Erdbebensichere (Holz-)Gebäude dank hochleistungsfähiger Momentenverbindungen

(29.9.2017) Mehr als zwei Milliarden Menschen leben in erdbebengefährdeten Gebieten, und viele von ihnen bewohnen Häuser, die alles andere als erdbebensicher sind. Vor diesem Hintergrund entwickeln Forscher des Fraunhofer-Instituts für Holzforschung, Wilhelm-Klauditz-Institut (WKI) gemeinsam mit Industriepartnern  Baumaterialien und Bauweisen, die Gebäude bei Naturkatastrophen vor dem Einsturz schützen.

Immer noch wird in vielen Risikogebieten nicht unbedingt erdbebensicher gebaut. Daran will das Zentrum für leichte und umweltgerechte Bauten des Fraunhofer WKI etwas ändern. Gemeinsam mit dem Fachgebiet Organische Baustoffe und Holzwerkstoffe des Instituts für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz der TU Braunschweig sowie mit Partnern aus der Wirtschaft, wie der Firma Pitzl Metallbau aus Altheim, entwickeln die Forscher Systeme und Konzepte, die tausende Leben schützen könnten.

Aktuell arbeiten die Forscher und Ingenieure an ultrahochleistungsfähigen Momentenverbindungen, die auch hohe Bauten erdbebensicher machen. Diese sensorkontrollierten Verbindungen aus Stahl bringen eine hohe Steifigkeit mit und sind gleichzeitig elastisch genug, um ein Haus bei schweren Erschütterungen zusammenzuhalten:

Die sensorkontrollierten Verbindungen aus Stahl des Fraunhofer WKI können ein Gebäude bei einem Erdbeben zusammenhalten. (Foto © Fraunhofer WKI)

In zahlreichen Tests wurde das einwandfreie Funktionieren der Momentenverbindungen bereits bestätigt: Unter anderem untersuchten die Forscher mit statischer, zyklischer und dynamischer Krafteinleitung die Art der Beanspruchung; die Lebensdauer der Konstruktion wurde mit Hilfe von Umweltsimulationstests geprüft. Das Vorhaben basiert auf dem erfolgreichen EU-Projekt SERIES, in dem erdbebensichere Rahmen unter dynamischen Lasten untersucht wurden.

Häuser schwingen, stürzen aber nicht ein

Der Momentenverbinder mit Erdbebenschutz ist für Gebäude in Pfosten-Riegel-Bauweise konzipiert und verbindet den waagerechten Balken beziehungsweise Riegel mit dem senkrechten Pfosten. Bei Beanspruchungen durch Wind und schwache Beben müssen die Verbindungen steif genug sein, um Verformungen gering zu halten. Bei starken Erdbeben sind weiche Verbindungen notwendig. Werden Verformungen ermöglicht, können sich keine kritischen Spannungen aufbauen - das Gebäude schwingt zwar, kollabiert aber nicht.

Die Verbinder gleiten bei einem Erdbeben übereinander. Dadurch wandelt sich die Bewegungsenergie in Reibungsenergie um, und Gebäude stürzen nicht ein. Norbert Rüther, Projektleiter am WKI, erläutert: „Der Trick liegt darin, dass die Kraftübertragung ausschließlich durch Reibung funktioniert. Die einzelnen Teile der Verbinder werden mit großem, definiertem Druck aneinander gepresst. Beim Überschreiten einer bestimmten Belastungsgrenze fangen Teile des Verbinders an zu gleiten“. Dadurch sind Verformungen möglich, ohne dass es zu Materialversagen kommt.

Die Konstruktion soll selbst nach starken Erdbeben wieder die gleichen Eigenschaften haben wie zuvor. Sie kann alle Kräfte aufnehmen, die im mehrgeschossigen Hochbau auftreten. So überstehen die Gebäude auch mehrere Erschütterungen, ohne größere Schäden zu erleiden. Sie reiten gewissermaßen auf Erdbebenwellen. „Alle tragenden, sicherheitsrelevanten Materialien sind nach dem Erdbeben exakt wie vor dem Ereignis“, sagt Rüther.

Die Montage der wartungsfreien Konstruktionen, die im Innern des Gebäudes verbaut werden, ist einfach. Dank der am Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST entwickelten und im Verbinder integrierten Druck- und Temperatursensoren lässt sich nach einem Erdbeben feststellen, welche Beanspruchung vorgelegen hat.

Plädoyer für höhere Gebäude aus Holz

Die am Fraunhofer WKI entwickelten Momentenverbinder sind so konzipiert, dass die Eigenschaften den tatsächlichen Erfordernissen entsprechend eingestellt werden können, etwa durch die Art, wie die Schrauben angebracht und angespannt werden. Zusätzlich kann man die Geometrie des Verbinders auf das Gesamtbauwerk und die verwendeten Materialien abstimmen. Norbert Rüther betont: „Die hochleistungsfähigen Momentenverbindungen sind zu beliebigen Baustoffen und Tragstrukturen wie Beton, Stahl, Ziegel und Holz kompatibel.“ Er plädiert gleichwohl dafür, künftig auch höhere Gebäude aus Holz zu bauen. „Das Material hat eine sehr hohe Festigkeit, ist leicht und dennoch sehr stabil, ideal bei Erdbeben. Seine mechanischen Eigenschaften sind durchaus vergleichbar mit hochfesten Kompositen - bei wesentlich geringeren Materialkosten.“

Die meisten Länder stehen der Holzbauweise bisher eher skeptisch gegenüber und argumentieren mit Brandschutzaspekten. Doch dafür gibt es bereits gute Lösungen. So haben massive Holzelemente mit großen Querschnitten eine hohe Feuerwiderstandsdauer und können selbst über Stunden Brandbeanspruchung noch tragfähig sein.

Die Momentenverbinder liegen derzeit als Prototypen vor und sollen in ein bis zwei Jahren serienreif sein. Aktuell nehmen die Experten planerische Untersuchungen an realen Gebäuden hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit vor. Da alle anderen Bauteile linear-elastisch beansprucht werden, sind keine weiteren Sicherheitsreserven erforderlich, so dass sich die Gesamtkonstruktion kostengünstiger fertigen lässt.