Inspiriert von Eidechsen! Wissenschaftler entwerfen erdbebensichere und sichere Gebäude →

Angesichts der Macht der Natur erscheint der Mensch immer sehr klein. Erdbeben zählen zu den häufigsten Naturkatastrophen auf der Erde und sind oft zerstörerisch. Herkömmliche Gebäudestrukturen sind oft nicht in der Lage, den Auswirkungen schwerer Erdbeben standzuhalten, was häufig zu Einstürzen, schweren Schäden und einer großen Zahl von Opfern führt.

Copyright-Bilder in der Galerie. Der Nachdruck und die Verwendung können zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen.

Diese Tragödien erinnern uns immer wieder daran, dass die Erdbebensicherheit von Gebäuden dringend verbessert werden muss. Als nächstes lüften wir das Geheimnis des neuen erdbebensicheren Gebäudes!

Von Eidechsen inspiriertes neues Bausystemdesign

Am 15. Mai 2024 veröffentlichten chinesische Wissenschaftler in der Zeitschrift Nature einen Artikel über ein von Eidechsen inspiriertes Bausystem. Mit der Einführung dieser Art von Gebäuden soll das Risiko von Gebäudeeinstürzen durch äußere Einflüsse wie Erdbeben verringert und eine solide Verteidigungslinie für die Sicherheit unseres Lebens geschaffen werden!

Die Forschungsergebnisse wurden im Magazin Nature veröffentlicht. Bildquelle: Referenz 1

Bei einem Erdbeben erzeugen seismische Wellen periodische Schwingungen. Wenn diese seismischen Wellen nahe an der natürlichen Schwingungsfrequenz eines Gebäudes liegen, kommt es zu Resonanzen, die das Gebäude mit größerer Amplitude vibrieren lassen und so den Schaden am Gebäude verschlimmern. Eine häufige Herausforderung bei der Gebäudeplanung besteht darin, zu verhindern, dass sich anfängliche Schäden über die gesamte Struktur ausbreiten und einen katastrophalen Totaleinsturz verursachen. Daher besteht die Schlüsselfrage bei der Gebäudeplanung darin, wie man bei äußeren Einwirkungen auf das Gebäude schnell wie eine Eidechse reagieren kann, um eine weitere Ausbreitung des Schadens zu verhindern und größere Zerstörungen zu vermeiden.

Im Knorpelgewebe des Eidechsenschwanzes gibt es viele Sollbruchstellen. Wenn die Eidechse Gefahr wittert, spannt sie ihre Schwanzmuskeln an, wodurch der Schwanz an diesen vorherbestimmten Stellen schnell bricht. Nach dem Schwanzbruch sondert der Körper der Eidechse einen Schleim ab, der den Bruch bedeckt, um eine Infektion zu verhindern und den Blutverlust zu verringern. Der Schleim verwirrt außerdem Raubtiere und gibt der Eidechse mehr Chancen zu entkommen. Inspiriert von diesem Verhalten schlugen Wissenschaftler das Konzept der „Kollasisolierung“ vor und wandten es auf die Konstruktion neuer Gebäudesysteme an.

Anwendung des Konzepts „Kollapsisolation“

Um bei Erdbeben oder äußeren Einwirkungen die weitere Ausbreitung beschädigter Gebäudeteile zu verhindern, wenden Wissenschaftler das Konzept der „Kollabisolation“ an. Dabei wird der durch einen anfänglichen großen Fehler verursachte Einsturz durch die Kontrolle des Fehlerniveaus des Struktursystems isoliert.

An Schlüsselstellen des Gebäudes errichteten Wissenschaftler spezielle Sollbruchstellenstrukturen. Bei einer Gebäudeschädigung brechen diese Teile nach einem vorgegebenen Muster, wodurch sichergestellt wird, dass bestimmte Elemente vor den kritischsten Komponenten versagen. Auf diese Weise wird das gesamte Gebäude in verschiedene Einheiten unterteilt und dadurch seine Widerstandsfähigkeit gegen Schäden erhöht. Gleichzeitig verfügen die verschiedenen Einheiten des neuen Gebäudesystems über eine ausreichende Verbindung, um die Lasten untereinander umzuverteilen und die Ausbreitung eines Einsturzes weiter zu isolieren.

Einsturzisolationsentwurf basierend auf einer hierarchischen Struktur (a, Balken-Stützen-Verbindung basierend auf hierarchischer Optimierung; b, Simulation einer teilweisen Einsturzisolation eines Gebäudes basierend auf einer hierarchischen Struktur; c, Simulation eines herkömmlichen Gebäudeeinsturzszenarios) Bildquelle: Referenz 1

Feldtests und Ergebnisüberprüfung

Um die Einsturzschutzwirkung dieser Konstruktion mit hierarchischer Einsturzisolierung bei einem tatsächlichen Erdbeben zu überprüfen, bauten die Forscher aus Beton ein zweistöckiges Gebäude mit einer Länge von 15 Metern und einer Breite von 12 Metern. Ähnlich der aktuellen Standardgeschosshöhe von Gebäuden ist jedes Stockwerk des Gebäudes auf beiden Seiten 2,6 Meter hoch. Die Forscher führten einen Doppeltest durch, bei dem sie zunächst die Fähigkeit der ineinandergreifenden Struktur überprüften, einen Einsturz nach einem kleineren Aufprall zu verhindern, und dann die Einsturzisolationswirkung des Gebäudes.

In der ersten Testrunde entfernten die Forscher eine der beiden Säulen an der Ecke des Gebäudes und stellten fest, dass das Gebäude nicht stark einstürzte und immer noch in der Lage war, die traditionelle Struktur zu stützen. In einer zweiten Testrunde verwendeten die Forscher einen extremeren Anfangsschaden, indem sie die verbleibende Säule an der Ecke entfernten. Die Ergebnisse zeigten, dass das nach dem Konstruktionskonzept der „hierarchischen Einsturzisolierung“ errichtete Gebäude den Einsturz der gesamten Struktur erfolgreich verhinderte und nur ein Teil des Gebäudes entlang des Belastungspfads einstürzte. Dies beweist, dass diese Art der Gebäudekonstruktion den Einsturz auf einen begrenzten Bereich beschränken kann.

Gebäudeplanung und -prüfung (a, vorgefertigte Beton- und Säulenstrukturen in Originalgröße, die in verschiedenen Prüfungsphasen entfernt wurden; b, Verbindungen im ersten Stock während der Bauphase; c, Verbindungen im zweiten Stock nach der Platzierung der vorgefertigten Balken während der Bauphase; d, Aufbau mit zwei Säulen für die quasistatische Entfernung während der ersten Prüfungsphase; e, Mechanismus mit drei Gelenken für die Entfernung der Eckstützen) Bildquelle: Referenz 1

Abschluss

Mit der rasanten Entwicklung von Wissenschaft und Technologie sind neue erdbebensichere Bautechnologien entstanden. Diese Technologien untergraben nicht nur das Designkonzept der traditionellen Architektur, sondern erzielen auch revolutionäre Innovationen hinsichtlich Materialien, Struktur, Konstruktion und anderen Aspekten. Sie können nicht nur die Schäden, die Erdbeben an Gebäuden verursachen, erheblich verringern, sondern bieten nach Katastrophen auch sicherere Unterkünfte und bilden damit eine wichtige Barriere zum Schutz unseres Lebens. Ich bin davon überzeugt, dass neue Technologien in naher Zukunft in verschiedensten Gebäudetypen flächendeckend zum Einsatz kommen und unsere Städte sicherer und stabiler machen werden!

Verweise

[1]Makoond, N., Setiawan, A., Buitrago, M. et al. Aufhalten der Schadensausbreitung in Gebäuden durch Einsturzisolierung. Nature 629, 592–596 (2024).

[2] Dong Bingjun. Studie zur Schwanzamputation und Regeneration bei Eidechsen[J]. Bulletin of Biology, 2009, 44(1):24-25.

[3] Zheng Jianguo, Xu Jian, Qian Chunyu et al. Forschung zu mehreren Schlüsseltechnologien für die Erdbebensicherheit und Schwingungskontrolle antiker Gebäude[J]. China Civil Engineering Journal, 2023.

[4] Jin Bo, Zhang Minzheng, Guo Xun et al. Strukturintegritätsanalyse und Baumaßnahmen erdbebensicherer Gebäude[J]. Welt-Erdbeben-Ingenieurwesen, 2009(2):4.

Planung und Produktion

Quelle: Science Popularization China

Autor: Shi Wuyao, PhD in Biologie

Produzent: China Science Expo

Herausgeber: Yinuo

Korrekturgelesen von Xu Lai und Lin Lin