Grundlage, Methoden und Ansätze zur Standsicherheit für schwingungsfähige nicht verankerte industrielle Förderanlagen unter seismischer Einwirkung

Abstract

Das seismische Verhalten von nicht verankerten, schwingungsfähigen industriellen Förderanlagen stellt eine besondere Herausforderung dar, da es sich deutlich von dem Verhalten konventioneller Bauwerke unterscheidet. Diese Anlagen können bei Erdbeben Abheben, Schaukeln oder Kippen, was ihre Standsicherheit gefährdet. Mit der Einführung der neuen DIN EN 1998 (Eurocode 8) und den aktualisierten Erdbebenkarten ab 2021 wird die Erdbebenauslegung auch in Deutschland zunehmend relevant.

In Regionen mit hoher seismischer Aktivität, wie Indonesien, den Philippinen oder Südamerika, stoßen herkömmliche Auslegungsverfahren an ihre Grenzen. Die Anwendung von Ansätzen für verankerte Bauwerke auf nicht verankerte Förderanlagen führt zu unwirtschaftlichen Lösungen. Für viele Klein- und Mittelstandsunternehmen (KMU), die solche Anlagen betreiben oder exportieren, entsteht dadurch ein ernsthaftes wirtschaftliches Problem. Ohne geeignete Ingenieurmodelle ist eine wirtschaftliche Bemessung kaum möglich.

Bisher existieren nur wenige belastbare Richtlinien oder Normen für die Erdbebenauslegung nicht verankerter Förderanlagen. Während für verankerte Strukturen das nichtlineare Verhalten und die Ausnutzung von Duktilitätsreserven etabliert sind, fehlen entsprechende Ansätze für nicht verankerte Anlagen. Hierzu zählen insbesondere die Mechanismen des Abhebens und Schaukelns, deren Einfluss auf die Stahlstruktur und die Standsicherheit noch nicht vollständig untersucht wurde.

Ziel dieses Forschungsprojekts war es, robuste Methoden und Berechnungsmodelle zur Erdbebensicherheit dieser Anlagen zu entwickeln. Um die komplexen Mechanismen des Abhebens und Kippens realistisch abzubilden, wurden zunächst nichtlineare FE-Modelle (Finite-Elemente) für typische Anlagen wie Schaufelradbagger entwickelt, validiert und für seismische Untersuchungen eingesetzt. Diese numerische Arbeit wurde durch eine experimentelle Validierung ergänzt: Hierbei wurden die dynamischen Eigenschaften einer realen Anlage, eines Brückenkrans, mittels Schwingungsmessungen bestimmt.

Ein zentraler Fokus lag auf der Interaktion mit dem Untergrund. Der maßgebliche Einfluss des Bodens (Steifigkeit und Dämpfung) auf das Schaukel- und Kippverhalten wurde quantifiziert. Zu diesem Zweck wurde ein analytisches Modell speziell für das Verhalten von Schaukel auf den Boden entwickelt. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wurde ein probabilistischer Ansatz zur Bewertung des Kipprisikos entwickelt. Dabei konnten die dominanten Erdbebenparameter (wie PGA und PGV) identifiziert werden, die maßgeblich zum Kippversagen führen.

Als Grundlage für die Risikotechnische Bewertung des Kippversagens wurde eine Fragilitätskurve erstellt. Durch die beispielhafte Kombination dieser Kurve mit einer Hazard-Kurve für Deutschland konnte eine Risk -Kurve abgeleitet werden. Diese Kurve schätzt die Versagenshäufigkeit in der Region ab und ermöglichte die Bestimmung des Zuverlässigkeitsindex β. Die Ergebnisse liefern somit die technischen Grundlagen für eine wirtschaftliche und sichere Bemessung nicht verankerter Förderanlagen, was insbesondere kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) den sicheren Einsatz und Export in seismisch gefährdete Regionen ermöglicht. Langfristig können die entwickelten Ansätze zur Weiterentwicklung des Eurocode 8 beitragen, um zukünftig Bemessungsrichtlinien für nicht verankerte Strukturen zu integrieren.