Auf einem einzigartigen Freiluft-Erdbebensimulator haben Ingenieure kürzlich das höchste jemals auf diese Weise getestete Gebäude mit Stahlrahmen einem Test unterzogen. Die zehngeschossige Struktur, ungefähr 30 Meter hoch, schwankte, verdrehte sich und zitterte, während starke hydraulische Aktuatoren die zerstörerischen Kräfte einiger der berüchtigtsten Erdbeben nachbildeten, einschließlich des Loma-Prieta-Erdbebens der Stärke 6,9, das Kalifornien 1989 erschütterte. Das Hauptziel dieses ehrgeizigen Projekts war es, wissenschaftlich festzustellen, ob die bestehenden Höhenbeschränkungen für Gebäude aus kaltgeformtem Stahl erheblich erhöht werden können, was eine neue Ära im Bauwesen einleiten würde.

Diese Testreihe fand auf einer Erdbebenplattform, besser bekannt als „Rütteltisch“, an der University of California, San Diego (UC San Diego) statt, einer von der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF) finanzierten Einrichtung. Es handelt sich um einen der drei größten Erdbebensimulatoren der Welt und den einzigen, der sich im Freien befindet. Diese Eigenschaft ist von entscheidender Bedeutung für grenzüberschreitende Tests wie diesen, da sie die Prüfung von Strukturen mit einer Höhe von über 27 Metern ermöglicht, eine Leistung, die nirgendwo sonst auf der Welt vollbracht werden kann. Vor nur zwei Jahren wurde auf derselben Plattform auch ein 35 Meter hohes Gebäude aus Massivholz getestet, das damals höchste Gebäude, das jemals einer seismischen Simulation unterzogen wurde.

Fokus auf das Material der Zukunft: Kaltgeformter Stahl

Die diesjährigen Forschungen konzentrieren sich auf ein Gebäude, dessen tragende Konstruktion aus kaltgeformtem Stahl (CFS) besteht. Dieses Material zeichnet sich als leicht, nachhaltig und, was äußerst wichtig ist, nicht brennbar aus. Seine ökologische Komponente ist ebenfalls bedeutend, da es zu 60 bis 70 Prozent aus recyceltem Metall hergestellt wird. Trotz dieser Vorteile begrenzen die aktuellen Bauvorschriften in vielen Regionen, einschließlich seismisch aktiver Gebiete, die Höhe von CFS-Konstruktionen auf 20 Meter, also sechs Stockwerke. Die Forscher stellten eine Schlüsselfrage: Kann diese Grenze sicher auf 10 Stockwerke bzw. 30 Meter angehoben werden? Die bisherigen Testergebnisse deuten stark auf eine positive Antwort hin.

„Das Gebäude hat sich außerordentlich gut verhalten“, erklärte Tara Hutchinson, Projektleiterin und Professorin am Institut für Bauingenieurwesen der UC San Diego. „Trotz einer Reihe von 18 Erdbebensimulationen mit zunehmender Intensität – einschließlich dreier extrem starker Erdbeben, die auf dem Niveau oder sogar darüber lagen, was Planer bei ihren Entwürfen berücksichtigen müssen – hat das tragende Struktursystem seine Integrität bewahrt.“

Obwohl einige Schäden an den nichttragenden Elementen des Gebäudes erwartet wurden, blieben die wichtigsten Sicherheitsaspekte funktionsfähig. Die Treppenhäuser, die für die sichere Evakuierung der Bewohner von entscheidender Bedeutung sind und so konzipiert wurden, dass sie sich mit dem Gebäude mitbewegen, blieben auch nach den stärksten Erdbeben vollständig begehbar und nutzbar. „In diesem Gebäude haben wir fast tausend Sensoren installiert, um seine Reaktion in Bezug auf Beschleunigung, Verschiebung und lokale Spannungen zu messen. Wir haben einen hervorragenden Datensatz zur Analyse, der uns letztendlich helfen wird, die Bauvorschriften zu verbessern und den Wunsch der Planergemeinschaften zu unterstützen, dieses ausgezeichnete Material beim Bau von höheren, leichteren und widerstandsfähigeren Gebäuden zu verwenden“, fügte Hutchinson hinzu.

Einer der Hauptvorteile von kaltgeformtem Stahl ist seine geringe Masse, die den Zusammenbau von modularen Einheiten unter Werksbedingungen ermöglicht. Diese Einheiten werden dann auf der Baustelle zu einem kompletten Gebäude zusammengefügt, was an das Zusammensetzen von riesigen Legosteinen erinnert. Diese Technik verkürzt die Bauzeit im Vergleich zum traditionellen Bau eines Gebäudeskeletts von Grund auf vor Ort drastisch.

Das technologische Wunder hinter den Kulissen: Der aufgerüstete Erdbebensimulator

Diese Tests haben auch die Bedeutung der kürzlichen, 17 Millionen Dollar teuren Aufrüstung der Erdbebenplattform unterstrichen, die ebenfalls von der NSF finanziert wurde. Das im April 2022 abgeschlossene Projekt verlieh dem Simulator die Fähigkeit, sich in sechs Freiheitsgraden (6-DOF) zu bewegen. Vor der Aufrüstung konnte sich die Plattform nur in eine Richtung bewegen, Ost-West. Jetzt kann sie sich auch auf und ab (vertikal), Nord-Süd (lateral) bewegen und Drehbewegungen ausführen, die als Nicken (pitch), Rollen (roll) und Gieren (yaw) bekannt sind.

Aufnahmen von echten Erdbeben zeigen, dass der Boden nicht nur in eine Richtung bebt. Er bewegt sich vor und zurück, auf und ab, von einer Seite zur anderen und schwingt sogar. „Hier sind wir in der Lage, das zu simulieren, was wir als nahezu reale Erdbebenbedingungen bezeichnen“, erklärte Joel Conte, einer der leitenden Forscher am Simulator und Professor an der UC San Diego. Während eines der Tests beobachteten die Forscher eine erhebliche Menge an Torsions- oder Drehbewegungen in den Bewegungen des Gebäudes – etwas, das nicht hätte beobachtet werden können, während sich die Plattform nur eindimensional bewegte. „Die Bewegungen, die wir heute gesehen haben, haben gezeigt, warum die Aufrüstung der Plattform für die Wissenschaft, die wir hier betreiben, von entscheidender Bedeutung war“, ergänzte Ben Schafer, Co-Leiter des CFS10-Projekts und Professor für Ingenieurwesen an der Johns Hopkins University.

Was kommt als Nächstes? Prüfung der Feuerbeständigkeit nach einem Erdbeben

Die Testreihe ist jedoch noch nicht abgeschlossen. Neben einer detaillierten Untersuchung des physischen Zustands des Gebäudes nach den seismischen Prüfungen bereitet sich das Forschungsteam auf die letzte Phase vor: eine Live-Brandprüfung, die im Juli 2025 stattfinden wird. Diese Tests, die von Professor Richard Emberley von Cal Poly-San Luis Obispo geleitet werden, zielen darauf ab, die Ausbreitung von Temperatur, Rauch und Partikeln durch Teile des Gebäudes zu verstehen, die zuvor durch das Erdbeben beschädigt wurden. Dies ist ein realistisches Szenario, das als „Feuer nach einem Erdbeben“ (fire-following earthquake) bekannt ist und durch Gaslecks oder andere gefährliche Stoffe, die als Zündquelle dienen, ausgelöst werden kann.

„Kaltgeformter Stahl ist ein nicht brennbares Material, im Gegensatz zu Holz und einigen anderen Baumaterialien, was eine wichtige nützliche Eigenschaft ist, wenn Brände Anlass zur Sorge geben“, betonte Hutchinson. Das Verständnis, wie sich eine beschädigte Struktur bei einem Brand verhält, ist entscheidend für die Entwicklung umfassender Sicherheitsstandards.

Breite Unterstützung für die Zukunft des Bauens

Das CFS10-Projekt wäre ohne die breite Unterstützung aus akademischen, staatlichen und industriellen Kreisen nicht möglich gewesen. Neben der entscheidenden Finanzierung durch die NSF wurden die Tests auch vom US-Ministerium für Wohnungsbau und Stadtentwicklung, der kalifornischen Kommission für seismische Sicherheit, dem kalifornischen Büro für Notfalldienste und dem Nationalen Institut für Standards und Technologie gesponsert.

Erhebliche Unterstützung leisteten auch zahlreiche Industrieorganisationen wie das American Iron and Steel Institute, die Steel Framing Industry Association und das American Institute of Steel Construction. Viele Unternehmen leisteten bedeutende Beiträge zu den Planungs- und Bauanstrengungen, darunter ClarkDietrich, Clark Construction, Standard Drywall Inc., Mid-Rise Modular, Bapko Metal, Grabber Fastening und andere. Diese starke Zusammenarbeit zeigt ein gemeinsames Interesse an Innovationen, die den Bau sichererer und widerstandsfähigerer Gemeinschaften in der Zukunft ermöglichen werden.

Quelle: University of California