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An einem sonnigen Morgen im letzten Monat erschütterte ein Erdbeben den Nordosten von San Diego. Minuten später kam es erneut zu einem Erdbeben, das ein zehnstöckiges Holzgebäude ins Wanken brachte.

Die Beben wurden jedoch von einem Computer ausgelöst und die Erschütterungen beschränkten sich auf eine 1.000 Quadratmeter große Plattform, auf der das Gebäude – ein Testmodell in Originalgröße – stand.

Die Struktur ist die höchste, die jemals simulierten Erdbeben auf dem weltgrößten Hochleistungs-„Rütteltisch“ ausgesetzt war, der die Stahlplattform mithilfe hydraulischer Aktuatoren um sechs Grad bewegt, um die seismische Kraft nachzubilden. Die Rütteltischversuche an einer Einrichtung der University of California in San Diego sind Teil des TallWood-Projekts, einer Initiative zum Testen der seismischen Widerstandsfähigkeit von Hochhäusern aus Massivholz.

Massivholz ist ein technischer Holzbaustoff und erfreut sich zunehmender Beliebtheit als nachhaltigere Alternative zu kohlenstoffintensivem Beton und Stahl.

Das Modell wurde während des 3,7-Millionen-Dollar-Experiments bereits mehr als 100 seismischen Ereignissen ausgesetzt und wird bis zum Ende des Testzeitraums im August weiteren Erdbeben ausgesetzt sein.

„Man setzt ein Gebäude so vielen Beben aus, wie es es niemals erleben wird, wenn es nicht 5.000 Jahre lang existiert“, sagt Thomas Robinson, Gründungsdirektor von Lever Architecture, einem Unternehmen aus Portland, Oregon, das beim Entwurf der TallWood-Struktur mitgewirkt hat.

Jüngste Änderungen der Bauvorschriften in den USA erlauben Gebäude aus Massivholz mit einer Höhe von bis zu 18 Stockwerken. Bisher ist jedoch nicht bekannt, wie sich solche Hochhäuser in erdbebengefährdeten Gebieten der Welt wie Kalifornien entwickeln würden.

Am ersten Testtag im Mai geht die Vorfreude durch eine Schar von Architekten, Ingenieuren und Forschern mit Schutzhelmen, die sich in sicherem Abstand zum Gebäude versammeln, das auf dem Rütteltisch steht wie eine dekonstruierte Rakete, die zum Abheben bereit ist. Eine Reihe von Videokameras ist auf das Bauwerk gerichtet und eine Drohne surrt über ihnen.

Die ersten drei Stockwerke des 112 Fuß hohen Gebäudes sind mit silbernen und orangefarbenen Paneelen verkleidet, die Glasfenster einrahmen. Der Rest des Gebäudes befindet sich im Freien, wobei jede Etage über vier „Schaukelwände“ verfügt, die so konstruiert sind, dass strukturelle Schäden durch Erdbeben minimiert werden. Die Ingenieure bauten außerdem Innenwände und Treppen, die starken Erschütterungen standhalten sollten, und installierten im gesamten Gebäude Sensoren.

Zwei fünfstöckige, rostfarbene „Schutztürme“ aus Metall flankieren das Gebäude auf einer Seite und Kabel halten es auf der gegenüberliegenden Seite am Boden fest, um seinen Fall abzufangen, falls das Bauwerk während der Tests einstürzt.

Heute Morgen haben Ingenieure den Schütteltisch so programmiert, dass er zwei verheerende Erdbeben reproduziert. Das erste ist das Northridge-Beben der Stärke 6,7, das 1994 Los Angeles erschütterte und innerhalb von 20 Sekunden Schäden in Höhe von mehr als 40 Milliarden US-Dollar verursachte, da Gebäude und Autobahnen einstürzten und 60 Menschen starben. Mehr als 2.400 Menschen kamen bei der zweiten Katastrophe ums Leben, dem Chi-Chi-Beben der Stärke 7,7, das Taiwan 1999 erschütterte und Hochhäuser aus Beton und Stahl zum Einsturz brachte.

Lautsprecher übertrugen den Countdown bis zum ersten Beben: „Northridge. 3D-Bewegung. Northridge 3D-Bewegung. Fünf, vier, drei, zwei, eins.“ Während der einminütigen Simulation beginnt das Gebäude hin und her zu schwanken, knarrt und ächzt. Applaus bricht aus, als die Missionskontrolle „Northridge abgeschlossen“ verkündet und das Gebäude zur Ruhe kommt.

Sechs Minuten später beginnt ein weiterer Countdown. Die weitaus leistungsstärkere Chi-Chi-Bebensimulation erschüttert das Gebäude von einer Seite zur anderen und hin und her. Die Tests dauern eine Minute, doppelt so lange wie das eigentliche Beben, das 100.000 Menschen obdachlos machte, und gelten als das stärkste Beben, das Taiwan im 20. Jahrhundert heimgesucht hat. Es ist die Art von katastrophalem Beben, die die Kalifornier „das Große“ nennen.

Nach einer halben Stunde halten die Inspektoren den Zutritt zum Gebäude für sicher. Im dritten Stock untersucht Shiling Pei, der Hauptforscher des TallWood-Projekts, die Wände und den Boden. „Das sind genau die Ergebnisse, die wir suchen, nämlich keine strukturellen Schäden“, sagt Pei, außerordentlicher Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen an der Colorado School of Mines. „Das bedeutet, dass das Gebäude schnell wieder bezogen werden könnte.“

Das Vermeiden kostspieliger baulicher Reparaturen und die schnelle Wiederinbetriebnahme von Gebäuden vermindern die wirtschaftlichen und sozialen Auswirkungen eines Erdbebens, so Robinson, der feststellte, dass die Außenwände des TallWood-Gebäudes trotz der heftigen Erschütterungen in ihrer Ausrichtung blieben. „Normalerweise entsteht gerade dort, wo die Ecken zusammentreffen, großer Schaden“, sagt er.

Laut Pei ist auch die Tatsache von Bedeutung, dass die Auswirkungen auf nichttragende Teile des Gebäudes, wie Treppenhäuser und Fassaden, minimal waren. „Sie sehen, dass sich das nichtstrukturelle System ein wenig geöffnet hat“, sagt er und zeigt auf eine Innenwand. „Aber die Reparatur wird nicht so kostspielig sein, sondern nur das Ausbessern der Trockenbauwände.“

Die Forscher testen vier verschiedene Gebäudefassadenanordnungen. Drei davon sind mit Trockenbauwänden verkleidete Stahlrahmen mit Aluminium-Verbundplatten als Außenabschluss, die jeweils auf unterschiedliche Weise am Gebäude befestigt sind. Die vierte Fassade ist eine Glasfassade. Bei den seismischen Tests sprang eines der Aluminiumpaneele heraus, die Fassaden blieben jedoch alle am Gebäude befestigt.

Die Fähigkeit des TallWood-Gebäudes, aufeinanderfolgenden simulierten Erdbeben standzuhalten, zeugt von der natürlichen Flexibilität der Holzkonstruktion und den architektonischen Systemen, die die Struktur verstärken sollen, wie etwa die Schaukelwände. Die Nord-Süd-Schaukelwände bestehen aus massiven Sperrholzplatten aus Fichte, Kiefer und Tanne, während die Ost-West-Wände aus Brettsperrholz aus Douglasie bestehen. Stahlstangen verankern die Wände am Fundament. Bei einem Erdbeben schaukeln die Wände hin und her, um seismische Energie abzuleiten, und wenn die Erschütterungen aufhören, ziehen die Stahlstangen das Gebäude wieder in die Mitte.

Ein Großteil des Massivholzes in der Struktur stammte von Baumplantagen der Boise Cascade Co. in Oregon. „Angesichts der jüngsten Änderungen der Bauvorschriften sehen wir dies als einen großartigen Markt“, sagt Daniel Cheney, technischer Leiter des Holzproduktunternehmens. „Bis dahin war es bei Gewerbebauten noch Beton. Jetzt gibt es viel mehr Möglichkeiten.“

Erwarten Sie einfach nicht, superhohe Massivholzgebäude zu sehen. Pei und Robinson sagen, dass einer Massivholzkonstruktion oberhalb von 18 Stockwerken die Steifigkeit fehlt, um den Winden standzuhalten, die hohe Türme erschüttern.

TallWood (offiziell das „Natural Hazards Engineering Research Infrastructure TallWood Project“) wird von einem Konsortium von Universitäten betrieben und erhält Mittel von der National Science Foundation und dem US Forest Service sowie privaten Unternehmen der Bauindustrie.

Nach Abschluss der Erdbebenversuche wird die Struktur abgebaut und Teile davon für den Bau weiterer Testgebäude recycelt. Die Forscher gehen davon aus, dass die Ergebnisse der Erschütterungstests den Bau weiterer Hochhäuser aus Holzmassivbau vorantreiben werden, indem sie Architekten, Bauherren und Regierungsbeamten von deren Haltbarkeit überzeugen.

„Ich denke, Massivholz ist eine großartige Lösung für Nachhaltigkeit und Wirtschaft“, sagt Keri Ryan, Ingenieurprofessorin an der University of Nevada, Reno, die das Team leitete, das die nichttragenden Teile des TallWood-Gebäudes entwickelte. „Ich hoffe also, dass dies wirklich dazu beiträgt, die Menschen davon zu begeistern, dass wir ein widerstandsfähiges Massivholzsystem haben, das funktioniert.“

Erdbeben / Holzgebäude / TallWood