Geschüttelt, nicht gerührt: Höchste Masse

Am 9. Mai wurde ein zehnstöckiger Turm absichtlich mit Kräften erschüttert, die einem Erdbeben der Stärke 6,7 entsprachen, und wenige Minuten später folgte ein Beben der Stärke 7,7. Entworfen von LEVER Architecture mit Sitz in Portland, Oregon und Los Angeles, in Zusammenarbeit mit mehreren Universitäts- und Industriepartnern, schwankte und rüttelte die Struktur unter der starken Belastung – doch dann sprang sie sofort wieder in ihre ursprüngliche vertikale Position zurück, scheinbar unversehrt. Das Gebäude, das mit Kosten zwischen 3 und 4 Millionen US-Dollar speziell zum Testen und Nachweis der seismischen Widerstandsfähigkeit von Massivholz errichtet wurde, ist das Herzstück des TallWood-Projekts der Natural Hazards Engineering Research Infrastructure (NHERI). Nach diesen lang erwarteten Simulationen, denen jeweils ein Countdown vorausging, der an einen Raketenstart erinnerte, jubelten und umarmten sich die Teilnehmer und feierten den Erfolg.

Die Teststruktur, deren Bau etwa neun Monate dauerte, wird fast ein Jahr lang auf dem „Rütteltisch“ im Englekirk Structural Engineering Center der University of California San Diego stehen bleiben, wo sie errichtet wurde. Dieser große Erdbebensimulator – mit einer 25 x 40 Fuß großen und 3 Fuß dicken Platte, auf der das Gebäude verschraubt war – wurde 2022 mit sechs Bewegungsachsen aufgerüstet, sodass er den gesamten Bereich reproduzieren kann der 3D-Bewegung, die bei einem seismischen Ereignis möglich ist. Der Turm umfasst verschiedene Arten und Anwendungen von Massivholz, den mehrschichtigen Holzwerkstoffprodukten, deren Vorteile unter anderem strukturelle Festigkeit, Nachhaltigkeit und erdbebensichere Eigenschaften umfassen. Dabei handelt es sich um die höchste großmaßstäbliche Struktur aus überwiegend massivem Holz, die jemals dieser Art von Tests unterzogen wurde.

Die jüngsten Versuche, die computergesteuert waren und jeweils knapp eine Minute dauerten (entsprechend der tatsächlichen Erdbebendauer), simulierten zwei große Erdbeben aus der Vergangenheit: das Northridge-Beben in Kalifornien im Jahr 1994, gefolgt von dem noch stärkeren Chi-Chi-Beben in Taiwan im Jahr 1999. Trotz der Kürze jedes nachgestellten Ereignisses hatte die Entwicklung dieses von der National Science Foundation finanzierten Projekts Jahre gedauert, an dem viele verschiedene Organisationen beteiligt waren. Unter der Leitung des Hauptforschers Shiling Pei von der Colorado School of Mines engagierte es ein Konsortium von Forschungseinrichtungen, darunter die Colorado State University, die Oregon State University, die Lehigh University, die University of Washington, die University of Nevada, Reno und die University of California San Diego und Peis eigene. Darüber hinaus steuerten viele Industriepartner Materialien, Bauprodukte, Baudienstleistungen und/oder Fachwissen bei.

Um aus jedem simulierten Ereignis so viel wie möglich zu lernen, integrierte das Designteam ein breites Spektrum an Gebäudebedingungen und Komponenten. Der 112 Fuß hohe Turm verfügt über 32 mal 34 Fuß große Bodenplatten, die teilweise über den Rütteltisch hinausragen, sodass die Forscher die Leistung der Ausleger testen konnten. Je nach struktureller Rolle und Ebene innerhalb des Gebäudes werden verschiedene Arten von Massivholz verwendet – darunter Brettsperrholz (CLT), Brettschichtholz (Brettschichtholz), Nagelholz (NLT), Dübelholz (DLT) und Furnierschichtholz (LVL) – bilden Elemente wie Bodenplatten, Wände, Säulen und Balken.

Obwohl es nur Ressourcen für die Außenverkleidung der unteren drei Stockwerke gab, erweitert jeder Quadrant den Forschungsumfang durch seine eigene Art von Verkleidungssystem und/oder Fenstern. Während die Hülle des Ballonrahmens unabhängig von den Bodenplatten ist, sind andere Schalungen direkt mit diesen horizontalen Ebenen verbunden. Die Fassadenvarianten reichen von einem verglasten Vorhangfassadensystem bis hin zu zwei Arten von Lochfenstern. „Wir haben darauf geachtet, beispielsweise Fensterbänder einzubeziehen, die an einer Ecke zusammentreffen“, sagt LEVER-Direktor Jonathan Heppner, „weil das bei einem Beben oft eine Schwachstelle ist.“

Zu den vielen bewegungsausgleichenden Maßnahmen gehören Dehnungsfugen, die bestimmte Materialien trennen, und einige nichttragende Trennwände verfügen über Ablenkköpfe mit Schienen, um eine seismische Verschiebung zu ermöglichen. Ebenso verfügt das zehnstöckige selbsttragende Treppenhaus in der Nähe des Gebäudekerns auf den meisten Etagen über flexible Verbindungen, um bei seismischen Ereignissen ein Abdriften zu ermöglichen.

Foto mit freundlicher Genehmigung von LEVER Architecture

Das vielleicht innovativste Merkmal des Turms ist seine „Schaukelwand“ aus Massivholz. Wie Pei erklärt: „Es handelt sich um eine massive Holzplatte, die sich über die gesamte Höhe des Gebäudes erstreckt und mit vorgespannten Stahlstangen im Boden verankert ist (obwohl es sich stattdessen auch um Kabel handeln könnte). Wenn sie seitlichen Kräften ausgesetzt wird, schaukelt die Wand hin und her – Dadurch werden seismische Auswirkungen reduziert. Sobald das Erdbeben vorüber ist, ziehen die gespannten Stangen oder Kabel das Gebäude wieder in die Mitte oder ins Lot zurück. Obwohl Teams sowohl in den USA als auch in Neuseeland Schaukelwände aus Beton untersucht hatten, ist die Realisierung einer Massivholzversion ein bedeutender Durchbruch. Die Teststruktur umfasst vier dieser Wände – zwei entlang der Peripherie des Gebäudes und zwei in der Nähe des Gebäudekerns – aus CLT und Massenschichtplatten (MPP) mit integrierten U-förmigen Stahlbiegeplatten in regelmäßigen Abständen, um die Schaukelkräfte während des Tests zu absorbieren ein Erdbeben. „Und wenn sie überlastet werden“, sagt Heppner, „sind sie nachträglich austauschbar – wie Sicherungen.“ Wie viele der strukturellen und nichttragenden Teile des Turms sind sie darauf ausgelegt, Erdbebenschäden zu minimieren oder nach extremsten Bedingungen das Überleben des Gebäudes durch relativ einfache Reparaturen zu gewährleisten.

„Die Analyse nach dem Erdbeben hier wird uns viel lehren“, sagt LEVER-Gründungsdirektor Thomas Robinson, „da es im gesamten Gebäude mehr als 800 Daten erfassende Sensoren gibt.“ Während die Untersuchung weitergeht, folgte auf die Northridge- und Chi-Chi-Nachstellungen eine Simulation eines aufsteigenden Bebens; Schließlich werden die oberen Stockwerke des Turms entfernt, um den Forschern die Untersuchung von Fragen zu ermöglichen, die beispielsweise die gebaute Masse im Verhältnis zur Erdbebenhäufigkeit betreffen.

Pei unterstreicht den Wert des Testprojekts und betont: „Massivholz ist Teil eines großen Trends in Architektur und Bauwesen, aber seine seismische Leistung in hohen Bauwerken ist nicht so gut verstanden wie bei anderen bestehenden Gebäudesystemen.“ Wie mehrere Forscher während der Simulation am 9. Mai erwähnten, besteht die Hoffnung, dass dieses Projekt die Verwendung von Massivholz, insbesondere in erdbebengefährdeten Gebieten, vorantreibt und zu weitreichenden Änderungen der Bauvorschriften sowohl für Wohn- als auch für Gewerbebauten führt – einschließlich Der Rock'n'Roll des seismischen Designs: Schaukelwände aus Holz.

NHERI Tall Wood Project – Seismische Prüfung einer 10-stöckigen Massivholzkonstruktion von LEVER Architecture.