Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Erdbebensichere Gebäude - Neuartige Momentenverbinder für unzerstörbare Hochbauten

04.07.2017

Weltweit erschüttern immer wieder schwere Erdbeben ganze Landstriche. Mehr als zwei Milliarden Menschen leben in gefährdeten Gebieten. Viele von ihnen bewohnen Häuser, die nicht erdbebensicher sind. Gemeinsam mit Industriepartnern entwickeln Forscher des Fraunhofer-Instituts für Holz- forschung WKI Baumaterialien, die Gebäude bei Naturkatastrophen vor dem Einsturz schützen.

Dass es bei Erdbeben immer wieder zu vielen Todesopfern kommt, führen Experten auf mangelnde Vorsichtsmaßnahmen, vor allem aber auf die Bauweise der Häuser und nicht eingehaltene Standards zurück. In den Risikogebieten wird oftmals nicht erdbebensicher gebaut.


© Foto Fraunhofer WKI

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

Dieser Aufgabe widmet sich das Zentrum für leichte und umweltgerechte Bauten des Fraunhofer-Instituts für Holzforschung, Wilhelm-Klauditz-Institut WKI. Gemeinsam mit dem Fachgebiet Organische Baustoffe und Holzwerkstoffe des Instituts für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz der Technischen Universität Braunschweig sowie mit Partnern aus der Wirtschaft, wie der Firma Pitzl Metallbau aus Altheim, entwickeln die Forscher Lösungen für die Baubranche, die Tausende Leben schützen könnten.

Derzeit arbeiten die Ingenieure des Fraunhofer WKI an ultra-hochleistungsfähigen 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.

In zahlreichen Tests wurde das einwandfreie Funktionieren der Momentenverbindungen bestätigt: Unter anderem untersuchten die Forscher mit statischer, zyklischer und dynamischer Krafteinleitung die Art der Beanspruchung; die Lebensdauer der Konstruktion wurde mithilfe 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: Die Bewegungsenergie wandelt sich in Reibungsenergie um. Dadurch stürzen Gebäude 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 hat selbst nach starken Erdbeben wieder die gleichen Eigenschaften 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 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 können 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, sodass sich die Gesamtkonstruktion kostengünstiger fertigen lässt.

Kontakt

Simone Peist

Fraunhofer-Institut für Holzforschung - Wilhelm-Klauditz-Institut WKI
Bienroder Weg 54E
38108 Braunschweig

Telefon +49 531 2155-208

Fax +49 531 2155-200

Simone Peist | Fraunhofer-Institut für Holzforschung - Wilhelm-Klauditz-Institut WKI
Weitere Informationen:
https://www.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/2017/juli/erdbebensichere-gebaeude1.html

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Geowissenschaften:

nachricht Der Salzwasser-Wächter auf der Darßer Schwelle
19.09.2017 | Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde

nachricht Zeppelin, Drohnen und Forschungsschiffe untersuchen Wattenmeer und Elbe
19.09.2017 | Helmholtz-Zentrum Geesthacht - Zentrum für Material- und Küstenforschung

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Geowissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...

Im Focus: Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern

Mit Hilfe ultrakurzer Laser- und Röntgenblitze haben Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (Garching bei München) Schnappschüsse der bislang kürzesten Bewegung von Elektronen in Festkörpern gemacht. Die Bewegung hielt 750 Attosekunden lang an, bevor sie abklang. Damit stellten die Wissenschaftler einen neuen Rekord auf, ultrakurze Prozesse innerhalb von Festkörpern aufzuzeichnen.

Wenn Röntgenstrahlen auf Festkörpermaterialien oder große Moleküle treffen, wird ein Elektron von seinem angestammten Platz in der Nähe des Atomkerns...

Im Focus: Ultrafast snapshots of relaxing electrons in solids

Using ultrafast flashes of laser and x-ray radiation, scientists at the Max Planck Institute of Quantum Optics (Garching, Germany) took snapshots of the briefest electron motion inside a solid material to date. The electron motion lasted only 750 billionths of the billionth of a second before it fainted, setting a new record of human capability to capture ultrafast processes inside solids!

When x-rays shine onto solid materials or large molecules, an electron is pushed away from its original place near the nucleus of the atom, leaving a hole...

Im Focus: Quantensensoren entschlüsseln magnetische Ordnung in neuartigem Halbleitermaterial

Physiker konnte erstmals eine spiralförmige magnetische Ordnung in einem multiferroischen Material abbilden. Diese gelten als vielversprechende Kandidaten für zukünftige Datenspeicher. Der Nachweis gelang den Forschern mit selbst entwickelten Quantensensoren, die elektromagnetische Felder im Nanometerbereich analysieren können und an der Universität Basel entwickelt wurden. Die Ergebnisse von Wissenschaftlern des Departements Physik und des Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel sowie der Universität Montpellier und Forschern der Universität Paris-Saclay wurden in der Zeitschrift «Nature» veröffentlicht.

Multiferroika sind Materialien, die gleichzeitig auf elektrische wie auch auf magnetische Felder reagieren. Die beiden Eigenschaften kommen für gewöhnlich...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

»Laser in Composites Symposium« in Aachen – von der Wissenschaft in die Anwendung

19.09.2017 | Veranstaltungen

Biowissenschaftler tauschen neue Erkenntnisse über molekulare Gen-Schalter aus

19.09.2017 | Veranstaltungen

Zwei Grad wärmer – und dann?

19.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

»Laser in Composites Symposium« in Aachen – von der Wissenschaft in die Anwendung

19.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Zentraler Schalter der Immunabwehr gefunden

19.09.2017 | Biowissenschaften Chemie

Neue Materialchemie für Hochleistungsbatterien

19.09.2017 | Biowissenschaften Chemie