Das Erste: Sa 25.02.17

16.00 - 16.30 Uhr
W wie Wissen: Erdbeben

Erdbebensicher Bauen

Bei einem Erdbeben sterben die meisten Menschen durch einstürzende Häuser und Bauwerke. Ingenieure haben daher verschiedene Methoden entwickelt, damit Gebäude den Erschütterungen standhalten können.

Ein mögliches Prinzip ist, das Bauwerk vom Untergrund zu isolieren. So werden Einfamilienhäuser im erdbebengeplagten Japan durch eine Art Airbag geschützt. Ein Sensor im Haus misst ständig die Erschütterungen.

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Ab einer bestimmten Stärke pumpt ein Kompressor Luft unter die Bodenplatte. Es entsteht ein Luftpolster, das das Haus um bis zu drei Zentimeter in die Höhe hebt und die Erdstöße abfängt.

Eine andere Strategie wird in Neuseeland verfolgt: Um das Nationalmuseum "Te Papa" zu sichern, wurde es auf 150 mit Blei verfüllte Gummisockel gesetzt. Die elastischen Sockel nehmen den größten Teil der Bewegungsenergie auf, wandeln sie in Wärme um und übertragen sie so nicht weiter an das Gebäude.

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Das Blei stabilisiert die Bewegung. Der Wolkenkratzer "Taipeh 101" in Taiwan besitzt eine besonders flexible Stahlkonstruktion. Eine riesige Stahlkugel wurde im Innern als Schwingungsdämpfer zwischen 88. und 92. Stock befestigt.

Bewegt sich der Wolkenkratzer, schwingt auch die Kugel mit - durch die Trägheit ihrer Masse genau entgegengesetzt. Die Schwingungen von Gebäude und Kugel heben einander auf. Das Gebäude bleibt ruhig.

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Der 634 Meter hohe "Tokyo Sky Tree" hat eine zweigeteilte Struktur: innen ein zylinderförmiger Schaft aus Stahlbeton, außen ein Stahlrahmen. Im Bereich von 125 bis 375 Metern sind beide Teile mit Öldämpfern verbunden.

Ähnlich wie bei dem Pendel schwingen auch hier bei einem Erdbeben Säule und Stahlrahmen entgegengesetzt und dadurch heben sich die Schwingungen gegenseitig auf. In Mexiko-City wird auf Sand gebaut. Ausgerechnet hier begann 1999 der Bau des 228 Meter hohen Wolkenkratzers.

Erdbebensicher Bauen (5)

Um das zu ermöglichen, wurden direkt mehrere Techniken angewandt: Mit 252 Pfählen wurde sein Fundament durch den Sand hindurch im darunterliegenden Gestein fest verankert.

21.000 Tonnen Stahl wurden verbaut für eine extra verstärkte Baustruktur. 98 Schwingungsdämpfer wurden eingesetzt, um im Falle von Erdbeben die Bewegungsenergie aufzunehmen.

Erdbebenwellen schlucken

Als Philippe Roux und Matthieu Rupin ihr Experiment in einem Labor des "Institut des Sciences de la Terre" in Grenoble auswerten, trauen sie zuerst ihren Messungen nicht. Sie wiederholen sie wieder und wieder, aber kommen immer auf dasselbe Ergebnis:

Wenn sie eine mit senkrechten Stangen bestückte Metallplatte zum Vibrieren bringen, dringen die Schwingungen einfach nicht in den Wald aus Stangen ein. Sie kommen auf eine Idee: Könnte das Phänomen für den Erdbebenschutz eingesetzt werden?

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Ein kleines Waldstück in Südwestfrankreich wird zum Freiluftlabor. Die Forscher erzeugen hier künstliche Bodenwellen mit einem "Bodenvibrator". Die regelmäßig angeordneten Bäume des Waldes schwächen die Bodenwellen ab.

Für die genaue Auswertung müssen sie über 1000 Gigabyte an Messdaten analysieren. Sie schätzen, dass sie das ein gutes Jahr beschäftigen wird. Die Forscher stellen sich zurzeit mehrere Möglichkeiten vor, wie das von ihnen entdeckte Phänomen zum Erdbebenschutz eingesetzt werden könnte.

Erdbebenwellen schlucken (3)

Dafür reichen allerdings Bäume nicht aus. Rund um sensible Anlagen wie etwa Atomkraftwerke könnte man große Betonpfeiler anordnen. Sie müssten dabei nicht wie Bäume senkrecht in den Himmel ragen, sondern könnten in den Erdboden versenkt werden. Das sollte nach Einschätzung der Forscher genauso gut funktionieren.

Weiter in die Zukunft gedacht, könnte man die Ergebnisse der Forscher bei der Stadtplanung einsetzen: Die Rolle der Bäume im Waldexperiment würden dann Hochhäuser übernehmen.

Erdbeben in Italien:

"Wenn Gebäude töten"

Das verheerende Erdbeben vom 24.August 2016 hat den historischen Kern der Stadt Amatrice in Mittelitalien fast völlig zerstört. 300 Menschen starben in den Trümmern ihrer Häuser.

Dass so viele Gebäude in Amatrice unter den Erdstößen zusammenbrachen,liegt vor allem an einer ungeeigneten Bauweise und an Bausünden der Vergangenheit. In Mittelitalien gibt es eine weit verbreitete Bauweise, sogenanntes Füllmauerwerk.

Erdbeben in Italien:

"Wenn Gebäude töten" (2)

Dabei sind nur die Innen- und Außenseiten gemauert, der Zwischenraum ist mit losem Geröll aufgefüllt. Die Mauer ist inhomogen, und genau das lässt sie instabil werden. Bei einem Erdbeben führt die seismische Energie dazu, dass sich jeder Stein unabhängig von den anderen bewegt.

Zudem gab es, vor allem in den 1970er- Jahren, falsche Restaurierungsmaßnahmen. Oft hat man nämlich schwere Betondächer auf die ohnehin schwachen Mauern gesetzt.

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Bei einem schweren Beben hat ein Betondach den Effekt einer Bleiplatte, die auf einen Pudding fällt: Das Dach zerquetscht das Haus förmlich, das sowieso schon fragile Mauerwerk zerbröselt unter dem tonnenschweren Gewicht.

Der Fehler ist längst erkannt, aber viele alte Gebäude in Italien tragen nach wie vor die viel zu schweren Betondächer. Die gute Nachricht: Es ist durchaus möglich, Häuser mit instabilem Mauerwerk gegen die zerstörische Gewalt von Erdstößen zu wappnen.

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Beispielsweise lassen sich Betondächer gegen leichtere Dachkonstruktionen austauschen. Instabiles Füllmauerwerk lässt sich mithilfe von Stahlgittern verfestigen, die die äußeren und inneren Teile des Mauerwerkes zusammenhalten. Entscheidend für die Stabilität ist der sogenannte "Schachtel-Effekt":

Gebäude, die als Gesamtheit auf Erschütterungen reagieren, sind erheblich widerstandsfähiger. Dieser Schachtel- Effekt“lässt sich erreichen, indem man die Decken mit den Außenmauern und das Dach mit den Mauern verbindet.

Warum bebt die Erde in bestimmten Regionen?

Dass es immer wieder in bestimmten Regionen auf der Welt zu Erdbeben oder zu Vulkanausbrüchen kommt, liegt daran, dass die Erdkruste in einzelne Platten aufgeteilt ist. Diese sind ständig in Bewegung und an ihren Plattengrenzen kommt es immer wieder zu heftigen Naturereignissen.

Die tektonischen Platten schwimmen auf einem Untergrund aus zähflüssigem Magma. Die Magma selbst ist Teil einer gigantischen Strömung zwischen dem heißen Erdkern und der Oberfläche.

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Diese Konvektionsströmungen sind ein Motor mit einer Umlaufzeit von 240 Millionen Jahren. Das genügt jedoch, die Platten der Erdkruste immer wieder in Bewegung zu versetzen.

Die Eurasische Platte ist eine der größten Platten der Erde. Sie treibt nach Osten und kollidiert mit der Indischen Platte. Diese schiebt sich dabei unter die Eurasische Platte. Die wiederum wird gestaucht und wirft quasi riesige Falten, die wir als das Himalaya-Gebirge kennen.

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Dieses Gebirge ist ständig in Bewegung, die Berge sinken und wachsen. Dies geschieht jedoch nicht ohne Folgen: starke Erdbeben entstehen.

Vor der Ostküste Japans versinkt die dünne Japanische Platte unter die Pazifische. Beide Platten sind recht dünn, sodass die Pazifische Platte die Japanische wie einen Bogen spannt. Es bildet sich an dieser Stelle eine Tiefseerinne.

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Entlädt sich die Spannung plötzlich, wird nicht nur der Meeresboden in Schwingung versetzt, sondern auch die Wassermassen darüber. Eine gigantische Flutwelle entsteht, ein Tsunami.

Ganz anders verhalten sich die Pazifische und die Nordamerikanische Platte östlich von Los Angeles. Hier reiben die Platten horizontal aneinander vorbei und bilden so den St.-Andreas- Graben. Die Platten sind ineinander verkeilt; die Erde bleibt solange ruhig bis das Gestein die ungeheuren Kräfte nicht länger halten kann.

Weiterführende Links zum Thema "Tambora: Der Vulkan, der die Welt veränderte"

Studie von Dr.Ralf Gertisser über den Ausbruch des Tamboras und die Risiken von zukünftigen Vulkaneruptionen:

http://onlinelibrary.wiley.com

Original-Aufzeichnungen vom britischen Arzt James Jameson über die Verbreitung der Cholera in Bengalen in Indien

https://collections.nlm.nih.gov/

catalog/nlm:nlmuid-34720870R-bk