Erdbeben im Anlagenbau

Der Lastfall Erdbeben muss im Anlagenbau auch an Standorten in Deutschland beachtet werden

  • Bisherige Karte der Erdbebenzonen in Deutschland mit Referenzbeschleunigung  © SDA engineering nach DIN EN 1998-1 NABisherige Karte der Erdbebenzonen in Deutschland mit Referenzbeschleunigung © SDA engineering nach DIN EN 1998-1 NA
  • Bisherige Karte der Erdbebenzonen in Deutschland mit Referenzbeschleunigung  © SDA engineering nach DIN EN 1998-1 NA
  • Verstärkung der Erdbebeneinwirkung durch Resonanzeffekte © SDA engineering
  • Dr. Britta Holtschoppen,  Projektingenieurin,  SDA engineering
  • Dr. Christoph Gellert, Geschäftsführer  SDA engineering
  • Dipl.-Ing. (FH)  Thomas Drommer, BASF, Engineering & Maintenance

Spektakuläre Schadensberichte nach Erdbeben kennt man vor allem aus Übersee. Aber auch in Deutschland kann die Erde beben. Zwar sind die Erdbebeneinwirkungen und ihre Häufigkeit hier deutlich geringer als in Ländern wie Japan, Chile oder der Türkei, doch sind sie vielerorts auch im Anlagenbau nicht zu vernachlässigen. Die Erdbebensicherheit von Tragwerk und Komponenten kann effizient in einem zweistufigen Verfahren überprüft und verbessert werden.

Tragwerke – und damit sind Gebäude gleichermaßen gemeint wie Apparategerüste und Bühnen in der Industrie – sind in erster Linie so konstruiert und dimensioniert, dass sie das vertikal wirkende Eigengewicht und die veränderlichen Füllungs- und Betriebslasten sicher in den Untergrund weiterleiten. Erdbeben hingegen führen zu einer horizontalen Bewegung des Bauwerks und damit zu einer grundverschiedenen Beanspruchung.
Während Gebäude und große, gegebenenfalls eingehauste Apparategerüste in der Regel auf Windbelastung hin bemessen und daher zumindest für gewisse horizontale Lasten ausgelegt sind, ist dies für verfahrenstechnische Komponenten im Gebäude häufig nicht der Fall. Doch auch Apparate, Behälter, Pumpen, Rohrleitungen, Tanks, Silos, etc. werden im Erdbebenfall horizontal beschleunigt. Gerade dadurch kann ein Schaden aber zu weitreichenden Konsequenzen führen. Denn kritischer als die eigentlichen strukturellen Schäden sind in Produktionsanlagen häufig die Sekundärschäden z. B. durch Freisetzung entzündlicher oder toxischer Stoffe, Brände, unkontrollierte chemische Reaktionen sowie Folgereaktionen oder Produktionsausfälle.

Normen-Grundlage
Nach der 12. BImSchV (Störfallverordnung) müssen Betreiber bei der Bewertung der Sicherheit von Betriebsbereichen auch „umgebungsbedingte Gefahrenquellen, wie Erdbeben oder Hochwasser“ berücksichtigen. Wie eine solche Betrachtung des „Lastfalls Erdbeben im Anlagenbau“ nach dem Stand der Technik in Anlehnung an die gültige Norm zur Auslegung von Hochbauten in Erdbebengebieten (DIN 4149:2005 bzw. DIN EN 1998-1) erfolgen kann, ist seit 2009 im gleichnamigen Leitfaden des Verbands der Chemischen Industrie (VCI) dargelegt.

Dieser VCI-Leitfaden wurde in Zusammenarbeit mit Anlagenbetreibern und der RWTH Aachen erstellt.
Aber an welchen Standorten in Deutschland gilt Erdbeben als eine „umgebungsbedingte Gefahrenquelle“?

Erdbebeneinwirkung
Die maßgebende Erdbebeneinwirkung am Anlagenstandort wird in der Regel über die Zuordnung des Anlagenstandorts zu einer Erdbebenzone ermittelt (Abb. 1). Den verschiedenen  Erdbebenzonen ist jeweils eine anzusetzende Referenz-Beschleunigung des Baugrunds zugewiesen. Je nach erforderlichem Sicherheitsniveau wird diese Referenz-Beschleunigung mittels des sog. Bedeutungsbeiwertes skaliert. Ein Krankenhaus wird also für eine größere Erdbebeneinwirkung ausgelegt als bspw. ein einfaches Wohnhaus am selben Standort.
Allerdings hat ein starkes (= selteneres = weniger wahrscheinliches) Erdbeben örtlich gesehen weitreichendere Auswirkungen als ein schwaches (= häufigeres = wahrscheinlicheres) Beben. Insofern ist nachvollziehbar, dass künftig die bislang übliche starre Zoneneinteilung mit Skalierung der Erdbebeneinwirkung ersetzt werden soll durch individuelle „Erdbebenkarten“ für verschiedene Sicherheitsniveaus respektive Auftretenswahrscheinlichkeiten von Erdbeben. Insbesondere für hohe Sicherheitsniveaus (bisheriger Bedeutungsbeiwert γI >1,0) können damit die Bereiche relevanter Bodenbeschleunigungen deutlich größer gefasst sein, als die bisherigen Erdbebenzonen es vorgeben. Es ist in diesem Fall zu prüfen, ob die bisherigen Aussagen zur anzusetzenden Bodenbeschleunigung am Anlagenstandort weiterhin gültig sind.
Entsprechende seismische Gefährdungskarten sind kürzlich vom Deutschen GeoForschungsZentrum (gfz) Potsdam im Auftrag des Deutschen Instituts für Bautechnik (DIBt) für die Neufassung des Nationalen Anhangs zur DIN EN 1998-1 erstellt worden.

Seismische Antwort von Strukturen
Die seismische Einwirkung am Standort ist nur ein Aspekt – die tatsächliche Beanspruchung der Struktur aber ein bedeutender anderer: Die in einer Erdbebenkarte angezeigte Referenzbeschleunigung bezieht sich auf felsigen Untergrund und beschreibt außerdem die Beschleunigung des Bodens, nicht jedoch des Tragwerks. Die tatsächliche Antwort der Struktur, die, vereinfacht gesprochen, aus der Trägheitskraft als Produkt aus Masse und Beschleunigung resultiert, beinhaltet aber mitunter erhebliche Resonanzeffekte zwischen der wellenförmigen seismischen Einwirkung und der Eigenschwingung der Tragstruktur. Ungünstige Bodenverhältnisse können die Einwirkung noch zusätzlich erhöhen (Abb.2). Umso wichtiger ist es, dass gerade die Komponenten und ihre Tragkonstruktionen in einer Anlage angemessen für die Aufnahme von Horizontallasten ausgelegt sind.
Dabei ist klar, dass die seismisch induzierte Trägheitskraft vom Lastangriffspunkt (z. B. Massenschwerpunkt eines Behälters) über die Auflagerpunkte in die Haupttragstruktur und weiter bis in das Fundament geleitet werden muss. Somit ist die Verankerung von Komponenten in der Tragstruktur zwar eine notwendige, aber keine hinreichende Bedingung für die Erdbebensicherheit selbiger. Vielmehr muss auch die Tragstruktur (Apparatebühne und letztlich auch das Gebäudetragwerk) für die Aufnahme aller seismischen Lastkomponenten ausgelegt sein.

Beurteilung von Bestands(industrie)anlagen
Im Rahmen der Erstbegutachtung einer Indus­trieanlage können entsprechend qualifizierte Ingenieurbüros oder geschultes eigenes Fachpersonal kritische Punkte in der Auslegung und Konstruktion von Komponenten und Anlagenteilen ausfindig machen sowie die Durchführung von Ertüchtigungsmaßnahmen unter Berücksichtigung des Gefahrenpotentials des Mangels priorisieren. Diese Ertüchtigungsmaßnahmen können rein konstruktiver Art sein, oder aber detaillierte rechnerische Nachweise und anschließende Umbaumaßnahmen be­inhalten.
Während überschlägige Berechnungen an vereinfachten (Teil-) Modellen häufig schon eine gute Einschätzung der Beanspruchung im Erdbebenfall ermöglichen, sind für die Betrachtung komplexerer Gesamtsysteme oder die Entwicklung umfangreicherer Ertüchtigungsmaßnahmen genauere Berechnungen nötig. Hierbei wird bspw. analysiert, ob und wie sich benachbarte Systeme gegenseitig beeinflussen, ob Systemverformungen problematisch werden können, ob die Lastweiterleitung durch das Tragwerk gesichert ist oder wie groß die Beanspruchung eines Tanks durch das Schwappen eines Fluids ist. Wie die beispielhafte Auflistung zeigt, ist das Erfordernis detaillierter rechnerischer Untersuchungen und deren Aufwand abhängig von den örtlichen Gegebenheiten. Nach einer Erstbegutachtung kann der Untersuchungsaufwand i.d.R. gut abgeschätzt werden.

Fazit
Je nach Anlagenstandort kann der Erdbebenlastfall als umgebungsbedingte Gefahrenquelle gelten, die bei der Bewertung der Anlagen­sicherheit zu beachten ist. Bisher galt der Lastfall Erdbeben dann als relevant, wenn der Anlagenstandort in einer Erdbebenzone nach DIN 4149:2005 lag. Zukünftig soll jedoch mittels individueller seismischer Gefährdungskarten für verschiedene Sicherheitsniveaus berücksichtigt werden, dass stärkere, seltenere Erdbeben­einwirkungen weiträumigere Auswirkungen haben als schwächere, häufigere Erdbeben. Die Erdbebengefährdung bestehender Indus­trieanlagen ist daher ggf. neu zu bewerten.
Für die Beurteilung der Erdbebensicherheit bestehender Chemieanlagen hat sich ein zweistufiges Verfahren bestehend aus Erstbegehung und anschließenden detaillierten Untersuchungen in der Praxis vielfach bewährt. Während die Erstbegehung von qualifizierten Ingenieurbüros oder aber von geschultem eigenem Personal durchgeführt werden kann, wird für ggf. anschließende rechnerische Untersuchungen und Systemoptimierungen in der Regel auf die Expertise entsprechend erfahrener Ingenieurbüros zurückgegriffen. Notwendige Ertüchtigungsmaßnahmen können, sofern kein akutes Sicherheitsrisiko die sofortige Behebung erfordert, bspw. im Rahmen von Instandhaltungsarbeiten oder betrieblichen Revisionen umgesetzt werden.

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SDA engineering GmbH
Kaiserstr. 100
52134 Herzogenrath
Telefon: +49 2407 56848 0

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