Erdbebenauslegung von Bauwerken: Eurocode 8 ersetzt DIN 4149

• Einzelne Regionen in Deutschland immer wieder von Erdbeben betroffen
• Erdbebenkarte nach Neueinschätzung 2021 aktualisiert
• Normenübergang und erhöhtes Erdbebenlastniveau beeinflussen Bemessungspraxis

Deutschland als Schwachbebengebiet nicht vor Schäden sicher

Während im Norden und in weiten Teilen der Mitte Deutschlands keine relevanten Erdbeben zu erwarten sind, gelten vor allem westliche und südliche Regionen als erdbebengefährdet (siehe Abb.1).

Zu diesen Gebieten zählen die niederrheinische Bucht westlich von Köln, der Oberrheingraben von Basel nach Frankfurt, die schwäbische Alb, sowie in geringerem Maße das Vogtland in Ostdeutschland.

Mehrere historische Erdbebenereignisse in Deutschland belegt

Erkenntnisse aus der Paläoseismologie, also der Untersuchung von Verwerfungen bzw. Bruchstellen im Gestein, legen die grundsätzliche Möglichkeit von Erdbeben in Deutschland mit einer Magnitude von bis zu 7 auf der Richterskala nahe (vgl. Pelzing, R., "Erdbeben in Nordrhein-Westfalen", 2008).

Eines der stärksten bekannten Erdbeben hierzulande trat 1756 bei Düren in der niederrheinischen Bucht mit einer Magnitude von 6,3 auf. Es war der Gipfel einer zweijährigen Erdbebenserie. Historische Erfahrungsberichte belegen erhebliche Schäden im Gebiet zwischen Aachen, Köln und Jülich.

Schadenbeben 1951 führt zu erster deutscher Erdbebennormung

Ein früheres Schadenbeben in Euskirchen im Jahr 1951 initiierte die Entwicklung der deutschen Erdbebennormung. Im Jahr 1957 folgte die Erstveröffentlichung der DIN 4149 mit dem Titel "Bauten in deutschen Erdbebengebieten".

Unter dem Eindruck zweier schwerer Erdbeben in den Jahren 1969 und 1970 in der schwäbischen Alb führte Baden-Württemberg im Jahr 1971 als erstes Bundesland die DIN 4149 verbindlich ein. Nach einer aktualisierten Fassung im Jahr 1981 folgte die letzte Fassung der DIN 4149 im Jahr 2005, die bis heute bauaufsichtlich gültig ist.

Nationaler Anhang zu Eurocode 8 definiert lokale Erdbebengefährdung

Auf europäischer Ebene wurde im Rahmen der Europäisierung der Baunormung der Eurocode 8 (EN 1998-1) mit dem Titel "Auslegung von Bauwerken gegen Erdbeben" entwickelt. Die aktuell gültige deutsche Fassung wurde im Jahr 2010 veröffentlicht.

Der Eurocode 8 gibt die grundlegenden Regeln der Erdbebenbemessung vor und gilt in Kombination mit dem Nationalen Anhang des jeweiligen Mitgliedsstaates. Die Nationalen Anhänge berücksichtigen die landesspezifischen seismischen Verhältnisse. Insbesondere ist dort die lokale Erdbebengefährdung definiert.

Eurocode 8 nach Aufnahme in technische Baubestimmungen baurechtlich gültig

Die DIN 4149 aus dem Jahr 2005 ist bereits in Hinblick auf die Einführung des Eurocode 8 konzipiert worden. Sie entspricht daher im Wesentlichen dem Eurocode 8 mitsamt dem deutschen Nationalen Anhang aus 2011 (NA:2011). Im Jahr 2021 ist eine Neufassung des deutschen Nationalen Anhangs (NA:2021) mit einigen Änderungen erschienen.

Nach langer Vorbereitungszeit wird die DIN 4149 in absehbarer Zeit vom Eurocode 8 mitsamt des neuen deutschen Nationalen Anhangs NA:2021 baurechtlich abgelöst. Obwohl als Norm bereits zurückgezogen, ist die DIN 4149 bis dahin weiterhin bauaufsichtlich gültig.

Mit der Aufnahme des Eurocode 8 in die Verwaltungsvorschriften Technische Baubestimmungen (VV TB) wird der Normenübergang auch bauaufsichtlich vollzogen.

Erdbebengefährdung in Deutschland zuletzt neu eingeschätzt

Das Herzstück einer jeden Erdbebennorm bildet die örtliche Definition der Erdbebengefährdung. Die Einschätzung der Erdbebengefährdung in der DIN 4149 beziehungsweise im Nationalen Anhang NA:2011 basiert auf Untersuchungen aus den 1990er Jahren.

Angestoßen durch neue Erkenntnisse auf europäischer Ebene wurde vor einigen Jahren die Erdbebengefährdung Deutschlands neu evaluiert. Diese Neueinschätzung der Erdbebengefährdung ist nun im Nationalen Anhang NA:2021 normativ verankert.

Während in der DIN 4149 Deutschland in vier Erdbebenzonen aufgeteilt ist, definiert der Nationale Anhang die Erdbebengefährdung an Knotenpunkten eines gleichmäßigen Rasternetzes (geographische Koordinaten von 0,1° x 0,1°). Die Knotenpunkte haben dabei einen Abstand von etwa sieben Kilometer in West-Ost- und elf Kilometer in Nord-Süd-Ausrichtung. Zwischenpunkte können linear interpoliert werden. Statt abrupter Zonengrenzen ergeben sich somit fließende Übergänge (vgl. Abb. 1).

Neue Erdbebennorm weist örtlich stark veränderte Erdbebenlasten aus

Die Einführung des Eurocodes 8 mitsamt des Nationalen Anhangs NA:2021 kann im Vergleich zur DIN 4149 bzw. des Nationalen Anhangs NA:2011 in örtlich stark veränderten Erdbebenlasten resultieren. So sind teils drastische Erhöhungen zu beobachten.

Wo zuvor eine Erdbebenauslegung unterbleiben konnte, kann in Zukunft eine Berücksichtigung des Lastfalls "Erdbeben" erforderlich sein. Doch auch der umgekehrte Fall einer Verringerung der Erdbebenlast ist örtlich möglich.

Die relative Erhöhung der Bemessungslasten ist neben weiteren Aspekten insbesondere darauf zurückzuführen, dass in der DIN 4149 der intensitätsbasierten Erdbebenzonenkarte zu geringe Bodenbeschleunigungen zugewiesen waren (vgl. Quelle [1]). Eine solche Zuordnung entfällt nun, sodass die neue Erdbebenkarte realistische Werte liefert und zudem mit den Darstellungen für die europäischen Nachbarländer im Einklang ist.

Die baurechtliche Einführung der neuen Erdbebennorm wird vielerorts zu Herausforderungen bezüglich des Erdbebennachweises führen. Eine fachgerechte Erdbebenauslegung wird daher in Deutschland weiter an Relevanz zunehmen.

Erdbebennachweismethoden: Antwortspektrumverfahren als Standard für komplexe Bauwerke

Eine Erdbebenbetrachtung kann generell unterbleiben, sofern die lokale Erdbebengefährdung gering ist. Dies trifft auf einen Großteil Deutschlands zu. In Erdbebenregionen können bei simplen Bauwerken vereinfachte Nachweise, wie etwa ein Vergleich mit Windlast, schnell zum Ziel führen.

Das Standardverfahren für komplexere Bauwerke ist das Antwortspektrumverfahren (vgl. Abb. 2). Die Regelmäßigkeit und Symmetrie des Gebäudes entscheidet darüber, ob hierbei Vereinfachungen und ebene, also 2D-Modelle zulässig sind.

Für besondere Fälle bietet der Eurocode 8 die Möglichkeit nichtlinearer Berechnungen. Nichtlineare statische Analysen, sogenannte Pushover-Analysen, können bei Bestandsbauwerken der Schlüssel zu einem sonst nicht zu erbringenden Erdbebennachweis sein. Für Spezialfälle können komplexe und aufwendige nichtlineare dynamische Zeitschrittberechnungen angewendet werden.

Dipl.-Ing. Marius Pinkawa

ist seit zehn Jahren im Bereich des Erdbebeningenieurwesens tätig. Er betreibt das Internetportal www.erdbebeningenieur.de, wo er zu aktuellen Entwicklungen der Erdbebenbemessung in Deutschland informiert.

(Siehe auch Exklusiv-Interview mit Marius Pinkawa: "Der Baubranche stehen bedeutende Veränderungen in kurzer Zeit bevor.")