Anforderungen für Anforderungen für kleinere Stauanlagen kleinere Stauanlagen

Erdbebensicherheit:

Erdbebensicherheit:

Anforderungen für Anforderungen für kleinere Stauanlagen kleinere Stauanlagen

Barrages Talsperren

Sbarramenti Dams

G.R. Darbre BWG

Inhalt Inhalt

■■

Grundsätze Grundsätze

■■

Nachweisbeben Nachweisbeben

■■

Dämme Dämme

■■

Beton- und gemauerte Sperren Beton- und gemauerte Sperren

■■

Wehre Wehre

■■

Inhaltsverzeichnis der Basisdokumentation Inhaltsverzeichnis der Basisdokumentation

Schutzziele Schutzziele

■■

Schutz von Menschenleben und vor Schutz von Menschenleben und vor

Verletzungen, vor materiellen Schäden und Verletzungen, vor materiellen Schäden und

volkswirtschaftlichen Folgekosten, und der volkswirtschaftlichen Folgekosten, und der

Umwelt Umwelt

➔ ➔ Kein unkontrollierter Wasserabfluss: Kein unkontrollierter Wasserabfluss:

– – Kein pl Kein pl ö ö tzliches Versagen tzliches Versagen

– – Sicherheitsrelevante Sicherheitsrelevante Nebenanlagen rasch Nebenanlagen rasch funktionsf

funktionsf ä ä hig hig

■■

Nachweis der Gebrauchstauglichkeit Nachweis der Gebrauchstauglichkeit nicht verlangt!

nicht verlangt!

Teil A - Grundsätze Teil A - GrundsätzeTeil A - Grundsätze

Einheitliches Risiko Einheitliches Risiko

■■

Einheitliches Risiko, unabhängig von der Einheitliches Risiko, unabhängig von der Anlage:

Anlage:

➔ ➔ Wenn ein unkontrollierter Wasserabfluss Wenn ein unkontrollierter Wasserabfluss gr gr ö ö ssere Auswirkungen hat: ssere Auswirkungen hat:

– – Niedrige Niedrige Eintretenswahrscheinlichkeit Eintretenswahrscheinlichkeit des des Nachweisbebens

Nachweisbebens

– – Detaillierterer Nachweis Detaillierterer Nachweis

■■

Umsetzung: Umsetzung: ➔ ➔ Talsperrenklassen Talsperrenklassen

Teil A - Grundsätze Teil A - GrundsätzeTeil A - Grundsätze

Talsperrenklassen

Talsperrenklassen : Definition : Definition

Rückhalte- becken

Teil A - Grundsätze Teil A - GrundsätzeTeil A - Grundsätze

0 250,000 500,000 750,000 1,000,000 1,250,000

Stauraum [m**3]

0 10 20 30 40 50 60

Stauhöhe [m]

Klasse 3

Klasse 2

Klasse 1

Nachweis Nachweis

➔ ➔ Überprüfung Überprüfung : : Einwirkung Einwirkung vs vs . . Tragfähigkeit Tragfähigkeit

Überprüfung

Klasse Einwirkung

(Erdbeben) Tragfähigkeit

III Wenig

detailliert 10% Repräsentativ

Überschreitung in 100 Jahren Mässig

detailliert

II 2%

Überschreitung

in 100 Jahren Repräsentativ

Sehr detailliert

I 1%

Überschreitung in 100 Jahren

Repräsentativ Teil A - Grundsätze

Teil A - GrundsätzeTeil A - Grundsätze

Einwirkung

■■

Bodenspitzenbeschleunigung Bodenspitzenbeschleunigung (Klasse

(Klasse III III , T=1'000 Jahre) : , T=1'000 Jahre) :

I₀[MSK] = 7.0

a_v = 2/3 a_h

= 7% g

Loga_h = 0.26I₀ + 0.19 a_h = 10% g

Teil B - Nachweisbeben Teil B - NachweisbebenTeil B - Nachweisbeben

Seismische

Seismische Stabilität (Klasse Stabilität (Klasse III III ) )

■■ ErdbebenErdbeben

■■ Ständige Lasten Ständige Lasten unter normalen betrieblichen Bedingungenunter normalen betrieblichen Bedingungen –– EigengewichtEigengewicht

–– Normales Stauziel (RückhaltebeckenNormales Stauziel (Rückhaltebecken: voll: voll))

–– KeineKeine mitschwingendemitschwingende Wassermasse ( Wassermasse (vernachlässigbarvernachlässigbar))

■■ Materialkennwerte: Materialkennwerte: VorhandeVorhande DokumentationDokumentation oder

oder VergleicheVergleiche

' '

tan

' c

f

= σ ϕ +

τ

a_h 1.5 · a_h · m

τ τ

F =

> 1 : o.k. ≤ 1 : Überprüfung der Gleitverschiebungen Teil C - Dämme

Teil C - DämmeTeil C - Dämme

Gleitverschiebungen Gleitverschiebungen

d

■■ Zulässige VerschiebungenZulässige Verschiebungen

–– Oberflächennahe Gleitkörper (d/h < 10% à 20%) : u < 20 cmOberflächennahe Gleitkörper (d/h < 10% à 20%) : u < 20 cm –– Tiefe Gleitkörper (d/h < 10% à 20%) :Tiefe Gleitkörper (d/h < 10% à 20%) : u < 50u < 50

cmcm

h

■■ Falls Verschiebungskriterien nicht erfüllt, überprüfen:Falls Verschiebungskriterien nicht erfüllt, überprüfen:

–– Freibord (kein ÜberströmenFreibord (kein Überströmen))

–– Filterkriterien, genügend selbstheilendesFilterkriterien, genügend selbstheilendes Material, Restdicke der Material, Restdicke der Filter- und

Filter- und DrainageschichtenDrainageschichten ( (keine interne Erosionkeine interne Erosion)) –– Stabilität im deformierten Zustand (nach dem Erdbeben)Stabilität im deformierten Zustand (nach dem Erdbeben)

u: Empirisch bestimmt ! Teil C - Dämme

Teil C - DämmeTeil C - Dämme

Allfällige Massnahmen Allfällige Massnahmen

■■

Bauliche und / oder betriebliche Massnahmen Bauliche und / oder betriebliche Massnahmen

■■

Verfeinerte Überprüfung (weniger konservativ) Verfeinerte Überprüfung (weniger konservativ)

– – Beschleunigungen: Beschleunigungen: Finite Finite -Elemente, -Elemente, Verschiebungen:

Verschiebungen: Berechnung Berechnung (Starrkörper) (Starrkörper) – – Formeln und Kurven für Formeln und Kurven für

■■ GrundperiodeGrundperiode

■■ Max. BeschleunigungMax. Beschleunigung an Krone

an Krone

■■ Max. BeschleunigungMax. Beschleunigung im Schwerpunkt

im Schwerpunkt des Gleitkörpers des Gleitkörpers

a_h a_G · m

a_D Teil C - Dämme

Teil C - DämmeTeil C - Dämme

Ablauf Ablauf

Überprüfung der Verschiebungen

Klasse III

Stabilitäts- analyse

Erhebungen

Verflüssigung möglich

Teil C - Dämme Teil C - DämmeTeil C - Dämme

Massnahmen erforderlich Stabilitäts-

analysen

Analyse des erdbebeninduzierten Porenwasserdruckanstiegs

Stabilitätsanalysen mit Porenwasserdruckanstiegs

Gleitberechnungen mit Porenwasserdruckanstiegs Nachweis erfüllt

Nachweis erfüllt Nachweis erfüllt

Gleitberechnungen

Kriterien erfüllt Gleiten möglich

Gleiten möglich

Verschiebungen

akzeptabel Verschiebungen

akzeptabel Verschiebungen zu gross

Kriterien nicht erfüllt Beurteilung des potentiellen

erdbebeninduzierten Porenwasserdruckanstiegs

Kein Gleiten

Geologische und geotechnische Verhältnisse des Untergrundes Materialkennwerte von Dammkörper und Untergrund

Sicherheitsnachweise Sicherheitsnachweise

■■

Spannungen (keine lokale Spannungen (keine lokale Instabilität Instabilität unter unter Berücksichtigung von

Berücksichtigung von Umlagerungen Umlagerungen ) )

■■

Sperrenstabilität Sperrenstabilität (Gleiten und Kippen) (Gleiten und Kippen)

■■

Fundation Fundation (bei schlechten Verhältnissen) (bei schlechten Verhältnissen)

■■

Uferbereiche (bei Vorhandensein von instabilen Uferbereiche (bei Vorhandensein von instabilen Zonen, kein untragbares Überschwappen)

Zonen, kein untragbares Überschwappen)

■■

Sicherheitsrelevante Sicherheitsrelevante Nebenanlagen Nebenanlagen (Funktionstüchtigkeit erhalten

(Funktionstüchtigkeit erhalten oder umgehend oder umgehend wiederherstellbar

wiederherstellbar ) )

Lastfallkombinationen Lastfallkombinationen

■■

Ständige Lasten Ständige Lasten unter normalen unter normalen betrieblichen Bedingungen

betrieblichen Bedingungen

– – Eigengewicht Eigengewicht

– – Normales Stauziel ( Normales Stauziel ( Rückhaltebecken Rückhaltebecken : voll : voll ) ) – – Entsprechende Temperaturen Entsprechende Temperaturen

■■

Erdbeben Erdbeben

– – inklusive inklusive mitschwingende mitschwingende Wassermasse !

Wassermasse ! ("

(" Westergaard Westergaard ") ")

Teil D - Beton- und gemauerte Sperren Teil D - Beton- und gemauerte SperrenTeil D - Beton- und gemauerte Sperren

Einheitliche

Beschleunigung a_s

Pseudostatische

Pseudostatische Methode Methode

a_h

Vorgehen ist äusserst konservativ !

Spektrale

Beschleunigung

Periode T a_h

a_s Spektrale

Beschleunigung

Periode T a_h

a_s

Teil D - Beton- und gemauerte Sperren Teil D - Beton- und gemauerte SperrenTeil D - Beton- und gemauerte Sperren

ρs

hs hw

h hi

bs

ms

mw

( ) w w w

wh 87 h 1 hh

m = ⋅ρ ⋅ ⋅ −

ρ, Ed

hi

bi

QHi

QH

∆hi ms i

mw i

( )

=

å

i i

i tot i

m QH m

QH

ψ

ψ

0 1 2 3 4 5

Amplifikation

Korrekturfaktor ψk

1.00 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.10

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

as/ah

ψ^k

bs/hs = 1.0 bs/hs = 0.8

bs/hs = 0.6

Tabelle

Formfaktor ψi

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

hi/hs

ψi

Spektrale

Spektrale

Analyse (1 Mode) Analyse (1 Mode)

Teil D - Beton- und gemauerte SperrenTeil D - Beton- und gemauerte Sperren

( _å )

=

tot

a m

QH ψ ψ

Erhebungen

Dynamische Analyse

Nachweise

Ablauf Ablauf

Klasse III

Teil D - Beton- und gemauerte Sperren Teil D - Beton- und gemauerte SperrenTeil D - Beton- und gemauerte Sperren

Empirisch gestützte dynamische Analyse

Spannungs- nachweis Erfüllt

Nicht erfüllt

Massnahmen erforderlich Stabilitäts-

nachweis

Massnahmen erforderlich Nicht

erfüllt

Weitere Nachweise (Nebenanlagen, Ufer,

Fundation) Erfüllt

Nicht

erfüllt Massnahmen

erforderlich Nachweis

erfüllt

Erfüllt

Festlegung der Erdbebenanregung gemäss Teil B

Erfassung des Zustands der Sperre

Erhebung der Materialkennwerte (Sperre und Kontakt Sperre-Fundation)

Ermittlung der statischen Anfangsbedingungen

Tragkräfte

Eigengewicht

Hydrostatische Kraft

• Verschiedene Materialien

• Oberer Teil:

ähnlich wie eine Brücke

• Unterer Teil:

Sperre

Strukturelle Gegebenheiten Strukturelle Gegebenheiten

Schützentafel Windwerke

Wehrsohle

Wehrpfeiler Windwerkbrücke

Aufzugskette

Statisches System Statisches System

Weniger schlank Schlank

Feststellung: Vielfältigkeit von strukturellen Elementen

Þ Drittrichtlinien dürfen verwendet werden (empfohlen) ! Vorbehalten bleiben die Grundbestimmungen

Teil E - Wehre Teil E - WehreTeil E - Wehre

Þ Entsprechende Wiederkehrperiode

Þ Entsprechender Detaillierungsgrad der Modellierung, gemäss Angaben für Betonmauer

Talsperrenklassen Talsperrenklassen

Klassenzuteilung

H_R V_R

Niederwasser -spiegel Q₃₄₇ Stauziel

0 250,000 500,000 750,000 1,000,000 1,250,000

Stauraum [m**3]

0 10 20 30 40 50 60

Stauhöhe [m]

Klasse 3

Klasse 2

Klasse 1

Verhalten Verhalten

■■

Kein unkontrollierter Wasserabfluss Kein unkontrollierter Wasserabfluss

Þ Þ Gr Gr ö ö ssere Sch ssere Sch ä ä den der Strukturteilen den der Strukturteilen ü ü ber ber den h

den h öchsten Wasserstand sind zugelassen ö chsten Wasserstand sind zugelassen

■■ Vorausgesetzt, dass die SicherheitsorganeVorausgesetzt, dass die Sicherheitsorgane

(Schützen) durch andere Mittel betrieben werden (Schützen) durch andere Mittel betrieben werden

können können

■■

Erforderliche Erforderliche Nachweise: Nachweise:

■■ Tragsicherheit der TragstrukturTragsicherheit der Tragstruktur

■■ Tragsicherheit der Stauelemente (Schütze)Tragsicherheit der Stauelemente (Schütze)

■

■ Stabilität des WehrsStabilität des Wehrs

■■ Funktionstüchtigkeit der SicherheitsorganeFunktionstüchtigkeit der Sicherheitsorgane Teil E - Wehre

Teil E - WehreTeil E - Wehre

A - Grundsätze

B - Nachweisbeben C - Dämme

D - Beton- und gemauerte Sperren E - Wehre

F - Starkbebeninstrumentierung G - Nachbebenkontrollen

Dr. Darbre (BWG) Dr. Darbre (BWG)

Dr. Studer (Studer Eng.) Fr. Tiniç (NOK)

Dr. Otto (NOK) Dr. Otto (NOK)

Dr. Bossoney (Stucky SA)

Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis

M. Amberg (Lombardi SA) Dr. Wieland (EWE)

Dr. Hammer (BWG) Prof. Giardini (SED)