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Baustatik

Baustatik

Baustatik ist die Statik der Baukonstruktionen; anders gesagt die Lehre der Modellbildung zur Berechnung des Tragverhaltens von Tragwerken im Bauwesen. Das beinhaltet die Berechnung der Auflagergrößen, Schnittgrößen und Verschiebungen infolge von Lasten für das vorgegebene Tragsystem eines Bauwerks. Neben ruhenden Lasten gibt es weitere Einwirkungen: Temperaturänderungen, Schwinden, Kriechen, Auflagerverschiebungen. Auch die Festigkeitslehre (Elastizitätstheorie) zählt zur Baustatik. Die Baustatik liefert die Voraussetzungen für die Bemessung von Tragwerken (Standsicherheit) und zur Begrenzung von Verformungen (Gebrauchstauglichkeit).

Abgrenzung zur Statik

Die Statik behandelt mehr die theoretisch-mathematisch-physikalische Seite, während die Baustatik die Anwendung der Statik im Bauwesen zum Ziel hat. Deshalb steht die Bemessung von Bauwerken und Bauteilen im Vordergrund, also die Ermittlung der notwendigen Dimensionen, der Abmessungen, der Querschnitte, der Bewehrung usw. Ein wesentlicher Teil der Statik ist es, aus einem komplexen Bauwerk ein klar definiertes Tragsystem zu modellieren, das man mit vernünftigem Aufwand berechnen kann, und die Lasten zu ermitteln, die darauf wirken.

Gleichgewicht der Kräfte

Die wichtigste Grundforderung der Baustatik wie der Statik ist, dass das Tragsystem im stabilen Gleichgewicht ist. Andernfalls versagt es.

Tragwerke

Die Baustatik kennt zwei große Gruppen von Tragwerken:
- Stabwerke und Fachwerke (Stäbe, Träger, Stützen, Rahmen)
- Flächentragwerke, bestehend aus Platten, Scheiben, Schalen oder Membrane (Flächenstatik)

Lasten

Die Lasten, für die ein Tragwerk mittels der Baustatik bemessen werden muss, sind u.a.
- Eigengewicht
- Verkehrslast
- Windlast
- Schneelast
- Wasserdruck
- Erddruck
- Fahrzeuganprall
- Erdbeben
- Eisdruck
- Temperatur Dynamische Lasten (Stöße, Vibrationen, Schwingungen, Erdbeben) werden üblicherweise in statische Ersatzlasten umgerechnet, bevor sie auf ein Bauwerk angesetzt werden.

Berechnungsverfahren

Die Berechnungsverfahren in der Baustatik lassen sich unterteilen in:
- Zeichnerische Verfahren (Grafische Statik)
- Rechnerische Verfahren (Starrkörperstatik, Elastizitätslehre)
- Experimentelle Statik

Zeichnerische Verfahren

- Cremonaplan
- Drei-Kräfte-Verfahren
- Culmann-Verfahren

Rechnerische Verfahren

Zu den rechnerischen Verfahren der Baustatik zählen u.a.:

Klassische Verfahren

- Ritter'sches Schnittverfahren
- Kraftgrößenverfahren
- Weggrößenverfahren
- Formänderungsverfahren
- Momentenausgleichsverfahren
- Drehwinkelverfahren
- Cross-Verfahren
- Verfahren nach Kani
- Spannungstrapezverfahren

Matrizenverfahren

- Finite-Elemente-Methode (FEM)
- Finite-Differenzen-Methode (FDM)
- Randelemente-Methode (REM) (=Boundary Element Method, BEM)
- Discrete element method (DEM) (=Distinct element method)

Elektronische Berechnungen

Statische Berechnungen werden heute fast nur noch mit Computerprogrammen erstellt, weil es für jeden Zweck Bemessungsprogramme gibt. Die untersuchten statischen Systeme werden immer komplexer und anspruchsvoller. Die Berechnung von ebenen Flächentragwerken wie Deckenplatten, elastisch gebetteten Platten, Wandscheiben etc. ist heute in der Praxis eine Routineaufgabe. Mit der Finite-Elemente-Methode werden kompliziertere Tragwerke wie Membran- und Schalentragwerke untersucht.

Theorie I., II. oder III. Ordnung

Die Berechnung der Kräfte an unverformten Tragwerken nennt man Theorie I. Ordnung. Das bedeutet, dass die Änderung der Geometrie der Tragwerke durch die Belastung selbst vernachlässigt wird. Diese Vorgehensweise ist dann und nur dann zulässig, wenn die Verformungen so klein sind, dass sie die Ergebnisse der Berechnung nur unwesentlich beeinflussen. Wenn die Gefahr des Stabilitätsverlustes für das Tragwerk nicht ausgeschlossen werden kann, muss bei der Berechnung die Geometrie des verformten Tragwerkes berücksichtigt werden (Berechnung nach Theorie II. Ordnung). Dabei ist es erforderlich, auch die ungewollten Abweichungen des Tragwerkes von der geplanten Geometrie (z. B. Schiefstellung von Stützen) und die Vorverformungen der Bauteile (z. B. Krümmung von Druckstäben) zu berücksichtigen. Die zu berücksichtigende Größe dieser Imperfektionen im Bauingenieurwesen ist in Normen festgelegt. Seltener ist es erforderlich, auch die geometrischen Nichtlinearitäten eines Tragwerkes zu erfassen (z. B. die Nichtlinearität zwischen Verschiebungen und Verzerrungen im Kontinuum). In diesem Fall spricht man von einer Berechnung nach Theorie III. Ordnung. Soweit die Gefahr des Stabilitätsverlustes nur für einzelne Bauteile (z. B. durch Knicken oder Beulen) besteht, kann auf spezielle Nachweise für diese Versagensformen zurückgegriffen werden.

Baustoffe

Die Berechnungsergebnisse der Baustatik dienen der Bemessung der Tragwerke. Diese unterscheiden sich auch nach den Baustoffen, die deshalb ganz unterschiedliche Bemessungsverfahren bedingen:
- Beton, Stahlbeton, Spannbeton, Mauerwerk (Massivbau)
- Stahl und andere Metalle, speziell Aluminium (Stahlbau und allgemeiner Metallbau)
- Beton mit Stahl (Verbundbau)
- Holz (Holzbau)
- Kunststoff (Kunststoffbau)
- Boden und Erdstoffe (Grundbau)

Geschichte der Baustatik

Die Geschichte der Baustatik ist eng mit den Forschungen und Veröffentlichungen u.a. der folgenden Autoren verknüpft:
- Archimedes (287-212 v. Chr.) Hebelgesetz
- Leonardo da Vinci (1452-1519) Abhandlungen über die Mechanik, Grundlagen für die heutige Theorie der Statik und Elastizität; Statische Momente, Gewölbewirkung, Balkenbiegung
- Simon Stevin (1548-1620) belgisch-niederländischer Mathematiker, Physiker und Ingenieur. Parallelogramm der Kräfte, Statik fester Körper und der Flüssigkeiten; Einführung der Dezimalstellen
- Galileo Galilei (1564-1642) Prinzipien der Mechanik, Festigkeitslehre und Fallgesetze
- Robert Hooke (1635-1703) Proportionalitätsgesetz
- Sir Isaac Newton (1643-1727) Begründer der klassischen theoretischen Physik und damit der exakten Naturwissenschaften, mathematische Grundlagen der Naturwissenschaften, Formulierung der drei Bewegungssätze
- Jakob Bernoulli (1654-1705) Krümmung des elastischen Balkens; Ebenbleiben der Querschnitte
- Pierre de Varignon (1654-1722) französischer Mathematiker. Zusammensetzung der Kräfte, Gesetz vom Kräfteparallelogramm (Varignon-Parallelogramm), Begriff des Kraftmoments, Seilpolygon
- Leonhard Euler (1707-1783) Balkentheorie; elastische Linie; Seile; Knickstab
- Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) Reibung, Erddrucktheorie, Torsion, Festigkeit, Spannungen, Balkenbiegung
- Louis Navier (1785-1836) Elastizitätstheorie; erste umfassende Baustatik von 1823 und 1826
- Augustin Louis Cauchy (1789-1857) Elastizitätstheorie, Spannungsbegriff
- Karl Culmann (1821-1881) grafische Statik
- Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887) Plattentheorie
- August Ritter (1826-1908) grafische Berechnungsmethoden
- Antonio Luigi Gaudenzio Giuseppe Cremona (1830-1903) Zeichnerische Bestimmung der Stabkräfte in statisch bestimmten Fachwerken ("Cremonaplan")
- Christian Otto Mohr (1835-1918) Mohr'scher Spannungskreis; Biegelinie
- Carlo Alberto Castigliano (1847-1884) Sätze von Castigliano
- Heinrich Müller-Breslau (1851-1925) Systematik der rechnerischen Methoden; Theorie der Stabtragwerke
- Kurt Beyer (1881-1952) Lösung linearer Gleichungssysteme
- Kurt Hirschfeld (1902-1994) Lehrbuch der Baustatik 1958
- John Argyris (1913-2004) Mitbegründer der Finite-Elemente-Methode
- Olgierd Cecil Zienkiewicz (
- 1921) Pionier der Finite-Elemente-Methode; erstes Lehrbuch der FEM

Siehe auch

- Statische Berechnung
- Statik (Physik)
- Standsicherheit
- ql²/8-Statik

Weblinks

- [http://home.zhwin.ch/~gem/Kapitel%201.pdf Grundlagen und Geschichte der Baustatik]
- [http://www.statik-lernen.de/download/gesch_persoenlichkeiten.pdf Statik-lernen.de: Bedeutende Persönlichkeiten der Entwicklung der Baustatik]
- http://www.ifb.tugraz.at/educ/teaching_material/Baustatik/Baustatik1_Skriptum.pdf umfassendes Werk mit 400 Seiten
- http://www.ifb.tugraz.at/educ/teaching_material/Baustatik/Baustatik2_Skriptum.pdf die Fortsetzung des obigen mit 160 Seiten ! Kategorie:Bauingenieurwesen

Baukonstruktion

Unter Baukonstruktion versteht man die Konstruktion von Bauwerken und Gebäuden. Gegenstand der Baukonstruktion sind Bauteile und die Fügung von Bauteilen, man kann auch von Bautechnologie sprechen. Der Begriff bezeichnet sowohl das Fachgebiet als auch ein typisches Lehrfach im Architektur- und BauingenieurStudium. Die Baukonstruktion hat beim Prozess des Bauens eine zentrale Bedeutung. Die Qualität eines Entwurfs bzw. eines architektonischen Konzeptes steht und fällt mit der Qualität der konstruktiven Details. Die Baukonstruktion ist geprägt von Normen, Vorschriften und technischen Regeln, den sogenannten anerkannten Regeln der Technik. Angrenzende Fachgebiete im Bauwesen sind Baustoffkunde, Bauphysik, Bauchemie und Baubiologie, die die sich mit der Materialbeschaffenheit von Baustoffen beschäftigen und die Tragwerkslehre beziehungsweise Statik, die Mechanische Phänomene untersucht.

Aspekte

Bauteile

- Gründung, Boden, Decke (Bauteil)
- Wand, Fenster, Tür
- Dach
- Treppe

Bautechnologien

- Holzbau, Holztafelbauweise
- Lehmbau
- Mauerwerksbau
- Stahlbau
- Stahlbetonbau: Schwarze Wanne, Weiße Wanne
- Trockenbau

Gliederung

Eine eindeutige Einteilung der Baukonstruktion ist nicht möglich. Man kann nach verschiedenen Gesichtspunkten gliedern. Zum Beispiel:
- Bauweise: Massivbau, Skelettbau
- Material: Holzbau, Ziegelbau, Stahlbau, Betonbau
- Bauteil: Fundamente, Wände, Geschossdecken, Fassaden, Fußboden, Fenster, Dächer...
- Bauphase: Erdarbeiten, Rohbau, Technischer Ausbau, Innenausbau ... Hier eine unvollständige Stichwortsammlung:
- Abstützung: Unterfangung,
- Aushub: Baugrubenaushub, Fundamentaushub,
- Auffüllung:
- geschäumt: Ortschaum Montageschaum
- gegossen: betonieren
- vor Ort geformt: Lehmstampfbau
- Konstruktionen kleinformatig: mauern, pflastern,
- Konstruktionen großformatig: Massivbauweise, Großtafelbauweise, Skelettbauweise, Schottenbauweise, Raumzellenbauweise, Installationsblock, Sanitärblock, Sanitärzelle,
- Stabkonstruktionen: Fachwerk, Stabwerk, Rahmen, Fuge,
- Rohrkonstruktionen: Drainage, Entwässerung, Wasserinstallation, Gasinstallation, Elektro Leerrohr Kabelkanal Installation, Rohrpost, zentrale Staubabsaugung,
- Seilkonstruktionen, Geflechtkonstruktionen: Seilnetz, Maschendraht, Zeltdach, Abspannung,
- Matten:
- Tafeln und Bahnen: Metallrinne, Wellblech, Profilblech,
- schuppenförmige Konstruktionen: Ziegeldeckung, Schindeldeckung,
- dicke Beschichtung: verputzen,
- dünne Beschichtung: Beizung, Lackierung, Politur, Grundierung, Versiegelung, Imprägnierung, Tränkung,
- großformatige Plattenkonstruktionen: Täfelung,
- kleinformatige Plattenkonstruktionen: fliesen,
- Konstruktionen aus dünnen Bahnen: tapezieren, Dampfsperre, Dichtungsbahn,Trennfolie, Gleitfolie, Plane, Isolierfolie,
- Konstruktionen mit Pflanzen: Hangsicherung, Spritzbegrünung,

Weiterführende Informationen

Siehe auch

- Architektur, Bauphysik
- Portal:Architektur und Bauwesen

Literatur

- Dierks, Schneider, Wormuth: Baukonstruktion, Werner-Verlag ISBN 3-8041-1374-5

Weblinks

Tragwerk (Bauwesen)

Tragwerk ist im Bauwesen eine Bezeichnung für die maßgeblich für die Standsicherheit eines Bauwerks erforderlichen Tragglieder. Das Tragwerk eines Gebäudes besteht in der Regel aus Decken, Balken, Stützen, Wänden und der Gründung. siehe auch: Tragwerksplaner siehe auch: Adaptive Tragwerke Kategorie:Bauingenieurwesen Kategorie:Baukonstruktion

Schwinden (Beton)

Schwinden bezeichnet die Verkürzung des Betons im Laufe der Zeit infolge Feuchtigkeitsabgabe. Es ist eine Eigenschaft des Betons, die durch Gefügeumwandlung während des Aushärtens und durch Wasserverlust (Austrocknen) bedingt ist und sich in einer Volumenverminderung äußert. Dieser Prozess ist teilweise umkehrbar, d.h. bei Wasseraufnahme z.B. durch Lagerung im Wasser erfährt der Beton eine Volumenzunahme, was als Quellen bezeichnet wird. Da der Zuschlag im allgemeinen nicht schwindet, hängt die absolute Größe des Schwindens sowie die zeitliche Entwicklung maßgeblich vom Volumen und von der Zusammensetzung des Zementsteins ab. Außerdem spielen die Feuchte der umgebenden Luft und die Bauteilabmessungen eine große Rolle. Man unterscheidet zwischen dem Frühschwinden, das durch Verdunsten des Überschusswassers und Austrocknung in den ersten Tagen geschieht, dem chemischen Schwinden, das durch den Wasserentzug bei der Hydratation verursacht wird, und dem Trocknungsschwinden infolge Austrocknung des Zementsteins. Unter ungünstigen Randbedingungen, z.B. bei Decken in geschlossenen Gebäuden, beträgt das Endschwindmaß bis zu -0,6 mm/m. In der DIN 1045-1 besteht die (lineare) Schwinddehnung aus den beiden letzteren Bestandteilen:
- der Schrumpfdehnung (meist als autogenes oder chemisches Schwinden bezeichnet), die bei sehr festen Betonen (fck > 50 MPa) von Bedeutung ist und bis etwa -0,3 mm/m betragen kann. Diese hängt von der Zementart und der Betonfestigkeit ab.
- der Trocknungsschwinddehnung, die zusätzlich noch von der Bauteilform und der mittleren relativen Luftfeuchtigkeit der Umgebung abhängt und bei normalfesten Betonen maßgebend ist. Beide Anteile wachsen mit der Zeit und streben asymptotisch einem Grenzwert zu. Insbesondere das nicht ausreichende Beachten von Festhaltungen, die das Schwinden (Verkürzen) des Betons behindern, ist häufig Ursache von Rissen im Stahlbetonbau. Durch die Verformungsbehinderung treten im Beton Zuspannungen auf und Risse nach Überschreiten der Betonzugfestigkeit. Die Berücksichtigung des Schwindens ist auch bei der Berechnung von vorgespannten Betonteilen (Spannbeton) wichtig, weil durch die Schwinddehnung die Spannstahldehnung vermindert wird und damit auch die Vorspannkraft. Kategorie: Werkstoffeigenschaft Kategorie:Beton

Festigkeitslehre

Unter Festigkeitslehre versteht man die Wissenschaft der Kräfte und deren Wirkung auf und in einem Festkörper. Die Festigkeitslehre ermöglicht es zu berechnen, ob ein Körper einer äußeren Belastung standhält. Es gibt verschiedene Ansätze der Festigkeitslehre. Alle Ansätze stellen den auftretenden Belastungen die Widerstandsfähigkeit des Körpers gegenüber. Hauptunterschiede zwischen den Ansätzen sind die Aufteilung der Parameter auf die Bereiche Belastung und Widerstandsfähigkeit. Im folgenden wird der heute am weitesten verbreitete Ansatz beschrieben.

Auftretende Belastungen

Die auftretenden Belastungen werden nach den Gesetzen der Mechanik berechnet. In einigen Fällen werden auch die Gesetze der Fluidmechanik, der Thermodynamik oder des Wärmetransports genutzt, um Randbedingungen oder Belastungen zu berechnen. Wichtig ist hierbei, dass die Belastungen meist analytisch unter vereinfachenden Annahmen (z.B. Weglassen der Schwere) bestimmt wird. In jüngster Zeit werden jedoch immer häufiger numerische Methoden wie die Finite-Elemente-Methode (FEM) verwendet. Die im Körper auftretenden Belastungen sind abhängig von:
- Art der äußeren Belastungen: Zug¹⁾, Druck¹⁾, Schub, Biegung, Torsion oder eine Kombination
- Richtung der äußeren Belastungen
- Betrag der äußeren Belastungen
- Ort der äußeren Belastungen
- Zeitverhalten der äußeren Belastungen: z.B. wechselnd oder schwellend
- Geometrie des Körpers ¹⁾ Zug und Druck werden i.A. als eine Belastungsart (der Normalspannung) angesehen.

Widerstandsfähigkeit des Körpers

Die Widerstandsfähigkeit eines Körpers wird in vielen Fällen ermittelt, indem man die Materialkennwerte einer genormten Probe auf die Kennwerte des Körpers umrechnet. Dabei bedient man sich i. allg. der Elastizitätstheorie bzw. auch der Plastizitätstheorie. Für einfach geformte (z.B. stabförmige Körper) können daraus Formeln theoretisch abgeleitet werden. Für kompliziertere Körper verwendet man vorwiegend Computerprogramme, u.a. Anwendungen der Finite-Elemente-Methode. Weitere Einflüsse (außer Form, Belastungsart und Materialkennwerte) sind:
- der Größeneinfluss (bedingt durch den unterschiedlichen Einfluss von Materialfehlern)
- der Oberflächeneinfluss, bedingt z.B. durch Rauhheit oder Verfestigung der Oberfläche
- Einfluss sonstiger Randbedingungen, z.B. Temperatur (soweit nicht schon im Berechnungsmodell berücksichtigt), trockene Reibung oder aggressive Medien. Diese Einflüsse werden z.T. durch empirisch gewonnene Faktoren berücksichtigt. In manchen Fällen wird die Widerstandsfähigkeit der Körper rein empirisch entwickelt, d.h. durch Experimente an gleichartigen Körpern oder Modellen. Bei der Verwendung von Modellen müssen die Gesetze der Ähnlichkeitstheorie berücksichtigt werden. In einigen Bereichen z.B. Maschinenbau oder Bauwesen existieren einheitliche Berechnungsverfahren, die größtenteils genormt sind.

Ergebnisse der Festigkeitsberechnung

Die Ergebnisse sind dimensionslose Werte (Werte ohne physikalische Einheiten), die Sicherheiten genannt werden. Sie werden als Verhältnis von Widerstandsfähigkeit zur auftretenden Belastung berechnet. Die Sicherheiten müssen größer als die Mindestwerte sein. Die Höhe dieser Mindestwerte hängt im wesentlichen von folgenden Einflüssen ab:
- Genauigkeit des gewählten Berechnungsmodelles
- Wahrscheinlichkeit des gleichzeitigen Auftretens von Höchstwerten unabhängiger Belastungen
- Wahrscheinlichkeitsverteilung der Werkstoff-Widerstandswerte
- Auswirkung des Versagens von Bauteilen auf das gesamte Tragwerk In vielen Fällen muss die Sicherheit gegen mehrere Versagensarten nachgewiesen werden, z.B.:
- Sicherheit gegen Bruch
- Sicherheit gegen Funktionsverlust durch unzulässige Verformung
- Sicherheit gegen Ermüdung (Bruch nach häufigen Belastungsänderung, z.B. bei Fahrzeugachsen)
- Sicherheit gegen Stabilitätsverlust, z. B. gegen Knicken oder Beulen

Beispiel

Als einfachstes Beispiel ist ein Stab zu betrachten, der von beiden Seiten mit der Kraft F gezogen wird. Mit der Querschnittsfläche A ergibt sich die Spannung σ. (σ =F/A). Besteht der Stab aus dem Stahl S235, so kann nun die Spannung σ mit der Streckgrenze dieses Stahls verglichen werden (ca. 235 N/mm²). Ist die Spannung kleiner als die Streckgrenze, verformt sich der Stab nicht dauerhaft.

Berechnungsverfahren

Es werden insbesondere die Berechnungsverfahren der Technischen Mechanik und der Baustatik benutzt, dazu gehörten bis ins 20. Jahrhundert hinein vor allem graphische Verfahren, wie
- der Mohrsche Spannungskreis zur Bestimmung der Komponenten des Spannungstensors,
- das Seileckverfahren zur Berechnung der Momente und der Biegelinie in Balken,
- der Cremonaplan zur Bestimmung der Stabkräfte in Fachwerken. Hinzu kamen analytische Verfahren der Kraftgrößenmethode, wie
- das Rittersche Schnittverfahren zur Berechnung einzelner Stabkräfte in Fachwerken oder
- die Anwendung der Sätze von Castigliano zur Berechnung der Auflagerkräfte und Schnittreaktionen in statisch unbestimmten Tragwerken. Heute haben sich in der Hauptsache computergestützte Methoden durchgesetzt, die die Analyse auch komplizierter Systeme mit verhältnismäßig geringem Aufwand ermöglichen. Dazu gehören vor allem
- die Finite-Elemente-Methode und
- die Rand-Elemente-Methode. Kategorie: Technische Mechanik !

Standsicherheit

Die Standsicherheit wird im Bauingenieurswesen als Quotient zwischen den aufnehmbaren und den vorhandenen Beanspruchungen eines Tragwerks berechnet. Im Rahmen von Normen wird für bestimmte Standsicherheitsnachweise eine erforderliche Standsicherheit verlangt. Zum Nachweis der Standsicherheit müssen verschiedene Versagensmechanismen einzeln nachgewiesen werden. Die Versagensmechanismen können in Systemversagen und örtliches Versagen untergliedert werden. Bei einem Systemversagen versagt das Gesamtsystem. Ein Beispiel für ein Systemversagen ist das Kippen einer Wand. Bei einem örtlichen Versagen tritt an einem örtlich begrenzten Bereich eine für das verwendete Material zu große Beanspruchung auf. Beispielsweise wird die maximal aufnehmbare Spannung für eine Mörtelfuge in einer Mauerwerkswand überschritten. Dies kann zu unerwünschten Rissen in der Wand führen. Je nach Tragreserven im Gesamtsystem kann ein örtliches Versagen auch zu einem Systemversagen führen. Die Berechnung der Beanspruchungen (i.d.R. Spannungen) erfolgt über die Lösung von Differentialgleichungen. In der Regel können die Differentialgleichungen nicht exakt gelöst werden. Es werden daher physikalische und/oder numerische Näherungslösungen ermittelt. Ein Beispiel für eine physikalische Näherung ist die Plattentheorie, bei der das Tragwerk einer Decke über Zustandsgrößen für eine Fläche ermittelt werden. Ein Beispiel für ein numerisches Näherungsverfahren ist die Finite-Elemente-Methode (FEM). Ein Beispiel für ein einfaches Verfahren zur Standsicherheitsberechnung ist das Kragträgerverfahren, das mit Balkentheorie auskommt. Siehe auch: Teilsicherheitskonzept Kategorie:Bauingenieurwesen

Gebrauchstauglichkeit

Gebrauchstauglichkeit oder Usability bezeichnet den Eignungsgrad einer Sache oder eines Systems in Bezug auf seinen Verwendungszweck in einem bestimmten Benutzungskontext. Die Gebrauchstauglichkeit beruht unter anderem auf Gebrauchseigenschaften und den Bedürfnissen des Nutzers; somit gibt es neben einer objektiven Beurteilung auch eine subjektive Beurteilung, die von Individuum zu Individuum sehr unterschiedlich ausfallen kann.

Allgemein

Die Definition der Gebrauchstauglichkeit ist in DIN 55350-11, 1995-08, Nr. 4 geregelt. Demnach ist unter Gebrauchstauglichkeit die Eignung eines Gutes zu verstehen im Hinblick auf seinen bestimmungsgemäßen Verwendungszweck; diese Eignung beruht auf subjektiv und nicht objektiv feststellbaren Gebrauchseigenschaften. Die Beurteilung der Gebrauchstauglichkeit leitet sich aus individuellen Bedürfnissen ab. Geläufiger ist allerdings die englische Übersetzung Usability und die Definition der DIN EN ISO 9241 Teil 11, wonach die Gebrauchstauglichkeit sich aus Effektivität, Effizienz und Zufriedenheit zusammensetzt: Die Gebrauchstauglichkeit(usability) ist das Ausmaß, in dem ein Produkt durch bestimmte Benutzer in einem Nutzungskontext genutzt werden kann, um bestimmte Ziele effektiv, effizient und zufriedenstellend zu erreichen. Der Nutzungskontext besteht aus den Benutzern, Arbeitsaufgaben, Arbeitsmitteln (Hardware, Software und Materialien) sowie der physischen und sozialen Umgebung, in der das Produkt eingesetzt wird.

Bauwesen

Wenn ein Bauwerk oder Bauteil uneingeschränkt die Anforderungskriterien an seine Benutzbarkeit erfüllt, dann ist die Gebrauchstauglichkeit erfüllt. Anforderungskriterien sind zwar allgemein in den Normen vorgegeben, diese sollten aber insgesamt zusammen mit dem Auftraggeber festgelegt werden. Die Stahlbetonnorm in Deutschland beinhaltet z.B. als Kriterien Verformungs- und Durchbiegungsbegrenzungen, Rissbreitenbeschränkungen sowie Vorgaben für den Ausschluss von Schädigungen des Betons durch übermäßige Druckbeanspruchung und Begrenzung der Stahlspannungen bei nicht ruhender Belastung. Weitere Kriterien wie z. B. Wasserdichtigkeit oder Schwingungsanfälligkeit können vereinbart werden.

Siehe auch

Siehe Benutzerfreundlichkeit für eine detailliertere Darstellung, weitere Verweise und Links.
- Barrierefreies Internet (Accessibility)
- Industrieanthropologie
- ISO 9241
- ISO 13407 Kategorie:Technik Kategorie:Bauwesen

Statik (Physik)

Die Statik ist ein Teilgebiet der Mechanik, die sich mit dem Gleichgewicht von Kräften an Körpern befasst. Damit ein ruhender oder sich unbeschleunigt bewegender Körper weiterhin ruht (bzw. sich weiterhin unbeschleunigt bewegt) müssen die Summen aller Kräfte und Momente, die auf diesen Körper wirken, Null sein. Das ist die Gleichgewichtsbedingung der Statik. Bei Kenntnis der angreifenden Kräfte und Momente lassen sich die reagierenden Auflagerkräfte und die im Körper wirkenden inneren Kräfte und Momente bestimmen. Die Ermittlung der Kräfte und Momente ist die Grundlage für die Auslegung und Dimensionierung von Bauwerken und Bauteilen. Die Statik ist ein wesentliches Fachgebiet in den ingenieurwissenschaftlichen Fachrichtungen Bauingenieurwesen und Maschinenbau. Sie beschäftigt sich unter anderem mit dem Kräftemittelpunkt und dem Schwerpunkt, der Reibung, dem Begriff der Arbeit, der Schnittgrößenbestimmung, der Verformungsberechnung und der Stabilität. Dazu dienen grafische sowie rechnerische Methoden, um die Problemstellungen zu lösen. Neben den klassischen analytischen Methoden erhält immer mehr die numerische Finite-Elemente-Methode Einzug. Die Anwendung der Statik im Bauingenieurwesen ist die Baustatik. Siehe auch: Portal:Physik Kategorie:Klassische Mechanik ko:정역학 th:สถิตยศาสตร์

Bauwesen

Als Bauwesen bezeichnet man
- das Fachgebiet, das sich mit Bauprozessen und Bauwerken beschäftigt.
- die Bauwirtschaft, also die Wirtschafts-Branche, die Planungs und Bauleistungen aller Art erbringt. Während die Architektur sich zunächst mit den gestalterischen und kulturellen Aspekten des Bauens beschäftigt, dreht sich beim Bauwesen dann alles um die konkrete Realisierung von Bauwerken und Gebäuden. Eine generelle Trennung in Teilbereiche ist die Unterscheidung von Hochbau und Tiefbau.

Siehe auch

- Portal:Architektur und Bauwesen
- Architektur, Bauingenieurwesen
- Gewerk
- Bauwerk, Gebäude
- Verkehrsbauwesen
- Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung

Literatur

- Bauen in der Schweiz, ISBN 3-7643-7058-0 (Das Buch bietet einen Überblick über die Arbeit von Architekten und Ingenieuren in der Schweiz.)

Weblinks

- [http://www.fh-kl.de/kaiserslautern/bi/ Fachbereich Bauingenieurwesen] - An der Fachhochschule Kaiserslautern
- [http://www.bauwesen.uni-dortmund.de/ Fachbereich Bauwesen] - an der Uni Dortmund
- [http://www.baunetz.de BauNetz] - Bekanntestes deutsches Bau- und Architekturportal
- [http://planet.baublog.de planet.baublog.de] - RSS-Aggregator für News und Blogs im Bauwesen !

Tragwerk (Bauwesen)

Stabwerk

Als Stabwerk bezeichnet man in der Baukunst die feine Unterteilung der Fenster, Blenden oder Triforien von Steinmetzarbeiten bei gotischer Kirchen. Der Name Stabwerk kommt daher, da die gefertigten Maßwerkformen aus einzelnen Stäben zusammengestezt wurden. Kategorie:Kunst

Stab (Statik)

Ein Stab ist das einfachste Tragglied in einem Tragwerk wie z.B. einem Fachwerk. Im Unterschied zu einem Balken ist ein Stab im Vergleich zu seiner Länge sehr dünn; er hat in der Modellvorstellung keine Ausdehnung. Ein Stab repräsentiert die Schwerachse eines Bauteils. Er kann eine Zug- oder Druckkraft übertragen, im Dreidimensionalen auch Torsion. Ein Tragwerk aus Stäben wird mit der Stabstatik berechnet; ein Tragwerk aus Balken nach der Balkenstatik. Stäbe besitzen neben ihrer Länge l eine Querschnittsfläche A, einen Elastizitätsmodul E und ein Trägheitsmoment I. Diese Eigenschaften genügen, um damit zu rechnen. Solange A, E und I in einem Tragwerk in allen Stäben gleich sind, braucht man sie noch nicht einmal, um die Kräfte zu berechnen. Ein Stab kann an beiden Enden belastet werden mit Kräften und mit Momenten. Ein Stab kann an einem Ende oder an beiden Enden gelagert sein, und diese Auflager können sein:
- Festlager (nimmt Kräfte in allen Richtungen auf, aber keine Momente)
- Rollenlager oder Loslager (nimmt Kräfte nur in einer Richtung auf)
- Einspannung (nimmt Kräfte und Momente auf) Einen Stab, der an beiden Seiten ein Festlager hat, nennt man auch Pendelstütze. Er kann deshalb keine Querkräfte und Momente übertragen. Die Längskraft, die er überträgt, geht genau durch die beiden Auflager, egal wie der Stab dazwischen geformt ist. Stäbe müssen nicht gerade sein, sondern können auch geknickt oder gebogen sein. Ein Tragwerk aus Stäben kann statisch bestimmt oder statisch unbestimmt sein. Es gibt zweidimensionale und dreidimensionale Stab-Tragwerke. Stäbe in diesem Sinne werden in der Statik, einem Teilgebiet der Mechanik, verwandt. Sie sind eine idealisierte Modellvorstellung, denn die meisten realen Bauteile haben eine Ausdehnung und die Auflager entsprechen in der Realität nicht der Idealvorstellung.

Siehe auch:

- Statische Berechnung
- Statik
- Baustatik
- Balkenstatik
- Stabstatik
- Festigkeitslehre
- Kraft
- Moment (Physik) Kategorie:Technische Mechanik Kategorie: Baustatik

Träger (Architektur)

Ein Träger ist in der Architektur bzw. im Bauwesen ein meist horizontal verlaufender, im Verhältnis zu seiner Länge schmaler und schlanker Balken, der die aufliegenden Lasten an Wände oder senkrechte Stützen ableitet. Anders als ein Bogen wird ein Träger vorwiegend auf Biegung belastet. Aufgrund der geringen Zugfestigkeit ist Stein als Material ungeeignet. Gefordert sind Werkstoffe mit hohen Zugfestigkeiten, wie Holz, Metall oder Stahlbeton. Träger die Maueröffnungen überspannen nennt man Stürze.

Beispiele

Die Problematik von Trägern aus dem Material Stein erkennt man am Parthenon in Athen. Viele Säulen sind für die Grundkonstruktion des Dachs erforderlich, da die mächtigen Marmorträger lediglich eine Länge von 4m überspannen können. Das Dach selbst bestand aus Holz. Siehe auch: Balken, Unterzug, Binder, Sparren, Pfette, Stahlprofil Kategorie:Bauteil

Stütze (Bauteil)

Eine Stütze ist ein (meist) vertikales Bauteil, das Lasten hauptsächlich in Richtung seiner Längsachse aufnimmt und weiterleitet. Als Material kommen alle Baustoffe in Frage, die druckfest sind. Im Bauwesen werden hierfür hauptsächlich eingesetzt:
- Holz
- Naturstein
- Mauerwerk aus künstlichen Steinen
- Beton
- Metall - Stahl, Aluminium (z. B. bei Fassaden), früher auch Eisen und Gusseisen
- Kombinationen hiervon wie z. B. Stahlbeton oder Stahlverbund Die Tragfähigkeit einer Stütze hängt ab von der Festigkeit des gewählten Materials, den Querschnittsabmessungen und der Querschnittsform, der Länge bzw. Höhe der Stütze, den Lagerungsbedingungen an den Enden (drehbar oder drehbehindert), geometrischen Imperfektionen wie z. B. Schiefstellung, Verkrümmung oder Verdrehung und der Art und der Kombination der Beanspruchung(en). Stützen mit größeren Abmessungen werden auch als Pfeiler bezeichnet (z.B. Brückenpfeiler), ebenso bei Ausführung in Mauerwerk oder Naturstein. Runde Stützen werden auch Säulen genannt. Grundlegende Lösungen zur Berechnung der Tragfähigkeit einer Stütze wurden von dem Mathematiker Leonhard Euler entwickelt. Kategorie:Bauteil Kategorie:Säule

Platte (Technische Mechanik)

Eine Platte ist in der Technischen Mechanik bzw. in der Bautechnik ein ebenes, flächiges Bauteil aus steifem Material (Flächentragwerk), dass nur durch Kräfte senkrecht zu seiner Ebene belastet wird. Auch Biegemomente um Achsen, die in der Plattenebene liegen, sind möglich. - Das Pendant dazu ist eine "Scheibe"; sie wird nur durch Kräfte in ihrer Ebene belastet. Ein Flächenbauteil mit beiden Eigenschaften zusammen ist eine "Schale".

Anwendung

Zur Anwendung kommen Platten hauptsächlich als Geschossdecken, als Fundamentplatten und bei Brücken. Sie sind in der Regel aus Beton oder Stahl.

Lagerung

Platten werden ein- oder zweiachsig zwischen Auflagern gespannt. Die Auflager sind linienförmig (Wände) oder punktförmig (Stützen). Sie können am Rand oder an beliebiger Stelle unter der Platte angeordnet sein. Die einfachsten Platten sind rechteckförmig und am Rand gestützt, sie können aber auch jede beliebige Grundrissform und auch Löcher (Aussparungen) haben.

Berechnung und Bemessung

Zur Berechnung nicht zu komplizierter Platten dient die Plattentheorie. Für einfache Betonplatten gibt es Tabellen zur Bemessung mit Bewehrung, für sehr komplizierte Formen braucht man Computerprogramme auf der Basis der Finite-Elemente-Methode. Siehe auch:
- Platte (Begriffsklärung)
- Scheibe, Scheibe (Technische Mechanik), Scheibentheorie
- Schale, Schale (Technische Mechanik), Schalentheorie
- Membran
- Baustatik
- Verfahren von Ritz Kategorie:Technische Mechanik

Scheibentheorie

Die Scheibentheorie ist ein Teil der Festigkeitslehre bzw. der Technischen Mechanik und befasst sich mit der Berechnung der Spannungen und Verformungen von Scheiben. Unter Scheiben im Sinne der Technischen Mechanik werden ebene Flächentragwerke verstanden, die ausschließlich durch Kräfte belastet werden, die in ihrer Ebene wirken (Scheibenspannungszustand). Im Unterschied dazu werden ebene Flächentragwerken, die zusätzlich oder allein durch Kräfte orthogonal zu ihrer Ebene belastet werden, in der Technischen Mechanik als Platten bezeichnet. Als Hilfsmittel zur analytischen Berechnung des Scheibenspannungszustandes dient die Airy'sche Spannungsfunktion. Es handelt sich um eine Funktion der Ortskoordinaten der Scheibenmittelebene. Ihr Bipotential muss überall null sein, und sie muss die Randbedingungen erfüllen. Für praktische Berechnungen werden in der Regel numerische Verfahren verwendet, z. B. die Finite-Elemente-Methode oder die Finite-Differenzen-Methode. Zur Anwendung kommt die Scheibentheorie beispielsweise in der Baustatik, im Schiffbau und in der Eismechanik.

Siehe auch

- Plattentheorie
- Schalentheorie

Literatur:

- Basar, Y.; Krätzig, W.B.(1985): Mechanik der Flächentragwerke. Vieweg, Braunschweig, Wiesbaden
- Girkmann, K. (1963): Flächentragwerke. Springer, Wien, unveränderter Nachdruck 1986
- Zienkiewicz, O.C. (1977): The Finite Element Method in Engineering Science. McGraw-Hill, London Kategorie:Elastostatik

Membran

Eine Membran (v. mittelhochdeutsch: membrane Pergament, von lat. membrana Häutchen, v. membrum Körperglied) ist eine Trennschicht, eine dünne Haut. Man unterscheidet zwischen Membranen, die zur Trennung von Stoffgemischen verwendet werden (semipermeable Membranen, Filtrationsmembranen, Trennmembranen, permselektive Membranen) und Membranen, die Schwingungen erzeugen oder modifizieren sollen (Schwingungsmembranen, Oszillationsmembranen) aber auch Membranen als Urelemente (Elementarteilchen) des Universums.

Trennmembranen

Es gibt sie in der
- Technik: Membran (Technik)
- Biologie: Biomembranen, die aus Doppellipidschichten bestehen und Zellen von ihrer Umgebung (Zellmembran) und die Organellen im Zellinneren vom Zytoplasma abgrenzen

Durchlässigkeit

Hinsichtlich der Diffusionseigenschaften unterscheidet man :
- völlig undurchlässig, (impermeabel)
- teilweise undurchlässig (semipermeabel oder besser: selektiv permeabel)
- in einer Richtung durchlässig sein.
- völlig durchlässig, (omnipermeabel) Ohne semipermeable Membranen ist das Leben in seiner heutigen Form nicht denkbar, denn jede biologische Zelle ist von einer Membran umgeben und muss bestimmten Substanzen die Möglichkeit gewähren, die Membran zu passieren. Künstliche Membranen für die Trenntechnik bestehen aus Polymeren (Polyethersulfon, Polyacrylnitril, Celluloseacetat oder dünnen Schichten aus Silicon auf einem Polymerträger) und werden zumeist durch Gießen dünner Filme hergestellt. Andere Herstellungsverfahren sind die Grenzflächenkondensation (Aromatisches Polyamid auf Träger) oder die Kernspurätzung (Beschuss dünner Filme aus Polycarbonat mit schweren Teilchen eines Beschleunigers). Der Trennvorgang beruht auf dem Transport durch Poren (Siebmechanismus, Ultrafiltration, Filtration), der unterschiedlichen Löslichkeit und Diffusion (Gastrennung, Dialyse, Pervaporation) oder Ladungsunterschieden (Elektrodialyse). Triebkräfte für den Transport sind Unterschiede des Druckes (Filtration), der Konzentration/Chemischen Potentials(Dialyse), der Temperatur oder der Ladung. Wichtige technische Anwendungen sind die Trinkwassergewinnung durch Umkehrosmose (weltweit ca. 7 Mio Kubikmeter jährlich), Filtrationen in der Lebensmittelindustrie, die Rückgewinnung von organischen Dämpfen, z. B. Benzindampfrückgewinnung und die Elektrolyse zur Chlorgewinnung. Ca. 50 % des Marktes macht jedoch die Anwendung in der Medizin aus: Als künstliche Niere zur Entfernung giftiger Stoffe durch Blutwäsche und als künstliche Lunge durch blasenfreies Zuführen von Sauerstoff in das Blut. Wichtigste Forschungszentren auf dem Gebiet der Stofftrennung mit Membranen sind in Europa das GKSS Forschungszentrum Geesthacht, die Universitäten Twente, Enschede und Calabrien und das Institut IEM UMR in Montpellier. Von dort wird auch das European Network of Excellence on Manoscale-based Membrane Technologie gesteuert. Technische Membranen werden eingesetzt als
- Als Filtermembranen z.B. als Osmosemembran in der Hauswasserversorgung, oder in der Pervaporation

Schwingungsmembranen

Es gibt sie in der
- Technik: Schwingungsmembran (Technik)
- Biologie: Biomembran Im Falle der Schwingungseigenschaften kann eine Membran zur Erzeugung, Verstärkung, Aufnahme, Dämpfung oder Messung der Schwingung dienen. Sowohl in der Biologie als auch in der Technik treten Membranen in den vielfältigsten Anwendungen und Funktionen auf. Technische Schwingungsmembranen finden Verwendung
- Als Schwingmembranen in Mikrofonen, Lautsprechern, Druckmessern, Pumpen, Musikinstrumenten etc.

Beispiele für Membranen

- Basalmembran
- Trommelfell
- Nickhaut
- Dialysemembran
- Hymen

Siehe auch

Diffusion - Osmose - Semipermeabilität - Zellmembran - Umkehrosmose - Membranfluss - Kategorie:Weiche Materie

Links

- http://www.biologie.uni-hamburg.de/b-online/d22/22.htm
- http://www.wasser-wissen.de/abwasserlexikon/m/membran.htm
- http://www.visaton.de/deutsch/lexikon/91.html
- http://www.kunst.uni-stuttgart.de/architektur/diplws99/Lebensform_Zelle/Membran.jpg
- Abbildung einer Zellmembran simple:Membranes

Windlast

Die Windlast gehört zu den klimatisch bedingten veränderlichen Einwirkungen auf Bauwerke oder Bauteile. Sie ergibt sich aus der Druckverteilung um ein Bauwerk, welches einer Windströmung ausgesetzt ist. Sie wirkt im allgemeinen als Flächenlast senkrecht zur Angriffsfläche und setzen sich vor allem aus Druck- und Sogwirkungen zusammen. So entsteht bei einem Bauwerk an den frontal angeströmten Flächen durch die Strömungsverlangsamung ein Überdruck. Im Bereich der Dach- und Seitenflächen löst sich die Luftströmung an den Gebäudekanten ab und bewirkt dort einen Unterdruck (Sog). Durch den Nachlaufwirbel wird an der Gebäuderückseite ebenfalls ein Unterdruck erzeugt.

Statische Windlast

In den Normen werden die Windlasten in Rechenwerte zur Ermittlung der Tragwerkssicherheit überführt. Dabei wird aufgrund der starken zeitlichen und räumlichen Schwankungen der ausgeprägte stochastischen Charakter beachtet.

Standort

Die maßgebenden Einflussfaktoren auf die Größe der Windlasten sind die des Standortes mit dem lokalen Windklima und der Topographie. Das Windklima wird zum Beispiel in den Normen Eurocode 1 oder DIN 1055-4 durch eine Windzonenkarte erfasst, welche zeitlich gemittelte maßgebende Windgeschwindigkeiten für verschiedene geographische Regionen angibt. Bei sehr hohen Bauwerksstandorten sind die Windgeschwindigkeiten entsprechend anzupassen. Die Topographie und Beschaffenheit des umgebenden Geländes am Bauwerksstandort werden in den Normen durch Geländekategorien erfasst. Windgeschwindigkeiten Die Werte gelten für eine Mittelung über einen Zeitraum von 10 Minuten mit einer Überschreitenswahrscheinlichkeit innerhalb eines Jahres von 0,02 sowie für eine Höhe von 10 m über Grund in ebenem, offenen Gelände.

Bauwerksgeometrie

Überschreitenswahrscheinlichkeit Weitere wichtige Einflussfaktoren ergeben sich aus der Geometrie des Bauwerkes oder Bauteils. So ist die Windgeschwindigkeit an der Erdoberfläche praktisch Null und nimmt mit zunehmenden Abstand von der Erdoberfläche, also mit Gebäudehöhe, zu. Außerdem beeinflusst die geometrische Form die Größenordnung aerodynamischen Beiwerte der Druck- und Sogkräfte. Der Parameter Bauwerksgeometrie kann, sofern keine in den Normen dokumentierten Erfahrungswerte vorliegen, durch Windkanalversuche erfasst werden, evtl. zusammen mit dem Einfluss der örtlichen Bebauung.

Windkraft

Die resultierende Windkraft auf ein Bauwerk oder Bauteil ergibt sich aus dem Produkt von Geschwindigkeitsdruck , aerodynamischen Kraftbeiwerten und Bauwerksflächen. Die Druckbeiwerte können theoretisch maximal nur 1,0 betragen (Windgeschwindigkeit vor der angströmmten Fläche ist Null) , schwanken aber meist zwischen 0,6 und 0,8. Die Sogbeiwerte sind in ihrer Größenordnung physikalisch nicht begrenzt und können lokal im Bereich von Dachkanten z.B. -2,0 oder weniger betragen. Insbesondere die Sogkräfte sind für Windschäden an Bauwerken meist verantwortlich. Zum Beispiel sind Lärmschutzwände in Deutschland gemäß den Vorgaben der Straßenbauverwaltungen für eine gesamte Windlast von mindestens 1,45 kN/m² zu berechnen.

Windinduzierte Schwingungen

Die in den Normen angegeben Windlasten sind statische Ersatzlasten für steife Bauwerke. Bei weichen Bauwerken, wie Hängebrücken, kann es zwischen dem Wind und dem Bauwerk zu einer dynamischen Wechselwirkung in Form von Schwingungen kommen. Hier sind meist Windkanalversuche zu richtigen Erfassung des Windes als Einwirkung auf das Tragwerk erforderlich. Kategorie:Bauingenieurwesen Kategorie:Windenergie

Wasserdruck

Wasserdruck im physikalischen Sinne bezeichnet den hydrostatischen Druck innerhalb des Wassers. Bei zunehmender Wassertiefe steigt auch der umgebende Druck. Man spricht von der Wassersäule. Besonders für Taucher ist es wichtig zu wissen, welchem Druck ihre Körpergase (Stickstoff) ausgesetzt sind, um die Taucherkrankheit zu vermeiden. Es können sich bei Tauchern Bläschen im Blut bilden. 1 Meter Wassersäule (mWS) = 9,807 kPa ≈ 0,1 bar Das Hydrostatische Prinzip machte man sich bei den Wassertürmen technisch zu nutze. Im technischen Sinn bezeichnet Wasserdruck, den Leitungsdruck des Wassers, mit dem er in die Leitung gepresst wird bzw. unter dem das Wasser in der Wasserleitung steht. Das wurde früher durch Wassertürme realisiert, in denen das Wasser unter natürlichen Druckverhältnissen der Schwerkraft ausgesetzt war. Je höher der Wasserbehälter, zumeist auf Anhöhen oder Bergen installiert, desto stärker der Druck in der Leitung. Heute wird der Druck künstlich durch Pumpen erzeugt. Man unterscheidet Leitungen mit gewöhnlichem Druck (Hauswasserleitungen) und Druckwasserleitungen, die unter erheblich höherem Druck stehen. Siehe auch: Wasserwerk, Hydraulik Kategorie:Tauchen Kategorie:Technik

Erddruck

Erddruck ist ein Begriff der Geotechnik und ist insbesondere für die Gründung (das Fundament) von Bauwerken bedeutungsvoll. Hinsichtlich der Größe des Erddruckes unterscheidet man zwei Extremfälle:
- Der aktive Erddruck ist der kleinste Druck, den ein Boden vorgegebener Eigenschaften auf ein Bauwerk (z.B. eine Stützmauer oder eine Gabionenwand) vorgegebener Geometrie ausüben kann. Dieses Minimum wird nur erreicht, wenn das Bauwerk dem Druck in gewissen Grenzen nachgeben kann. Anderenfalls sind die Belastungen höher, man spricht vom erhöhten aktiven Erddruck.
- Der passive Erddruck ist der größte Erddruck, mit dem ein Boden eine Bauwerkswand stützen kann. Dieses Maximum tritt i.allg. erst bei einer Bewegung des Bauwerkes im Zentimeter- bzw. Dezimeterbereich auf. Aktiver Erddruck und passiver Erddruck hängen u. a. von folgenden Parametern ab:
Dichte, Konsistenz bzw. innerer Reibungswinkel des Bodens, Abstand von der Oberfläche und Neigung des Geländes, Auflasten (z.B. Gebäude und Fahrzeuge), Neigung der Bauwerkswand und Reibungsbeiwert zwischen Boden und Wand. Bei sonst gleichen Bedingungen ist der passive Erddruck wesentlich größer als der aktive. Die Komponenten des Erddruckes in horizontaler bzw. vertikaler Richtung werden als horizontaler bzw. vertikaler Erddruck bezeichnet. Von Bedeutung ist weiterhin der Erdruhedruck, der unter anderem für starre und unverschiebliche Bauwerke gilt, die von beiden Seiten verfüllt werden. Siehe auch:
- Bauwesen, Bergschadenkunde, Geodynamik
- Bodengefüge, Setzung, Verdichtung Kategorie:Geophysik Kategorie:Geowissenschaft

Schwingung

Eine Schwingung (auch Oszillation) bezeichnet den Verlauf einer Zustandsänderung, bei der ein mechanisches oder nichtmechanisches System nach einer Störung/Auslenkung durch eine gegenläufige Wirkung wieder in den Ausgangszustand gebracht wird. Außer der zeitlichen Änderung der Auslenkung schwingen dabei auch andere Größen: Geschwindigkeit und Energie. Diese Zustandsänderung kann periodisch verlaufen; dann wird der Ausgangszustand periodisch wieder erreicht. Man kann es auch noch allgemeiner formulieren: Eine Schwingung ist eine Funktion, die eine physikalische Zustandsgröße in Abhängigkeit von der Zeit definiert. In diesem Zusammenhang können mechanische, elektrische oder auch hydraulische Zustandsgrößen betrachtet werden:
- Mechanische Zustandsgrößen: Elongation (Auslenkung), Schwinggeschwindigkeit, Schwingbeschleunigung, Drehwinkel, Winkelgeschwindigkeit, Winkelbeschleunigung, Kraft, Moment
- Elektrische Zustandsgrößen: Strom, Spannung, Leistung, Ladung, Induktivität, Kapazität, Widerstand
- Hydraulische Zustandsgrößen: Volumenstrom (Förderstrom), Druck, Geschwindigkeit, Massendichte, Fallhöhe (Förderhöhe) Im Rahmen der Anschauung wird hier die harmonische Schwingung als ein wichtiger Spezialfall betrachtet: Das Bild auf der rechten Seite zeigt eine ungedämpfte harmonische Schwingung mit der Elongation (Schwingweg)

y(t)

, der Amplitude

y_0

und der Periodendauer

T

. Die Elongation

y(t)

zu einem Zeitpunkt

t

gibt den momentanen, die Amplitude den maximal möglichen Wert der Größe

y

an. Die Periode (Physik) oder die Schwingungsdauer ist die Zeit, die verstreicht, während ein schwingungsfähiges System genau eine Schwingungsperiode durchläuft, d. h. nach der es sich wieder im selben Schwingungszustand befindet. Der Kehrwert der Periodendauer T ist die Frequenz f, also :

T =  \quad

.
Eine weitere Bezeichnungsform der Frequenz ist

\nu

(sprich: "nü") und deren Einheit Hz. Eine Schwingung ist harmonisch, wenn die Rückstellgröße (z.B. die rückstellende Kraft) proportional zur Elongation (z.B. Auslenkung eines Pendels) ist. Hierbei spricht man auch von einem linearen System, da die rückstellende Kraft sich linear mit der Elongation ändert: Verdoppelt sich die Auslenkung, verdoppelt sich auch die rückstellende Kraft. Eine solche Schwingung lässt sich beschreiben durch :

y(t)=y_0\cdot\cos(2\pi f t+\varphi_0)

mit :

y_0

= Amplitude und :

\varphi_0

= Anfangsphase der Schwingung. Mit :

\varphi (t) = 2 \pi f t+\varphi_0

wird die (Gesamt-)Phase bezeichnet, und f oder

\nu

ist die Frequenz der Schwingung. Das

2\pi

fache der Frequenz,

\omega = 2\pi \cdot f

, ist die Kreisfrequenz der Schwingung.

Unterscheidungen

Man unterscheidet:
- gedämpfte und ungedämpfte Schwingungen,
- freie, erzwungene (oder fremderregte), selbsterregte und parametererregte Schwingungen,
- lineare und nichtlineare Schwingungen,
- Schwingungen mit einem Freiheitsgrad, mit endlich vielen Freiheitsgraden und mit unendlich vielen Freiheitsgraden (kontinuierliche Schwinger). Alle diese Eigenschaften können kombiniert sein.

Gedämpfte und ungedämpfte Schwingungen

Tatsächliche physikalische Systeme sind immer gedämpft, da sie, z. B. durch Reibung, immer Energie an die Umgebung abgeben. Überlässt man ein solches System sich selbst (freie Schwingung), so führt dies letztendlich zum „Stillstand“, wie aus dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik hervorgeht. Perpetua Mobilia sind also (schon wegen des Energieerhaltungssatzes) nicht möglich. Im Falle einer freien gedämpften Schwingung ist die Abnahme der Amplitude durch die Dämpfungsgröße bestimmt. In der Realität ist die Dämpfungskraft häufig proportional zur Geschwindigkeit (lineares System) (allgemein: zu

\dot(t)

, der ersten zeitlichen Ableitung von

y(t)

). In diesem Fall nimmt die Amplitude exponentiell ab, d.h. die Einhüllende ist eine Exponentialkurve. Das Bild auf der rechten Seite zeigt den zeitlichen Verlauf einer solchen gedämpften Schwingung. Ein Beispiel für geschwindigkeitsproportionale Reibung ist die Reibung in einem Fluid (Flüssigkeit oder Gas), etwa ein Pendel mit Luftreibung. Eine solche Schwingung (Schwingfall) lässt sich beschreiben durch :

y(t)=y_0\,e^\cos(2\pi f\, t+\varphi_0),

wobei

\delta

die Dämpfung im geschwindigkeitsproportionalen Fall ist. Voraussetzung dafür ist, dass die Dämpfung einen kritischen Wert (kritische Dämpfung) nicht erreicht oder nicht überschreitet. Anderenfalls findet keine Schwingung im eigentlichen Sinne (Oszillation) statt, sondern das System kriecht in die Ruhelage zurück (Kriechfall). Die Grenze zwischen den beiden Fällen bildet der aperiodische Grenzfall.

Freie oder erzwungene Schwingungen

Freie Schwingungen führt ein schwingfähiger Körper aus, der nach einer Störung/Auslenkung sich selbst überlassen, oszillierend (oder im Falle der kritischen bzw. überkritischen Dämpfung kriechend) in den Gleichgewichtszustand zurückkehrt (s. oben). Die Frequenz der freien Schwingungen ist die Eigenfrequenz des Schwingers. Bei Schwingungen mit mehreren Freiheitsgraden gibt es entsprechend viele Eigenfrequenzen. Erzwungene Schwingungen führt ein Schwinger aus, der durch zeitveränderliche äußere Einwirkung zum Schwingen angeregt (gezwungen) wird. Praktisch bedeutsam sind vor allem periodische Erregungen und darunter die harmonische, sinusförmige Erregung. Die Frequenz der periodischen Erregung wird als Erregerfrequenz bezeichnet. Es gibt auch mehrfrequente Erregungen. Aber auch Erregungen durch Zufallsprozesse (stochastische Schwingungen) werden untersucht. Im Falle der harmonischen Erregung führt ein lineares System i.allg. 2 Schwingungen gleichzeitig aus:
- die freie Schwingung (mit der Eigenfrequenz bzw. mehreren Eigenfrequenzen), deren Größe von den Anfangsbedingungen abhängt und die durch die stets vorhandene Dämpfung während der Einschwingzeit abklingt und
- die erzwungene Schwingung im engeren Sinn mit der/den Erregerfrequenz(en), deren Amplitude(n) konstant ist (sind) und durch die Stärke der Erregung, das Verhältnis zwischen der Erregerfrequenz (oder einer der Erregerfrequenzen) und der Eigenfrequenz (oder einer der Eigenfrequenzen) sowie die Dämpfung des Schwingungssystems bestimmt wird. In der Technischen Mechanik sind die wichtigste Erregungsmechanismen die Wegerregung, die Krafterregung und die Unwuchterregung. Die Amplitude der erzwungenen Schwingung nimmt im Falle der Resonanz ein Maximum an. Bei fehlender Dämpfung und Gleichheit von (einer) Erregerfrequenz und (einer) Eigenfrequenz wird die Amplitude unendlich. Mit wachsendem Dämpfungswert verschiebt sich die Resonanzstelle geringfügig und die Resonanzamplitude nimmt ab.

Selbsterregte Schwingungen

Schwingungssysteme, bei denen eine Energiezufuhr durch den Schwingungsvorgang selbst gesteuert wird, führen selbsterregte Schwingungen aus. In den Differentialgleichungen wirkt sich diese Erscheinung so aus, dass der Dämpfungswert negativ wird. Ein typisches Beispiel sind die Schwingungen der Saiten einer Violine. Diese werden dadurch verursacht, dass die Haftreibung zwischen Bogen und Saite größer ist als die Gleitreibung und die Gleitreibung mit wachsender Differenzgeschwindigkeit noch abnimmt. Ein weiteres Beispiel ist das Tönen von Gläsern durch Reiben des Randes. Selbsterregte Schwingungen sind praktisch immer nichtlinear, anderenfalls würden - wenn die Erregung zeitlich unbegrenzt wirkt - die Amplituden exponentiell anwachsen und zur Zerstörung des Schwingungssystems führen .

Parametererregte Schwingungen

Eine parametererregte Schwingung tritt dann auf, wenn sich Parameter des Schwingungssystems (Trägheitsgrößen, Dämpfungswerte oder Federkonstanten) periodisch ändern. So können z. B. bei Dampflokomotiven parametererregte Schwingungen zwischen den Treibachsen auftreten, weil sich die Steifheit der Verbindung durch die Koppelstangen mit der Radstellung ändert.

Lineare und nichtlineare Schwingungen

Lineare Schwingungen sind dadurch gekennzeichnet, dass in den Differentialgleichungen des Schwingungssystems alle Abhängigkeiten von der schwingenden Größe und ihren zeitlichen Ableitungen linear sind. Bei nichtlinearen Schwingungen ist das nicht der Fall. Nichtlineare freie Schwingungen und nichtlineare erzwungene Schwingungen mit harmonischer Erregung sind nicht mehr streng sinusförmig, sondern enthalten höhere Harmonische. Von größerer praktischer Bedeutung ist jedoch, dass sich auch das Resonanzverhalten erzwungener Schwingungen ändert und die Amplituden selbsterregter Schwingungen beschränkt bleiben.

Schwingungen mit einem Freiheitsgrad oder mit endlich vielen Freiheitsgraden

Schwingungen mit einem Freiheitsgrad sind solche, die sich mit einer schwingenden Größe vollständig beschreiben lassen. Ein Beispiel dafür sind Schwingungen des ebenen Fadenpendels. Lässt man beim Pendel räumliche Bewegungen zu, so handelt es sich bereits um einen Schwinger mit zwei Freiheitsgraden. Wenn ein mechanisches Schwingungssystem mehrere Massen hat, deren Bewegung durch mindestens je eine Koordinate beschrieben werden muss, führt dieses ebenfalls Schwingungen mit mehreren Freiheitsgraden aus. Das gilt z. B. für die Torsionsschwingungen einer Kurbelwelle oder für die Horizontalschwingungen eines mehrgeschossigen Bauwerkes unter Erdbebeneinfluss. Das Schwingungsverhalten eines Schwingers mit n Freiheitsgraden kann durch n Differentialgleichungen zweiter Ordnung beschrieben werden. Diese sind in der Regel über die schwingenden Größen, ihre ersten oder/und zweiten Ableitungen gekoppelt. Bei linearen Schwingungssystemen kann durch Einführung sog. Hauptkoordinaten mittels einer Koordinatentransformation eine Entkopplung der Differentialgleichungen bei den Koordinaten (Weggrößen) und ihren zweiten Ableitungen (Beschleunigungsgrößen) erreicht werden. In den meisten Fällen begeht man keinen großen Fehler, wenn man dann auch die Wirkung der ersten Ableitungen (Dämpfungsgrößen) als entkoppelt ansetzt. Aus den entkoppelten Differentialgleichungen bestimmt man die Eigenfrequenzen des Systems. Nach der Lösung der Differentialgleichungen kann die Zeitabhängigkeit der ursprünglichen Koordinaten dann durch Rücktransformation ermittelt werden. Bei nichtlinearen Schwingungssystemen ist eine Entkopplung der Differentialgleichungen in geschlossener Form nicht möglich. Es existieren jedoch Näherungsverfahren, die ausgehend von einer Linearisierung der Differentialgleichungen eine iterative Lösung ermöglichen.

Schwingungen mit unendlich vielen Freiheitsgraden

Unendlich viele Freiheitsgrade und damit unendlich viele Eigenfrequenzen haben Schwingungen der Kontinua, von praktischem Interesse sind in der Technik vor allem die Schwingungen von Saiten, Stäben, Platten und Schalen.

Weitere Beispiele

Typische Alltagsbeispiele für Schwingungen sind einfache Fadenpendel, die Schwingung des Quarzkristalls in der Quarzuhr, das Schaukeln auf einer Schaukel, uvm. Doch auch die Atome in einem Kristallgitter schwingen um eine Gleichgewichtslage. Aber auch die Änderung der Jahreszeiten, die Drehung der Erde, der Herzschlag oder die Bewegung der Blätter im Wind sind genaugenommen Schwingungen. Hier gibt es überall zeitliche Änderungen von Zustandsgrößen. Eine Schwingung des Fadenpendels beginnt damit, dass einem sich im Gleichgewicht befindlichen Körper eine Energie zugeführt wird (z.B. durch Auslenkung der Pendelmasse eines Fadenpendels, d.h. Zuführung von potentieller Energie). Im Prinzip kann dem Pendel auch eine Anfangsgeschwindigkeit (kinetische Energie) zugeführt werden. Die sog. rücktreibende Kraft ist hier die Schwerkraft, die das Pendel nach unten zieht. Wieder in der anfänglichen Gleichgewichtslage angekommen, ist die gesamte zugeführte potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt, das Pendel bewegt sich durch die Gleichgewichtslage hindurch und erreicht im Idealfall nichtvorhandener Reibung wieder dieselbe Höhe. Gleichgewicht stellt sich dann ein, wenn das System seine potentielle Energie minimiert hat. Das Fadenpendel führt nur im Grenzfall sehr kleiner Amplituden eine harmonische Schwingung aus. Werden die Auslenkungen größer, so wird die rückstellende Kraft nicht proportional zur Auslenkung wachsen. Dieses ist also ein Beispiel für ein nichtlineares System, welches sich für kleine Auslenkungen aber annähernd wie ein lineares System verhält. Schwingungen können jedoch auch gleichzeitig von mehreren Kräften beeinflusst werden, oder ein Körper kann mehrere Schwingungen gleichzeitig, d. h. überlagert, ausführen. Man kann jede beliebige Bewegung eines Körpers im Raum in voneinander unabhängige Bewegungsrichtungen zerlegen. Das heißt, ein Körper kann in die drei Raumrichtungen (sie stehen senkrecht zueinander) bewegt werden, und sich noch um drei gedachte Bewegungsachsen (sie stehen ebenfalls aufeinander senkrecht) drehen. Somit hat jeder starre Körper im Raum sechs Bewegungsfreiheitsgrade. Die entstehenden Überlagerungsfiguren werden nach ihrem Entdecker Lissajous-Schleifen genannt.

Weblinks

- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-periodendauer.htm Umrechnung von Schwingungsdauer oder Periodendauer T in Frequenz f und zurück] Kategorie:Wellenlehre Kategorie:Technische Mechanik ja:振動 ko:진동

Erdbeben

Als Erdbeben wird die Erschütterung der Erde bezeichnet. Dies ist die Folge eines plötzlichen, meist nur wenige Sekunden andauernden Bruches des die Erdkruste aufbauenden Gesteins und der dadurch freigesetzten Energie, die sich in Form von seismischen Wellen durch die Erde ausbreitet. Der Ort des Bruches wird auch Erdbebenherd genannt und dessen Position in der Tiefe als Hypozentrum bezeichnet. Die zur Darstellung in Landkarten verwendete Projektion des Herdes auf die Erdoberfläche wird Epizentrum genannt. Nach internationaler Übereinkunft wird dabei der Beginn des Bruches angegeben, welcher sich aber über mehrere Kilometer erstrecken kann und in seiner Gesamtheit als Herdfläche bezeichnet wird. Unterseeische Erdbeben werden fälschlicherweise auch als Seebeben bezeichnet. Die Wissenschaft, die sich mit Erdbeben befasst, heißt Seismologie. Erdbeben sind Naturereignisse, aber wenn dabei jemand zu Schaden kommt nennt man sie Naturkatastrophen. Seismologie

Entstehung von Erdbeben

Erdbeben entstehen durch dynamische Prozesse der Erde. Eine Folge davon ist die Plattentektonik, also die Bewegung der Lithosphärenplatten, welche die Erdkruste und den obersten Erdmantel umfassen. Insbesondere an den Plattengrenzen, wo sich verschiedene Platten auseinander (Spreizungszone), aufeinander zu (Kollisionszone) oder aneinander vorbei (Transformverwerfung) bewegen, kommt es zum Aufbau gewaltiger Spannungen innerhalb des Gesteins, wenn sich die Platten in ihrer Bewegung verhaken und verkanten. Wird die Scherfestigkeit der Gesteine überschritten, entladen sich dann plötzlich diese Spannungen durch ruckartige Bewegungen der Erdkruste (tektonische Beben). Die dabei freigesetzte Energie kann die einer Wasserstoffbombe um das Hundertfache übertreffen. Da die aufgebaute Spannung nicht auf die unmittelbare Nähe der Plattengrenze beschränkt ist, kann der Entlastungsbruch in seltenen Fällen auch im Inneren der Platte auftreten, wenn das Krustengestein eine Schwächezone aufweist. Erdbeben können ferner z.B. durch den Aufstieg von Magma unterhalb von Vulkanen ausgelöst werden oder auch durch Förderung von z.B. Erdgas, da die Druckveränderung wiederum auch die Spannungsverhältnisse im Gestein beeinflusst. Weiter können Erdbeben auch durch einstürzende unterirdische Hohlräume im Bergbau entstehen (Gebirgsschlag). Sowohl vulkanische Beben als auch Gebirgsschläge sind jedoch von der Energiefreisetzung weitaus limitierter als tektonische Beben. Eine Voraussetzung für das Auftreten von Erdbeben ist das Vorhandensein spröden, bruchfähigen Gesteins. Die Temperatur nimmt im Erdinneren jedoch stetig zu, wodurch das Gestein mit zunehmender Tiefe immer weniger spröde reagiert und schließlich deformierbar wird. Erdbeben sind daher meist auf die obere Schicht der Erdkruste beschränkt. Manchmal lassen sich Beben bis in Tiefen von bis zu 700 km lokalisieren. Dieser scheinbare Widerspruch geht auf die Subduktion von Lithosphärenplatten zurück: Kollidieren zwei Platten, wird die dichtere der beiden unter die leichtere gedrückt und taucht in den Erdmantel ab. Da die Erwärmung des Gesteins der abtauchenden Platte (auch als Slab bezeichnet) wesentlich langsamer voranschreitet als deren Abwärtsbewegung , kann das Krustenmaterial bis in oben genannte Tiefen bruchfähig bleiben. Die Hypozentren innerhalb der abtauchenden Platte erlauben somit Rückschlüsse auf die Position des Slab in der Tiefe (sogenannte Benioff-Zone). Erdbeben erzeugen verschiedene Typen von Erdbebenwellen, die sich durch die ganze Erde ausbreiten und von Seismographen (bzw. Seismometern) überall auf der Erde aufgezeichnet werden können. Die mit starken Erdbeben einhergehenden Zerstörungen (z.B. Gebäudeschäden, Spaltenbildung) an der Erdoberfläche sind auf die sogenannten Oberflächenwellen zurückzuführen, die eine elliptische Bodenbewegung auslösen. Durch Auswertung der Stärke und Laufzeiten von Erdbebenwellen kann nicht nur die Position des Erdbebenherdes bestimmt werden, sondern es werden auch Erkenntnisse über das Erdinnere gewonnen. Die Positionsbestimmung unterliegt als Messung an Wellen der gleichen Unschärfe, die aus Wellenphänomenen in anderen Bereichen der Physik bekannt sind. Im Allgemeinen nimmt die Unschärfe der Ortsbestimmung mit zunehmender Wellenlänge zu, das bedeutet: Eine Quelle von langperiodischen Wellen kann nicht so genau lokalisiert werden wie eine Quelle von kurzperiodischen Wellen. Da schwere Erdbeben den größten Teil ihrer Energie im langperiodischen Bereich entwickeln, kann besonders die Tiefe der Quelle nicht genau bestimmt werden. Die Seismogramme sind Aufzeichnungen der Erdbebenwellen. Seismogramm (1) Atombombenexplosion auf Mururoa, 5.9.1995, Magnitude 4,8, Seismogramm (2) Starkes Erdbeben bei den Nikobaren, 24.7.2005, Magnitude 7,3, Seismogramm (3) Erdbeben indischer Ozean ("Tsunami-Erdbeben"), 26.12.2004, Magnitude 9,3. Die oben gezeigten Seismogramme sollen einen visuellen Eindruck unterschiedlicher Erdbeben - Magnituden vermitteln und wurden nicht nach wissenschaftlichen Aspekten ausgewählt. Durch unterseeische Erdbeben, bei der Eruption ozeanischer Vulkane oder durch unterseeische Erdrutsche können so genannte Tsunamis ausgelöst werden: Durch die plötzliche vertikale Verlagerung großer Teile des Ozeanbodens entstehen Wellen, die sich mit Geschwindigkeiten von bis zu 800 Kilometer pro Stunde fortbewegen. Auf dem offenen Meer sind Tsunamis kaum wahrnehmbar, gelangt die Welle jedoch in flacheres Wasser, kann sich der Wellenberg auf bis zu 100 Meter Höhe erheben. Am häufigsten entstehen Tsunamis im Pazifik. Deshalb besitzen die an den Pazifik angrenzenden Staaten ein Tsunami-Frühwarnsystem.

Historisches

Schon in der Antike fragten sich Menschen, wie Erdbeben und Vulkanausbrüche entstehen. Man schrieb diese Ereignisse häufig Göttern zu (in der griechischen Mythologie dem Poseidon). Manche Wissenschaftler im alten Griechenland glaubten, die Kontinente schwämmen auf Wasser und schaukelten wie ein Schiff hin und her. Andere Leute glaubten, Erdbeben brächen aus Höhlen aus. In Japan gab es den Mythos von einem Drachen, der den Erdboden erzittern ließ und auch noch Feuer spie, wenn er wütend war. Im europäischen Mittelalter schrieb man Naturkatastrophen dem Wirken Gottes zu. Mit der Entdeckung und Erforschung des Magnetismus entstand die Theorie, man könne Erdbeben wie Blitze ableiten. Man empfahl daher Erdbebenableiter nach Art der ersten Blitzableiter. Erst Anfang des 20. Jahrhunderts kam die heute allgemein anerkannte Theorie von der Plattentektonik und der Kontinentaldrift durch Alfred Wegener auf, dessen Erklärungsmuster zunächst jahrzehntelang nicht anerkannt wurden.

Bestimmung der Erdbebenstärke

Die Erdbebenstärke wird anhand der makroseismischen Intensitätsskala EMS-98 und der Europäischen Makroseismischen Skala (Grünthal, 1998) bestimmt. Die folgende Darstellung ist verkürzt:
- I: Nicht fühlbar
- II: Kaum bemerkbar, nur sehr vereinzelt von ruhenden Personen wahrgenommen.
- III: Schwach, von wenigen Personen in Gebäuden wahrgenommen. Ruhende Personen fühlen ein leichtes Schwingen oder Erschüttern.
- IV: Deutlich, im Freien vereinzelt, in Gebäuden von vielen Personen wahrgenommen. Einige Schlafende erwachen. Geschirr und Fenster klirren, Türen klappern.
- V Stark, im Freien von wenigen, in Gebäuden von den meisten Personen wahrgenommen. Viele Schlafende erwachen. Wenige werden verängstigt. Gebäude werden insgesamt erschüttert. Hängende Gegenstände pendeln stark, kleine Gegenstände werden verschoben. Türen und Fenster schlagen auf oder zu.
- VI: Leichte Gebäudeschäden, viele Personen erschrecken und flüchten ins Freie. Einige Gegenstände fallen um. An vielen Häusern, vornehmlich in schlechterem Zustand, entstehen leichte Schäden wie feine Mauerrisse und das Abfallen von z. B. kleinen Verputzteilen.
- VII: Gebäudeschäden, die meisten Personen erschrecken und flüchten ins Freie. Möbel werden verschoben. Gegenstände fallen in großen Mengen aus Regalen. An vielen Häusern solider Bauart treten mäßige Schäden auf (kleine Mauerrisse, Abfall von Putz, Herabfallen von Schornsteinteilen). Vornehmlich Gebäude in schlechterem Zustand zeigen größere Mauerrisse und Einsturz von Zwischenwänden.
- VIII: Schwere Gebäudeschäden, viele Personen verlieren das Gleichgewicht. An vielen Gebäuden einfacher Bausubstanz treten schwere Schäden auf; d.h. Giebelteile und Dachgesimse stürzen ein. Einige Gebäude sehr einfacher Bauart stürzen ein.
- IX Zerstörend, allgemeine Panik unter den Betroffenen. Sogar gut gebaute gewöhnliche Bauten zeigen sehr schwere Schäden und teilweisen Einsturz tragender Bauteile. Viele schwächere Bauten stürzen ein.
- X: Sehr zerstörend, viele gut gebaute Häuser werden zerstört oder erleiden schwere Beschädigungen.
- XI: Verwüstend, die meisten Bauwerke, selbst einige mit gutem erdbebengerechtem Konstruktionsentwurf und -ausführung, werden zerstört.
- XII: Vollständige Verwüstung, kein von Menschenhand geschaffenes Bauwerk hält stand.

Standortabhängige Erdbebenstärke (Intensitäten)

Die erste international benutzte Skala zur Erfassung und Einschätzung von Erdbeben war die Mercalliskala. Sie beruht vor allem auf der subjektiven Einschätzung der Erdbebenstärke und auf Beobachtungen. Diese Beobachtungen schließen die Auswirkungen von Erdbeben auf Natur und Bauwerke ein. (Makroseismik). Da es damals noch keine Geräte zur Messung der Erdbebenstärke gab, war die Einteilung in verschiedene Schweregrade entsprechend subjektiv und ungenau. Später wurden die ersten Intensitätsskalen zur MSK-Skala und zur [http://www.gfz-potsdam.de/pb5/pb53/projekt/ems/kurz.htm EMS-98] Skala weiterentwickelt. Zur Kennzeichnung der Stärke von Erdbeben dienen Skalen, von denen zum Beispiel die von Mercalli und Sieberg 12 Stufen angibt (Mercalliskala), darunter:
- Unmerklich: nur von Seismographen registriert
- Leicht: von wenigen Personen bemerkt
- Mäßig: leichte Bewegung von Möbeln, Klirren von Gläsern und Fenstern
- Stark: von allen mit Schrecken wahrgenommen, leichte Risse in Bauwerken
- Zerstörend: Schornsteine fallen ein, schwere Mauerrisse, Bodenrisse
- Große Katastrophe: Kein Werk von Menschenhand hält stand, große Veränderungen der Erdoberfläche Die Mercalliskala wurde später zur MSK-Skala weiterentwickelt und verfeinert. Heute wird die Stärke von Erdbeben von Seismometern erfasst und mittels der Richterskala angegeben.

Standortunabhängige Erdbebenstärke (Magnituden)

Durch die Entwicklung von Seismographen konnten Erdbeben auch gemessen werden. Die Erdbebenstärke wird im allgemeinen mit der von Francis Richter eingeführten Richterskala angegeben (Lokalbeben Magnituden). Aufgrund der Ausbreitungseigenschaften von Erdbebenwellen gibt es heute eine ganze Reihe von Magnitudenskalen (Momentenmagnitude, Oberflächenwellenmagnitude) die auch ab und zu zu Verwechslungen führen können. Wegen der unterschiedlichen Methoden, mit denen diese verschiedenen Magnituden berechnet werden, sind teilweise erhebliche Diskrepanzen insbesondere bei automatisierter Berechnung unvermeidlich.

Erdbebenstärke über physikalische Größen

Bei größeren Erdbeben wird teilweise auch die freigesetzte Energie oder der Versatz an der Erdoberfläche angegeben.

Vorhersage

Richterskala Die zeitlich und räumlich exakte Vorhersage von Erdbeben ist nach dem heutigen Stand der Wissenschaft nicht möglich. Die zu Grunde liegenden Prozesse des Spannungsaufbaus bis hin zum Entlastungsbruch des Gesteins werden von einer großen Zahl von physikalischen Parametern gesteuert. Die verschiedenen bestimmenden Faktoren sind qualitativ weitestgehend verstanden. Auf Grund des komplexen Zusammenspiels aber ist eine genaue Quantifizierung der Herdprozesse bislang nicht möglich, so dass üblicherweise nur Wahrscheinlichkeiten für das Auftreten eines Erdbebens in deiner bestimmten Region genannt werden können. Allerdings sind eine Reihe von Effekten bekannt, die oft im Vorfeld von Erdbebenereignissen beobachtet werden können und als Vorläuferphänomene bezeichnet werden. Einige davon äußern sich in der Veränderung geophysikalisch messbarer Größen, wie z.B. der seismischen Geschwindkeit, der Neigung des Erdbodens oder die elektromagnetischen Eigenschaften des Gesteins. Andere Phänomene basieren auf statistischen Beobachtungen, wie etwa das Konzept der seismische Ruhe, wo in einer potentiell gefährdeten Region über einen längeren Zeitraum die seismische Hintergrundaktivität, also das stetige Auftreten kleinerer Beben, abnimmt und auf ein bevorstehendes größeres Ereignis hindeutet. Sowohl messbare als auch statistisch erfasste Vorläuferphänomene variieren jeweils sehr stark in ihrem zeitlichen Verlauf (bis hin zu Jahren) wie auch in ihrer Größenordnung. In vielen Fällen bleiben einzelne oder mehrere dieser Effekte auch ganz aus. Zudem wäre der instrumentelle Aufwand, der für eine lückenlose Erfassung dieser Phämone erforderlich wäre, nicht realisierbar, so dass die Möglichkeit einer exakten Vorhersage von Erdbeben für die nächste Zukunft nicht zu erwarten ist. Wiederholt wurde auch von ungewöhnlichem Verhalten bei Tieren kurz vor größeren Erdbeben wie auch bei Tsunamis berichtet. So konnte im Februar 1975 in der Volksrepublik China ein drohendes Erdbeben durch die Sensibilisierung der Bevölkerung in Bezug auf ungewöhnliches Verhalten der Tiere vorab erkannt werden. Allerdings zeigten sich z.B. beim Tangshan-Beben vom 27. Juli 1976, bei dem es mehrere hundertausend Tote gab, im Vorfeld keinerlei Anzeichen von Verhaltensänderungen bei Tieren. Gelegentliche Berichte von erfolgreichen Vorhersagen zeigen vor dem Hintergrund der Häufigkeit von Beben in der betreffenden Region in der Regel kaum statistische Signifikanz. So wurde z.B. von einem japanischen Wissenschaftler auf Grund eines elektromagnetischen Vorläuferphänomens für den Zeitraum 14. bis 19. September 2003 ein Erdbeben der Stärke 7 in Tokio vorhergesagt. Zwar trat am 20. September 2003 tatsächlich ein Erdbeben in Tokio auf, jedoch war die Magnitude um etwa 1,5 Größenklassen niedriger, was weniger als einem Hunderstel der vorhergesagten Energiefreisetzung entspricht. Ein weitaus stärkeres Beben (Magnitude 8), mit zwei starken Nachbeben (Mag. 5,8 und 7) ereignete sich eine Woche später, am 26. September, das Epizentrum lag jedoch in einiger Entfernung, ungefähr 80 km südöstlich vor der Küste der Hauptinsel Hokkaidō.

Bekannte Erdbeben

- 464 v. Chr., Erdbeben bei Sparta, 20.000 Tote
- 1290, 27. September, Erdbeben in Chihli (Provinz Hopeh, Volksrepublik China), 100.000 Tote
- 1356, 18. Oktober, Basler Erdbeben, das bis heute schwerste Erdbeben Mitteleuropas
- 1456, 5. Dezember, Erdbeben zerstört Neapel, 30.000 bis 40.000 Tote
- 1556, 23. Januar (Stärke 8,0) Das Erdbeben in der Provinz Shaanxi (Shensi) in China, bei dem etwa 830.000 Menschen den Tod fanden, war eine der größten Naturkatastrophen in der Geschichte der Menschheit.
- 1575, 16. Dezember, sehr schweres Erdbeben vor Valdivia, Chile
- 1746, 28. Oktober, Erdbeben der Stärke 8,4 im Gebiet Limas in Peru, 600.000 Tote
- 1755, 1. November, (Stärke 8,7) Erdbeben in Lissabon, ca. 60.000 Tote, schwerstes Beben der Geschichte, Tsunami
- 1756, 18. Februar, Erdbeben im Rheinland mit Epizentrum bei Düren, stärkstes bekanntes Erdbeben in Deutschland. Seine Stärke wird anhand der Schadensberichte auf bis zu VIII nach Mercalli geschätzt. Geologische Untersuchungen deuten auf 6,2 nach Richter hin. Damit wäre das Beben immerhin doppelt so stark wie das vom 13. April 1992 bei Roermond gewesen. Abwegig ist die verbreitete Angabe von "8,0 nach Richter", die leider im Internet immer wieder gerne abgeschrieben wird und nichts mit der Realität zu tun hat.
- 1811, 16. Dezember und 1812, 23. Januar und am 7. Februar, drei folgenreiche Erdbeben in den USA bei New Madrid, Missouri (bekannt als New Madrid Earthquake). Die Erdbeben veränderten den Lauf des Mississippi, ließen den Ohio zeitweise rückwärts fließen, schufen neue Seen (beispielsweise den Reelfoot Lake, Tennessee), führten zu starken geologischen Veränderungen zwischen St. Louis und Memphis (Tennessee), verdunkelten die Sonne wochenlang und waren so stark, dass selbst die Glocken in der 1600 Kilometer entfernten Stadt Boston, Massachusetts, von selbst zu läuten anfingen. Ursache war die [http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/a/ad/NMSZBig.gif New Madrid Seismic Zone].
- 16. August 1868, ein Erdbeben vor Arica, Chile mit einem 27 Meter hohen Tsunami. 25000 Tote
- 15. Juni 1896, ein Erdbeben vor der Saraiko-Küste in Japan löste einen 23 Meter hohen Tsunami aus, die Flutwelle überraschte Japan während religiöser Feierlichkeiten, mehrere Dörfer wurden zerstört, es gab 26000 Tote.
- 1906, 18. April, (Stärke 7,8) Erdbeben in San Francisco, Kalifornien, USA ca. 3000Tote u. 250.000 Obdachlose durch Großfeuer.
- 1906, 17. August, Erdbeben in Valparaiso, Chile etwa 20000 Tote.
- 1908, 28. Dezember, (Stärke 7,5) Erdbeben zerstört Messina (Sizilien) und Reggio Calabria (Festland), Italien, ca. 84000 Tote (70000 in Messina, 15000 in Reggio Calabria).
- 1923, 1. September, (Stärke 8,3) großes Kanto-Erdbeben in Japan, ca. 143.000 Tote
- 1927, 22. Mai, Erdbeben der Stärke 8,3 bei Xining, Republik China, 200.000 Tote
- 1939, 25. Januar, Erdbeben in Chillán, Chile etwa 28000 Tote.
- 1960, 22. Mai, Erdbeben der Stärke 9,5 bei Valdivia, Chile, etwa 5.700 Tote (das stärkste je gemessene Erdbeben)
- 1976, 27. Juli, Erdbeben der Stärke 7,8 bei Tangshan, ca. 240.000 Tote
- 1985, 19. September, Erdbeben der Stärke 8,1 in Michoacán, Mexiko, etwa 9.500 Tote
- 1988, 7. Dezember, Erdbeben der Stärke 6,9 in Armenien, 30.000 Tote
- 1994, 17. Januar, Erdbeben der Stärke 6,7 in Los Angeles, USA, 72 Tote
- 1995, 17. Januar, Erdbeben der Stärke 8,1 in Kobe, Japan. 6.310 Menschen sterben.
- 1999, 17. August, Erdbeben der Stärke 7,8 in Gölcuk/Izmit, Türkei, etwa 24.000 Tote, noch bis heute Tausende von Vermissten.
- 1999, 21. September, Erdbeben der Stärke 7,6 in Puli, Taiwan, etwa 2.100 Tote, 9000 Verletzte und über 80.000 Obdachlose.
- 2003, 26. Dezember, Erdbeben der Stärke 6,6 in Bam, Südiran, etwa 41.000 Tote
- 2004, 24. Dezember, Erdbeben der Stärke 8,2 bei der Macquarieinsel, Antarktis
- 2004, 26. Dezember, Erdbeben der Stärken 9,0 und Nachbeben bis zu 7,5 vor Sumatra, Indonesien. Das Beben löste einen Tsunami aus, der in Indonesien, Indien, Malaysia, Malediven, Thailand, Sri Lanka, Somalia, Kenia und Tansania zahlreiche Opfer forderte, etwa 300.000 Tote und 800.000 Obdachlose. Am 14. Februar 2005 hat die amerikanische NOAA das Erdbeben auf 9.3 aufgestuft.
- 2005, 8. Oktober, Erdbeben der Stärke 7,6 (