Solange wir auf den Antigrav verzichten müssen, müssen wir uns anders behelfen. Vertikale Kräfte zwischen Gebäude und Boden, nämlich das Gebäudegewicht, müssen übertragen werden, horizontale Kräfte wie die Bodenbeschleunigung bei Erdbeben aber nicht. Dazu stellen wir unser Gebäude auf Erdbebenisolatoren, die dann folgende Anforderungen erfüllen müssen:

  • Die Bodenbeschleunigung muss gedämpft werden,
  • Die Eigenfrequenz des Gesamtgebäudes muss in einem ungefährlichen Bereich liegen,
  • Die Erdbebenisolatoren müssen das Gebäudegewicht tragen können,
  • Die Erdbebenisolatoren müssen auch geringe horizontale Kräfte übertragen können, da zum Beispiel Windlasten am Gebäude angreifen – die sollen das Gebäude ja nicht gegen den Boden verschieben.

Für solche Erdbebendämpfer gibt es verschiedene Möglichkeiten. Beispielweise kann man die Gebäude auf riesige Stahlfedern stellen:

London Millennium Bridge - Damper beneath deck, north side - 240404.jpg
By The original uploader was Tagishsimon at English Wikipedia – Transferred from en.wikipedia to Commons by Quadell using CommonsHelper., CC BY-SA 3.0, Link

Das Bild (von Wikipedia) zeigt Dämpfer der Londoner Millenium Bridge – diese dienen hier vor allem dazu, Resonanzkatastrophen durch Windlasten oder Fahrzeuge zu verhindern.

Eine Alternative sind Gegenschwingmassen (auch Schwingungstilger genannt). Das sind massive Körper, die zu Schwingungen angeregt werden, wenn das Gebäude schwingt, und die deshalb bestimmte Schwingfrequenzen dämpfen können.

In der Studienarbeit haben wir uns allerdings mit einer anderen Art von Erdbebenisolator beschäftigt, nämlich dem Blei-Gummi-Lager.

Gummi ist für einen Erdbebenisolator ein gut geeignetes Material, weil es gute Dämpfungseigenschaften hat und eine niedrige Steifigkeit besitzt. Das weiß eigentlich jeder, der schon mal irgendetwas auf Gummifüße gestellt hat. Ein Hochhaus direkt auf ein riesiges Gummikissen zu stellen, würde allerdings ein paar Probleme mit sich bringen: Weil Gummi eine so niedrige Steifigkeit hat, wäre das Ganze schon sehr wackelig – kleine horizontale Lasten würden bereits zu heftigem Wackeln führen. Wenn das Gummikissen dick genug wäre, um das Gebäude sinnvoll zu isolieren (mit einem dünnen Gummilappen ist es ja nicht getan), dann würde sich der Gummiklotz am Rand ziemlich stark ausbeulen. Das wiederum könnte zu Rissen und zum Versagen führen.

Man kombiniert deshalb das Gummi mit Stahl – deswegen heißt das Ganze ja auch Blei-Gummi-Lager. Ähh, wie jetzt? Nein, zum Blei kommen wir gleich. Statt eines dicken Gummiklotzes nimmt man viele dünne Klötze, zwischen denen man Stahlplatten anordnet. Dadurch gibt es nicht mehr eine riesig dicke Ausbeulung, sondern viele dünne. So haben wir schon mal das Ausbeulungsproblem gelöst.

Und damit das Haus nicht gleich bei jedem lauen Lüftchen wackelt, kommt noch ein Bleikern in die Konstruktion – der gibt dem Ganzen eine gewisse Grundsteifigkeit. Man nimmt Blei, weil es auch bei starker Last sehr ermüdungsbeständig ist und sich gut plastisch verformen lässt.

Insgesamt sieht so ein Blei-Gummi-Lager dann so aus:

i-d33694f75c7c8aa369914e379bb354e7-erdbebenisolierung-010-thumb-550x411.jpg

(Quelle: www.ce.berkeley.edu – Bild scheint dort aber nicht mehr zu existieren.)

In der Mitte seht ihr den Bleikern, außen die Lagen aus Gummi und Stahl – die äußere Gummiummantelung schützt vor Umwelteinflüssen und hilft, das “Ausbeulproblem” abzuschwächen. Oben und unten sind dicke Stahlplatten befestigt, oben schrauben wir das Haus drauf, die untere Platte verschrauben wir im Boden, also in irgendeinem Fundament. Wie ihr an meiner unglaublich präzisen Fachsprache merkt, habe ich vom Bauingenieurwesen ganz doll viel Ahnung (so ist das, wenn man interdisziplinär arbeitet – man hat nie so ganz den Durchblick, was man tut…).

Tja, wenn ihr jetzt glaubt, wir hätten diese Dinger im Rahmen der Studienarbeit erfunden – leider nicht. Was wir1 in der Arbeit gemacht haben war, ein Simulationsmodell aufzubauen und dann die Geometrie der Blei-Gummi-Lager gezielt zu variieren, um zu sehen, inwieweit hohe schmale Bleiklötze vielleicht besser sind als kurze dicke, wieviele Lagen Gummi man nehmen könnte usw.

1Dieses “wir” ist eine spezielle grammatische Konstruktion namens “Chef-Wir”. Wenn der Betreuer eines Studienarbeiters sagt “Wir sollten mal überlegen, ob wir nicht ein Experiment machen könnten, damit wir das besser verstehen” heißt das übersetzt “Wir sollten man überlegen, ob du nicht ein Experiment machen könntest, damit ich das besser verstehe.” Das “Chef-Wir” kann also je nach Bedarf für die 1. Person Singular oder Plural oder die 2. (oder wie hier sogar 3.) Person Singular stehen.

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Kommentare (22)

  1. #1 Quh.
    24. März 2011

    Ist das FE-Modell mit ABAQUS gemacht worden?

  2. #2 MartinB
    24. März 2011

    Jupp, was anderes kann ich nicht.

  3. #3 ZielWasserVermeider
    24. März 2011

    Hmmm … eine Frage:

    Meine Schwester lebt in der Nähe von Villaricca(Chile). Bei dem letzten schweren Erdbeben hüpfte das Haus zwar auf und ab, das gutste ErbGeschirr hatte sich dank ineinanderfalender Glasplatten der Vitrine ins Nirvana des Porzelans begeben. Das Haus, eine Holzkonstruktion hat aber eigendlich nichts abbekommen.(Das Epizentrum dürfte einige hundert Kilometer entfernt gewesen sein.)

    Der Wagen der Nachbarn soll ca 40-50cm senkrecht in die luft geschleudert worden sein. etc.. Das Beben war stark genug um in der Ortschaft einigen Schaden azurichten.

    Das Gebiet auf dem das Haus(mit Streifenfundament) steht ist eine ca. 40-50 m dicke Schicht aus groben (Durchmesser 10-30cm) bis mittleren Kieselsteinen (Durchmesser 10-30cm).Sieht wie eine Endmöräne aus.

    Auch nach dem Beben stand das Haus noch im Wasser.

    Meine Hypothese ist, dass der Kieseluntergund elastisch genug war, um größere Schäden vom Haus und Umgebung abtzhalten. Ist das möglich?

    Gruß
    Oli

  4. #4 MartinB
    24. März 2011

    @Oli
    Tja, wie gesagt, bin kein Experte, kann also auch nur frei fabulieren. Die Kieselsteine können aber sicher als Dämpfer wirken, und ein Holzhaus ist eventuell auch nachgiebig genug, um die Kräfte auszuhalten. Man müsste sich sicher auch angucken, wie das Haus im Boden verankert ist – je lockerer, desto besser.

  5. #5 Frank Wappler
    25. März 2011

    Martin Bäker schrieb (24.03.11 · 18:15 Uhr):
    > […] bei einem Erdbeben bebt die Erde. In präziser physikalischer Fachsprache bedeutet das, dass alles hin- und herwackelt. Noch präziser gesagt: Die Erdoberfläche erfährt eine Beschleunigung.

    Präzise gesagt:
    Bestandteile der Erdoberfläche bzw. äußeren Erdkruste sind bei einem Erdbeben erheblich ungleichmäßiger beschleunigt als “üblich (ca. 9.8 m/s^2 vertikal), wenn die Erde nicht bebt”.

    (In wie fern “Erdbebensicherheit von Gebäuden” auch ohne Berufung auf präzise Aussagen angestrebt werden mag, muss man wohl den Ingenieuren überlassen …)

  6. #6 Basilius
    25. März 2011

    Sehr schöner Artikel. Sehr informativ und locker geschrieben. Über die FEM würde ich auch gerne mehr lesen. Die habe ich nie so richtig durchblickt.

    Ein Holzhaus ist übrigens eine recht brauchbare Bauart für die Anforderung Erdbebensicher. Nicht umsonst ist deshalb im schon immer erdbebengebeutelten Japan die traditionelle Holzrahmen-Bauweise mit Papierwänden entstanden. Die leichteren Beben übersteht so eine Konstruktion anscheinend sehr gut, da elastisch genug und im Falle eines sehr schweren Erdbebens kann man diese Häuser auch recht schnell wieder rekonstruieren. Das klappt natürlich heutzutage mit den für die Bevölkerungsdichte notwendigen Hochhäusern oder Wohnblocks schon lange nicht mehr. Da müssen dann schon die moderneren Verfahren wie hier beschrieben ran.
    Nebenbei haben die Holzrahmen und Papierwände Häuser aber auch den Nachteil, daß sie sehr gut brennen und im Winter miserabel gegen die Kälte isolieren. Umso erstaunlicher, daß in Japan meist mit kleinen Gasöfen (oder elektrisch) geheizt wird. Und meist auch nur ein Zimmer in der Wohnung. Aber dafür gibt es gute Klimaanlagen (auch elektrisch).

  7. #7 ZielWasserVermeider
    25. März 2011

    @MartinB

    Zu dem Haus: Es ist eine Fachwerkkonstruktion, mit doppelten mit Isoliermaterial(Styropor o.ä) gefüllten Wänden, daß auf eine Streifenfundament(also keine durchgehende Betonplatte) steht. 4m davon geht ein nahezu senkrechter mit Bäumen bewachsener Abhang auf die nächste Stufe des Flusstales hinab.

    Ein paar Bilder:

    https://s7.directupload.net/file/d/2474/vpzngsij_jpg.htm
    Die Umgebung…. man sieht schon …ähemmm… bildlich die geologische Aktivität 😉
    (Das Ding was da hinten raucht).

    https://s7.directupload.net/file/d/2474/jx4qoee4_jpg.htm
    Der Weg zum Fluss mit Erdbebenschäden. Man sieht sehr schön den Untergrund aus Kies der nur mit einer dünnen Schicht Erde bedeckt ist.

    https://s1.directupload.net/file/d/2474/jrtsbbk3_jpg.htm
    Der Weg nach Villaricca(vom Campo). Schäden nach dem Beben

    https://s1.directupload.net/file/d/2474/ybr8etoo_jpg.htm
    Das Haus(nach dem Beben)…..

    Fast alle Wohnhäuser in der Gegend sind in Holzbauweise.
    Nur wenige neue(da Ziegelsteine im Angebot sind) Wohnhäuser und Stadtbauten sind aus Beton oder Ziegelsteinen und meist nicht mehr als 6-8 Stockwerke hoch.

    Gruß
    Oli

    P.S.: Als abgebrochener Physikstudent(Marine Geophysik, bzw. Geophysik) kann ich angehenden Geologen, Geophysikern und auch Biologen(Pionierpflanzen auf Lavafeldern, die Araukarienwälder) die Gegend um Villaricca mit Naturpark nur empfehlen.

  8. #8 MartinB
    26. März 2011

    @ZWV
    Tolle Gegend!

    Wie gesagt, ich bin weder Geologe noch Bau-Ing und kann deswegen nur haltlos spekulieren – wenn das Haus kein sehr tiefes Fundament hat, sondern oben auf dem Kies steht, dann scheint mir schon plausibel, dass der als Dämpfer wirken kann.

  9. #9 BreitSide
    26. März 2011

    Die dargestellten Spiralfedern der Milleniumbrücke sind leider nichts Anderes als Federn. Sie können nur durch den längeren Federweg den ersten Stoß verringern, geben die dabei gespeicherte Energie aber sofort zurück (wie einst Mars…). Dh, es müssen irgendwo noch energieverzehnrende Strukturen sein.

    Ich nehme an, das ist Dir bestens bewusst! Dh, der eigentliche Dämpfer muss noch woanders sitzen. Nicht umsonst braucht ein Schwingungsmodell eine Masse, eine Feder und einen Dämpfer.

  10. #10 MartinB
    26. März 2011

    @BreitSide
    Ja, die echten Erdbebendämpferfedern sehen etwas anders aus, da habe ich aber nirgends ein Bild gefunden – ich dachte, das wäre aus dem Zusammenhang klar.

    Ob da noch eine Gegenmasse vorhanden ist oder ob die Feder vor allem dazu dient, die Eigenfrequenz in einen ungefährlichen Bereich zu verschieben, weiß ich ehrlich gesagt nicht.

  11. #11 BreitSide
    26. März 2011

    @MartinB: ja, solche Federn hatte ich auch schon einmal für die Turbine eines AKW gesehen. Damals hatte ich allerdings nicht nach der Dämpfung geschaut…

  12. #12 fj
    29. März 2011

    @ZielWasserVermeider: Wenn ich mich recht erinnere, sind die Auswirkungen von Erdbeben in Lockergesteinsbereichen stärker als auf Festgestein; dabei sind feinkörnige Böden (Schluff, Lehm, Ton) noch gefährdeter als grobkörnige. Das Material in Deinem Gebiet ist ja immerhin recht grob. (Mir sieht das aber eher nach Fluß- anstatt Gletscherablagerungen aus.) Ebenfalls ungünstig ist ein hoher Grundwasserspiegel (sowohl wegen der höheren Erdbebenintensität als auch wegen der Gefahr der Bodenverflüssigung); aber das trifft auf Dein Gebiet wohl auch nicht zu, wenn ich sehe, wie tief der Fluß eingeschnitten ist.

    Wie andere schon gesagt haben, dürfte die Holzbauweise dazu beigetragen haben, daß es relativ geringe Schäden gab.

  13. #13 BauIng.Studi
    16. Juli 2011

    Cooler Artikel. Ich finde interdisziplinäre Forschung sollte Standard an den Uni’s werden. Denn nur so lernt man die Denkweise der Kollegen anderer Fachbereiche kennen.

    Zum erdbebensicheren Bauen: Bei Einfamilienhäusern wird jetzt meist keine großartige Technik verbaut, es wird eher darauf geachtet dass die Bauteile so bemessen (dimensioniert) sind dass die Erdbebenlasten abgetragen werden können. Auch das keine Steifigkeitssprünge von einem Geschoss in das nächste passieren (durch große Fensteröffnungen, Versprünge in der Außenwand etc..)

    Zur FE-Methode: Kurz vereinfacht zusammengefasst ist das eine Methode nach der man z.B. einen Balken in kleine Teile unterteilen kann. Es ist eine mathematisch-numerische Methode (also Näherungsmethode) nach der Differentialgleichungen gelöst werden. Desto feiner man diese Unterteilung macht, desto genauer wird die Berechnung und ebenso die Ergebnisse. Somit kann man durch die Formulierung und Lösung der Differentialgleichung sehr viele Problemstellungen lösen. Simulierung von Wärmedurchgängen in Bauteilen, Wasserbewegungen in Flüssen, Rauchausbreitung, Rutschen von Böschungen, Crashes von Autos etc.. Also alles was am Ende bunt als Bild erscheint ist nicht nur ein Bild, sondern es steckt ein ganzes mathematisch-physikalisch-ingenieurtechnisches “Waffenarsenal” dahinter.

    Ich hoffe ich konnte die FEM halbwegs verständlich anreißen. Besten Gruß an alle Naturwissenschaftler und Ingenieure. Und einen großen Gruß auch an die die sich damit aus reinem Interesse beschäftigen.

  14. #14 MartinB
    17. Juli 2011

    @BauIng
    Ja, zu FEm schreibe ich auch mal irgendwas was…

    Bei den kleineren Häusern hat das sicher auch was mit typischen Anregungsfrequenzen zu tun, oder?

  15. #15 Marie
    15. März 2013

    danke für die tollen Informationen.Waren sehr hilfreich für meine Erdkundehausaufgaben!!!

  16. #16 MartinB
    15. März 2013

    Schön, wenn’s geholfen hat.

  17. #17 hasasa
    wiesbaden
    29. Juni 2015

    also sie müssen die frequenz der erdbevölkerung nehmen und dann durch die spieler der battle field community addieren daraufhin kommen sie auf die summe der nicht battlefield spieler WOW ODER?

  18. #18 Nik
    69214 Eppelheim
    2. November 2015

    Danke jetzt hab ich locker schon 5 Minuten gelaber bei meiner GFS

  19. #19 Benni
    1. November 2017

    Ist es möglich die Studienarbeit durchzulesen bzw. Zugang zu ihr zu bekommen ?

  20. #20 MartinB
    1. November 2017

    @Benni
    Nein, die habe ich nicht elektronisch und dürfte sie auch nicht rausgeben, weil ich nicht Autor bin.

  21. #21 Benni
    1. November 2017

    Haben sie eine email Adresse vom Autor?

  22. #22 MartinB
    1. November 2017

    @Benni
    Nein, tut mir Leid, aber wir haben seit langem keinen Kontakt mehr.