Höchste volle

Ein zehnstöckiges Gebäude aus Brettsperrholz wird in diesem Frühjahr an einem der beiden größten Erdbebensimulatoren der Welt an der University of California in San Diego getestet. Das als Tallwood-Projekt bekannte Gebäude ist das höchste Gebäude in Originalgröße, das jemals gebaut und auf einem Erdbebensimulator oder Schütteltisch getestet wurde.

Die Tests sollen Ende April beginnen. Der Schütteltisch simuliert Erdbebenbewegungen, die bei früheren Erdbeben aufgezeichnet wurden und einen Bereich von Erdbebenstärken auf der Richterskala abdecken, von Magnitude 4 bis Magnitude 8, einschließlich verschiedener Iterationen des Northridge-Erdbebens der Stärke 6,7, das 1994 Los Angeles erschütterte. Dies wird erreicht, indem der Tisch auf mindestens 1 g beschleunigt wird, was die Spitze des Gebäudes auf bis zu 3 g beschleunigen könnte. Zum Vergleich: Moderne Achterbahnen erzeugen im Durchschnitt eine Spitzenbeschleunigung von 4 g.

Der Rütteltisch kann Strukturen mit einem Gewicht von bis zu 2.000 Tonnen oder 4,5 Millionen Pfund tragen und schütteln – ungefähr das Gewicht von 1.300 Limousinen. Damit ist er der Erdbebensimulator, der die größte Nutzlast der Welt transportieren kann. Es ist außerdem der einzige großflächige Erdbebentisch der Welt, der im Freien aufgestellt ist.

Der Tisch wurde kürzlich dank einer NSF-Finanzierung in Höhe von 17 Millionen US-Dollar modernisiert und ist nun in der Lage, die vollständigen 3D-Bodenbewegungen zu reproduzieren, die bei Erdbeben auftreten, wenn sich der Boden in allen sechs Freiheitsgraden bewegt – Längs-, Quer-, Vertikal-, Roll-, Nick- und gieren. Es ist Teil des NSF-Netzwerks „Natural Hazards Engineering Research Infrastructure“ (NHERI) – acht Versuchsanlagen unterstützen innovative Forschung zur Schadensminderung durch Gefahren wie Erdbeben, Tsunamis, Erdrutsche, Windstürme, Sturmfluten und Überschwemmungen.

„Die Kombination aus der größten Nutzlastkapazität der Welt, einer Außenumgebung und der neu hinzugefügten Schüttelfunktion mit sechs Freiheitsgraden machen den Schütteltisch der UC San Diego zu einer leistungsstarken und einzigartigen Einrichtung“, sagte Joel Conte, Hauptforscher der NSF finanzierte die Modernisierung des NHERI-Schütteltisches der UC San Diego sowie Betriebs- und Wartungsprojekte und einen Professor am Department of Structural Engineering der UC San Diego Jacobs School of Engineering. „Es ist der einzige Ort, an dem die Tallwood-Tests stattfinden könnten.“

Das Tallwood-Gebäude wurde im Originalmaßstab gebaut, was bedeutet, dass es tatsächlich zehn Stockwerke hoch ist und eine Höhe von 116 Fuß oder etwa 35,5 Metern erreicht – etwa ein Fünftel der Höhe des National Monuments in Washington, D.C

Die Testreihe wird von der National Science Foundation finanziert, ebenso wie die Einrichtung der UC San Diego im Englekirk Structural Engineering Center.

Gebäude aus Massivholz – miteinander verbundene Holzschichten – erfreuen sich als umweltfreundlichere und schnellere Alternative zu Beton- und Stahlkonstruktionen zunehmender Beliebtheit. Angesichts der kürzlich aktualisierten neuen Bauvorschriften, die den Bau von mehr Hochhäusern aus Holzmassiv in den Vereinigten Staaten ermöglichen, haben sich viele gefragt, wie sich solche Gebäude bei Erdbeben schlagen würden.

„Massivholz ist Teil eines massiven Trends in Architektur und Bauwesen, aber die seismische Leistung von hohen Gebäuden, die mit diesen neuen Systemen gebaut wurden, ist nicht so gut verstanden wie bei anderen bestehenden Bausystemen“, sagte Shiling Pei, Hauptforscher und außerordentlicher Professor für Bauwesen und Umweltingenieurwesen an der Colorado School of Mines.

Peis Team, dem sowohl Forscher als auch Praktiker angehören, entwarf ein zehn Stockwerke hohes seitliches Schaukelwandsystem aus Massivholz, das für Regionen mit hoher Erdbebengefahr geeignet ist. Dieses neue System zielt auf eine belastbare Leistung ab, was bedeutet, dass das Gebäude nur minimale Schäden durch Erdbeben auf Auslegungsniveau erleidet und nach seltenen Erdbeben schnell repariert werden kann.

„Das Schaukelwandsystem besteht im Wesentlichen aus einer Wandplatte aus massivem Holz, die mit Stahlkabeln oder -stangen mit großen Spannkräften im Boden verankert ist“, sagte Pei. „Wenn die hölzernen Wandpaneele seitlichen Kräften ausgesetzt werden, schaukeln sie hin und her – was die Erdbebenauswirkungen verringert – und dann ziehen die Stahlstangen das Gebäude wieder in Lot, sobald das Erdbeben vorüber ist.“

Aufgrund dieser seismischen Bewegung, die durch das Schaukelsystem hervorgerufen wird, stehen widerstandsfähigkeitskritische nichttragende Komponenten innerhalb und über dem Gebäude, wie z. B. die Außenfassade, Innenwände und Treppen, vor einer großen Herausforderung.

„Bei der widerstandsfähigen Gestaltung müssen auch die nichttragenden Systeme des Gebäudes berücksichtigt werden, die nicht Teil des strukturellen Lastwiderstandssystems sind, aber eine wichtige Rolle für die Funktion des Gebäudes und seine Fähigkeit, sich nach dem Erdbeben zu erholen, spielen“, sagte Keri Ryan, Projektleiterin -Forscher und Ingenieurprofessor an der University of Nevada, Reno.

Das von Ryan geleitete Projektteam wird sich auf sicherheitskritische nichtstrukturelle Komponenten konzentrieren, die sich über Stockwerke erstrecken und daher der relativen Bewegung zwischen den Stockwerken ausgesetzt sind. Das Gebäude verfügt über vier Außenfassaden, mehrere Innenwände und einen zehnstöckigen Treppenturm. Die Leistung der Treppen wird von einem Team unter der Leitung von Professor Tara Hutchinson vom Department of Structural Engineering der UC San Diego bewertet.

Die Außenhülle muss das Gebäude vor extremen Temperaturen und Wetterereignissen schützen, während die Treppen funktionsfähig bleiben müssen, um den Bewohnern einen sicheren Ausgang und den Ersthelfern den kontinuierlichen Zugang zu allen Etagen des Gebäudes zu ermöglichen. „Diese Baugruppen wurden mit einer Vielzahl neuer und innovativer Details entworfen, die die Bewegung von Stockwerk zu Stockwerk ohne Beschädigung ermöglichen sollen“, sagte Ryan. „Viele dieser Details wurden noch nie in einer strengen Gebäudeumgebung getestet.“

Im Jahr 2017 führte Peis Team einen Test an einem zweistöckigen Massivholzgebäude durch, indem es die Erschütterungen des Northridge-Erdbebens simulierte, einem Erdbeben der Stärke 6,7, das 1994 Los Angeles erschütterte. Das Gebäude wurde 13 Erdbebentests unterzogen und blieb strukturell schadensfrei . Diese Tests zeigten nicht nur, dass Gebäudesysteme aus massivem Holz erdbebensicher sein können, sondern halfen dem Forschungsteam auch bei der Entwicklung der Entwurfs- und Analysemethoden, die für das zehnstöckige Gebäude verwendet wurden. Die Tests wurden durchgeführt, bevor der Rütteltisch aufgerüstet wurde und sich nur in einem Freiheitsgrad bewegen konnte.

Das Projekt wird von der National Science Foundation unterstützt (Zuschüsse 1636164, 1635363, 1635227, 1634628, 1634204, 1635156). Ein Konsortium von Universitäten arbeitet mit NSF-Unterstützung am NHERI TallWood-Projekt zusammen, darunter die Colorado School of Mines (Leitung), die University of Nevada, Reno, die Colorado State University, die University of Washington, die Washington State University, die University of California San Diego und der Bundesstaat Oregon Universität und Lehigh University. Das Projekt erhielt auch Unterstützung vom US Forest Service, dem Forest Products Laboratory und einer Reihe von Industriepartnern. Die NHERI-Schütteltischanlage wird mit NSF-Unterstützung im Rahmen der Kooperationsvereinbarung 2227407 betrieben.

Ein Foto von Pei auf der Baustelle im August 2022 ist hier verfügbar (Quelle: David Baillot/University of California San Diego). Ein Foto des im Oktober 2022 im Bau befindlichen Geländes ist hier verfügbar (Quelle: Shiling Pei/Colorado School of Mines). Ein Site-Rendering ist hier verfügbar (Quelle: LEVER Architecture). Weitere Fotos, Renderings und Videos sind auf Anfrage erhältlich.

Bleiben Sie über das Neueste von der UC San Diego auf dem Laufenden. Abonnieren Sie noch heute den Newsletter.

Sie haben sich erfolgreich für den UC San Diego Today Newsletter angemeldet.