Die National Hazards Engineering Research Infrastructure (NHERI) hat im letzten Jahr bedeutende Fortschritte im Bereich seismischer Entwurfsmethodik für hohe Holzgebäude erzielt. Das NHERI-Tallwood-Projekt, finanziert von der National Science Foundation (NSF), konzentriert sich darauf, eine auf Belastbarkeit basierende seismische Entwurfsmethodik zu entwickeln und zu validieren. Die jüngsten Erdbebentests, die im Rahmen dieses Projekts in San Diego durchgeführt wurden, markieren einen Meilenstein in der Erforschung der Widerstandsfähigkeit von Holzgebäuden gegenüber Erdbeben. Herausragend war auch die Unverwüstlichkeit der Pilkington-Brandschutzgläser, die im Gebäude verbaut wurden.
Projektdetails und Partnerschaften
Das Tallwood-Gebäude, errichtet an der University of California San Diego auf der HPOST-Anlage (High Performance Outdoor Shake Table) am Englekirk Structural Engineering Center, wurde in zwei Phasen getestet: Phase I am 23. Mai und Phase II am 23. Juli 2023. Die HPOST-Anlage wurde extra dafür aufgerüstet, um mehrachsige Tests durchführen zu können und ist eine der größten Erschütterungsanlagen der Welt. Der sogenannte Shake-Table ist in der Lage, die vollständigen 3D-Bodenbewegungen zu reproduzieren, die bei Erdbeben auftreten, wenn sich der Boden in allen sechs Freiheitsgraden bewegt. Die Tests simulierten Erdbebenbewegungen mit einer Bandbreite von Stärken (darunter auch Wiederholungen der Erdbeben wie Northridge 1994, Loma Prieta 1989, Tokachi 2003 und Tohoku 2011). Das Tallwood-Projekt stellt auch das höchste jemals auf einem Erdbebensimulator getestete Holzgebäude dar. An dem Projekt waren Institutionen wie die Colorado School of Mines (Leitung), Colorado State University, University of California San Diego, University of Nevada Reno, University of Washington, Washington State University und etwa ein Dutzend Materiallieferanten und -hersteller maßgeblich beteiligt. Auch die Pilkington Deutschland AG hat mit seinen Brandschutzgläsern das Vorhaben großzügig unterstützt.
Bedeutung von Massivholzgebäuden
Gebäude aus Massivholz gewinnen als umweltfreundliche Alternative zu Beton- und Stahlkonstruktionen an Beliebtheit. Das Tallwood-Projekt trägt dazu bei, das Erdbebenverhalten solcher Gebäude zu verstehen. Die Tests konzentrieren sich auf ein seitliches Massivholz-Schaukelwandsystem, das für erdbebengefährdete Regionen konzipiert ist und hohe Belastbarkeit sowie schnelle Reparaturmöglichkeiten bietet. Aufgrund der seismischen Bewegung, die durch das Schaukelsystem ausgelöst wird, sind die nichttragenden Komponenten innerhalb und um das Gebäude herum, wie die Außenfassade, die Innenwände und die Treppenhäuser, besonders gefährdet.
Integration des Brandschutzglases
Pilkington-Brandschutzgläser wurden in das Tallwood-Gebäude integriert, um kritische Bereiche zu schützen, insbesondere im Hinblick auf potenzielle Brände während oder nach einem Erdbeben. Dabei war es wichtig, dass sie sowohl den Brandschutzanforderungen als auch den strukturellen Anforderungen entsprechen. Die Wahl fiel auf Pilkington Pyrostop® 60-201, ein monolithisches Glas mit einer Dicke von 27 mm und einer Feuerwiderstandsdauer von 60 Minuten. Die Dicke des Glases entspricht etwa der Stärke eines typischen amerikanischen Ein-Zoll-Isolierglases (IGU ~ 25 mm), sodass alle Standardkomponenten des Systems (Verglasungsplattformen, Setzklötze, Druckplattenbefestigungen etc.) verwendet werden konnten. Infolgedessen erwartete man ähnliche Ergebnisse, wie wenn eine Feuerschutz-Vorhangfassade oder Vorhangfassade aus Stahl entworfen worden wäre.
Überlebensfähigkeit während der Simulationen
Die Forscher führten mehr als 100 Erdbebenversuche durch. Trotz intensiver seismischer Aktivitäten, einschließlich kritischer Bodenbewegungen, haben alle nicht tragenden Fassadensysteme bemerkenswert gut abgeschnitten, was auf die Widerstandsfähigkeit ihrer individuellen Konstruktionen und die Qualität der Installation zurückzuführen ist, aber auch zum Teil auf die Konstruktion der Tallwood-Struktur selbst, da die vier „schaukelnden“ Wände die Energie absorbieren und verteilen. Auch Pilkington Pyrostop® 60-201 hat sämtliche Simulationen ohne kritisches Versagen überstanden.
Bedeutung für den Brandschutz und die Sicherheit
Die Tatsache, dass das Brandschutzglas die Simulationen erfolgreich überstanden hat, unterstreicht die Wirksamkeit und Zuverlässigkeit von Pilkington Pyrostop®-Brandschutzgläsern in Bezug auf Brandschutz und strukturelle Integrität. Dies ist von besonderer Bedeutung, da Brandschutz bei Hochhäusern und Gebäuden mit Holzkonstruktionen eine zentrale Rolle spielt. Das erfolgreiche Bestehen der Tests trägt dazu bei, Vertrauen in die Verwendung von Brandschutzglas in Holzgebäuden zu stärken und könnte sich positiv auf zukünftige Bauvorschriften und -normen auswirken. Insgesamt hat das Pilkington-Brandschutzglas seine Belastbarkeit unter seismischen Bedingungen unter Beweis gestellt, was es zu einem entscheidenden Element für die Sicherheit von Hochhäusern und Gebäuden mit Holzkonstruktionen macht.
Ausblick auf die Zukunft
Die Forscher und Wissenschaftler des NHERI-Netzwerks arbeiten daran, die gesammelten Daten für eine Präsentation auf der World Conference on Earthquake Engineering 2024 aufzubereiten. Die Erkenntnisse aus diesen Tests sollen zukünftig die Entwicklung von Bauvorschriften und herstellbaren Lösungen beeinflussen. Diese Fortschritte könnten auch dazu beitragen, die Versicherungs- und Sanierungskosten nach schweren Erdbeben zu reduzieren, um die Sicherheit von Gebäuden und ihrer Bewohner zu gewährleisten. Das NHERI Tallwood-Projekt ebnet somit den Weg für eine robustere und widerstandsfähigere Holzbauweise in Erdbebengebieten.
Foto: Das NHERI-Tallwood-Projekt in San Diego
Fotorechte: David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering