Innovation zur erdbebensicheren Nachrüstung

Erdbeben stellen weltweit eine der größten Belastungsproben für Bauwerke dar. Besonders anfällig sind bestehende Gebäude, die vor der Einführung moderner Erdbebennormen errichtet wurden. Viele dieser Konstruktionen sind nur unzureichend auf die Erschütterungen ausgelegt und können unter seismischer Belastung erhebliche Schäden erleiden oder versagen. Wie lassen sich vorhandene Bauwerke nachträglich wirksam gegen Erdbeben ertüchtigen? Dieser Frage widmete sich der Befestigungsspezialist fischer gemeinsam mit der Purdue University (USA) in einem gemeinsamen Forschungsprojekt. In Versuchen an Stahlbetonkonstruktionen im Originalmaßstab wurden neue Möglichkeiten zur seismischen Nachrüstung untersucht und validiert.

Ein dynamisches System mit Risiken

Unser Planet befindet sich in ständiger Bewegung. Jährlich werden weltweit rund 500.000 Erdbeben registriert (Quelle: U.S. Geological Survey (USGS)). Besonders exponiert sind Regionen entlang des Pazifischen Feuerrings, in der Himalaya-Region, im Mittelmeerraum, in Mittelamerika sowie in der Karibik – allesamt Gebiete mit hoher tektonischer Aktivität. Neben natürlichen geologischen Prozessen können auch menschliche Eingriffe wie Öl- und Gasförderung, Fracking, geothermische Bohrungen oder der Bau großer Stauseen seismische Aktivitäten auslösen. Für Planer und Ingenieure bedeutet dies eine komplexe Aufgabenstellung: Nicht nur die Hauptstruktur des Gebäudes muss sicher ausgelegt werden, sondern auch nichttragende Bauteile wie Fassadenelemente, Installationen, abgehängte Decken oder technische Anlagen müssen gegen Erdbebeneinwirkungen geschützt werden. Besonders kritisch bleibt der Gebäudebestand: Zahlreiche Bauwerke wurden errichtet, bevor seismische Normen etabliert wurden, und sind heute potenziell unzureichend geschützt.

Erdbebenforschung im Großmaßstab: fischer und die Purdue University testeten an Originalstrukturen eine neue Lösung zur Verstärkung gefährdeter Stahlbetontragwerke. @fischer

Erdbebengroßversuche im Maßstab 1:1

Im Rahmen der Kooperation führten die Unternehmensgruppe fischer und eine ihrer Partneruniversitäten, die Purdue University in den USA, experimentelle Untersuchungen an Stahlbetontragkonstruktionen in Originalgröße durch. Der Fokus lag auf den Verbindungen zwischen Trägern und Stützen – sogenannten Rahmenknoten –, die bei Erdbeben besonders stark beansprucht werden. Gleichzeitig gelten sie als potenzielle Schwachstellen im Gesamtsystem eines Tragwerks. „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. Versagt ein solcher Knotenpunkt, kann dies den Einsturz des gesamten Systems zur Folge haben

Innovative Verstärkung von kritischen Knotenpunkten

Untersucht wurde ein System aus Verbundankern und Voutenelementen zur nachträglichen Verstärkung von Rahmenknoten. Dabei kam ein Injektionsmörtel der Unternehmensgruppe fischer in Kombination mit Gewindestangen zum Einsatz. 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. Im Vergleich zeigte das unverstärkte System unter seismischer Belastung deutliche Schäden im Bereich der Knotenpunkte, während die verstärkte Variante ein klar verbessertes Tragverhalten aufwies. Ergänzend betont er: „Das fischer Verbundankersystem kann auch während der Nutzung des Gebäudes installiert werden, ohne größere Unterbrechungen zu verursachen.“

Sichere Nachrüstung im Fokus: Auf Basis großskaliger Erdbebentests validierten fischer und die Purdue University ein Verfahren zur Verstärkung kritischer Knoten in Stahlbetonbauwerken. @fischer

Selbst bei hohen seismischen Anforderungen erwies sich der Injektionsmörtel als zuverlässige Klebeverbindung für nachträgliche Verstärkungen und führte in den Tests zu bahnbrechenden Ergebnissen.

Prof. Akanshu Sharma, Außerordentlicher Professor an der Purdue Universität und ehemaliger Stiftungsprofessor am Institut für Werkstoffe der Universität Stuttgart.

Forschung unter realitätsnahen Bedingungen

„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.“

Neuer Halt für Bestandsbauten in erdbebengefährdeten Regionen: In gemeinsamen Großversuchen zeigten fischer und die Purdue University, wie sich bestehende Stahlbetonkonstruktionen gezielt gegen Erdbeben nachrüsten lassen. @fischer

Der Erfolg einer solchen seismischen Verstärkungslösung hängt in hohem Maße von der Leistung der Verankerung ab - hier konnte das Verbundankersystem überzeugen.

Dr. Erik Johannes Stehle, Head of Developement FiXperience bei fischer

Internationale Zusammenarbeit als Innovationsmotor

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 ergänzt: „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.“

Mehr Stabilität, wenn die Erde bebt: In gemeinsamen Großversuchen haben fischer und die Purdue University eine Lösung getestet, mit der sich bestehende Stahlbetonkonstruktionen gezielt für Erdbeben ertüchtigen lassen. @fischer

An der Purdue University sind wir sehr stolz darauf, bereits mehrere bahnbrechende Forschungsprojekte mit der Unternehmensgruppe fischer durchgeführt zu haben.

Prof. Akanshu Sharma

Ausblick: Vom Forschungsergebnis in die Anwendung

Die wissenschaftlich bestätigten Erkenntnisse sollen nun in die praktische Umsetzung im Gebäudebestand überführt werden.
Sie zeigen, dass es realistische und wirtschaftlich umsetzbare Wege gibt, bestehende Gebäude deutlich widerstandsfähiger gegenüber Erdbeben zu machen – und damit im Ernstfall Menschenleben zu schützen und Infrastruktur zu sichern.

Schutz vor Erdbeben