Universität von Buffalo bereitet sich auf den bisher größten Erdbebentest eines gemauerten Gebäudes in den USA vor

Gebäude aus unverstärktem Mauerwerk (UVM) gibt es überall. Wohnhäuser, Geschäfte, Schulen, Feuerwehren und andere kritische Infrastrukturen sind in der Regel in UVM-Gebäuden untergebracht. Diese Gebäude sind für ihre seismische Anfälligkeit bekannt.

Ein neues Projekt der Universität von Buffalo, USA, könnte diese kritischen Strukturen erdbebensicherer machen und gleichzeitig Bildungsmöglichkeiten für junge Erwachsene schaffen.

„UVM-Gebäude haben ein einzigartiges Erscheinungsbild, aber abgesehen von der Ästhetik sind sie gut in Bezug auf Energieeffizienz, Haltbarkeit und Verhalten bei Feuer und Wind/Sturm“, sagt Andreas Stavridis, außerordentlicher Professor für Bauingenieurwesen und stellvertretender Direktor des Structural and Earthquake Engineering Simulation Laboratory (SEESL). „Bei Erdbeben schneiden sie jedoch nicht gut ab. In jeder Stadt, die ich nach einem verheerenden Erdbeben in Europa, Asien und Lateinamerika besucht habe, sind Gebäude mit UVM am stärksten beschädigt worden.“

Stavridis, der dieses vom National Institute of Standards and Technology (NIST) finanzierte Projekt leitet, arbeitet mit Kallol Sett und Michel Bruneau zusammen, die beide Mitglieder der Fakultät für Bauingenieurwesen sind. Ziel der Forscher ist es laut Stavridis, die Widerstandsfähigkeit bestehender UVM-Gebäude zu verbessern.

„Wir wollen die Leistung bestehender Gebäude mit UVM bei extremen Belastungen, wie Erdbeben, verbessern. Außerdem wollen wir ihre Widerstandsfähigkeit verbessern, d. h. wir wollen sicherstellen, dass sie sich nach solchen Ereignissen in angemessener Zeit mit minimalen Eingriffen und Kosten erholen und wieder funktionieren“, so Stavridis.

Diese Bauweise wurde in Kalifornien nach den Schäden des Erdbebens von Long Beach 1933 verboten, aber in Kalifornien und in weiten Teilen anderer US-Städte gibt es noch viele Gebäude mit UVM. Viele davon beherbergen nicht nur wichtige kommunale Infrastrukturen, sondern haben auch eine historische Bedeutung. Die Forschungsgruppe will für diese Gebäude einen Rahmen für die Entwicklung zuverlässiger und kosteneffektiver Nachrüstungsmethoden entwickeln.

Die Forscher gehen davon aus, dass die Ergebnisse dieses Projekts direkten Einfluss auf die Norm 41 der American Society of Civil Engineers (ASCE) mit dem Titel Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings haben werden. Diese Norm verwendet verschiedene leistungsbasierte Methoden zur Bewertung und Verbesserung bzw. Nachrüstung der Widerstandsfähigkeit bestehender Gebäude bei Erdbeben. Das Forschungsteam der UB hat Erfahrung in der Mitarbeit an ASCE-Normen und -Standards und arbeitet mit einem landesweiten Gremium von Fachingenieuren zusammen, die über umfangreiche Erfahrungen mit UVM verfügen.

„Unsere Haupttätigkeit ist die Bewertung und Nachrüstung - die Diagnose von Materialien und Bautypologie bestehender Gebäude und die Planung von Reparaturen und Verstärkungsmaßnahmen“, sagt Michael Schuller, Statiker und Präsident von Atkinson-Noland & Associates Inc. (ANA), einem der Mitglieder der Beratungsgruppe. „Wir arbeiten seit 1975 in den Vereinigten Staaten und auf der ganzen Welt an Mauerwerksbauten“.

Als Mitglied der Beratungsgruppe des Projekts tragen Schuller und ANA dazu bei, allgemeine Probleme im Zusammenhang mit dem Verhalten von Gebäuden mit UVM bei Erdbeben zu definieren und geben Ratschläge zu den Arten von Ziegeln und Mörtel sowie anderen Baumaterialien, die in erdbebengefährdeten Gebieten zu finden sind. Laut Schuller wird diese Arbeit den Wissensstand verbessern und bessere Methoden zur Analyse und Vorhersage des Erdbebenverhaltens entwickeln.

„Letztendlich wird dies zu einer Verbesserung der Lebenssicherheit und der Kosten für Gebäudenutzer und Eigentümer führen“, so Schuller.

Größtes jemals in den USA getestetes Bauwerk seiner Art

Bevor die Forscher jedoch Empfehlungen für Vorschriften oder Normen aussprechen können, müssen sie ein Exemplar in Originalgröße testen. In den letzten drei Jahren hat ein Team aus Studenten und Ausbildern des Job Corps des US-Arbeitsministeriums mehrere Wände aus UVM gebaut und getestet. Das Team nutzte die Ergebnisse dieser Tests, um die aktuelle Mauerwerksstruktur zu entwerfen. Greg Congdon ist einer von drei Doktoranden, die an dem Projekt arbeiten, und die aktuelle Phase seiner Forschung konzentriert sich auf die Tests auf dem Schütteltisch in Originalgröße. Laut Congdon könnten die Auswirkungen dieses Tests und seiner Forschung weit über diese Ergebnisse hinausgehen.

„Dies ist die größte Struktur ihrer Art, die jemals in den USA auf einem Schütteltisch getestet wurde“, sagt Congdon. „Ich werde die Ergebnisse dieses Tests nutzen, um die derzeitige technische Praxis zu bewerten und die Entwicklung meiner mathematischen Modelle zu unterstützen. Ich möchte diese Modelle nutzen, um meine Studie über die Teststruktur hinaus auf mehr als nur ein paar Typen und Grundrisse von Gebäuden mit UVM auszuweiten.“

Laut Stavridis ist das SEESL der UB einer der wenigen Räume im Land, in denen ein solcher Test durchgeführt werden kann.

„Es ist ziemlich komplex und teuer, Strukturen dieser Größe zu testen. Wir haben nicht viele Gelegenheiten, solche Strukturen zu testen, daher hat es eine Weile gedauert, bis wir bereit waren. Nur sehr wenige Labore in den USA können einen solchen Test durchführen“, sagt Stavridis. „Forscher konzentrieren sich in der Regel darauf, die Richtlinien für Neubauten zu verbessern. Wir vernachlässigen bestehende Gebäude. Alte Gebäude sind eine größere Herausforderung“.

Der Bau des Prüfkörpers begann im Januar. Um das Projekt zu unterstützen, wandte sich Stavridis an Job Corps, das größte kostenlose Bildungs- und Berufsausbildungsprogramm für junge Erwachsene zwischen 16 und 24 Jahren. Laut Robert Kelichner, Ausbilder für das Maurerhandwerk am Iroquois Job Corps Center in Medina, der an dem Projekt mitarbeitet, vermittelt das Programm den Schülern gefragte Fähigkeiten.

„Iroquois Job Corps bietet eine College-ähnliche Atmosphäre, in der die Schüler die Möglichkeit haben, ihren High-School-Abschluss oder ihren GED zu machen oder direkt in den Handwerksberufen und anderen Programmen zu arbeiten, die im Zentrum angeboten werden“, sagt Kelichner. „Viele junge Erwachsene kommen aus nicht so guten Verhältnissen, für die Job Corps ein Ausweg ist und ein Ort, an dem sie sich auf ein Programm konzentrieren können. Wenn sie das Programm abschließen, haben sie die besten Voraussetzungen für eine bessere und wohlhabendere Zukunft.“

SEESL hat eine Partnerschaft mit Job Corps aufgebaut, die es den Studenten des Programms ermöglicht, praktische Erfahrungen beim Bau der Teststrukturen zu sammeln. Die Studenten arbeiten mit professionellen Ingenieuren, Doktoranden und anderen Forschern zusammen, und für dieses Projekt speziell mit Auszubildenden der Maurergewerkschaft Local 3 in Buffalo; die Vereinbarung hilft dem Labor, Strukturen schneller zu bauen. Die Job-Corps-Studenten erlernen die notwendigen Fähigkeiten, um in der Baubranche erfolgreich zu sein, und erfahren mehr über die Hochschulbildung.

„Es dauert eine Weile, bis sie verstehen, was dieser Beruf wirklich ist“, sagt Kelichner. „Das zeigt ihnen, wie sich das Maurerhandwerk in den nächsten 10 - 15 Jahren verändern kann, denn alles ist ständig in Bewegung. Ich sehe bei unseren Schülern eine große Neugierde und Lernbereitschaft. Sie können zu Vorbildern für diejenigen werden, mit denen sie täglich zu tun haben, oder für jüngere Geschwister, die vielleicht zu ihnen aufschauen.“

Diese Studenten erhalten auch einen Einblick in die Forschung im Bauwesen. Während ihres Besuchs auf dem Campus stellte Stavridis ihnen frühere Forschungsprojekte vor und sprach über die Herausforderungen, denen sich Ingenieure bei der Arbeit an älteren Gebäuden gegenübersehen.

Neue Einsichten gewinnen

Die Tests haben am 13. März begonnen. Laut Stavridis werden die Ergebnisse eine ziemlich große Lücke füllen: „Wir wollen die gängigen Verstärkungsmethoden bewerten. Zum ersten Mal werden diese Methoden auf einem Ge‑
bäudeerschütterungstisch unter dreidimensionalen dynamischen Lasten getestet. Wir werden über 160 Sensoren an der Struktur anbringen, um so viel wie möglich über ihr Verhalten zu erfahren. Während der Tests können wir das Bauwerk unterbrechen und reparieren, um die Kosten und die Wirksamkeit der Reparaturstrategien zu bewerten. Falls erforderlich, werden wir im nächsten Jahr eine zweite Struktur testen, um Alternativen vorzuschlagen und zu bewerten.“

Stavridis ist Mitglied des ASCE 41-Ausschusses für Mauerwerk, und der derzeitige und der frühere Vorsitzende des Ausschusses sind Mitglieder des beratenden Industrieausschusses für dieses Projekt. Sobald die Tests abgeschlossen und die Daten analysiert sind, könnte die Vertrautheit des Teams und seine Rolle in diesen verschiedenen Ausschüssen einen Weg für die direkte Umsetzung bieten. Wenn die Ergebnisse neue Wege zur Verbesserung von Gebäuden mit UVM und ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber Erdbeben unterstützen, könnten die Auswirkungen laut Stavridis erheblich sein: „Dies kann ein Maß für die Sicherheit bereits nachgerüsteter Strukturen liefern und die Richtlinien und die technische Praxis für zukünftige Nachrüstungen verbessern.“

Aktuelle Informationen zum Projekt finden Sie auf der Website des Projekts.