NHERI untersucht die Widerstandsfähigkeit von hohen Holzgebäuden durch Erdbebensimulatortests

Hausbau

Bild:Darstellung der Baustelle für das TallWood-Projekt Natural Hazards Engineering Research Infrastructure (NHERI) / LEVER Architecture

Das TallWood-Projekt der Natural Hazards Engineering Research Infrastructure (NHERI), an dem Ingenieurforscher der Colorado State University (CSU) eine entscheidende Rolle spielen, zielt darauf ab, die Widerstandsfähigkeit von hohen Holzgebäuden zu untersuchen, indem eine Reihe großer Erdbeben in großem Maßstab simuliert wird. In diesem Frühjahr wird ein 10-stöckiges Gebäude aus massivem Holz gebaut – das weltweit höchste Gebäude in Originalgröße, das jemals auf einem Erdbebensimulator oder Schütteltisch getestet wurde. Das Forschungsprojekt wird von der US National Science Foundation finanziert.

John van de Lindt, Professor am Fachbereich Bauingenieurwesen und Experte für seismische Analyse und Widerstandsfähigkeit, arbeitet an dem Projekt mit einem langjährigen Kollegen und ehemaligen Studenten, Shiling Pei.

Während des gesamten Projekts werden van de Lindt und seine CSU-Studenten dabei helfen, den am Gebäude entstandenen Schaden aus Sicht der Widerstandsfähigkeit zu bewerten und abzuschätzen, wie lange es dauern würde, bis das Gebäude nach einem Erdbeben wieder seine normale Funktion erfüllt. Der Fachbegriff lautet „funktionale Wiederherstellung“ und ist wahrscheinlich die Zukunft der strukturellen Designvorschriften in den Vereinigten Staaten, sagte van de Lindt.

Das Team entwarf ein 10 Stockwerke hohes seitliches Schaukelwandsystem aus Massivholz, das für Regionen mit hoher Erdbebengefahr geeignet ist. Dieses neue System zielt auf eine belastbare Leistung ab, was bedeutet, dass das Gebäude nur minimale Schäden durch Erdbeben auf Auslegungsniveau erleidet und nach seltenen Erdbeben schnell repariert werden kann.

Das Schaukelwandsystem besteht laut Pei aus einer Wandplatte aus massivem Holz, die mithilfe von Stahlkabeln oder -stangen mit großen Spannkräften im Boden verankert wird. „Wenn die hölzernen Wandpaneele seitlichen Kräften ausgesetzt werden, schaukeln sie hin und her – was die Erdbebenauswirkungen verringert – und dann ziehen die Stahlstangen das Gebäude wieder in die Lotlinie, sobald das Erdbeben vorüber ist“, sagte er.

Aufgrund dieser seismischen Bewegung, die durch das Schaukelsystem hervorgerufen wird, stehen widerstandsfähigkeitskritische nichttragende Komponenten innerhalb und über dem Gebäude, wie z. B. die Außenfassade, Innenwände und Treppen, vor einer großen Herausforderung.

Das Projektteam konzentrierte sich auf sicherheitskritische nichttragende Komponenten, die sich über Stockwerke erstrecken und daher der relativen Bewegung zwischen den Stockwerken ausgesetzt sind. Das Gebäude verfügt über vier Außenfassaden, mehrere Innenwände und einen zehnstöckigen Treppenturm. Die Außenhülle muss das Gebäude vor extremen Temperaturen und Wetterereignissen schützen, während die Treppen funktionsfähig bleiben müssen, um den Bewohnern einen sicheren Ausgang und den Ersthelfern den kontinuierlichen Zugang zu allen Etagen des Gebäudes zu ermöglichen.

Die Tests sollen im Mai auf dem weltweit einzigen Outdoor-Schütteltisch beginnen. Der Erdbebensimulator befindet sich im Englekirk Structural Engineering Center der University of California in San Diego und ist Teil der NSF-Forschungsinfrastruktur für Naturgefahrentechnik. Er wurde kürzlich durch NSF-Förderung auf sechs Freiheitsgrade aufgerüstet, um die vollständigen 3D-Bodenbewegungen zu reproduzieren während eines Erdbebens auftreten. Es ist jetzt auch in der Lage, Nutzlasten von bis zu 2.000 Tonnen oder mehr als 4 Millionen Pfund zu testen.

Bei den Tests werden Erdbebenbewegungen simuliert, die bei früheren Erdbeben aufgezeichnet wurden und einen Bereich von Erdbebenstärken auf der Richterskala abdecken, von Magnitude 4 bis Magnitude 8. Dies wird durch die Beschleunigung des Tisches auf mindestens 1 g erreicht, wodurch die Oberseite des Gebäudes auf etwa 50 g beschleunigt werden könnte bis zu 3 g.