Bewertung des seismischen Verhaltens und der Kollapseigenschaft dualer Stahlbeton-Rahmen–Schubwand-Strukturen unter Berücksichtigung der Boden-Struktur-Wechselwirkung bei variierenden Bodenverhältnissen

Warum der Untergrund von Gebäuden wichtig ist

Wenn wir uns erdbebensichere Gebäude vorstellen, konzentrieren wir uns oft auf die Stärke von Stützen, Trägern und Wänden. Doch ein entscheidender Teil der Geschichte liegt verborgen im Boden und in den Fundamenten, die die Struktur tragen. Diese Studie stellt eine auf den ersten Blick einfache, aber sicherheitsrelevante Frage: Wie sehr verändert die Nachgiebigkeit des Bodens selbst das Verhalten von Stahlbetonbauten bei starken Erdbeben, und unterschätzen heutige Bemessungsregeln möglicherweise das Kollapsrisiko – insbesondere auf weichen Böden?

Wie moderne Betonbauten dem Erschütterungsreiz standhalten

Viele mittel- und hochgeschossige Betongebäude verwenden ein „Dach“-System, um Erdbeben zu widerstehen. Vertikale Betonwände, sogenannte Schubwände, arbeiten zusammen mit den umgebenden Rahmen aus Trägern und Stützen. Die steifen Wände tragen den größten Anteil der seitlichen Schwingungen, während die Rahmen Reservestabilität liefern und helfen, Schäden zu begrenzen. Bauvorschriften gehen in der Regel davon aus, dass die Basis der Struktur am Boden fest verankert ist, das heißt, das Fundament nicht schwingt oder gleitet. In der Realität bewegen und verformen sich jedoch – insbesondere auf weicheren Böden – Struktur, Fundament und Boden zusammen. Diese Boden–Fundament–Struktur-Wechselwirkung kann die Eigenperiode des Gebäudes verlängern, verändern, wie Kräfte durch Rahmen und Wände geleitet werden, und beeinflussen, wo sich Schäden bei einem Erdbeben konzentrieren.

Gebäude und Böden auf dem Prüfstand

Die Forschenden erstellten detaillierte Computermodelle von drei Stahlbetongebäuden – 5, 10 und 15 Stockwerke hoch – entworfen nach aktuellen US-Vorschriften für zwei gebräuchliche Standortklassen: einen steiferen Boden (Typ C) und einen weicheren (Typ D). Für jede Höhe und jeden Boden verglichen sie eine idealisierte, feste Fundamentsituation mit einer realistischeren flexiblen Basis, bei der Fundamente rollen und sich auf Federn absenken konnten, die das Bodenverhalten repräsentieren. Anschließend führten sie tausende Simulationen mit realen Erdbebenaufzeichnungen durch, einschließlich Bemessungspegeln und deutlich stärkeren Bewegungen. Diese Simulationen erfassten nicht nur die Gesamtauslenkungen (wie stark jedes Geschoss schwankt), sondern auch „plastische Gelenke“ – Zonen, in denen Träger und Stützen nachgeben und bleibende Schäden akkumulieren – und letztlich, ob erwartet werden kann, dass das Gebäude kollabiert.

Was auf weichem gegenüber steifem Grund passiert

Die Ergebnisse zeigen, dass flexible Fundamente Gebäude sowohl „weicher“ machen als auch gefährden können, wobei die stärksten Effekte bei kürzeren Bauwerken und auf weichem Boden auftreten. Das Zulassen von Fundamentbewegung verlängerte die Schwingungsperiode und reduzierte die Spitzenkräfte in der Basis, erhöhte jedoch gleichzeitig die Geschossauslenkungen und die Trägerschäden. Auf dem weicheren Boden stiegen die intergeschossigen Auslenkungen im 5‑geschossigen Modell um bis zu 100 Prozent im Vergleich zum festen Fundament; selbst die 10‑ und 15‑geschossigen Varianten auf weichem Boden zeigten Zunahmen um etwa 58 bzw. 18 Prozent. Mit abnehmender Bodesteifigkeit trugen die Schubwände einen kleineren Anteil der Schwingungen, wodurch mehr Last in die umgebenden Rahmen verlagert wurde. Diese Umverteilung verursachte größere Rotationen an Trägerenden – auf weichem Boden bis zu 65 Prozent höher und auf steiferem Boden bis zu 36 Prozent höher – insbesondere in den unteren Geschossen und in den äußeren Feldern, wo Schäden typischerweise einen Kollaps auslösen.

Von stärkerem Schwanken zu erhöhtem Kollapsrisiko

Um über Einzelsimulationen hinauszugehen, verwendete das Team eine Methode namens inkrementelle dynamische Analyse, um Fragilitätskurven zu erstellen – statistische Zusammenhänge zwischen der Intensität der Bodenbewegung und der Kollapswahrscheinlichkeit. Diese Kurven zeigten, dass flexible Fundamente durchgehend die Kollapswahrscheinlichkeit erhöhten, besonders auf weichem Untergrund. Für Gebäude auf dem weicheren Boden verringerte sich der Spielraum zwischen Bemessungserschütterung und Kollaps um bis zu 35 Prozent, wenn Bodenflexibilität einbezogen wurde. Bei maximal betrachteten Erdbeben stieg die Kollapswahrscheinlichkeit für Bauten auf weichem Boden in den Bereich von 9–12 Prozent, verglichen mit nur wenigen Prozent, wenn Fundamente als perfekt fest angenommen wurden. Auffällig ist, dass sich bei hohen Gebäuden das zusätzliche Rollen bei Bemessungsstärken moderat zeigte, bei sehr hohen Intensitäten jedoch seitliche Auslenkungen und sogenannte P–Delta‑Effekte verstärkte, bei denen die durch Neigung veränderten Schwerkraftkräfte die Struktur weiter destabilisieren.

Was das für sichere Städte bedeutet

Für Nichtfachleute ist die Kernbotschaft: Die Nachgiebigkeit des Untergrunds kann stillschweigend die Sicherheitsreserve moderner Stahlbetongebäude verringern, insbesondere bei dualen Wand–Rahmen‑Systemen auf weichen Böden. Entwürfe, die robust erscheinen, wenn Fundamente als starr behandelt werden, können in Wirklichkeit näher am Kollaps liegen, wenn der Boden nennenswertes Rollen und Setzen zulässt. Die Autorinnen und Autoren kommen zu dem Schluss, dass Bauvorschriften und ingenieurtechnische Praxis die Boden–Fundament–Struktur‑Wechselwirkung expliziter berücksichtigen sollten, anstatt pauschal anzunehmen, sie sei stets vorteilhaft. Dadurch würden verlässlichere Abschätzungen der Erdbebengebote und eine gleichmäßigere Sicherheit an verschiedenen Standorten erreicht, sodass Gebäude auf weichem Untergrund bei einem großen Erdbeben keinen versteckten Nachteil hätten.

Zitation: Yousefi, A., Tehrani, P. Evaluation of seismic behavior and collapse capacity of dual RC frame–shear wall structures considering soil-structure interaction under varying soil conditions. Sci Rep 16, 6211 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36577-0

Schlüsselwörter: Boden‑Struktur‑Wechselwirkung, Erdbebeningenieurwesen, Stahlbetongebäude, seismisches Kollapsrisiko, Einflüsse weicher Böden