Erdbeben zählen in einigen Weltregionen zu den größten Herausforderungen für die Sicherheit von Bauwerken. Besonders anfällig sind Bestandsgebäude, die vor der Einführung moderner Erdbebennormen errichtet wurden. Der Befestigungsspezialist Fischer hat nun in Großversuchen eine neue Lösung testen lassen, mit der man künftig alte Stahlbau-Rahmenknoten erdbebensicher nachrüsten könnte.
„Auf diese Knotenpunkte in Tragwerken wirken bei der horizontalen Belastung während eines Erdbebens besonders hohe Spannungen und große Kräfte ein“, erläutert der leitende Projekt-Ingenieur Dr. Margaritis Tonidis von der Purdue University (USA), wo die Großversuche im Auftrag von Fischer durchgeführt wurden. Die Stahlbeton-Rahmenknoten sind kritische Stellen im Tragwerk: Versagen sie, kann das gesamte Gebäude einstürzen.
Die nun erfolgreich getestete Lösung zur erdbebensicheren Nachrüstung besteht aus Stahldiagonalen (Vouten), die als lokale Verstärkung des Knotenpunkts zum Einsatz kommen. Ihre Befestigung am Stahlbeton erfolgt mit einem Verbundanker -System, das aus Gewindestangen und einem sehr tragfähigen Injektionsmörtel besteht.
Verbundanker-System von Fischer
Unsere Erde ist im Inneren stets in Aufruhr. Jedes Jahr werden weltweit etwa 500.000 Erdbeben registriert (Quelle: U.S. Geological Survey). Aufgrund regelmäßiger tektonischer Bewegungen besonders gefährdet sind der Pazifische Feuerring – das ist der Vulkangürtel, der den Pazifischen Ozean von drei Seiten umgibt – die Himalaya-Region, der Mittelmeerraum, Mittelamerika und die Karibik.
In diesen Gebieten leben viele Menschen, und sie leben oft in Bestandsgebäuden, die noch vor Einführung moderner Erdbebennormen errichtet wurden und seismischen Einwirkungen in vielen Fällen nicht gewachsen sind. Umso dringlicher stellt sich die Frage: Wie lassen sich solche Gebäude erdbebensicher nachrüsten? Für Gebäude mit Stahlbeton-Tragwerken haben die Versuche, die der deutsche Befestigungsspezialist Fischer gemeinsam mit der Purdue University aus West Lafayette (Indiana) durchgeführt hat, wichtige neue Erkenntnisse gebracht.
Bei dem Projekt wurde bei Stahlbeton-Rahmenknoten in Originalgröße das Verhalten unter einer simulierten seismischen Einwirkung untersucht. Das Besondere: Die Knoten wurden mit einer speziellen Bauwerksverstärkung ausgestattet, bestehend aus Vouten-Elementen (Stahldiagonalen), die mithilfe einer Kombination aus Gewindestangen und dem Epoxidharzmörtel FIS EM 390 Plus am Stahlbeton befestigt wurden.
Das Verbundanker-System (Gewindestangen + Mörtel) stammt aus dem Sortiment von Fischer, bei den Vouten handelt es sich dagegen bisher nicht um ein offizielles Produkt. Sie wurden extra für die Versuche lokal gefertigt.
Verstärkung für Rahmenknoten
Das eingesetzte Verbundanker-System mit dem dazugehörigen Injektionsmörtel kann starke äußere Kräfte aufnehmen und in den Beton ableiten, ohne sich unter der Last zu verformen. Lasteinwirkungen werden aus dem Knotenbereich in angrenzende Bauteile abgeleitet. Definierte Versagensmechanismen vermeiden, dass das System vollständig kollabiert. Unterm Strich wird das Tragverhalten der Rahmennoten durch die Verstärkung deutlich verbessert. Der verwendete Mörtel spielte dabei eine wichtige Rolle.
„Selbst bei hohen seismischen Anforderungen erwies sich der Injektionsmörtel als zuverlässige Klebeverbindung für nachträgliche Verstärkungen und führte in den Tests zu bahnbrechenden Ergebnissen“, bestätigt Prof. Akanshu Sharma, Außerordentlicher Professor an der Purdue University und ehemaliger Stiftungsprofessor am Institut für Werkstoffe der Universität Stuttgart. „Wir konnten eine verbesserte Leistung der verstärkten Struktur unter seismischer Belastung nachweisen.“ Ohne die Verstärkung wies das Tragwerkssystem im Vergleichstest dagegen erhebliche Schäden an den Träger-Stützen-Verbindungen auf.
„Das Projekt war eine großartige Gelegenheit, die Ergebnisse und Konzepte, die wir in unseren früheren Forschungen gewonnen haben, unter realistischen Bedingungen zu überprüfen und zu testen“, betont Dr. Erik Johannes Stehle, „Head of Developement FiXperience“ bei Fischer. „Dabei zeigte sich erneut: Der Erfolg einer solchen seismischen Verstärkungslösung hängt in hohem Maße von der Leistung der Verankerung ab.“
Bezahlbar und langlebig
Das Verbundankersystem, bestehend aus Gewindestangen und Injektionsmörtel, hat in den Versuchen mit hoher Steifigkeit und geringen Verformungen überzeugt – selbst unter hohen Lastniveaus wie sie bei Erdbeben vorkommen. Es eignet sich daher – zusammen mit den Vouten – für eine erbebensichere Nachrüstung bestehender Stahlbeton-Tragstrukturen. „Es kann auch während der Nutzung des Gebäudes installiert werden, ohne größere Unterbrechungen zu verursachen“, ergänzt Prof. Sharma.
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Fischer plant nun, die erfolgreiche wissenschaftliche Validierung in die praktische Anwendung im Gebäudebestand zu überführen. Die Ergebnisse machen Hoffnung. Nach Angaben des Befestigungsexperten zeigen sie, dass es realistische und zugleich bezahlbare Wege gibt, ältere Gebäude widerstandsfähiger zu machen – und damit im Falle eines Erdbebens Menschenleben und Infrastruktur zu retten. Da Verankerungen mit dem Mörtel FIS EM 390 Plus zudem für eine Nutzungsdauer von bis zu 120 Jahren zugelassen sind, wäre eine solche Lösung auch ausgesprochen wartungsarm.
