Erdbeben sind natürliche Phänomene, die nicht zu verhindern sind – selbst in unseren Breitengraden: Am 13. April 1992 um 3:20 Uhr erschütterte das Erdbeben von Roermond die Niederlande und Deutschland für 15 Sekunden. Mit einer Stärke von 5,9 auf der Richterskala hatte das Erdbeben in Nordrhein-Westfallen mehr als 30 Verletzte, im Kreis Heinsberg ca. 150 beschädigte Häuser und einen Schadenswert von insgesamt 150 Millionen DM zur Folge.
Prinzipiell ließe sich die Höhe des durch ein Erdbeben angerichteten Schadens durch richtige architektonische Entscheidungen und Anwendung angemessener Präventionsmaßnahmen minimieren. So lassen sich viele Leben schützen und Millionen von Euros an Sachschaden sparen. Eine der effektivsten Maßnahmen zum Schutz von Gebäuden gegen Erdbeben ist das sogenannte Basisisolierungssystem – auch als Seismische Basisisolierung bekannt. Dabei handelt es sich nicht um eine neue Idee aus diesem oder dem letzten Jahrhundert. Vielmehr ist einer der ältesten Funde mit Basisisolierung datiert auf das 6. Jahrhundert v. Chr.: das Mausoleum von Kyros II. im iranischen Pasargadae (vgl. Wikipedia, Kurzlink https://bit.ly/20LNlOH).
Bereits in den Zwanzigerjahren haben die Wissenschaftler und Ingenieure die ersten Schritte in der Forschung gemacht. Heute wird das System in Ländern mit großem Erdbebenrisiko, z. B. in den USA und in Japan, immer mehr eingesetzt. Als Beispiel können Apples Headquarter in Silicon Valley und Sonys Bürogebäude in Tokyo genannt werden. Auch Gebäude, die ursprünglich auf konventionelle Weise gebaut sind, wie die Stadthalle in Los Angeles, werden mit diesem System nachgerüstet.
Funktionsweise der Basisisolierung
Seit mehreren Jahrzehnten sind konventionelle Gebäude so konstruiert, dass diese während des Erdbebens im Takt mit dem Boden schwingen, wobei das Tragwerk zwar beschädigt wird, aber das Gebäude erhalten bleibt. In Deutschland sind die Bauherren verpflichtet, ihre Gebäude in gefährdeten Gebieten nach den in DIN EN 1998-1/ A1 beschriebenen Vorschriften erdbebensicher auszulegen. Diese Vorschriften sind bei älteren Gebäuden nicht beachtet worden. Die Schäden können bei diesen Gebäuden – je nach Stärke des Erdbebens – so groß sein, dass das Gebäude derart stark beschädigt wird, dass es nicht mehr nutzbar ist.
Aber wie wäre es, wenn Gebäude oberhalb des Bodens schweben würden? Genau das ist nämlich das Prinzip der Basisisolation. Dieses System ist in der Lage, die Übertragung der Erdbewegungen auf das Tragwerk des Gebäudes zum größten Teil zu dämpfen bzw. die Erdstöße vom Gebäude zu entkoppeln. Es absorbiert und dämpft die Energie des Erdbebens und lässt das Gebäude hin- und hergleiten, während das Tragwerk weitgehend gerade bleibt.
Die Anforderungen an ein gut funktionierendes Basisisolierungssystem sind:
- Flexibilität
- Dämpfung der Verschiebungen und Beschleunigungen
- Beständigkeit gegen vertikale Lasten
- Steifigkeit bei geringer Beanspruchung (z. B. durch Wind)
Eine gute Beschreibung der Basisisolierung (Base isolation) findet sich auf https://civildigital.com (Kurzlink: https://bit.ly/2Xzyn6F ).
Typen der Basisisolierung
Die nachfolgend skizzierten Arten von Basisisolatoren, auch als seismische Isolatoren bezeichnet, haben sich in der Fachwelt bewährt. Nachlesbar zum Beispiel auf der Seite von
neuseeländischen wissenschaftlichen Bildungsressourcen: www.sciencelearn.org.nz.
- Lead Rubber Bearing (Blei-Gummi-Lager) und High damping bearing (Hochdämpfungslager) Diese Lager bestehen aus dünnen Gummischichten, die durch Stahlplatten gebunden sind. Die Bleikerne dämpfen die Bewegung, indem sie sich verformen und wieder in die ursprüngliche Form zurückgehen. Die Dämpfungswerte sind bei High Damping Bearing höher als beim Lead RubberBearing.
- Roller and Ball Bearing
(Rollen- und Kugellager) Diese Isolatoren ermöglichen eine unabhängige Bewegung des Fundamentes und des Tragwerkes durch erwendung von zylinderförmigen Rollen und Kugeln. - Spring (Federlager)
Federn sind vielleicht die konzeptionell einfachste Art von Isolatoren, die eine Bewegung in alle Richtungen ermöglichen. Die sind in der vertikalen Richtung steifer und in der horizontalen Richtung empfindlicher gegen Frequenzen und dadurch nur beschränkt einsetzbar (z. B. empfindlich gegen Windlasten). - Sliding bearing (Gleitlager)
Die Reibung, die durch die Gleitteile des Lagers entsteht, reduziert die auf das Tragwerk übertragene Energie. Ein A-förmiges Gleitlager (Friction Pendulum bearing) wird oft bevorzugt, weil es im Gegensatz zu flachen Lager (Flat sliding bearing) wieder an seine Ausgangsposition zurückkehren kann. - Sleeved piles (Hülsenpfeiler)
In der Regel werden diese Isolatoren in Verbindung mit anderen Isolatoren verwendet. Im Wesentlichen basiert diese Methode darauf, Pfähle unter das Fundament tief in die Erde zu treiben und damit die seismische Energie durch Verformung zu auszugleichen. - Rocking isolation (Schaukelisolation)
Diese Art von Isolation erlaubt es dem Fundament, wirklich zu schaukeln und kompensiert dadurch die Energie des Erdbebens.
Fazit:
Die Vorteile der unterschiedlichen Methoden der Base Isolation liegen auf der Hand: Das Gebäude kann seismische Belastungen besser aushalten und Verschiebungen des Tragwerks durch ein Erdbeben werden herabgesetzt. Dadurch lassen sich Schäden reduzieren und das Tragwerk wird sicherer. Auch Altbauten können nachträglich mit Basisisolierung ertüchtigt werden. Das hilft auch für die Aufrechthaltung des Tragwerkes und dessen Nutzbarkeit nach einem Erdbeben, trotz Schaden. Das bedeutet zudem, dass die Menschen und deren Eigentum besser geschützt sind.
