Erdbebensicher bauen mit anderem Fokus

Eine Forschergruppe der University of Arizona (UA) und weiterer Universitäten befasst sich mit Gebäuden, die Erdbeben besser standhalten. Diese sollen auch bei schweren Erdbeben wie denen des vergangenen Jahres in Zentralmexiko und an der Grenze zwischen Iran und Irak nicht einstürzen. Besonderes Augenmerk gilt dabei dem horizontalen Kräftetransfer über die Böden.

Die beiden genannten Erdbeben waren bei Magnituden von 7,1 und 7,3 auf der Richterskala die verheerendsten im Jahr 2017 mit vielen Opfern, eingestürzten Häusern und obdachlos gewordenen Bewohnern.  Das Augenmerk des Wissenschaftlerteams unter der Ägide der University of Arizona gilt der horizontalen Kraftübertragung und der Untersuchung wenig erforschter, aber kritischer Bausteine des seismischen Rätsels: den Stahlträgern. Diese Verstärkungen in Betondecken oder Balken unterhalb davon sind für den horizontalen Kräftetransfer bei Erdbeben zuständig.

Die Bemühungen, Gebäude erdbebensicher auszurüsten, haben sich auf  Wände und Streben konzentriert, die seismische Kräfte nach unten über das Fundament in den Untergrund leiten sollen.

Robert Fleischman, Professor für Civil Engineering und Engineering Mechanics an der UA und Leiter der Projekts, erklärt: „Man kann ein Erdbeben nicht besiegen. Daher baut man Sollbruchstellen, Sicherungen vergleichbar, in das Tragwerk oder die Wand ein.“

Das Netz baulicher Sicherungen sorgt für den vertikalen Kräftetransfer. Doch wie jeder weiß, der schon einmal während eines Bebens mitten im Raum stand, sind nicht allein die Stützstrukturen und Wände von den Kräften betroffen, auch der Boden bewegt sich.  Denn solange die Stahlträger nicht zuerst die Kräfte in der Waagrechten aufnehmen, können diese auch nicht in die Wände und dann in den Untergrund abgeleitet werden.

„Das ist ungefähr so, als ob Sie eine Meile vom Bahnhof entfernt wohnen und der Zug pünktlich ankommt, aber Sie haben das Taxi zum Bahnhof nicht eingeplant“, sagt Fleischman. „Egal, ob der Zug pünktlich ist, Sie würden ihn verpassen.“

Perfekte Mischung

Die Forschungsarbeit ist gleichzeitig die dritte Zusammenarbeit zwischen UA, Lehigh University und der University of California, San Diego (UCSD) .  Chia-Ming Uang, UCSD  sowie James Ricles und Richard Sause of Lehigh sind neben Fleischman die leitenden Forscher im Projekt: „Advancing Knowledge on the Performance of Seismic Collectors in Steel Building Structures.“  

Für die Kooperation spricht, dass Lehigh über das größte bautechnische Labor in den USA verfügt und die UCSD mit der größten Rüttelplatte aufwarten kann. Diese hydraulische Platte simuliert die Wirkung von Erdbeben auf gebaute Strukturen. Doch bereits ein Test darauf kostet sechsstellige Beträge. Es erweist sich als wenig praktikabel, erst einmal ein Bauwerk auf der Platte zu errichten und dann zu sehen, was passiert.

Daher haben die Forscher der UA zusammen mit angehenden Bauingenieuren Computersimulationen gefahren, um ein möglichst realistisches Modell von einem tatsächlichen Test zu bilden. Das erlaubt mehrere Versuche ohne die Kosten physischer Tests.  Die Versuche mit der Rüttelplatte werden die Brauchbarkeit der Modelle erweisen helfen oder das Team dabei unterstützen, zukünftige Modelle zu kalibrieren. Stimmen Simulation und Wirklichkeit überein, wächst das Vertrauen der Branchenführer in die Modelle als Datenquellen für sicherere Bauwerke.

Simulation als Erfolgsfaktor

Anshul Agarwal, Doktorand, sagt, dass er bis 50 Simulationen am Tag fährt und dabei Variablen wie Gebäudehöhe, Form des Fundaments und Balkengröße anpasst, um eine Struktur zu schaffen, in der die Träger ihre Aufgabe so gut wie möglich erfüllen können.

Abgesehen vom Erkenntnisgewinn in Sachen High-End-Simulation konnten die Studenten auch reisen und sich mit führenden Experten in der Seismik, mit Baugutachtern und Vertretern aus der Stahlbranche treffen. Ihre Arbeit beschränkt sich nicht auf Theorie und Abstraktion. Sie hoffen vielmehr, den Erfolg vorangegangener UA/UCSD/Lehigh-Kooperationen wiederholen zu können, die zu besseren Bauvorschriften geführt haben. 

Bild: Robert Fleischman und Kollegen stehen neben dem auf dem Rütteltisch errichteten Testbauwerk in UC San Diego’s Englekirk Structural Engineering Center.​​ Bild: University of Arizona