Modulare Tragsysteme können eine der grössten Schwachstellen eines Gebäudes im Erdbebenfall darstellen. Sind diese nicht richtig ausgelegt, können ganze Befestigungskonzepte versagen, wodurch Menschenleben gefährdet werden und im Nachgang erhöhte Reparaturkosten anfallen. Um dies zu vermeiden erfordert die aktuelle Musterbauverordnung eine auf ETAs basierende Erdbebennachweisführung. Gerade in öffentlichen und kommerziellen Gebäuden (z.B. Krankenhäuser, Einkaufszentren, Hotels, Schulen) sowie im Industriebereich wird somit sichergestellt, dass Befestigungslösung seismisch korrekt bemessen und ausgeführt sind. Hilti bietet Ihnen hierfür Produkt- und Softwarelösungen auf Grundlage der neuesten Standards und in Übereinstimmung mit den Regularien der SIA (Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein).  

Lesedauer ca. 15 min
 
Ausgangslage / Hauptziel
In der Schweiz ist das Erdbeben das bedeutendste Risiko der Kategorie Naturgefahren. Jährlich werden vom Schweizerischen Erdbebendienst (SED) ca. 1‘400 Erdbeben registriert. Dabei sind die meisten Erdbeben nicht spürbar.
Bestehende Bauten weisen oft eine unbekannte und zum Teil ungenügende Erdbebensicherheit auf. Eine Überprüfung zeigt auf, ob verhältnismässige Massnahmen zielführend sind.
Das Schutzziel der erdbebengerechten Installation von Produktions- und Infrastrukturanalgen besteht grundsätzlich im Personenschutz, sowie je nach Anforderungen im Schutz der Umwelt vor scheren Schädigungen und der Schadensbegrenzung wichtiger Produktions- und Infrastrukturanlagen. Bei Life-Line Gebäuden wird darüber hinaus eine Funktionserhaltung gefordert.
 
 Technische Herausforderung / Physikalisches Prinzip
Ein Erdbeben verursacht Vibrationen im Boden, die sich auf das Gebäudetragwerk und auch nicht-tragende Bauteile übertragen. Dabei entstehen zusätzliche Kräfte in allen Richtungen, welche durch eine technische Lösung aufgenommen werden müssen. Ohne seismische Einwirkung, wird die Bemessung der Halterung respektive des Befestigungssystems nur auf eine ständige Last V in Z-Richtung ermittelt.
Die Grundlage zur Bemessung wird in der SIA 261 erläutert.
 

Abbildung 1: Physikalisches Prinzip seismische Einwirkung

V = ständige Last
Fa = seismische Einwirkungen

- Ohne seismische Einwirkung, Bemessung der Halterung auf ständige Last V.
- Ein Erdbeben verursacht zusätzliche Kräfte in allen Richtungen auf die Rohrleitungen.
- Gemäss SIA 261 und EC8 können die zusätzlich vertikalen seismischen Einwirkungen Fa Z vernachlässigt werden.
- Lasten in horizontaler Richtung Fa X und Fa Y sind in der Regel am kritischsten für die Rohrkonstruktion zu sehen.

Unterlagen zur Bemessung von sekundären Bauteilen
Zur Bemessung von seismischen Tragwerkskonstruktionen unterstützen uns folgende Normen, Grundlagen und Dokumente:

• SIA 261 Einwirkungen auf Tragwerke
•  Bundesamt für Umwelt BAFU Erdbebensicherheit sekundärer Bauteile und weiterer Installationen und Einwirkungen
•  Hilti Seismik-Handbuch

 
 
SIA 261
Die SIA Normen sind nicht in allen Schweizer Kantonen als verbindlich deklariert, gelten jedoch als aktueller Stand der Technik und sind - sofern nicht andere Normen, wie z.B. die SN EN Normen verwendet werden - somit als verbindlich anzusehen.

Abbildung 2: Auszug SIA 261, Kapitel 16.7.1 Sekundäre Bauteile

Neben der SIA definiert die ETA Richtlinie ETAG 001, Anhang E von 2013 die seismische Zulassung von Befestigungen im Beton.
Die sogenannten Eurocodes definieren den Umgang mit sekundären Bauteilen analog den SIA-Normen. Relevant ist dabei besonders der Artikel EN 1998-1_2006-04, 4.3.5.

Bemessung nach SIA 261
Bemessen wird die gesamte Befestigungsinstallation gemäss der SIA 261 für nicht tragende Bauteile. Dabei wird die Horizontalkraft in beiden horizontalen Richtungen, im Massenschwerpunkt des Bauteiles ermittelt.
 

Formel

Formel 1: Bemessung nicht tragende Bauteile gemäss SIA 261 – 16.7.2

 
Gebäudeklassifizierung
Die Gebäudeklassifizierung wird mit verschiedenen Faktoren und Parametern ermittelt.
Diese Angaben/Faktoren werden in jedem Fall von einem Bauingenieur/Planer ermittelt und zur Bemessung zur Verfügung gestellt.
 

Abbildung 3: Gebäudeklassifizierung gemäss SIA 261

Erdbebenzone nach SIA 261
Region, für welche ein einheitliches Gefährdungsniveau angenommen wird. Der relative Einfluss auf die normgemässen Erdbebeneinwirkungen variiert von 1,0 (Zone 1a) bis 2,7 (Zone 3b).

Abbildung 4: Erdbebenzone nach SIA 261 – Anhang F

Die daraus resultierende Bodenbeschleunigung, welche Standortabhängig ist, wird wie folgt definiert.

Abbildung 5: Bodenbeschleunigungs-Werte SIA 261 – 16.2.1.2

 
Baugrundklasse nach SIA 261
Die Baugrundklasse ist eine erforderliche Angabe, um die Erdbebeneinwirkung für ein Bauwerk gemäss Norm SIA 261 zu bestimmen. Bei der Projektierung von Bauvorhaben ist die Plausibilität der Baugrundklasse aufgrund von lokalen Abklärungen zu verifizieren. Bei begründeten Abweichungen soll die Baugrundklasse basierend auf lokalen Untersuchungen benutzt werden.
 

Abbildung 6: Baugrundklasse gemäss SIA 261 – Tabelle 24

 
Bauwerksklasse (BWK) nach SIA 261
Klassierung des Bauwerks in eine von 3 definierten Bauwerksklassen je nach Bedeutung und Schadenpotenzial. Der relative Einfluss auf die normgemässen Erdbebeneinwirkungen variiert von 1,0 (BWK I) bis 1,5 (BWK III).
 

Abbildung 7: Baugrundklassen und Bedeutungsbeiwerte gemäss SIA 261 – Tabelle 25

  
 
Höhenangaben
Massgebend für die Bemessung ist die Höhe eines nichttragenden Bauteils über dem Fundament (za) und die Gesamthöhe des Gebäudes (H).

Abbildung 8: Definition Gebäudehöhe und Installationshöhe

 
Dübelauswahl
Bei seismischen Tragsystemen müssen auch Seismik-zugelassene Dübelsysteme nach Leistungskategorie C1 oder C2 zur Befestigung von nichttragenden Bauteilen verwendet werden.
Hilti bietet Ihnen hierfür vielzählige zugelassene Dübelsysteme, sowie mit „PROFIS Engineering“ eine Bemessungssoftware, mit der Sie die geeignete Dübelsysteme einfach und unkompliziert bestimmen und bemessen können.
 
Auswahl einiger zugelassener Seismik-Dübel:

Mechanische Dübel (HST-4 und HUS-4)

Chemische Dübel (HIT-RE-500-V4 & Gewindestangen HAS-U)

Hilti Seismik Verüllset zur Verfüllung des Ringspaltes

 
Benötigte Dokumente zur Bemessung
Für die Bemessung stellt Hilti folgende Unterlagen zur Verfügung:

•  Anfrageformular_Installationstechnik Erdbebenberechnung nach SIA 261-2020
•  MUSTER-Schnitt

 
Produktlösungen von Hilti

Hilti investiert seit Jahren in die Forschung und Produktentwicklung, um erdbebensichere Lösungen für modulare Tragsysteme der technischen Gebäudeausstattung zu verbessern. Das entwickelte „Hilti Seismic Bracing System“ eignet sich für die seismische Auslegung von Befestigungslösungen von leichten bis schweren Rohrleitungs-, Lüftungs- und Elektroanwendungen. Konkret besteht es aus drei verschiedenen Verspannungsmethoden: ein Drahtverspannungssystem, ein Gewindestangenverspannungssystem und ein Installationsschienenverspannungssystem.
 

Abbildung 9: Darstellung der Aussteifungsmöglichkeiten mittels Drahtverspannung (links) Gewindestangenverspannung (mittig) und Installationsschienenverspannung (rechts)

 
Am Beispiel der Gewindestabverstrebung wird Ihnen nachfolgend aus dem umfassenden Hilti Seismic Bracing System-Portfolio eine innovative und wirtschaftliche Lösung zur (nachträglichen) Aussteifung von modularen Tragsystemen vorgestellt:

Abbildung 10: Aussteifung eines modularen Tragsystems mittels Scharnier MQS-AB und Winkel MQS-W

 
Produktmerkmale Scharnier MQS-AB
Das Scharnier MQS-AB ermöglicht eine durchschnittliche Produktivitätssteigerung von 50 %. Ausschlaggebend hierfür ist zum einen die verbesserte Zugänglichkeit, wodurch es erleichtert wird, die benötigten Muttern zu montieren und zu entfernen und die Gewindestange frei durch das Scharnier zu justieren. Zum anderen trägt die Einzelpunktbefestigung des Scharniers zu einer erheblichen Produktivitätssteigerung bei. Das Scharnier MQS-AB kann dabei sowohl an der Decke als auch am modularen Tragsystem angebracht werden.

Abbildung 11: Technische Daten des Scharniers MQS-AB

 
Produktmerkmale Winkel MQS-W
Dar Winkel MQS-W dient sowohl der Verbindung der horizontalen und vertikalen Installationsschienen der jeweiligen modularen Tragsysteme als auch zur Anbindung weiterer seismische Anbinder, wie beispielsweise dem Scharnier MQS-W.

Abbildung 12: Technische Daten des Winkels MQS-W

 
 
Schlussfolgerung
Um modulare Tragsysteme im Erdbebenfall entsprechend den Vorgaben der SIA auszusteifen, bedarf es der Ermittlung der auf das Tragsystem wirkenden horizontale Ersatzlast (Fa). Dies kann mit Hilfe des statischen Erdbebennachweises nach SIA 261 erfolgen. Es zeigt sich, dass die zu ermittelnde horizontale Ersatzlast von einigen Faktoren abhängig ist, die es projektindividuell zu bewerten gilt. Hilti bietet Ihnen Unterstützung in der seismischen Auslegung in Form eines eigenen Produkt- und Softwareportfolios, das mehr Produktivität, eine erhöhte Sicherheit und zusätzliche Kosteneffizienz bietet. 
 
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