10 Technologien, die Gebäuden helfen, Erdbeben zu widerstehen

Die Bronzezeit sah den Aufstieg mehrerer erfolgreicher Zivilisationen, darunter einige, die es schafften, beeindruckende Städte mit geordneten Gittern und ausgeklügelten Rohrleitungen zu bauen. Nun glauben Wissenschaftler, dass tektonische Aktivitäten zum Untergang einiger dieser alten Kulturen beigetragen haben könnten. Zum Beispiel deuten Untersuchungen in der Stadt Megiddo (heute Teil des heutigen Israel) darauf hin, dass ein massives Erdbeben die Stadt verwüstet haben könnte, was zu den sandwichartigen Schichten geführt hat, die bei Ausgrabungen gefunden wurden. Und eine Reihe von Erdbeben könnte die Harappan-Zivilisation (im heutigen Pakistan) zerstört haben, die 1900 v. Chr. plötzlich verschwand

Wir sind heute genauso anfällig für die Nachwirkungen starker Erdbeben. Wenn sie plötzlichen Seitenkräften ausgesetzt sind, die durch seismische Wellen erzeugt werden, können sogar moderne Gebäude und Brücken vollständig versagen und einstürzen, wodurch die Menschen darin, auf und um sie herum erdrückt werden. Das Problem hat sich eher verschärft, je mehr Menschen in städtischen Umgebungen leben und je mehr Strukturen gewachsen sind. Glücklicherweise haben Architekten und Ingenieure in den letzten Jahrzehnten eine Reihe cleverer Technologien entwickelt, um sicherzustellen, dass Häuser, Mehrfamilienhäuser und Wolkenkratzer sich biegen, aber nicht brechen. Dadurch können die Bewohner das Gebäude unbeschadet verlassen und mit dem Aufsammeln der Scherben beginnen.

Auf den nächsten Seiten haben wir 10 dieser zitternden Technologien zusammengestellt . Manche sind schon seit mehreren Jahren dabei. Andere, wie der erste Punkt in unserem Countdown, sind relativ neue Ideen, die noch getestet werden.

1. Die schwebende Stiftung
2. Stoßdämpfer
3. Pendelkraft
4. Austauschbare Sicherungen
5. Rocking Core-Wand
6. Seismischer Unsichtbarkeitsumhang
7. Formgedächtnislegierungen
8. Kohlefaser-Wrap
9. Biomaterialien
10. Kartonröhren

Ingenieure und Seismologen bevorzugen seit Jahren die Basisisolierung als Mittel zum Schutz von Gebäuden bei einem Erdbeben . Wie der Name schon sagt, beruht dieses Konzept auf der Trennung des Unterbaus eines Gebäudes vom Oberbau. Ein solches System beinhaltet das Schwimmen eines Gebäudes über seinem Fundament auf Bleigummilagern , die einen festen Bleikern enthalten, der abwechselnd mit Gummi- und Stahlschichten umwickelt ist. Stahlplatten befestigen die Lager am Gebäude und seinem Fundament und ermöglichen dann, wenn ein Erdbeben eintritt, dass sich das Fundament bewegt, ohne die darüber liegende Struktur zu bewegen.

Jetzt haben einige japanische Ingenieure die Basisisolation auf ein neues Niveau gehoben. Ihr System lässt ein Gebäude tatsächlich auf einem Luftkissen schweben. So funktioniert es: Sensoren am Gebäude erfassen die verräterische seismische Aktivität eines Erdbebens. Das Sensornetzwerk kommuniziert mit einem Luftkompressor, der innerhalb einer halben Sekunde nach Alarmierung Luft zwischen Gebäude und Fundament presst. Das Luftkissen hebt die Struktur bis zu 3 Zentimeter vom Boden an und isoliert sie von den Kräften, die sie auseinanderreißen könnten. Wenn das Erdbeben nachlässt, schaltet sich der Kompressor aus und das Gebäude sinkt wieder auf sein Fundament. Fehlt nur noch der Titelsong des „Greatest American Hero“.

Eine weitere erprobte Technologie, um Gebäuden zu helfen, Erdbeben standzuhalten, ist von der Autoindustrie inspiriert. Sie kennen den Stoßdämpfer – das Gerät, das unerwünschte Federbewegungen in Ihrem Auto kontrolliert. Stoßdämpfer verlangsamen und reduzieren das Ausmaß von Vibrationsbewegungen, indem sie die kinetische Energie Ihrer federnden Aufhängung in Wärmeenergie umwandeln, die durch Hydraulikflüssigkeit abgeführt werden kann. In der Physik wird dies als Dämpfung bezeichnet, weshalb manche Stoßdämpfer auch als Dämpfer bezeichnen.

Es stellt sich heraus, dass Dämpfer beim Entwurf erdbebensicherer Gebäude nützlich sein können. Ingenieure platzieren Dämpfer im Allgemeinen auf jeder Ebene eines Gebäudes, wobei ein Ende an einer Säule und das andere Ende an einem Balken befestigt ist. Jeder Dämpfer besteht aus einem Kolbenkopf , der sich in einem mit Silikonöl gefüllten Zylinder bewegt. Bei einem Erdbeben bewirkt die horizontale Bewegung des Gebäudes, dass der Kolben in jedem Dämpfer gegen das Öl drückt und die mechanische Energie des Bebens in Wärme umwandelt.

Dämpfung kann viele Formen annehmen. Eine andere Lösung, insbesondere für Wolkenkratzer , beinhaltet das Aufhängen einer enormen Masse nahe der Spitze der Struktur. Stahlseile stützen die Masse, während Dämpfer aus viskosen Flüssigkeiten zwischen der Masse und dem Gebäude liegen, das sie zu schützen versucht. Wenn seismische Aktivitäten das Gebäude zum Schwingen bringen, bewegt sich das Pendel in die entgegengesetzte Richtung, wodurch die Energie dissipiert wird.

Ingenieure bezeichnen solche Systeme als Dämpfer mit abgestimmter Masse , weil jedes Pendel genau auf die natürliche Schwingungsfrequenz einer Struktur abgestimmt ist. Wenn Bodenbewegungen dazu führen, dass ein Gebäude mit seiner Resonanzfrequenz schwingt, vibriert das Gebäude mit einer großen Energiemenge und wird wahrscheinlich Schaden erleiden. Die Aufgabe eines Tilgers besteht darin, Resonanzen entgegenzuwirken und die dynamische Reaktion der Struktur zu minimieren.

Taipei 101, was sich auf die Anzahl der Stockwerke in dem 508 Meter hohen Wolkenkratzer bezieht, verwendet einen Dämpfer mit abgestimmter Masse, um die mit Erdbeben und starken Winden verbundenen Vibrationseffekte zu minimieren. Das Herzstück des Systems ist eine 730 Tonnen (660 Tonnen) schwere goldfarbene Kugel, die an acht Stahlseilen aufgehängt ist. Es ist der größte und schwerste Tilger der Welt.

In der Welt der Elektrizität bietet eine Sicherung Schutz, indem sie ausfällt, wenn der Strom in einem Stromkreis einen bestimmten Wert überschreitet. Dies unterbricht den Stromfluss und verhindert Überhitzung und Brände. Nach dem Vorfall ersetzen Sie einfach die Sicherung und stellen den Normalzustand des Systems wieder her.

Forscher der Stanford University und der University of Illinois haben mit einem ähnlichen Konzept experimentiert, um ein erdbebensicheres Gebäude zu bauen. Sie nennen ihre Idee ein kontrolliertes Schaukelsystem, weil die Stahlrahmen, aus denen die Struktur besteht, elastisch sind und auf dem Fundament schaukeln können. Aber das allein wäre noch keine optimale Lösung.

Zusätzlich zu den Stahlrahmen führten die Forscher vertikale Kabel ein, die die Oberseite jedes Rahmens am Fundament verankern und die Schaukelbewegung begrenzen. Darüber hinaus haben die Kabel eine selbstzentrierende Fähigkeit, was bedeutet, dass sie die gesamte Struktur aufrichten können, wenn das Schütteln aufhört. Die letzten Komponenten sind die austauschbaren Stahlsicherungen, die zwischen zwei Rahmen oder an den Säulenfüßen angebracht sind. Die Metallzähne der Sicherungen absorbieren seismische Energie, wenn das Gebäude schaukelt. Wenn sie während eines Erdbebens „explodieren“, können sie relativ schnell und kostengünstig ersetzt werden, um das Gebäude in seiner ursprünglichen, durchtrennten Form wiederherzustellen.

In vielen modernen Hochhäusern verwenden Ingenieure eine Kern-Wand-Konstruktion, um die seismische Leistung bei geringeren Kosten zu erhöhen. Bei diesem Entwurf verläuft ein Stahlbetonkern durch das Herz der Struktur und umgibt die Aufzugsbänke. Bei extrem hohen Gebäuden kann die Kernwand ziemlich beträchtlich sein – mindestens 30 Fuß in jeder Planrichtung und 18 bis 30 Zoll dick.

Während die Kern-Wand-Konstruktion Gebäuden hilft, Erdbeben standzuhalten, ist es keine perfekte Technologie. Forscher haben herausgefunden, dass Gebäude mit fester Basis und Kernwänden immer noch erhebliche unelastische Verformungen, große Scherkräfte und schädliche Bodenbeschleunigungen erfahren können. Eine Lösung, wie wir bereits besprochen haben, beinhaltet die Isolierung der Basis – das Schwimmen des Gebäudes auf Blei- Gummi - Lagern. Dieses Design reduziert Bodenbeschleunigungen und Scherkräfte, verhindert jedoch nicht die Verformung an der Basis der Kernwand.

Eine bessere Lösung für Bauwerke in Erdbebengebieten erfordert eine Rocking-Core-Wand in Kombination mit einer Sockelisolierung. Eine schaukelnde Kernwand schaukelt auf Bodenniveau, um zu verhindern, dass der Beton in der Wand dauerhaft verformt wird. Um dies zu erreichen, verstärken die Ingenieure die unteren beiden Ebenen des Gebäudes mit Stahl und integrieren Vorspannungen über die gesamte Höhe. Bei Vorspannsystemen werden Stahlspannglieder durch die Kernwand geführt. Die Sehnen wirken wie Gummibänder, die mit hydraulischen Pressen straff gespannt werden können, um die Zugfestigkeit der Kernwand zu erhöhen.

Beim Thema Wellen denkt man vielleicht an Wasser oder Schall, aber auch Erdbeben erzeugen Wellen, die von Geologen als Körper- und Oberflächenwellen klassifiziert werden . Erstere reisen schnell durch das Erdinnere. Letztere bewegen sich langsamer durch die obere Kruste und umfassen eine Untergruppe von Wellen – bekannt als Rayleigh-Wellen – die den Boden vertikal bewegen. Diese Auf- und Abbewegung verursacht die meisten Erschütterungen und Schäden, die mit einem Erdbeben verbunden sind.

Stellen Sie sich nun vor, Sie könnten die Übertragung einiger seismischer Wellen unterbrechen. Könnte es möglich sein, die Energie umzulenken oder um urbane Gebiete herumzuleiten? Einige Wissenschaftler glauben das und haben ihre Lösung wegen ihrer Fähigkeit, ein Gebäude für Oberflächenwellen unsichtbar zu machen, als „seismische Tarnkappe“ bezeichnet. Ingenieure glauben, dass sie den „Umhang“ aus 100 konzentrischen Plastikringen herstellen können , die unter dem Fundament eines Gebäudes vergraben sind [Quelle: Barras]. Wenn sich seismische Wellen nähern, treten sie an einem Ende in die Ringe ein und werden im System eingeschlossen. Innerhalb des "Mantels" eingespannt, können die Wellen ihre Energie nicht an die darüber liegende Struktur weitergeben. Sie gehen einfach um das Fundament des Gebäudes herum und kommen auf der anderen Seite heraus, wo sie die Ringe verlassen und ihre Langstreckenreise fortsetzen. Ein französisches Team testete das Konzept 2013.

Wie wir bereits im Countdown besprochen haben, stellt die Plastizität von Materialien eine große Herausforderung für Ingenieure dar, die versuchen, erdbebensichere Strukturen zu bauen. Plastizität beschreibt die Verformung, die in jedem Material auftritt, wenn Kräfte darauf einwirken. Sind die Kräfte stark genug, kann die Form des Materials dauerhaft verändert werden, was seine Funktionsfähigkeit beeinträchtigt. Stahl kann sich plastisch verformen, aber auch Beton. Und doch sind diese beiden Materialien in fast allen kommerziellen Bauprojekten weit verbreitet .

Geben Sie die Formgedächtnislegierung ein, die starken Belastungen standhält und dennoch in ihre ursprüngliche Form zurückkehrt. Viele Ingenieure experimentieren mit diesen sogenannten intelligenten Materialien als Ersatz für die traditionelle Stahl-Beton-Konstruktion. Eine vielversprechende Legierung ist Nickel-Titan oder Nitinol, das 10 bis 30 Prozent mehr Elastizität bietet als Stahl [Quelle: Raffiee ]. In einer Studie aus dem Jahr 2012 verglichen Forscher der University of Nevada, Reno, die seismische Leistung von Brückenpfeilern aus Stahl und Beton mit Stützen aus Nitinol und Beton. Die Formgedächtnislegierung übertraf die traditionellen Materialien auf allen Ebenen und erlitt weit weniger Schäden [Quelle: Raffiee ].

Es ist sinnvoll, die Erdbebensicherheit zu berücksichtigen, wenn Sie eine neue Struktur bauen, aber die Nachrüstung alter Gebäude zur Verbesserung ihrer seismischen Leistung ist ebenso wichtig. Ingenieure haben festgestellt, dass das Hinzufügen von Basisisolationssystemen zu Strukturen sowohl machbar als auch wirtschaftlich attraktiv ist. Eine weitere vielversprechende Lösung, die viel einfacher zu implementieren ist, erfordert eine Technologie, die als faserverstärkte Kunststofffolie oder FRP bekannt ist . Hersteller produzieren diese Wraps, indem sie Kohlefasern mit bindenden Polymeren wie Epoxid, Polyester, Vinylester oder Nylon mischen, um ein leichtes, aber unglaublich starkes Verbundmaterial zu schaffen.

Bei Nachrüstungsanwendungen wickeln Ingenieure das Material einfach um Betonstützsäulen von Brücken oder Gebäuden und pumpen dann unter Druck stehendes Epoxidharz in den Spalt zwischen der Säule und dem Material. Basierend auf den Konstruktionsanforderungen können Ingenieure diesen Vorgang sechs- oder achtmal wiederholen, wodurch ein mumiengewickelter Träger mit deutlich höherer Festigkeit und Duktilität entsteht. Erstaunlicherweise können sogar erdbebengeschädigte Säulen mit Kohlefaserumhüllungen repariert werden. In einer Studie fanden Forscher heraus, dass geschwächte Autobahnbrückensäulen, die mit dem Verbundmaterial umhüllt waren, 24 bis 38 Prozent stärker waren als unverpackte Säulen [Quelle: Saadatmanesh].

Während sich die Ingenieure mit Formgedächtnislegierungen und Kohlefaserhüllen begnügen, rechnen sie mit einer Zukunft, in der möglicherweise noch bessere Materialien für erdbebensichere Konstruktionen verfügbar sind. Und die Inspiration für diese Materialien kommt wahrscheinlich aus dem Tierreich. Betrachten Sie die niedrige Muschel, eine zweischalige Molluske , die an Meeresfelsen oder, nachdem sie entfernt und in Wein gedünstet wurde, auf unserem Teller gefunden wurde. Um an ihren prekären Sitzstangen haften zu bleiben, scheiden Muscheln klebrige Fasern aus, die als Byssalfäden bekannt sind. Einige dieser Fäden sind steif und starr, während andere flexibel und elastisch sind. Wenn eine Welle auf eine Muschel trifft, bleibt sie stehen, weil die flexiblen Stränge den Aufprall absorbieren und die Energie zerstreuen. Forscher haben sogar das genaue Verhältnis von steifen zu flexiblen Fasern berechnet – 80:20 – das der Muschel ihre Klebrigkeit verleiht [Quelle: Qin ]. Jetzt geht es darum, Baumaterialien zu entwickeln , die die Muschel und ihre unheimliche Fähigkeit, an Ort und Stelle zu bleiben, nachahmen.

Ein weiterer interessanter Faden kommt vom südlichen Ende der Spinnen. Wir alle wissen, dass Spinnenseide Pfund für Pfund stärker ist als Stahl (fragen Sie einfach Peter Parker), aber MIT-Wissenschaftler glauben, dass es die dynamische Reaktion des natürlichen Materials unter starker Belastung ist, die es so einzigartig macht. Als die Forscher an einzelnen Spinnenseidensträngen zerrten und zogen, stellten sie fest, dass die Fäden zunächst steif, dann dehnbar und dann wieder steif waren. Es ist diese komplexe, nichtlineare Reaktion, die Spinnweben so widerstandsfähig und Spinnfäden zu einem so verlockenden Material macht, das in der nächsten Generation erdbebensicherer Konstruktionen nachgeahmt werden kann.

Und was ist mit Entwicklungsländern, wo es wirtschaftlich nicht machbar ist, Anti-Erdbeben-Technologien in Häuser und Bürogebäude zu integrieren? Sind sie dazu verdammt, jedes Mal Tausende von Opfern zu erleiden, wenn die Erde bebt? Nicht unbedingt. Teams von Ingenieuren arbeiten auf der ganzen Welt daran, erdbebensichere Strukturen unter Verwendung lokal verfügbarer oder leicht erhältlicher Materialien zu entwerfen. Beispielsweise haben Forscher in Peru traditionelle Lehmbauten viel stärker gemacht, indem sie Wände mit Kunststoffgeflecht verstärkt haben. In Indien haben Ingenieure Bambus erfolgreich zur Verstärkung von Beton eingesetzt. Und in Indonesien stehen einige Häuser jetzt auf einfach herzustellenden Lagern, die aus alten, mit Sand oder Stein gefüllten Reifen bestehen.

Auch Pappe kann zu einem robusten, langlebigen Baumaterial werden. Der japanische Architekt Shigeru Ban hat mehrere Strukturen entworfen, die mit Polyurethan beschichtete Pappröhren als primäre Rahmenelemente enthalten. 2013 enthüllte Ban eines seiner Entwürfe – die Übergangskathedrale – in Christchurch, Neuseeland. Die Kirche verwendet 98 riesige Pappröhren, die mit Holzbalken verstärkt sind [Quelle: Slezak ]. Da die Karton-Holz-Struktur extrem leicht und flexibel ist, verhält sie sich bei seismischen Ereignissen viel besser als Beton. Und wenn es zusammenbricht, ist es weitaus unwahrscheinlicher, dass die darin versammelten Menschen erdrückt werden. Alles in allem macht es Lust darauf, die in Ihrer Toilettenpapierrolle eingebetteten Papphülsen mit etwas mehr Respekt zu behandeln.

Anmerkung des Autors: 10 Technologien, die Gebäuden helfen, Erdbeben zu widerstehen

Als das Erdbeben in Virginia 2011 zuschlug, war ich etwa 55 Meilen (89 Kilometer) vom Epizentrum entfernt. Es erzeugte ein lokomotivenartiges Grollen und bewegte die Erde auf eine beunruhigende Weise, die schwer zu beschreiben ist. In den Kleinstädten Louisa und Mineral, in der Nähe des Hauses meiner Mutter, stürzten einige Gebäude ein, und viele weitere erlitten erhebliche Schäden. Während das Beben selbst beängstigend war, war unser kollektives Gefühl, dass wir so weit vom Feuerring und der ständigen Bedrohung durch tektonische Aktivitäten entfernt waren, irgendwie von solchen Ereignissen isoliert. Ich frage mich, ob die Bauvorschriften in Virginia aktualisiert wurden, um einige dieser erdbebensicheren Technologien zu integrieren.

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