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Integrierte Erdbebensicherheit – Städte und Designs im Praxistest

Jedes Jahr gibt es weltweit ungefähr 500.000 messbare Erdbeben, 20 davon schwer. Nur die wenigsten treten in dicht besiedelten Gebieten auf. Aber warum haben verschiedene Erdbeben gleicher Stärke so unterschiedliche Auswirkungen? So wurden 2010 beispielsweise Städte in Neuseeland, Chile und Haiti von ähnlich starken Erdbeben getroffen. Christchurch und Santiago wurden in Mitleidenschaft gezogen, Port Au Prince jedoch wurde praktisch ausgelöscht. Die meisten erdbebenbedingten Verletzungen entstehen durch einstürzende Gebäude. Zonierung und Planung sind deshalb ebenso wichtige Schlüsselfaktoren für sicherere Gebäude wie Design und Konstruktion. URBAN HUB besucht einige Städte und wirft einen Blick auf die neuesten Ideen zum Thema Erdbebensicherheit.
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Rundum intelligent - In vielerlei Hinsicht basiert ein Smart-City-Konzept lediglich auf guter Stadtplanung, die sowohl Fortschritte in den digitalen Technologien als auch neue Denkansätze für uralte urbane Konzepte wie Beziehungen, Gemeinschaft, Nachhaltigkeit und Umweltbewusstsein, demokratische Beteiligung, Good Governance und Transparenz berücksichtigt.
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Erstellt am 09.05.2018

Erdbeben und ihre Herausforderungen

Wenn die tektonischen Platten der Erde kollidieren und aneinander reiben, bringen die daraus resultierenden Wellen die Erde und alles darauf zum Beben. Gebäude werden so konstruiert, dass sie die vertikale Last der Struktur tragen. Durch Erdbeben entsteht jedoch eine laterale oder seitwärts wirkende Last, welche die sichere Konstruktion komplizierter macht.

Komplizierter, aber nicht unmöglich. Es gibt zahlreiche bewährte Methoden zum Bau erdbebensicherer Gebäude. Leider werden diese nicht immer eingesetzt. So wurde ein Großteil der Zerstörung des großen Erdbebens in Mexiko-Stadt im September 2017 durch den Einsturz von preiswert gebauten Gebäuden aus Betonplatten verursacht, die heute in zahlreichen Ländern verboten sind.

Der Torre Mayor, ein Bürogebäude in Mexiko-Stadt mit 57 Etagen, wurde dagegen mit geeigneten Materialien und der richtigen Technologie erbaut. Das 225 Meter hohe Gebäude steht auf einem Fundament aus 252 in die Erde gebohrten Pfählen, die einen Überbau aus mit bewehrtem Beton umhüllten Stahlsäulen und eine Stahlstruktur verankern. Im Gebäude selbst absorbieren und neutralisieren 98 seismische Dämpfer die Vibrationen von Erdbeben. Das Gebäude überstand den September 2017 problemlos!

„Relativ niedrige bis mittelhohe Gebäude sind grundsätzlich anfälliger für Bodenschwingen. Ein Gebäude mit 100 Etagen reagiert dagegen paradoxerweise gar nicht auf die Frequenzen eines Erdbebens und entwickelt damit keine Resonanz.“

David Malott, Chairman, Council on Tall Buildings and Urban Habitat

Der Torre Mayor wurde erdbebensicher konstruiert.

Regeln: die Grundlage für erdbebensichere Städte

Ein Großteil der Zerstörung in Mexiko-Stadt hätte mit angemessenen Regeln verhindert werden können. Dazu zählen zum Beispiel Zonenbildung und Baunormen, die definieren, wo und wie ein Gebäude errichtet werden darf. Zudem muss dafür gesorgt werden, dass diese Regeln auch tatsächlich umgesetzt werden.

Regierungen geben durch Flächennutzungspläne und seismische Mikrozonierung (z. B. nach Bodenart, Störungsarten, usw.) die Grundrichtung für die öffentliche Sicherheit vor. Erdbebensicheres Bauen ist eine Wissenschaft; Experten können ihr Wissen aber nur dann gewinnbringend einsetzen, wenn die richtigen Regeln etabliert und eingehalten werden.

Dann können Ingenieure ihre Werkzeuge einsetzen. Das beginnt bereits vor dem Bau mit einer Analyse der Boden-Struktur-Interaktion und einer standortspezifischen Spektralanalyse. Forscher testen skalierte Simulationen auf riesigen Schütteltischen in Laboren von Kobe (Japan) und Delhi (Indien) über Algier (Algerien) bis Reno (USA).

Anschließend verwenden sie verschiedenste numerische Werkzeuge sowie Software zur Echtzeitinstrumentierung und 3D-Visualisierung. Das Projektdesign wird dabei ständig angepasst und abgestimmt. So entsteht ein Gebäude, das genau an die tatsächlich drohenden Risiken und Gefahren angepasst ist.

 

Bewegendes Experiment: ein großer Schütteltisch nahe Kobe.

Isolierung der Basis

Im Rahmen festgelegter Regeln können Design- und Konstruktionsexperten ihre Fähigkeiten und Kreativität zur Schau stellen. Alles beginnt mit dem Fundament.

Techniken zur seismischen Isolierung sorgen dafür, dass ein Gebäude auf einem System aus Metalllagern oder Gummilagern mit Bleikern, Hochleistungsfedern, gepolsterten Zylindern, Gleitern oder gar Luftkissen schwebt. Die Terminals des riesigen neuen internationalen Flughafens Sabiha Gökçen in Istanbul (Türkei) überstehen dank 300 Pendelisolatorensystemen ein Erdbeben mit 8,0 Mw.

Ein seismisch isoliertes Fundament wie dieses soll die kinetische Energie eines Erdbebens über einen elastischen oder gleitenden Puffer zwischen dem Fundament oder Unterbau und dem Überbau des Gebäudes passiv absorbieren oder umlenken. Ein weiteres aktuelles Beispiel ist die futuristisch anmutende Zentrale von Apple in der Nähe von San Francisco (USA), die auf 700 Isolatoren ruht. Gebäude, in denen diese Technologie verbaut ist, sind üblicherweise von einer Art „Graben“ umgeben, damit sie sich frei bewegen können, ohne dabei umliegende Strukturen zu beschädigen.

Eindämmung von Gebäudeschwingungen

Neben der Isolierung des Fundaments zur Reduzierung der seismischen Last auf die Basis eines Gebäudes sollen Techniken zur Schwingungsdämpfung die Wellenenergie innerhalb des Gebäudes verteilen, streuen oder absorbieren.

Eine dieser Methoden ist dabei zu einer Touristenattraktion geworden: Zwischen dem 87. und dem 92. Stock des superhohen Taipei 101 in Taipei (Taiwan) hängt der weltgrößte Schwingungstilger in Gestalt einer 728 Tonnen schweren, goldfarbenen Metallkugel, die nicht nur vor starken Winden, sondern auch vor seismischen Wellen schützt. Ähnlich wie ein Pendel schwingt der Tilger entgegen der auf das Gebäude wirkenden Vibrationen, neutralisiert die Energie und hält so das Gebäude im Gleichgewicht.

In Tokio (Japan) wirkt ein semi-aktives System im Kern des 238 Meter hohen Mori Tower der Erdbebenenergie entgegen. Weiche Stahldämpfer in der Nähe des Innenfundaments sorgen dafür, dass das Gebäude sich ungefährlich dehnen und schwingen kann. Die verbundenen Öldampfer absorbieren Vibrationen mittels Strömungswiderstand, während integrierte Bremsdämpfer gleichzeitig andere Vibrationen in Reibungswärme umwandeln.

Verwendung geeigneter Materialien

Neben Regeln, Design und Techniken sind auch die Materialien wichtig. Sie müssen gleichzeitig fest und dehnbar sein, dürfen also beim Biegen nicht durchbrechen. Spröde Materialien wie nicht bewehrtes Mauerwerk oder Betonblöcke sind bei Erdbeben am gefährlichsten.

Das größte Gebäude in Los Angeles, das Wilshire Grand Center, ist 73 Etagen hoch: Seine knickstabilen Streben bestehen aus einer Formgedächtnislegierung (FGL). Sie biegen sich unter Druck dynamisch, nehmen dann aber wieder ihre Ausgangsform an. Sollten sie an die Grenzen ihrer Elastizität stoßen, erwärmen sie sich, und die seismisch erzeugte Bewegungsenergie wird sicher in Wärmeenergie umgewandelt. Zudem verfügt das Gebäude über einen riesigen rechteckigen Kern und mehrstöckige Ausleger die, genau wie in Taipei, nach außen hin sichtbar sind.

Designer entscheiden sich heute zunehmend für leichtere Dächer, stärkere Fundamente und flexiblere (aber dennoch robuste) Strukturen. Stahlbeton, Formstahl, intelligenter bewehrter Beton mit integrierten FGL-Drähten und sogar Formgedächtnispolymere sind nur einige der heute konstruktiv eingesetzten Materialien.

Und ältere Gebäude?

Auch ältere Gebäude müssen erdbebensicher sein. Viele der neuen Techniken für Erdbebensicherheit können auch nachgerüstet werden. Bei alten, historischen Gebäuden wie dem „City-County Building“ in Salt Lake City (USA) und der 122 Jahre alten Zentrale der Bank of Japan in Tokio hat sich beispielsweise der Einbau einer seismischen Isolierung in das Fundament bewährt.

Eine weitere Möglichkeit zur nachträglichen Erdbebensicherung ist ein externer Stahlrahmen. Das Rostrevor House in Wellington (Neuseeland) wurde mit einem exzentrisch verspannten Stahlrahmen preiswert nachträglich widerstandfähiger gemacht. Und in Nomi (Japan) schwingt das Fa-bo-Gebäude dank eines leichten Vorhangs aus 9 mm dicken Stäben aus Thermoplast und Kohlefasern sicher im Rhythmus der seismischen Wellen.

Auch ältere Methoden kommen wieder zum Einsatz. So wird beispielsweise in Quito (Ecuador) die einfache Flexibilität des Bambus von der Lokalregierung für kleinere Gebäude beworben. Die Arbeit des Fraunhofer WKI in Braunschweig (Deutschland) ist noch ambitionierter. Das Institut für Holzforschung erkundet den Einsatz massiver Holzbalken als Lastträger in hohen Gebäuden. Nicht technisch genug? Ein weiteres Projekt des Instituts sind ultra-haltbare Sensor-gesteuerte elastische Verbindungen aus Stahl, die Gebäuden während eines Erdbebens strukturelle Integrität verleihen.

„Holz hat eine sehr hohe Festigkeit, ist leicht und dennoch sehr stabil, ideal bei Erdbeben. Seine mechanischen Eigenschaften sind durchaus vergleichbar mit hochfesten Kompositen – bei wesentlich geringeren Materialkosten.“

Norbert Rüther, Projektleiter, Fraunhofer WKI

Städteplanung und ganzheitliche Vorbereitung

Erdbebensicherheit als Teil der ganzheitlichen, risikomindernden Stadtplanung ist eine vielschichtige Aufgabe. Gefährdete Städte müssen auch gefährliche Standorte und zentrale Infrastrukturelemente schützen, und Notdienste müssen schnell reagieren. Viele Städte setzen dazu intelligente seismische Sensoren ein, die noch vor den großen Schockwellen vor einem Erdbeben warnen.

Auch die Vorbereitung und Information der Bürger vor, während und nach Erdbeben sind Teil der öffentlichen Ordnung. In Bogotá (Kolumbien) beispielsweise erhalten Hausbesitzer Werkzeug, mit dem sie ihre Häuser nachrüsten können. In nordamerikanischen Städten wie Seattle und Vancouver finden jährlich Erdbebenübungen statt, sogenannte „Great ShakeOuts“, die praktische Ratschläge und Übungen mit Spaß und Spielen kombinieren.

Auch die Sicherheit von Aufzügen gehört natürlich dazu. Verantwortungsbewusste Hersteller forschen beständig zu den Auswirkungen von Erdbeben auf Hochhäuser und deren Aufzugkomponenten. So erforscht thyssenkrupp Elevator beispielsweise gemeinsam mit der Tongji University in Shanghai dieses Thema. Das Unternehmen setzt zudem in seinen neuen Testtürmen in Zhongshan (China) und Rottweil (Deutschland) auf ein integriertes System zur aktiven Schwingungstilgung. Diese Gebäude können ein Erdbeben simulieren, damit Forscher unsere Fortbewegung im Alltag auch weiterhin sicher gestalten können.

Des Weiteren warnen Aufzüge mittels eingebauter seismischer Detektoren frühzeitig vor Erdbeben. Über Schalter wird der Aufzug dann automatisch zur nächstgelegenen verfügbaren Etage geleitet, wo die Türen geöffnet werden.

Die Konstruktion erdbebensicherer Städte

Erdbebenbereitschaft ist ein vielseitiges Thema, angefangen bei innovativen Ideen wie ViBa, einer vibrierenden Barriere, die unter Straßen und nahe Gebäuden Schockwellen absorbieren soll, bis hin zu einer besseren Zonierung, Umsetzung und Beteiligung der Bürger in Erdbebengebieten bei der Vorbereitung auf das Unausweichliche. Die Erdbebensicherung von Städten ist eine komplexe Aufgabe, bei der Technologie, Planung, Design, Materialien und die Bürger selbst unabdingbar sind. So können wir unsere Städte sichern – in Erdbebenzonen und überall sonst!

 

In diesem kurzen Video von „The Economist“ werden einige der Techniken zur Erdbebensicherung von Gebäuden vorgestellt. Eine davon ist bereits Hunderte von Jahren alt, wurde aber für den Einsatz in superhohen Wolkenkratzern modernisiert und angepasst.