Stabilität, wenn die Erde bebt
Erdbebensichere Nachrüstung
Erdbeben zählen weltweit zu den größten Herausforderungen für die Sicherheit von Bauwerken. Besonders anfällig sind Bestandsgebäude, die vor der Einführung moderner Erdbebennormen errichtet wurden – sie halten seismischen Belastungen oft nicht stand. Umso dringlicher stellt sich die Frage: Wie lassen sich solche Gebäude erdbebensicher nachrüsten? Der Befestigungsspezialist fischer hat gemeinsam mit der Purdue University (USA) Versuche an Stahlbetonkonstruktionen in Originalgröße durchgeführt. Dabei ließen sich neue Ansätze für die nachträgliche seismische Verstärkung von Bauwerken definieren.
Unsere Erde ist ein dynamischer Planet: Sie rotiert, umkreist die Sonne und ist im Inneren stets in Aufruhr. Jedes Jahr werden weltweit etwa 500.000 Erdbeben registriert (Quelle: U.S. Geological Survey (USGS)). Besonders gefährdet sind Regionen entlang des Pazifischen Feuerrings, der Himalaya-Region, des Mittelmeerraums, Mittelamerikas und der Karibik aufgrund regelmäßiger tektonischer Bewegungen. Auch menschliche Eingriffe wie Öl- und Gasförderung, Fracking, geothermische Bohrungen oder der Bau großer Stauseen können seismische Aktivitäten auslösen. Tragwerksplaner und Statiker müssen bei der Konstruktion von Bauwerken in erdbebengefährdeten Regionen nicht nur die Tragfähigkeit der Hauptstruktur sicherstellen, sondern auch gewährleisten, dass nichttragende Bauteile nicht versagen oder herabfallen – wie Rohre, Leitungen, abgehängte Decken, Kabeltrassen, Klimageräte oder Fassaden. Viele Menschen leben in Erdbebengebieten jedoch in Bestandsgebäuden, die vor Einführung moderner Erdbebennormen errichtet wurden und seismischen Einwirkungen oft nicht gewachsen sind.
Erdbebengroßversuche in Originalgröße
Bahnbrechende Großversuche in den USA: In Zusammenarbeit mit der Purdue University testete fischer an Stahlbetonkonstruktionen in Originalgröße eine innovative Verstärkungslösung für erdbebengefährdete Bauwerke.
Die Unternehmensgruppe fischer führte aktuell gemeinsam mit einer ihrer Partneruniverstitäten, der Purdue University in den USA, ein Forschungsprojekt durch. In Großversuchen an Stahlbeton-Konstruktionen in Originalgröße wurde unter anderem das Verhalten von Träger-Stützen-Verbindungen untersucht, die unter seismischer Einwirkung zu den besonders beanspruchten Bereichen zählen, und eine innovative Lösung zur nachträglichen seismischen Bauwerksverstärkung verifiziert. „Auf diese Knotenpunkte in Tragwerken wirken bei der horizontalen Belastung während eines Erdbebens besonders hohe Spannungen und große Kräfte ein“, sagt Dr. Margaritis Tonidis, ehemaliger Doktorand an der Purdue University und leitender Projektingenieur für das Projekt. Jene Knoten sind kritische Stellen im Tragwerk: Versagen sie, kann das gesamte System einstürzen.
Neue Verstärkungslösung für Rahmenknoten
Sichere Nachrüstung kritischer Tragwerksknoten: Auf Basis der Erdbeben-Großversuche entwickelten fischer und die Purdue University gemeinsam eine neue Technik zur seismischen Nachrüstung bestehender Stahlbetonkonstruktionen unter Einsatz eines fischer Injektionssystems.
Erfolgreich getestet wurde ein System aus Verbundankern und Voutenelementen zur nachträglichen Verstärkung von Rahmenknoten, bei dem ein fischer Injektionsmörtel mit Gewindestangen Einsatz fand. Das Verbunddübelsystem verformt sich unter Last kaum und kann dabei hohe Kräfte aufnehmen und in den Beton ableiten, was wesentlich für den Erfolg dieser Verstärkungslösung ist. Ergebnis ist ein kontrolliertes Tragverhalten auch bei Erdbeben. Die Verstärkungslösung modifiziert den Kraftfluss zwischen Träger und Stütze. Lasteinwirkungen werden aus dem Knotenbereich in angrenzende Bauteile abgeleitet. Definierte Versagensmechanismen vermeiden, dass das System vollständig kollabiert. „Selbst bei hohen seismischen Anforderungen erwies sich der Injektionsmörtel als zuverlässige Klebeverbindung für nachträgliche Verstärkungen und führte in den Tests zu bahnbrechenden Ergebnissen“, unterstreicht Prof. Akanshu Sharma, Außerordentlicher Professor an der Purdue Universität und ehemaliger Stiftungsprofessor am Institut für Werkstoffe der Universität Stuttgart. „Wir konnten eine verbesserte Leistung der verstärkten Struktur unter seismischer Belastung nachweisen.“ Ohne die Verstärkung wies das Tragwerkssystem im Vergleichstest erhebliche Schäden an den Träger-Stützen-Verbindungen auf, während die mit dem fischer System verstärkte Konstruktion eine überlegene Leistung zeigte. „Das fischer Verbundankersystem kann auch während der Nutzung des Gebäudes installiert werden, ohne größere Unterbrechungen zu verursachen“, ergänzt Prof. Sharma.
„Das Projekt war eine großartige und einzigartige Gelegenheit, die Ergebnisse und Konzepte, die wir in unseren früheren Forschungen gewonnen haben, unter realistischen Bedingungen zu überprüfen und zu testen“, betont Dr. Erik Johannes Stehle, Head of Developement FiXperience bei fischer. „Dabei zeigte sich erneut: Der Erfolg einer solchen seismischen Verstärkungslösung hängt in hohem Maße von der Leistung der Verankerung ab – hier konnte das Verbundankersystem sowohl auf struktureller Ebene als auch innerhalb der Träger-Stützen-Verbindungen mit hoher Steifigkeit und geringen Verformungen bei hohen Lastniveaus überzeugen.“
Internationale Forschungskooperationen als Innovationstreiber
Dr. Erik Stehle betont: „Wir brauchen internationale Forschungskooperationen. Im Austausch miteinander erhalten wir Anregungen, Ideen und Impulse für neue Innovationen – und stärken unsere Position als globaler Innovator.“ Prof. Sharma unterstreicht ebenfalls den Wert der internationalen Zusammenarbeit von Wissenschaft und Unternehmertum: „An der Purdue University sind wir sehr stolz darauf, bereits mehrere bahnbrechende Forschungsprojekte mit der Unternehmensgruppe fischer durchgeführt zu haben – darunter die weltweit erste seismische Prüfung von Strukturen in Originalgröße mit einer nachträglichen Verstärkungslösung für Rahmenknoten mit Voutenelementen.“
Die erfolgreiche wissenschaftliche Validierung wird nun in die praktische Anwendung im Gebäudebestand überführt. Die Ergebnisse machen Hoffnung: Sie zeigen, dass es realistische, bezahlbare Wege gibt, ältere Gebäude widerstandsfähiger zu machen – und damit im Falle eines Erdbebens Menschenleben und Infrastruktur zu retten.