Gebäude können erdbebensicher gestaltet werden. Warum bauen die USA nicht mehr davon?

Von Thomas Fuller, Anjali Singhvi, Mika Gröndahl und Derek Watkins 3. Juni

Gebäude entworfen

weniger schütteln

Konventionell

Gebäude

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Konventionell

Gebäude

Von Thomas Fuller, Anjali Singhvi, Mika Gröndahl und Derek Watkins 7. Juni 2019

Als das Zittern um 5:46 Uhr begann, saß Yasuhisa Itakura, Architekt bei einem großen japanischen Bauunternehmen in Kobe, an seinem Schreibtisch und beendete einen Bericht, an dem er die ganze Nacht gearbeitet hatte. Sein Büro schwankte, aber die Bücher blieben in ihren Regalen und nichts fiel von seinem Schreibtisch.

„Ich dachte mir, dieses Erdbeben ist nicht so groß“, sagte Herr Itakura.

Es war tatsächlich katastrophal. Beim großen Hanshin-Erdbeben vom 17. Januar 1995 kamen in und um die Industriehafenstadt mehr als 6.000 Menschen ums Leben.

Herr Itakura war vor der Gewalt des Erdbebens geschützt, weil sein dreistöckiges Bürogebäude auf einem experimentellen Fundament aus Gummi stand – einer frühen Version einer technischen Technik namens Basisisolierung.

Die Technik, die das Gebäude von Herrn Itakura schützte, wird heute in etwa 9.000 Bauwerken in Japan eingesetzt, während es zum Zeitpunkt des Kobe-Erdbebens nur zwei Dutzend waren. Tausende anderer Gebäude im Land wurden mit stoßdämpfenden Vorrichtungen ausgestattet, die Schäden erheblich reduzieren und Einstürze verhindern können.

Chile, China, Italien, Mexiko, Peru, die Türkei und andere erdbebengefährdete Länder haben die Technologien in unterschiedlichem Ausmaß übernommen.

Doch mit bemerkenswerten Ausnahmen, darunter Apples neuer Hauptsitz im Silicon Valley, wurden die Innovationen in den USA nur sparsam eingesetzt. Befürworter der Erdbebensicherheit beschreiben dies als eine verpasste Gelegenheit, nach den unvermeidlichen Streiks der „Big One“ Wiederaufbaukosten in Milliardenhöhe einzusparen.

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Erdbeben sind natürlich Naturphänomene. Doch wie hoch der Schaden ist, den sie anrichten, hängt von den Entscheidungen von Politikern, Ingenieuren und Wirtschaftsführern ab. Japan und die Vereinigten Staaten, zwei der technologisch fortschrittlichsten Länder der Welt, haben das gleiche Problem – wie können Menschen und Gesellschaft vor Erdbeben geschützt werden – und dennoch haben sie auf sehr unterschiedliche Weise reagiert.

Japan baut sowohl durch Regierungsaufträge als auch durch seine Ingenieurskultur stärkere Strukturen, die Erdbeben standhalten und unmittelbar danach genutzt werden können. Die Vereinigten Staaten legen einen Mindeststandard und einen geringeren Schutzstandard fest, wobei sie davon ausgehen, dass viele Gebäude schwer beschädigt werden.

Die beiden Ansätze spiegeln unterschiedliche Einstellungen gegenüber Risiken, der Rolle der Regierung und der kollektiven sozialen Verantwortung wider. Analog zur amerikanischen Debatte über die Krankenversicherung besteht die amerikanische Philosophie darin, widerstandsfähigere Gebäude zu einer individuellen Entscheidung und nicht zu einem Regierungsauftrag zu machen.

„Wollen wir mehr wie Japan sein und sind wir bereit, den Preis zu zahlen?“ sagte Joyce Fuss, Präsidentin der Structural Engineers Association of California. „Viele Leute würden ‚Nein‘ sagen und vielleicht würden einige Leute ‚Ja‘ sagen.“

GEBÄUDEBODEN

Abschnitt eines Lagerisolators aus Bleigummi

Bleikern

Schichten aus Stahl

und Gummi

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Bodenbewegung

GEBÄUDE

Abschnitt eines Leads

Gummilagerisolator

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Gummilagerisolator

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Schichten von

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Gummi

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Bodenbewegung

Dem amerikanischen Ansatz zur seismischen Technik liegt eine Risikokalkulation zugrunde: Viele amerikanische Ingenieure gehen davon aus, dass ein Gebäude, das 50 Jahre lang genutzt werden könnte, bevor es abgerissen und durch ein neues ersetzt wird, eine relativ geringe Chance hat, bestehen zu bleiben von einem gewaltigen Erdbeben heimgesucht.

„Wenn Sie heute das Geld ausgeben und morgen das Erdbeben passiert, dann herzlichen Glückwunsch, Sie haben gute Arbeit geleistet“, sagte Ron Hamburger, ein amerikanischer Bauingenieur, der vielleicht die führende Autorität auf dem Gebiet der Bauvorschriften ist. „Tatsache ist jedoch, dass Orte wie San Francisco oder Los Angeles vielleicht alle 100 bis 200 Jahre von wirklich erheblichen Erdbeben betroffen sein werden.“

„Wie glücklich fühlst du dich?“ er fügte hinzu.

In Städten wie San Francisco, wo der Durchschnittspreis für ein Haus weit über einer Million Dollar liegt, dürfte die Idee, die Baukosten noch weiter zu erhöhen, unpopulär sein, selbst wenn das Ziel darin besteht, die Stadt langfristig zu erhalten.

Laut Hiroo Kanamori, einem emeritierten Professor für Seismologie am California Institute of Technology, kommen große Erdbeben in Japan etwa zehnmal häufiger vor als in den kontinentalen Vereinigten Staaten.

Die seismische Geschichte deutet jedoch darauf hin, dass es in Kalifornien zu schweren Erdbeben kommen könnte, die oft in Häufungen auftreten.

In Nordkalifornien ereigneten sich die letzten fünf großen Erdbeben entlang der Hayward-Verwerfung, dem gezackten Riss in der Erde, der durch die dicht besiedelten Städte Berkeley und Oakland auf der anderen Seite der Bucht von San Francisco verläuft, im Durchschnitt alle 140 Jahre.

Der letzte war vor 151 Jahren. (Die seismische Geschichte hat auch gezeigt, dass die Vorhersage von Erdbeben ein Kinderspiel ist.)

[Bei einem großen Beben gefährdet: 39 der besten Hochhäuser San Franciscos]

Das letzte große Erdbeben in den angrenzenden Vereinigten Staaten, das im Raum Los Angeles Schäden in Höhe von 20 Milliarden US-Dollar verursachte, ereignete sich vor einem Vierteljahrhundert.

„Das Land in Amerika war friedlich“, sagte Masayoshi Nakashima, Präsident der International Association for Earthquake Engineering. „Gerade junge Generationen sind mit der Realität von Erdbeben nicht unbedingt vertraut.“

Die Debatte darüber, ob in den Vereinigten Staaten widerstandsfähigere Gebäude gebaut werden sollten, wurde unter Ingenieuren und anderen Fachleuten weitgehend aus dem Blickfeld der Öffentlichkeit geführt.

Auf dem Spiel steht jedoch, ob Orte wie Silicon Valley, Seattle, Salt Lake City, San Francisco oder Los Angeles nach einem Volltreffer zur Schließung gezwungen werden könnten – und für wie lange.

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Eine Bundesstudie aus dem letzten Jahr ergab, dass ein Viertel der Gebäude in der San Francisco Bay Area nach einem Erdbeben der Stärke 7 erheblich beschädigt werden würde, eine Katastrophe, die durch die Tatsache verschärft würde, dass neun von zehn Gewerbegebäuden und acht von … 10 Häuser in Kalifornien sind nicht gegen Erdbeben versichert.

„Städte werden viele Monate, wenn nicht Jahre lang nicht nutzbar sein“, sagte H. Kit Miyamoto, Mitglied der California Seismic Safety Commission, einer Regierungsbehörde, die die staatliche Gesetzgebung und den Gouverneur in Erdbebenfragen berät. „Wegwerfgebäude sind gleichbedeutend mit einer Wegwerfstadt.“

Bei einem schweren Erdbeben sind die meisten amerikanischen Gebäude so konstruiert, dass sie wie ein Auto bei einem Frontalzusammenstoß zusammenbrechen und die Energie des Erdbebens durch Schäden vernichten. Das Ziel besteht darin, Leben zu retten, aber das Gebäude kann – wie ein Auto nach einem Unfall – nutzlos sein.

Wie viel Schwanken ist erlaubt?

Je stärker ein Gebäude bei einem Erdbeben schwankt, ein Konzept, das Ingenieure als Drift bezeichnen, desto größer ist das Schadenspotenzial. Amerikanische Bauvorschriften erlauben doppelt so viel Abdrift wie japanische.

Wie viel Schwanken ist erlaubt?

Herr Hamburger, der Bauingenieur, schätzt, dass die Hälfte aller Gebäude in San Francisco unmittelbar nach einem schweren Erdbeben als unbewohnbar gelten könnte.

Einige Städte wie San Francisco erwägen Regeln, die eine strengere Bauweise erfordern würden, ähnlich wie in Japan. So etwas wie eine erdbebensichere Konstruktion gibt es nicht, aber Experten sagen, amerikanische Gebäude könnten bei geringen Mehrkosten viel widerstandsfähiger sein.

Eine mehrjährige Bundesstudie kam zu dem Schluss, dass die Reparatur von Gebäuden nach einem Erdbeben viermal mehr kostet, als sie von vornherein stärker zu errichten. Den Berechnungen der Studie zufolge verlieren die Vereinigten Staaten jedes Jahr schätzungsweise 4 Milliarden US-Dollar, wenn sie strengere Bauvorschriften für Erdbeben hinauszögern.

Herr Miyamoto, der in Japan aufgewachsen ist, aber jetzt in Kalifornien lebt, sagte, dass es zwischen Japan und den Vereinigten Staaten immer größere Meinungsverschiedenheiten über seismische Ingenieure gebe.

„Die Japaner sind völlig verblüfft darüber, wie wir hier entwerfen“, sagte er.

Stahlrahmen

Betonkern

Stahlbetonkern

Betonsäulen

Diagonaldämpfer

Stahlträger und Säulen

Teil von

Gebäude

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Amerikanische Hochhäuser werden typischerweise mit einem Betonkern gebaut, der den meisten seismischen Kräften eines Erdbebens standhält.

Beim japanischen Hochhausbau werden üblicherweise ein Gitter aus Stahlträgern und -säulen verwendet, das seismische Kräfte gleichmäßig über die Struktur verteilt, sowie Diagonaldämpfer, die als Stoßdämpfer dienen.

Betonkern

Stahlrahmen

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Gebäude

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Diagonaldämpfer

Stahlträger und Säulen

Betonsäulen

Stahlbetonkern

Amerikanische Hochhäuser werden typischerweise mit einem Betonkern gebaut, der den meisten seismischen Kräften eines Erdbebens standhält.

Betonkern

Stahlbetonkern

Betonsäulen

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Amerikanische Hochhäuser werden typischerweise mit einem Betonkern gebaut, der den meisten seismischen Kräften eines Erdbebens standhält.

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Diagonaldämpfer

Stahlträger und Säulen

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Betonkern

Betonsäulen

Verstärkt

Betonkern

Amerikanische Hochhäuser werden typischerweise mit einem Betonkern gebaut, der den meisten seismischen Kräften eines Erdbebens standhält.

Stahlrahmen

Diagonaldämpfer

Stahlträger und Säulen

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Betonkern

Betonsäulen

Stahlbetonkern

Amerikanische Hochhäuser werden typischerweise mit einem Betonkern gebaut, der den meisten seismischen Kräften eines Erdbebens standhält.

Stahlrahmen

Diagonaldämpfer

Stahlträger

und Spalten

Der Schutz hoher Gebäude vor Erdbeben gehört für Ingenieure zu den anspruchsvollsten Aufgaben. Der Einsturz auch nur eines einzigen Wolkenkratzers könnte katastrophale Folgen haben. Hohe Gebäude sind vielleicht auch der größte Streitpunkt zwischen amerikanischen und japanischen Ingenieuren.

Die meisten neuen Hochhäuser in den Vereinigten Staaten werden um einen Stahlbetonkern herum gebaut, eine Technik, die japanische Ingenieure meiden, weil sie sagen, dass sie bei einem Erdbeben unvorhersehbar funktioniert. Hohe Gebäude werden in Japan fast immer aus Stahl gebaut.

Japan hat natürlich immer noch viele Schwachstellen, von denen einige deutlich wurden, als das Tohoku-Erdbeben 2011 einen Tsunami auslöste, der Seemauern durchbrach, schätzungsweise 16.000 Menschen tötete und Strahlung aus einem beschädigten Kernreaktor verbreitete.

Im Land gibt es viele ältere Gebäude, die vor großen Änderungen an einer Bauordnung von 1981 errichtet wurden, und selbst die seismischen Innovationen des Landes sind von unterschiedlicher Qualität und Wirksamkeit, wie die Enthüllungen im vergangenen Jahr zeigten, dass ein Hersteller von seismischen Stoßdämpfern seine Leistungsdaten gefälscht hatte.

Aber alles in allem, sagen japanische Ingenieure, hätten die Erdbeben der letzten zwei Jahrzehnte die Wirksamkeit der strengeren Vorschriften und Innovationen des Landes bewiesen.

Kobe und das Tohoku-Erdbeben von 2011 führten zu einem Anstieg der Nachfrage nach robusteren Gebäuden, wobei die Verbraucher bereit waren, für die neuesten Technologien einen Aufpreis zu zahlen. Ein Unternehmen hat aufblasbare Airbags entwickelt, die sich unter einem Holzhaus entfalten, wenn ein schweres Erdbeben erkannt wird.

Nach Angaben der Japan Society of Seismic Isolation sind von den 9.000 durch Basen isolierten Gebäuden in Japan 4.300 mehrstöckige Gebäude, darunter viele Büros, Eigentumswohnungen und Regierungsgebäude, und 4.700 Wohnhäuser.

Im japanischen Fernsehen und in der U-Bahn von Tokio wird für die Isolierung von Stützpunkten geworben und auf die seismischen Systeme neu errichteter Eigentumswohnungen hingewiesen. Nice Corporation, ein japanisches Bauunternehmen, sagt, dass ein siebenstöckiges, isoliertes Gebäude 13 bis 15 Prozent mehr kostet als ein herkömmliches. Ian Aiken, ein auf seismische Technologien spezialisierter Ingenieur, sagt, dass die Systeme nur fünf Prozent mehr kosten können.

Laut Herrn Hamburger, dem Code-Experten, und anderen Ingenieuren, die in beiden Ländern gearbeitet haben, sind viele neue Gebäude in Japan nicht fußisoliert, aber selbst konventionelle sind im Allgemeinen stärker und steifer als amerikanische.

Die sogenannte Resilienzbewegung – die Entwicklung von Gebäuden, die Naturkatastrophen wie Erdbeben besser standhalten sollen – hat in den letzten Jahren in den Vereinigten Staaten an Anhängern gewonnen. Auch Kanada erwägt höhere Festigkeitsanforderungen für seine Gebäude. Amerikanische Befürworter sagen jedoch, dass sie mit einer Reihe von Hindernissen konfrontiert sind.

Evan Reis, Mitbegründer des US Resiliency Council, einer gemeinnützigen Organisation, sagt, das größte Hindernis sei, dass Gebäude im Gegensatz zu Japan in Amerika häufig den Besitzer wechseln und die Entwickler, die sie bauen, keinen Anreiz darin sehen, sie robuster zu machen.

„Kurzfristiges Denken ist absolut der größte Übeltäter“, sagte Herr Reis. „Die Leute sind bereit, die Würfel zu rollen.“

[San Franciscos großes seismisches Wagnis]

Die Bemühungen der kalifornischen Gesetzgebung, die Erdbebengesetze zu stärken, scheiterten im vergangenen Jahr. Ein Gesetzentwurf, der die Funktionsfähigkeit von Gebäuden nach einem Erdbeben vorgeschrieben hätte, wurde in Ausschüssen abgeschwächt und dann vom damaligen Gouverneur Jerry Brown abgelehnt.

Experten sind der Ansicht, dass es politisch wenig Sinn macht, stärkere Gebäude zu befürworten, da die Öffentlichkeit weitgehend nicht weiß, dass Gebäude dafür ausgelegt sind, bei einem großen Erdbeben beschädigt zu werden.

„Das Gebäude wird bestraft und wir hoffentlich lebend herauskommen“, sagte Richard J. McCarthy, der geschäftsführende Direktor der California Seismic Safety Commission.

Die Kommission startete dieses Jahr eine Kampagne, um die Öffentlichkeit zu warnen, dass die Bauordnung sie weniger schützt, als sie vielleicht denkt.

Amarnath Kasalanati, stellvertretender Direktor des Pacific Earthquake Engineering Research Center an der University of California in Berkeley, sagt, es sei paradox, dass mehr Gebäude in den Vereinigten Staaten keine innovativen seismischen Technologien nutzen, da amerikanische Wissenschaftler und Ingenieure schon früh auf diesem Gebiet führend waren .

Herr Kasalanati schätzt, dass es in den Vereinigten Staaten 175 base-isolierte Gebäude gibt, hauptsächlich Museen, Krankenhäuser und ältere Gebäude wie die Rathäuser von San Francisco und Los Angeles, die mit Isolatoren nachgerüstet wurden.

Ein amerikanisches Unternehmen, das an der Entwicklung seismischer Isolationsgeräte beteiligt war, hat 70 Prozent der 20.000 produzierten Geräte ins Ausland verschifft.

Ein bemerkenswertes Gebäude in den Vereinigten Staaten, in dem die Geräte zum Einsatz kommen, ist Apples riesiger neuer Hauptsitz im Silicon Valley.

Steve Jobs, der Mitbegründer von Apple, starb, bevor mit dem Bau des Gebäudes begonnen wurde. Aber als er Pläne für die kreisförmige, glasummantelte Struktur vorstellte, beschrieb er sie als „ein bisschen wie ein Raumschiff“.

Wie auf einer seltenen Tour zu sehen ist, ist die vierstöckige Kugel, die 12.000 Menschen fasst und etwa so breit wie das Pentagon ist, der Rolls-Royce unter den isolierten Gebäuden.

[In Apples erdbebensicherem Hauptquartier]

Das Gebäude, dessen Betonfundament einer Badewanne ähnelt, ist nicht mit dem Boden verbunden – wenn Kräne oder Hubschrauber vorhanden wären, die stark genug wären, könnten sie es hochheben.

An der Basis der fast 700 Stützsäulen des Gebäudes befinden sich Pucks aus Edelstahl, die auf massiven Untertassen aus Stahl sitzen. Wenn ein Erdbeben den Boden erschüttert, gleiten die Pucks bis zu einem Meter über die Untertassen, gebremst durch die Reibung.

Untertassen aus Stahl

GEBÄUDEBODEN

Abschnitt eines dreifachen Reibungspendelisolators

STIFTUNG

Teil von

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Bodenbewegung

GEBÄUDE

Abschnitt einer Dreifachreibung

Pendelisolator

Untertassen aus Stahl

STIFTUNG

Teil von

Gebäude

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Bodenbewegung

Ausschnitt aus einem Tripel

Reibungspendelisolator

Untertassen aus Stahl

GEBÄUDEBODEN

STIFTUNG

Teil von

Gebäude

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Bodenbewegung

Der Nettoeffekt für die Bewohner besteht darin, dass sich das Gebäude deutlich weniger bewegt, wenn der Boden hin- und herbewegt wird.

Einer der Designer des Gebäudes war Jony Ive, der Mann, der für das Erscheinungsbild von Apple-Produkten wie dem iPhone und dem iPad verantwortlich war.

Der gebürtige Brite Ive sagte, er habe die Bedrohung durch Erdbeben „äußerst besorgniserregend“ gefunden, als er in den 1990er Jahren nach Kalifornien zog, und sei von der kalifornischen Lässigkeit ihnen gegenüber überrascht gewesen.

Herr Ive sagte, er und Herr Jobs hätten nie darüber nachgedacht, ein herkömmliches Fundament für das Gebäude zu verwenden.

„Wir hätten es als völlig bizarr empfunden, unsere Investitionen nicht zu schützen“, sagte er.

Fotografien von Gebäudemodellen, die Hochhausbau und Drift vergleichen, von Tony Cenicola. Kamera von Yousur-Al-Hlou und Jonah M. Kessel. Suzuki Kantaro steuerte eine Berichterstattung aus Tokio bei. Zusätzliche Produktion von Abe Sater und Michael Cordero.Quellen: Kit Miyamoto, Präsident und CEO, Miyamoto International; Akira Wada, emeritierter Professor, Tokyo Institute of Technology; Ibbi Almufti, stellvertretender Direktor für fortschrittliche Technologie und Forschung, Arup in San Francisco; Ryota Kidokoro, Senior Associate, Arup in Tokio; Ron Hamburger, leitender Direktor von Simpson Gumpertz & Heger in San Francisco. Hinweis: Um zu zeigen, wie sich der Einsatz seismischer Technologien in Japan vom konventionellen Hochbau in den Vereinigten Staaten unterscheidet, haben Journalisten der New York Times Gebäudemodelle erstellt, die veranschaulichen, was bei einem Erdbeben passieren kann.