Seismische Antwortanalyse von Schachtturmstrukturen in Kohlebergwerken unter Berücksichtigung des PSSI-Effekts an verschiedenen Standorten

Warum unterirdische Türme und Erdbeben wichtig sind

Tiefe Kohlebergwerke sind auf hohe Betonschachtürme an der Oberfläche angewiesen, um Menschen und Kohle aus großen Tiefen zu fördern. Diese Türme ruhen auf Fundamenten, die in geschichtete Boden‑ und Gesteinsschichten hineinreichen. Bei einem Erdbeben bewegt sich nicht nur der Turm; auch Pfähle und das umgebende Erdreich werden in Schwingung versetzt, und alle drei Komponenten beeinflussen einander. Diese Studie stellt eine praktische Frage mit großen Sicherheits‑ und Kostenfolgen: In welchem Umfang verändert diese versteckte Wechselwirkung zwischen Boden, Pfählen und Turm die Erdbebenreaktion eines Schachturms – und führt das dazu, dass heutige Bemessungsregeln an manchen Orten zu riskant und an anderen zu konservativ sind?

Wie Turm, Pfähle und Boden gemeinsam schwingen

Die Autoren konzentrieren sich auf einen modernen, großen Schachturm eines Kohlebergwerks von etwa 90 Metern Höhe, der auf einer Pfahl‑Fundamentplatte sitzt und starr mit einem vertikalen Betonschacht verbunden ist. Anstatt die Basis als perfekt fest verankert anzunehmen, behandeln sie Turm, Pfähle, Platte, Schacht und die geschichteten Böden als ein gekoppeltes System. Mit etablierten physikalischen Modellen vereinfachen sie diese komplexe Baugruppe zu einem System aus Federn, Massen und Dämpfern, das abbilden kann, wie sich einzelne Teile beim Erschüttern biegen, kippen und gleiten. Anschließend leiten sie die Bewegungsgleichungen her, die die Bewegungen an den Turmgeschossen mit denen des vergrabenen Fundaments und des umgebenden Bodens verknüpfen, und lösen diese Gleichungen numerisch mit eigens entwickeltem MATLAB‑Code.

Prüfung realistischer Erdbeben und Bodenarten

Um zu zeigen, wie sich dieses gekoppelte Verhalten in der Praxis auswirkt, verwenden die Forschenden ein reales Bergwerk in Anhui, China, als Fallstudie. Sie wählen 21 Erdbebenaufzeichnungen aus – sowohl starke natürliche Beben als auch sorgfältig simulierte Ereignisse – und legen diese horizontal an der Basis an. Untersucht werden drei typische Bodenverhältnisse, wie sie in chinesischen Erdbebennormen verwendet werden: ein relativ steifer Standort „Typ II“, ein mittlerer „Typ III“ und ein weicherer „Typ IV“, jeweils dargestellt durch mehrere Bodenschichten mit unterschiedlicher Steifigkeit und Dichte. Zum Vergleich führen sie jede Bodenbewegung zweimal durch: einmal mit vollständiger Boden‑Pfahl‑Turm‑Wechselwirkung und einmal mit der gängigen Vereinfachung, die das Fundament als völlig starr annimmt.

Was mit geschossweiser Auslenkung passiert

Die zentrale Größe ist der Geschossversatz – die relative seitliche Bewegung benachbarter Geschosse –, die eng mit Biegebeanspruchungen in Wänden, Trägern und Stützen verbunden ist. Die Autoren definieren einen „Verstärkungskoeffizienten“ als das Verhältnis dieses Geschossversatzes im realistischen, interagierenden System zum Wert in der Starrboden‑Idealvorstellung. Werte über eins bedeuten, dass die Wechselwirkung die Kräfte erhöht; Werte unter eins bedeuten, dass sie sie tatsächlich verringert. Für alle drei Bodentypen tritt die größte Verstärkung konsistent ganz oben am Turm auf, wo ein peitschenartiger Effekt die Bewegung konzentriert, während mittlere Geschosse weniger stark ausgelenkt werden.

Unterschiedliche Böden, unterschiedliche Sicherheitsmargen

Die Ergebnisse zeigen, dass das Ignorieren der Boden‑Pfahl‑Struktur‑Interaktion an manchen Standorten gefährlich und an anderen verschwenderisch sein kann. Auf steifem Typ‑II‑Untergrund liegen die mittleren Verstärkungskoeffizienten für den Geschossversatz etwa zwischen 1,31 und 1,61, was bedeutet, dass der reale Turm 30–60 Prozent größere Auslenkungen und damit höhere innere Kräfte erfahren kann als durch eine Starrbodenbemessung vorhergesagt. Für Typ‑III‑Böden liegen die Mittelwerte näher bei eins, ungefähr zwischen 0,89 und 1,25, mit Verstärkung vor allem in den oberen Geschossen. Auf weichem Typ‑IV‑Untergrund fallen die Mittelwerte auf etwa 0,74 bis 0,97, sodass die Wechselwirkung die Auslenkungen im Vergleich zur Starrbodenannahme meist reduziert. Physikalisch hat das gekoppelte Boden‑Pfahl‑Turm‑System eine längere Schwingungsperiode als der alleinstehende starre Turm, was dazu führen kann, dass es sich aus dem für die Bodenbewegung am stärksten schädlichen Frequenzbereich herausverschiebt und die seismische Beanspruchung verringert.

Folgen für Bergwerksicherheit und Bemessung

Für praktizierende Ingenieure lautet die Botschaft zweigeteilt. In Regionen mit steifem Untergrund und hoher seismischer Gefährdung kann die Annahme eines unnachgiebigen Fundaments die realen Erdbebenkräfte unterschätzen, insbesondere nahe den oberen Geschossen, und bestehende Strukturen damit unerkanntem Sicherheitsrisiko aussetzen. Auf weicheren Böden hingegen kann dieselbe Vereinfachung die Kräfte überschätzen und zu unnötig schweren und teuren Ausführungen führen. Die Studie liefert ein praxisorientiertes Rahmenwerk für die Berücksichtigung der Boden‑Pfahl‑Struktur‑Interaktion bei der Analyse von Schachtürmen und zeigt auf, welche Kombinationen aus Bodentyp, Turmhöhe und Schwingungsperiode die seismische Reaktion besonders stark beeinflussen. Während die konkreten Zahlen von Turm zu Turm variieren, bietet das generelle Muster – dass oberste Geschosse am verwundbarsten sind und weichere Standorte unter Umständen entlastend wirken können – eine klarere, nuanciertere Grundlage für die Bemessung und Nachrüstung von Schachtürmen in erdbebengefährdeten Gebieten.

Zitation: Han, L., Zhao, S., Zhang, Y. et al. Seismic response analysis of coal mine shaft tower structure considering PSSI effect under different sites. Sci Rep 16, 6656 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37617-5

Schlüsselwörter: Schachturm im Kohlebergwerk, Boden‑Struktur‑Interaktion, Pfahl‑Fundamentplatte, Erdbebeningenieurwesen, Geschossversatz