Die Erde bebt jedes Jahr millionenfach. Diese Erdbeben ereignen sich häufig an bekannten Orten, beispielsweise bei den jüngsten tödlichen Beben in Ecuador und Japan. Zu anderen Zeiten könnte ein Beben an einer Stelle eintreten, die mit den Zittern weniger vertraut ist, wie zum Beispiel dem Erdbeben der Stärke 5, 8, das Virginia 2011 getroffen und das Washington Monument beschädigt hat.
Historische Bauwerke sind während eines Bebens häufig gefährdet. Bei einem Erdbeben der Stärke 7, 8 und Nachbeben der Stärke 7, 3 wurden 2015 mehrere Welterbestätten in Nepal zerstört oder schwer beschädigt. Ältere Bauweisen und alternde Baumaterialien machen die meisten historischen Bauwerke unempfindlicher gegen die Vibrationen, die während eines Erdbebens oder bei starkem Wind auftreten. Moderne Bautechniken können verwendet werden, um diese Strukturen zu aktualisieren, um einen Teil des möglichen Schadens zu minimieren, aber selbst dann sind sie anfälliger als ihre modernen Gegenstücke.
Jetzt können Ingenieure des Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville, Alabama, historischen Strukturen helfen, diese verheerenden Ereignisse zu überstehen. Sie haben einen Weg gefunden, wie Gebäude auf Bewegungen reagieren, die durch Bewegungen in der Erdkruste verursacht werden. Und alles begann mit einer Rakete.
Die Technologie stammt aus der Arbeit an der Ares-Rakete, einer Trägerrakete, die für das Constellation-Programm entwickelt wurde und die vor ihrem Abbruch im Jahr 2010 das Space Shuttle ersetzen sollte, um Astronauten in den Weltraum zu befördern. Die Rakete vibrierte so stark, dass sie jeden an Bord verletzt hätte. Die NASA-Ingenieure mussten einen Weg finden, um das Fahrzeug sicherer zu machen. Die übliche Art, das Schütteln durch Hinzufügen von mehr Gewicht zu kontrollieren, war jedoch keine Option, da die Rakete zu schwer gewesen wäre, um sich aus der Erdatmosphäre herauszuheben.
Das Team fand eine Möglichkeit, den Treibstoff der Rakete zu verwenden, um das Problem zu lösen. Und die gleiche Lösung kann für vibrierende Gebäude verwendet werden, auch für Gebäude, die vor Hunderten von Jahren gebaut wurden, sagt Rob Berry, NASA-Projektmanager bei Marshall.
Historischen Bauwerken können die Arten von Verbindungen fehlen, wie z. B. Stahlverstärkungen, die die einzelnen Gebäudeteile in ein haltbareres, zusammenhängenderes System verwandeln. Ingenieure können jedoch Gebäude mit externen Bindungen nachrüsten, die das Gebäude zusammenhalten. „An [einigen] dieser Gebäude sind außen Schilder mit einem durchgehenden Bolzen und einer großen alten Mutter zu sehen“, sagt Michael Kreger, Direktor des Labors für großflächige Strukturen an der Universität von Alabama . "Normalerweise malen sie diese Dinge schwarz, so dass sie so aussehen, als wären sie schon immer dort."
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Innenverkleidungen wie Verkleidungen und Zierleisten zu entfernen und die Originale mit neuen, stahlverstärkten Wänden zu versehen. Diese Wände werden dann abgedeckt, sodass die Änderungen nicht sichtbar sind.
Diese Anstrengungen sind jedoch kostenintensiv und bringen die gesamte Struktur nicht auf den aktuellen Stand der Bauordnung, sagt Kreger. Einige historische Gebäude haben nicht den nötigen Platz, um Mauern zu errichten oder Stahlbalken zur Erdbebenminderung zu verbergen.
Neue Gebäude beinhalten viele dieser Technologien während des Baus. Die gebräuchlichste Methode zum Verringern der Bewegung eines Gebäudes war ein Gerät, das als abgestimmter Massendämpfer (TMD) bezeichnet wird. Ein Beispiel hierfür wäre ein sehr schweres Objekt, die Masse, die einem Gebäude auf Federn hinzugefügt wird, die auf eine bestimmte Frequenz eingestellt sind. Wenn ein Beben eintritt oder Wind vorbeiströmt, wird die Masse durch Bewegung des Gebäudes in Bewegung gesetzt. Dieses zusätzliche Gewicht bewegt sich in die entgegengesetzte Richtung und verringert die Gesamtbewegung des Gebäudes. Ein solches Gerät ist jedoch nicht perfekt. Das Gebäude muss sich bewegen, bevor das TMD funktioniert, und die ersten Sekunden eines Erdbebens können unglaublich zerstörerisch sein.
Berrys Team hat einen neuen Weg gefunden, um das Gebäude selbst oder eine kleine Menge hinzugefügter Masse zu nutzen, um einen dramatischeren Rückgang der Bewegung zu bewirken. Die meisten TMD verwenden ein Objekt, das etwa 1 bis 2 Prozent des Gebäudegewichts entspricht, um eine Bewegungsreduzierung von etwa 50 Prozent zu erzielen. In einem Wolkenkratzer kann dieses Objekt bis zu 2 Millionen Pfund wiegen. Um das Raketenproblem zu lösen, verwendeten die NASA-Ingenieure den Raketentreibstoff, um die Vibrationen zu mildern, und erzielten eine 95-prozentige Reduzierung der Bewegung für ihre 650.000-Pfund-Rakete. Dies sei mit einem einfachen ballonähnlichen Gerät möglich, das als Fluid Structure Coupler bezeichnet wird, sagt Berry.
„Denk an einen Ballon. Legen Sie Luft in den Ballon, er wird größer; Nehmen Sie die Luft heraus und es wird kleiner “, sagt er. „Wenn ich [den Ballon] in ein Schwimmbad lege, wird das Wasser reagieren. Wenn sich dieser Ballon zusammenzieht, folgt das Wasser der Kontraktion des Ballons. Wenn es sich ausdehnt, bewegt sich die Flüssigkeit von ihm weg. “
Da das Wasser auf die Bewegung des Ballons reagiert, ist es möglich, die Eigenfrequenz der Flüssigkeit durch Einstellen des Drucks im Ballon zu ändern. Bei einem Gebäude kann ein Ingenieur dieses Konzept verwenden, um die Bewegung der Struktur anzupassen.
Zuerst bestimmen die Ingenieure die Eigenfrequenz des Gebäudes, um zu erfahren, wann es anfängt, sich zu bewegen. Dann stellen sie den Koppler (Ballon) auf eine andere Frequenz. Durch Platzieren der Kupplung in einem Gewässer, z. B. in einem Schwimmbad, oder durch Hinzufügen von mit Wasser gefüllten Rohren, die am Dach befestigt sind, wird die natürliche Schwingung des Gebäudes verändert. Die Flüssigkeit wirkt wie ein Anker für eine Schaukel - die Schaukel bewegt sich zwar noch, ist jedoch viel schwerer zu drücken. Das Gebäude bewegt sich bei Beben oder starkem Wind ebenfalls weniger.
Die NASA testete dieses Konzept 2013 erfolgreich an einer eigenen historischen Struktur, der Dynamic Structural Test Facility. Berry und sein Team erkannten jedoch, dass nicht alle Gebäudekonstruktionen den Raum für das Hinzufügen eines solchen Systems auf Flüssigkeitsbasis bieten würden. Sie wandten das Gelernte an, um ein mechanisches Gerät zu entwickeln, das weniger Platz beansprucht, aber die gleiche Art von Anker bietet.
Jetzt hat das Team eine neue Version der Technologie namens Disruptive Tuned Mass (DTM) entwickelt, bei der ein Stück Metall anstelle von Wasser verwendet wird, um die Bewegung eines Gebäudes zu mildern. Es ist viel kleiner als ein herkömmliches TMD und kostet viel weniger in der Herstellung - ist aber genauso effektiv.
Anfang dieses Monats haben Kreger und seine Kollegen, die den Behauptungen der NASA skeptisch gegenüberstanden, das Gerät bei einem simulierten Erdbeben am Center for Sustainable Infrastructure der Universität von Alabama einem ersten Test unterzogen. Es war ein Erfolg.
„Der Test hat deutlich gezeigt, dass die störende abgestimmte Masse die abgestimmte Masse des Dämpfers übertrifft, und es hat deutlich gezeigt, dass sie für die Erdbebenminderung nützlich ist“, sagt Berry. Dieser neue Ansatz sei "ein weiteres großartiges Beispiel dafür, wie die für das Weltraumprogramm entwickelte Technologie der Industrie neue Fähigkeiten verleihen kann."
Kreger stimmt zu und hofft auf eine Partnerschaft mit der NASA beim Testen und Entwickeln zukünftiger DTM-Systeme.
Diese Technologien sind Prototypen, aber die NASA arbeitet mit privaten Unternehmen an der Entwicklung kommerzieller Produkte, die zur Erdbebenminderung in öffentlichen und privaten Gebäuden, einschließlich historischer Bauwerke, eingesetzt werden können.
Diese neue Technologie könnte dem Washington Monument sogar helfen, den Vibrationen von Erdbeben und Wind standzuhalten, sagt Berry. "Ich wette, sie haben die verschiedenen Möglichkeiten zur Minderung geprüft", sagt er. „Aber wenn dasselbe Erdbeben dort mit einer installierten störenden abgestimmten Masse durchgegangen wäre, wäre die Reaktion völlig anders ausgefallen. Wir hätten die Antwort stumm schalten können. “
Er fährt fort: „Ich würde gerne das Washington Monument anrufen lassen. Diese Technologie wurde mit Steuergeldern entwickelt und gehört ihnen. “
