Die Arbeit gibt einen Überblick über das Thema erdbebensicheres Bauen. Dafür geht sie zunächst auf die physikalischen Grundlagen ein und erklärt die Vorgänge bei einem Erdbeben. Anschließend wird untersucht, wie Gebäude erdbebensicher gemacht werden können.
Ob in Zahnmikrochips, Kopfhörern oder Massagegeräten. Wellen finden immer mehr Bedeutung in unserem Alltag und der Technologie. Doch wenn sie andere Dimensionen annehmen, wo sie uns keine schöne Musik ins Ohr spielen oder unsere Muskeln entspannen, sondern Umweltkatastrophen wie Erdbeben verursachen, können wir sie nicht mehr einfach durch und in unseren Körper fließen lassen.
Ganz im Gegenteil haben wir sogar sehr um unseren Schutz vor ihren Auswirkungen zu kämpfen. Wie schlimm ein Erdbeben für die Menschen ausfällt, hängt nur teilweise von physischen Faktoren wie der Erdbebenstärke und der Lage des Ortes ab. Viel mehr kommt es auf die anthropogenen Faktoren an, von denen die Folgen einer solchen Katastrophe abhängen.
Das sieht man deutlich an dem Vergleich des Erdbebens im Jahr 1960 in Chile und dem Beben in Indonesien, welches sich 2004 abspielte. In Chile lag die Stärke des Erdbebens auf der Richterskala bei 9,5 und hatte 1655 Tote zur Folge. In Indonesien maß man eine Stärke von 9,1, was geringer von der Amplitude der Erdbebenwelle her ist, jedoch eine signifikant größere Anzahl an insgesamt 228.194 an Todesopfern aufwies.
Der Grund für diesen gewaltigen Unterschied ist ganz einfach die Entwicklung der jeweiligen Länder. Während Chile ein moderner und souveräner Staat ist und wirtschaftlich, wie auch auf sozialer Ebene zu den stabilsten Ländern Südamerikas gehört, was natürlich eine einkommensstarke Wirtschaft und hohen Lebensstandard bedeutet, gehört Indonesien zu den neu industrialisierten Ländern und weist bei 50 % der Bevölkerung eine starke Armut auf.
Inhalt
Einleitung
1.Die Welle
1.1 Definition einer Welle
1.2 Entstehung einer Welle
1.3 Größen zur Beschreibung einer Welle
1.4 Unterteilung der Wellen
1.4.1 Unterteilung nach Ausbreitungsart
1.4.2 Unterteilung nach Bewegung der Teilchen
1.5 Reflexion einer Welle
1.5.2 Interferenz einer Welle
1.6 Brechung einer Welle
1.7 Absorption einer Welle
2. Das Erdbeben
2.2 Tektonisches Erdbeben
2.2.1 Plattentektonik
2.2.2 Entstehung der tektonischen Beben
2.3 Erdbebenwellen
2.3.1 Aufbau einer Erdbebenwelle
2.3.2 Verlauf der Erdbebenwellen
2.4 Gefahren für den Menschen
2.5 Der Schwingungsdämpfer
3. Modell eines erdbebensicheren Hauses
3.1 Konstruktion
3.2 Beurteilung der Erdbebensicherheit
Fazit
Literaturverzeichnis
Einleitung
1.Kapitel
2.Kapitel
3. Kapitel
Abbildungsverzeichnis
Einleitung
Ob in Zahnmikrochips, Kopfhörern oder Massagegeräten. Wellen finden immer mehr Bedeutung in unserem Alltag und der Technologie. Doch wenn sie andere Dimensionen annehmen, wo sie uns keine schöne Musik ins Ohr spielen oder unsere Muskeln entspannen, sondern Umweltkatastrophen wie Erdbeben verursachen, können wir sie nicht mehr einfach durch und in unseren Körper fließen lassen. Ganz im Gegenteil haben wir sogar sehr um unseren Schutz vor ihren Auswirkungen zu kämpfen. Wie schlimm ein Erdbeben für die Menschen ausfällt, hängt nur teilweise von physischen Faktoren wie der Erdbebenstärke und der Lage des Ortes ab. Viel mehr kommt es auf die anthropogenen Faktoren an, von denen die Folgen einer solchen Katastrophe abhängen.
Das sieht man deutlich an dem Vergleich des Erdbebens im Jahr 1960 in Chile und dem Beben in Indonesien, welches sich 2004 abspielte. In Chile lag die Stärke des Erdbebens auf der Richterskala bei 9,5 und hatte 1655 Tote zur Folge (vgl. [5]). In Indonesien maß man eine Stärke von 9,1, was geringer von der Amplitude der Erdbebenwelle her ist, jedoch eine signifikant größere Anzahl an insgesamt 228.194 an Todesopfern aufwies (vgl. [5]). Der Grund für diesen gewaltigen Unterschied ist ganz einfach die Entwicklung der jeweiligen Länder. Während Chile ein moderner und souveräner Staat ist und wirtschaftlich, wie auch auf sozialer Ebene zu den stabilsten Ländern Südamerikas gehört (vgl. [6],[7]), was natürlich eine einkommensstarke Wirtschaft und hohen Lebensstandard bedeutet, gehört Indonesien zu den neu industrialisierten Ländern und weist bei 50 % der Bevölkerung eine starke Armut auf (vgl. [4]).
Man sieht also: Je industrialisierter ein Land ist, desto besseren Schutz kann es den Bewohnern durch verschiedene Vorkehrungen bieten. Das wären die Siedlungsdichte, die Bauweise der Häuser, die Warnsysteme, die Infrastruktur und Notfalldienste, auf die man in dieser Situation zählen können muss (vgl. [8]). Das Schwierige daran: Die meisten Erdbebengebiete bestehen aus Entwicklungsländern, die teilweise noch im Anfangsstadium der Industrialisierung liegen (vgl. [9]). Von ausreichend versorgender Infrastruktur und zuverlässiger Notfalldienste kann also bei den Extremen gar nicht die Rede sein. Und ein Frühwarnsystem nützt auch nur etwas, wenn es überhaupt eine Sicherheitsmaßnahme gibt, welche dadurch ausgelöst werden könnte. Als Mensch hat man in dem Fall also nur die Option, sich in einem Haus zu verstecken. Doch genau das ist ofmals die eigentliche Gefahr. „Erdbeben töten keine Menschen, es sind die zusammenbrechenden Gebäude“ meinte zum Beispiel die Geophysikerin Lisa Grant-Ludwig (vgl. [56.]). Und da die Gebäude somit Menschendraußen sowie drinnen gefährden ist das, worauf ein Land zuallererst setzen sollte, ist ein System sicherer Zufluchtsorte, denn in Großstädten und manchen Orten in Entwicklungsländern stellen die Gebäude bei ca. 41.000 Menschen pro Quadratkilometer die größte Gefahr dar(vgl. [10]). Erdbebensichere Gebäude sind also der erste Schritt zur Sicherheit und eine Gegebenheit, die in Risikogebieten auf alle Fälle vorhanden sein sollte.
Und wogegen die Gebäude genau ankäpfen sollen, wie sie optimiert werden und funktionieren werde ich in dieser Arbeit untersuchen.
1.Die Welle
Wir müssen für die Sicherung erst einmal klären, wo unsere Gefahr und Zerstörung eigentlich herkommt. Das Erdbeben ist nichts anderes als eine Ausbreitung einer mechanischen Welle, die vom Erdinneren nach außen gelangt und so die Oberfläche zertört. Im ersten Kapitel wird erklärt, was eine Welle eigentlich ist, um zu verstehen, wogegen man genau später vorgehen wird.
1.1 Definition einer Welle
Eine Welle ist ganz allgemein gesehen eine periodische Schwingung, die sich räumlich und zeitlich ausbreitet und dabei durch den Transport ihrer Energie eine Zustandsänderung physikalischer Größen hervorruft, die auch oft als „Störung“ bezeichnet wird. Der Unterschied zwischen einer Schwingung und einer Welle liegt nämlich darin, dass bei einer Schwingung eine Energie zwischen zwei Punkten hin und her geleitet wird, während eine Welle Energie im Raum immer weiter ausbreitet. Es gibt verschiedene Arten von Wellen, die wir in der Physik kennen. Doch da das Erdbeben von mechanischen Wellen erzeugt wird, werde ich alle Eigenschaften auf diese beziehen.
1.2 Entstehung einer Welle
Um eine Welle auszulösen, muss ein Erreger gegeben sein, der die Störung an einem Träger mit schwingungsfähigen Teilchen auslöst. Dieses Medium kann fest, gasförmig oder flüssig sein. Wichtig ist nur, dass zwischen den Teilchen noch eine Kopplung besteht, durch die die Energie der Störung an das nächste Teilchen weitergeleitet werden kann. Der Erreger kann in verschiedenen Formen auftreten, ob in einem Puls, einer Vibration oder einer periodischen Schwingung. Es muss nur dazu führen, dass es ein Teilchen im Ausbreitungsmedium aus seiner Ruhelage bringt. Verdeutlichen kann man es gut an den Wellen im Meer, die sich bilden, wenn zum Beispiel der Wind, als Erreger in der Vorstellung, das Wasser an der Oberfläche streift und somit die Wasseroberfläche aus dem Gleichgewicht bringt. Diese Beunruhigung der Oberfläche wirkt sich dann in Form einer Wölbung aus, die dann entlang des Wassers wandert und uns als Welle bekannt ist.
1.3 Größen zur Beschreibung einer Welle
An der Welle findet man viele Bezeichnungen und Berechnungen, die für die weitere Erklärung der Stärke und Ausbreitung von Bedeutung sind. Eine grobe Beschreibung wäre, das die Wellen auf einer Sinusfunktion beruhen und in Wellenberge, Knotenpunkte und Wellentäler unterteilt werden, wobei die Wellenberge die positive Auschwingug, die Wellentäler die negative Ausschwingung und die Wellenknoten die Nullpunkte sind. Ausschlaggebend für die Beschreibung einer Welle sind zu aller erst die Eigenschaften einer Welle, die vom Erreger bestimmt werden. Unter anderem gehört dazu die Amplitude, die den maximalen Ausschwung eines Teilchens durch eine Störung beschreibt. Bei einer ungedämpften Welle bleibt die Amplitude im Verlauf gleich und ist vom Betrag identisch in beide Richtungen der Ausschwingung. Auch wichtig ist die Schwingungsdauer (Τ), die angibt, wieviel Zeit ein Teilchen für eine Auslenkung in beide Richtungen benötigt. Die Frequenz (ƒ) ist die Anzahl der vollen Umschwingungen, die ein Teilchen in einer Zeiteinheit durchläuft und die Kreisfrequenz (w) ist der Winkel, den ein Teilchen in einer Zeitspanne durchläuft. Vom Wellenträger wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle bestimmt, was die Geschwindigkeit ist, mit der sich eine Welle durch ein Medium ausbreitet. Und durch die schon gennanten Eigenschaften wird die Wellenlänge bestimmt, die den Abstand eines Teilchens zum nächsten, das sich gerade in der selben Schwingungsphase befindet, bestimmt (vgl. [13], [22]).
1.4 Unterteilung der Wellen
1.4.1 Unterteilung nach Ausbreitungsart
Es gibt mehrere Möglicheiten, mechanische Wellen noch einmal zu unterteilen. Einmal nach der Ausbreitungsart und einmal nach der Bewegung der einzelnen Teilchen im Medium, bei der Ausbreitung einer Welle. Ersteres lässt sich wie folgt erläutern:
Die Ausbreitung der mechanischen Welle erfolgt durch eine Kettenreaktion oder eher die Weiterleitung der Energie einer Reaktion, die erfolgt. Wird ein Teilchen, (oder auch Oszillator) aus seiner Ruhelage gebracht, übernimmt das nächste Teilchen diese Störung duch die Kopplung der Teilchen auch. So leitet sich der Ausschwung eines Teilchens also immer weiter fort. Bei einer Wasserwelle sieht man dies auch, wenn die Oberfläche an einer Stelle angegriffen wird. Sobald das Wasser an einer Stelle durch Wind, Steine oder Regen beunruhigt wird, zieht der Rest in Form einer Welle mit dem bestimmten Ausschwng der Oberfläche nach. Die nun zwei verschiedene Arten der Ausbreitung werden von der Lage der „Quelle“ bestimmt. Die Quelle ist der Punkt oder die Stelle, an der der Erreger eine Störung auf ein Medium ausübt.
1.4.1.1 Kreis- oder Kugelwelle
Liegt diese Quelle in Form eines punktes innerhalb eines Mediums, entsteht eine Kreis-oder Kugelwelle. Die Energie wird also in einer bestimmten Geschwindigkeit weitergeleitet und es bilden sich Wellenfronten und Wellenstrahlen. Die Wellenfronten sind Reihen von Teilchen, die die selbe Entfernung zur Quelle haben und somit gleichzeitig von einer Welle betroffen werden. Bei einer Punktquelle wird somit der Abstand aller Punkte, die zu dieser gleichweit entfernt sind, mit einem Radius beschrieben. Daraus folgt, dass die Wellenfronten Kreise sind und mit zunehmender Zeit an Radius zunehmen, da die Wellenstrahlen mit der man die Ausbreitungsrichting meint, senkrecht zu den Wellenfronten verlaufen. Am Wasser lässt sich das gut erklären, wenn man sich vorstellt, einen Stein ins Wasser zu werfen. Der Punkt, wo der Stein als Erreger der Welle in das Wasser trifft, ist die Quelle der Störung und jeder müsste jetzt das Bild vor Augen haben, wenn man von oben auf das ganze schaut, wie sich die Wellen nun kreisförmig ausbreiten.
1.4.1.2 ebene Welle
Die zweite Art der Ausbreitung ist die in Form einer Ebene. Wenn man nun statt eines Punktes eine ganze Seite als Quelle der Welle hat, entstehen ebene Wellen. Die Wellenfronten haben genauso einen Verlauf wie die Seite der Quelle und wandern mit dem Wellenstrahl einfach in eine bestimmte Richtung mit. Man kann sich das so vorstellen, wie wenn Wind am Wasser entlangstreift und somit das Wasser in eine Bestimmte Richtung lenkt, indem er gleichmäßig auf eine bestimmte Seite der Oberfläche einwirkt und so Wellen bildet.
1.4.2 Unterteilung nach Bewegung der Teilchen
Wenn es nach der Bewegung der Teilchen einer Welle geht, werden Wellen in Raumwellen und Oberflächenwellen unterschieden.
1.4.2.1 Raumwellen
Zu den Raumwellen zählen die Longitudinal-und Transversalwellen. Sie breiten sich beide durch das Innere eines Mediums aus. Dabei bewegen sich die Teilchen einer Longitudinalwelle (oder auch P-Welle) parallel zur Ausbreitungsrichtung und schwingen in der Länge der Amplitude hin und her. Längswellen können in festen, flüssigen und gasförmigen Stoffen auftreten. Transversawellen (oder S-Wellen) hingegen können nur in Stoffen mit Scherfähigkeit, also Ausbeugung, auftreten, da die Teilchen dort senkrecht zur Ausbreitungsrichtung schwingen. Dadurch sind sie auch langsamer als die Längswellen. (vgl. [12], [22])
1.4.2.2 Oberflächenwellen
Die Oberflächenwellen sind an die Oberfläche gebunden und hängen von der Elastizität des Mediums, duch das sie fließen, ab. Die Amplitude der Wellen nimmt mit der Tiefe, also gleichzeitig auch mit der geringeren Flexibilität eines Stoffes, ab.
Es gibt zum einen die Love-Wellen und zum anderen die Rayleigh-Wellen. Die Rayleigh-Wellen sind die Mischung aus Longitudinal-und vertikalpolarisierten Transversalwellen. Sie schwingen horizontal-transversal in eine bestimmte Richtung, jedoch durch eine engegengesetzt laufende Ellipsenbewegung der Teilchen, die man als Retrograd bezeichnet. Der Grund dafür ist die Rückstellkraft, die besagt, dass sich die Teilchen nach ihrem Ausschwung nicht an der Gravitationskraft zum Stillstehen orientieren, sondern an der Elastizität des jeweiligen Mediums. Die Love-Welle ist eine Zusammenfügung aus einer horizontal- und einer vertikal polarisierten Transversalwelle. Diese entsteht durch die Eingrenzung eines Mediums durch ein Medium mit höherer Ausbreitungsgeschwindigkeit. Sie ist eine vertikal polatisierte Transversalwelle, die gleichzeitig wie die Rayleigh-Welle durch entgegengesetzt laufende Ellipsenbewegungen gebildet wird. Nur, dass diese Ellipsenbewegung durch die horizontale Transversalbewegung verzerrt wird.
1.5 Reflexion einer Welle
Die Reflexion von Wellen erfolgt je nach Ende der Welle, an dem reflektiert wird, unterschiedlich. Das Ende kann entweder fest oder locker sein. Bei einem festen Ende kann sich das letzte Atom eines Mediums nicht bewegen. Bei einem losen Ende, am Knotenpunkt einer Welle, lässt dieses sich mitschwingen.
1.5.1 Reflexion am festen Ende
Bei einem festen Ende, am Knotenpunkt einer Welle, wo das letzte Teilchen nicht frei beweglich ist, kommt es zu einer Verzerrung am Ende. Die Energie, die das letzte Teilchen nicht umsetzen kann, wird einfach an dass letzte zurückgegeben, sodass ein Wellenfluss in die entgegengesetzte Richtung entsteht und die reflektierte Welle somit eine Spiegelung des Originals bildet. Ein Wellenberg wird zum Wellental. Dies entspricht einem Phasenunterschied von Pi oder auch einer Wellenlänge, da die Werte der Reflexion gegenüber der im Original stehen. Es würde eine stehende Welle entstehen, da die Beträge der Auslenkungen bei einer Summierung, die bei einer Überlagerung stattfindet, aufheben würden. Bei der Reflexion an einem losen Ende kommt die zurückgehende Welle genauso zurück, wie sie auch zum Ende hingekommen ist. Doch dies ist für diese Arbeit nicht wichtig.
1.5.2 Interferenz einer Welle
Bei der Reflexion betrachtet man nur den Fall, dass das Ende einer Welle am Knotenpunkt, denn anders Falls würde derselbe Effekt auftreten wie bei einer Interferenz, also Überlagerung zweier Wellen, die etwas komplexere Folgen hat. Es gibt nämlich die konstruktive und destruktive Interferenz. Eine konstruktive Interferenz zieht einer Verstärkung der Welle nach sich. Das passiert, wenn ein beliebig großer Wellenberg einer Welle auf einen weiteren beliebig großen Wellenberg einer weiteren Welle trifft und so automatisch auch das Tal. Die Phasenverschiebung darf nur von bis groß sein. Die destruktive Interferenz führt zu einer Verringerung der Welle. Das passiert immer dann, wenn ein beliebig großer Wellenberg einer Welle auf ein beliebig großes Wellental einer anderen Welle trifft. Der Phasenunterschied muss größer als und kleiner als sein.
[...]
- Quote paper
- Anonymous,, 2021, Erdbeben und erdbebensicheres Bauen. Grundlagen zu Wellen, Erdbeben und Schutzmaßnahmen, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/1315914
