Gesamtkonzept zur Ermittlung der seismischen Vulnerabilität von Bauwerken am Beispiel unterirdischer Rohrleitungen

Kuhlmann, Wolfram; Meskouris, Konstantin

doi:HT014242603

Gesamtkonzept zur Ermittlung der seismischen Vulnerabilität von Bauwerken am Beispiel unterirdischer Rohrleitungen

Kuhlmann, Wolfram (Author)

2004

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Wolfram Kuhlmann

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2004

Umfang210 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2004

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Meskouris, Konstantin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2004-12-14

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-9908
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/59711/files/Kuhlmann_Wolfram.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Bauingenieurwesen (300000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Unterirdische Rohrleitung (Genormte SW) ; Erdbebensicherheit (Genormte SW) ; Mathematisches Modell (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Erdbeben (frei) ; seismische Einwirkung (frei) ; Bauwerke (frei) ; Vulnerabilität (frei) ; Rohrleitungen (frei) ; monetäre Schädigung (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Erdbeben sind eines der Naturphänomene, die für die Sicherheit von Menschenleben und für von Menschen geschaffene Bauwerke ein großes Risiko darstellen. Seit Beginn der Menschheitsgeschichte hat es katastrophale Erdbeben gegeben. Schäden an Hochbauten und Verwerfungen an der Geländeoberfläche sind dabei die spektakulärsten und am leichtesten erkennbaren Folgen. Im letzten Jahrhundert wurden die Rohrleitungsnetze zur Versorgung der Bevölkerung stark ausgebaut. Dadurch kam es durch Erdbeben auch vermehrt zu Schäden an der unterirdischen Infrastruktur. Diese Schäden sind meist weniger spektakulär, bestimmen jedoch sehr stark das Ausmaß der Folgeschäden eines Bebens (z.B. durch die Löschwasserversorgung) und die Möglichkeit, die Bevölkerung nach einem Erdbeben effektiv und ausreichend zu versorgen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein Gesamtkonzept zur Ermittlung der seismischen Vulnerabilität von Bauwerken am Beispiel der unterirdischen Infrastruktur entwickelt. Damit sollen die folgenden Fragen beantwortet werden: - Wie groß ist die seismische Vulnerabilität bestehender Rohrleitungen? Die dafür erforderlichen Untersuchungen sollen auf drei verschiedenen Genauigkeitslevels durchgeführt werden können. - Wie groß sind die zu erwartenden finanziellen Belastungen? Diese Frage ist insbesondere aus versicherungstechnischer Sicht und für die Haushaltsplanung der öffentlichen Hand von großer Bedeutung. Die Berechnungen auf Level I beruhen auf einfachen empirischen Zusammenhängen zwischen Erdbebeneinwirkung und Schadensrate. Obwohl solche Ansätze für die Ermittlung von Erdbebenszenarien für ganze Regionen in der Praxis oft eingesetzt werden, sind die Ergebnisse nur für die Gebiete zuverlässig, die auch bei der Ermittlung der empirischen Zusammenhänge berücksichtigt wurden. Auf Level II werden analytische Zusammenhänge zwischen der Erdbebeneinwirkung und der mechanischen Reaktion der Rohrleitungen (Spannungen, Dehnungen, etc.) eingesetzt. Noch genauer sind die auf Level III benutzten Finite-Elemente-Simulationen zur Analyse der seismisch belasteten Strukturen. Dabei liegt der Schwerpunkt der Modellierung auf dem Rohr und der dynamischen Belastung, während der Boden stark vereinfacht abgebildet wird. Anhand von Parameterstudien wird die Zuverlässigkeit der verschiedenen Verfahren untersucht und mit Hilfe von Sensitivitätsanalysen werden die für die Schädigung maßgebenden Eingabeparameter ermittelt. Da die für die Berechnungen auf allen drei Levels erforderlichen Kennwerte zum Teil starken Streuungen unterliegen, wurden sämtliche Verfahren um die Möglichkeit einer probabilistischen Untersuchung zur Berücksichtigung dieser Streuungen erweitert. Den Berechnungen auf den Levels II und III folgt in einem nachgeschalteten Schritt die Ermittlung der Schadensrate aus der mechanischen Strukturantwort. Zu diesem Zweck sowie zur anschließenden Ermittlung der monetären Schädigung wurden im Rahmen dieser Arbeit Versagensindizes entwickelt. Damit kann letztlich die jährliche Versicherungsprämie einer Rohrleitung mit Angabe eines Konfidenzintervalls berechnet werden. Da die Gefährdung durch Erdbeben alle Bauwerkstypen betrifft, ist es sehr wichtig, eine gemeinsame Plattform aufzubauen, die die Untersuchungen verschiedener Bauwerkstypen z.B. zur Entwicklung regionaler Szenarien miteinander koppelt. Außerdem wird dadurch die Nachhaltigkeit und langfristige Nutzbarkeit der Ergebnisse aus den verschiedenen Forschungsbereichen gewährleistet. Im Rahmen dieser Arbeit ist eine solche zentrale webbasierte Plattform für seismische Vulnerabilitätsuntersuchungen erstmals eingesetzt worden, über die sämtliche in dieser Arbeit implementierten Verfahren für Vulnerabilitätsuntersuchungen nutzbar sind.

Earthquakes are one of the natural phenomena which present a high risk for the safety of human lives and man-made structures. Since the early history of mankind catastrophic earthquakes have occurred. Damages of buildings as well as faults at the ground surface are the most spectacular consequences and can be easily observed. In the last century the pipe networks to ensure the supply of the population have been greatly extended. Therefore more underground infrastructure has been damaged due to earthquakes. These damages are generally less spectacular, yet determine the amount of consequential damage of an earthquake (e.g. by the fire water supply) and the possibility to supply the population after an earthquake effectively and sufficiently. Within the present work an overall concept for evaluating the seismic vulnerability of structures exemplified through underground pipelines is developed. With it the following questions are to be answered: - How big is the seismic vulnerability of existing pipelines? The investigations necessary to answer this question shall be carried out on three different levels of accuracy. - How big are the financial consequences that are to be expected? This question is especially important for insurance companies and the budgeting of public authorities. The computations on level I are based on simple empirical relationships between seismic action and damage rate. Although such approaches are often used in practice to determine earthquake scenarios of whole regions the results are reliable only for areas which have been considered for the identification of these empirical relationships. On level II analytical relationships between the seismic action and the mechanical reaction of the pipeline (stresses, strains, etc.) are employed. Even more accurate are on level III the finite element simulations to analyse structures under seismic load. Here the emphasis is on the modelling of the pipeline and the seismic action while the soil is represented in a simplified way. Based on parameter studies the reliability of the different methods is investigated and using sensitivity analyses the relevant input parameters for the damage are identified. Since the required input values for the calculations on all three levels are subject to partly large variations all methods have been extended by the possibility of a probabilistic calculation to take into account these variations. The computations on level II and III are followed in a second step by the determination of the damage rate from the mechanical response of the structure. For this purpose as well as for the following calculation of the financial losses failure indices have been developed within the present work. With them finally the annual insurance premium of a pipeline is calculated based on confidence intervals. Since all types of structures are affected by the seismic hazard it is very important to build up a common platform to link the investigations of different building types, e.g. for the development of regional scenarios. Additionally this ensures the sustainability and long term availability of results from different research areas. Within this work such a central web-based platform has been used for the first time for seismic vulnerability assessments and all methods implemented within this work are accessible via this platform.

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