorschläge verdanke ich den Herren Ernst Anliker, Thomas Kälin, Jürg Michel, Roland Schmed und Rolf Walser, die im Jahre 2004 mit der ersten Fassung des Berichts die Nationalstrassenbrücken in den Kantonen SG und SZ überprüft haben. Mein besonderer Dank gilt der freundschaftlichen Kritik, die ich von den Herren Prof. Dr. Dr. h.c. Hugo Bachmann, Prof. Dr. Alessandro Dazio, Dr. Pierino Lestuzzi, Dr. René Steiger, Prof. Thomas Vogel und Dr. Rudolf Vogt erhielt.





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1 Einleitung

1.1 Ausgangslage Die Erdbebengefährdung in der Schweiz ist im internationalen Vergleich als niedrig bis mittelstark einzustufen. Da wir seit über 100 Jahren von schweren Erdbeben verschont geblieben sind, wurde die Erdbebengefährdung lange Zeit unterschätzt. Als Folge der starken Bautätigkeit im 20. Jahrhundert ist das Ausmass der möglichen Schäden enorm angewachsen. Das steigende Sicherheitsbedürfnis der Gesellschaft zusammen mit einer abnehmenden Akzeptanz von Unterbrüchen von Infrastrukturnetzen führten zu einem grossen Nachholbedarf bezüglich Erdbebensicherung der Bauwerke. Moderne Erdbebennormen sind in der Schweiz erst im Jahre 1989 eingeführt worden, zu einem Zeitpunkt als bereits die meisten Brücken des Nationalstrassennetzes erstellt waren. Nur rund 10% der Brücken sind nach aus heutiger Sicht modernen Erdbebennormen, d.h. nach 1989 gebaut worden. Die restlichen 90% der Brücken sind vor dem Inkrafttreten moderner Erdbebennormen erstellt worden. Sie sind entweder überhaupt nicht oder nur unzureichend für Erdbebeneinwirkung bemessen worden. Eine gewisse Anzahl der bestehenden Brücken kann deshalb aus heutiger Sicht eine ungenügende Erdbebensicherheit aufweisen. Um diese kritischen Bauwerke mit begrenztem Aufwand aus der Gesamtheit der Brücken herausfiltern zu können, wurde ein einfaches zweistufiges Beurteilungsverfahren der Erdbebensicherheit entwickelt.

1.2 Konzept Das Ziel des vorgeschlagenen zweistufigen Konzepts zur Beurteilung der Erdbebensicherheit bestehender Strassenbrücken ist, diejenigen Brücken herauszufiltern, die den heutigen Anforderungen bezüglich Erdbebensicherheit nicht genügen, und eine Prioritätensetzung bezüglich der erforderlichen Massnahmen zu ermöglichen. In der ersten Stufe werden in einem einfachen, raschen Verfahren mit einer Checkliste im Umfang einer A4-Seite alle Brücken beurteilt. Einzig die in der ersten Stufe als kritisch erkannten Brücken werden in der zweiten Stufe vertieft analysiert. Ergeben die Untersuchungen der zweiten Stufe eine ungenügende Erdbebensicherheit, sind im nächsten Schritt abhängig von der Prioritätensetzung Massnahmen zur Erdbebenertüchtigung zu untersuchen.

1.3 Abgrenzung Das vorgeschlagene zweistufige Konzept ist primär auf die in der Schweiz am meisten verbreiteten Balkenbrücken und deren Schwachstellen bezüglich Erdbebenverhalten ausgerichtet.

Gerade die Balkenbrücken weisen häufig eine grössere Erdbebenverletzbarkeit verglichen mit anderen Brückentypen auf. Rahmen-, Sprengwerk-, Bogen- und Schrägseilbrücken sowie andere Spezialtypen werden relativ summarisch behandelt. Die Anwendbarkeit des Konzepts ist auf die in der Schweiz vorherrschende niedrige bis mittlere Seismizität beschränkt. Die meisten Beurteilungskriterien stützen sich direkt auf die Erdbebenbestimmungen in den SIA-Normen ab, d.h. beurteilt wird in erster Linie die normgemässe Erfüllung der Erdbebensicherheit.

Für die Beurteilung der Erdbebensicherheit bestehender Stützbauwerke, Schutzgalerien und Tunnelportale plant das ASTRA ein ähnliches Vorgehen.

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2 Entwicklung der Erdbebenbestimmungen

2.1 Nutzen des Erdbebeningenieurwesens Schadenstatistiken jüngerer Starkbeben in Industrieländern mit guter Einhaltung der Bauvorschriften lassen immer wieder einen sehr starken Einfluss der Erdbeben-Normengeneration auf das Ausmass der Schäden erkennen. Als Beispiel dafür zeigt Bild 2.1 die Schadenverteilung von 233 beschädigten Brücken nach dem Northridge Erdbeben im Jahre 1994 bei Los Angeles in Kalifornien (Magnitude Mw = 6,7). Insgesamt wurden 3533 Brücken im Hauptschadensgebiet ausgewertet und darunter die 233 beschädigten Brücken nach Schadensausmass und Normengeneration bezüglich Erdbebenbemessung aufgeteilt [Bas+ 99]. Von besonderer Bedeutung ist dabei, dass nur Brücken eingestürzt sind, die vor 1981 nach aus heutiger Sicht veralteten Regeln auf Erdbeben bemessen waren (Bild 2.1). Bei den eingestürzten Brücken handelte es sich um Balkenbrücken mit dem Schadenbild Trägerabsturz oder Stützenversagen. Auch mittlere und schwere Schäden sind nur bei diesen vor 1981 konstruierten Brücken aufgetreten. Bei den Brücken, die nach der neuesten Normengeneration ab dem Jahre 1981 ausgelegt oder nachträglich auf dieses Niveau verstärkt wurden, sind höchstens leichte Schäden beobachtet worden.

Von den Bemessungskonzepten her betrachtet ist die kalifornische Erdbebennorm aus dem Jahre 1981 etwa mit der neuen Normengeneration in der Schweiz (SIA 260 bis SIA 267) vergleichbar, die Anfang 2003 in Kraft getreten sind.

100%

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2.2 Norm SIA 160 Ausgabe 1970 In der Schweiz wurden erstmals im Jahre 1970 Erdbebenbestimmungen für Brücken erlassen.

Die Ausgabe 1970 der Norm SIA 160 verlangte generell die Berücksichtigung einer horizontalen Beschleunigung von 2% für alle Bauwerke, d.h. auch für Brücken [SIA 160 (70)]. Im Kanton Basel-Stadt erhöhte die zuständige Behörde diesen Wert auf 5% gestützt auf Art. 22.1 der Seite 11 Bundesamt für Strassen Entwicklung der Erdbebenbestimmungen Norm SIA 160, der für besonders erdbebengefährdete Gebiete der Schweiz die Möglichkeit einer Ausnahmeregelung vorsah. In den übrigen stärker erdbebengefährdeten Gebieten der Schweiz (Alpenraum, St. Galler Rheintal) wurde kein Gebrauch von dieser Ausnahmeregelung gemacht.

Fünf Jahre später im Jahre 1975 sind ergänzende konstruktive Bestimmungen in Form der Empfehlung SIA 160/2 „Praktische Massnahmen zum Schutze der Bauwerke gegen Erdbebenwirkung“ [SIA 160/2] erschienen. Im Gegensatz zum allgemein gehaltenen Titel dieser Empfehlung befasst sich deren Inhalt ausschliesslich mit Gebäuden. Für andere Bauwerke, wie z.B. für Brücken, sind darin keine konstruktiven Bestimmungen enthalten.

Abgesehen von den erwähnten rechnerischen Erdbebenbestimmungen der Norm SIA 160, Ausgabe 1970, ist zu beachten, dass infolge anderer Normbestimmungen insbesondere bezüglich Wind- und Bremskräften sowie konstruktiver Kriterien (z.B. Durchlaufträger) viele Brücken in der Schweiz bereits einen gewissen Grundschutz gegen Erdbeben aufweisen.

2.3 Norm SIA 160 Ausgabe 1989 In der Ausgabe 1989 der Norm SIA 160 ist ein ausführliches Kapitel der Erdbebeneinwirkung gewidmet. Für Brücken wurden rechnerische Nachweise und konstruktive Massnahmen abgestuft nach Bauwerksklasse und Erdbebenzone eingeführt [SIA 160 (89)]. Bei den konstruktiven Massnahmen ist insbesondere die neu eingeführte Absturzsicherung des Brückenträgers zu erwähnen. Mit einfachen Vorschriften über die Mindestabmessungen der Auflagerbereiche soll erreicht werden, dass der Brückenträger nicht herunterfällt, d.h. dass er höchstens von den Lagern auf die Auflagerbank fällt. Der neu vorgeschriebene Gebrauchstauglichkeitsnachweis für Brücken der Bauwerksklasse III bedeutete eine wesentliche Verschärfung gegenüber früher.

Danach müssen Lager und Fahrbahnübergänge die Verschiebungen des Brückenträgers infolge Erdbebeneinwirkung ohne Schäden aufnehmen können.

Die Ausgabe 1989 der Norm SIA 160 enthält ferner die erste Erdbebenzonenkarte der Schweiz (Bild 2.2). Sie beruht auf probabilistischen Erdbebengefährdungsstudien aus den 70-er Jahren [SM 78]. Pro Erdbebenzone wird ein sogenannter effektiver Wert der horizontalen Bodenbeschleunigung für ein Bemessungsbeben mit einer Wiederkehrperiode von 400 Jahren festgelegt.

Die Intensität des Bemessungsbebens liegt in den vier Zonen im Bereich von VI bis VIII auf der Europäischen Makroseismischen Skala (EMS-Skala) [Grü+ 98]. Im Vergleich dazu ist zu beachten, dass einzelne historische Erdbeben in der Schweiz höhere Intensitätswerte erreichten, z.B. wird die maximale Intensität des Erdbebens von Basel im Jahre 1356 auf IX geschätzt (siehe Anhang D).

Wird eine vor 1989 erstellte Brücke bezüglich Erdbebensicherheit nach der Ausgabe 1989 der Norm SIA 160 überprüft, ist damit zu rechnen, dass die Absturzsicherung und die Gebrauchstauglichkeit bei Bauwerksklasse III, insbesondere in den höheren Erdbebenzonen, nicht erfüllt sind. Bezüglich horizontaler Ersatzkräfte ist in erster Linie bei relativ steifen Brücken in Queroder Längsrichtung eine Unterbemessung der Stützen und Lager zu vermuten, wobei auch dies häufiger in den höheren Erdbebenzonen problematisch wird. Mit der neuen Norm SIA 261 werden die Anforderungen an die Tragsicherheit der Stützen und Lager in der Regel noch höher.

Bei der Absturzsicherung und der Gebrauchstauglichkeit (BWK III) bringt die neue Norm SIA 261 nur kleine Änderungen.

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