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Sicheres Entkommen

In Kooperation mit der Dr. Günther Kast GmbH & Co. KG haben Professor Lothar Stempniewski und sein Forscherteam eine Systemlösung zur Erdbebensicherung von Gebäuden entwickelt.
In der MEYER WERFT in Papenburg findet das mobile System SchiV 3.0, das Professor Wilhelm Stork und Dr. Frank Hartmann mitentwickelt haben, erstmals Anwendung.
Schichtaufbau des Systems EQ-Grid
EQ-Grid: 1 Mauerwerk, 2 Spezialputz, 3 EQ-Grid = quadraxiales hybrides textiles Flächengebilde aus hochalkaliresistenten Glasfasern in Kombination mit hochelastischen Kunststofffasern, 4 Spezialputz, 5 Oberschicht (Quelle: Dr. Günther Kast GmbH & Co. KG)
In langen Bahnen wird das Erdbebenschutzgewebe EQ-Grid auf das gesamte Mauerwerk aufgebracht und mit einem speziellen Mörtel verputzt. Im Ernstfall hält es die bröckelnde Gebäudestruktur zusammen und Rettungswege frei.
In langen Bahnen wird das Erdbebenschutzgewebe EQ-Grid auf das gesamte Mauerwerk aufgebracht und mit einem speziellen Mörtel verputzt. Im Ernstfall hält es die bröckelnde Gebäudestruktur zusammen und Rettungswege frei. (Quelle: M. Urban/KIT)

An der Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Karlsruhe stand das technische Textil EQ-Grid auf dem Prüfstand. Das Erdbebenschutzgewebe wurde gemeinsam von Professor Lothar Stempniewski (rechts) und Christoph Kast (links), Geschäftsführer der Dr. Günther Kast GmbH & Co. KG, entwickelt. 

„Es geht in erster Linie um die Rettung der Menschen“, macht Prof. Stempniewski klar. „Im Ernstfall muss den Insassen genügend Zeit bleiben, um das vom Erdbeben erschütterte Gebäude sicher vor dem Zusammenbruch zu verlassen“. Instabile Gebäude sind eine der größten Gefahren in Erdbebengebieten – zurück bleiben erhebliche Schäden an der Bausubstanz. Das Ausmaß dieser Schäden hängt dabei nicht nur von der Stärke und der Dauer eines Erdbebens sowie der Besiedlungsdichte ab, sondern zum großen Teil von der Erdbebensicherheit der Bauwerke selbst. Bereits seit einigen Jahren forscht Prof. Stempniewski, Leiter des Instituts für Massivbau und Baustofftechnologie (IMB) am KIT, auf diesem Gebiet. „Wir verfolgen als Ingenieure einen lösungsorientierten Ansatz. Das Problem Erdbeben besteht und wir wirken dem entgegen, indem wir sicherere Gebäude bauen wollen. Nach meinem Verständnis hört die Lösung jedoch nicht am Schreibtisch auf, sondern erst wenn sie den Weg in den Markt findet“, unterstreicht Prof. Stempniewski.

Obwohl das Thema eine hohe gesellschaftliche Relevanz hat, gibt es aktuell nur wenige massentaugliche Lösungen, die wirkliche Stabilität in den entscheidenden Sekunden bieten. „Ich verfolge nur Ansätze, die nachweislich funktionieren und für die es tatsächlich einen signifikanten Markt gibt“, erklärt Stempniewski und führt fort: „Bis eine Technologie als Produkt jedoch am Markt ankommt, muss man viel Zeit und Geld in die Forschung investieren. Um in die richtige Richtung zu entwickeln, sollte man die Materie im Kleinsten verstehen und gezielt kombinieren: Was wird benötigt? Welches Material bringt passende Eigenschaften mit sich? Und wie kann man dies zusammenbringen?“ Diese Fragestellungen führten die Stahlbetonbauer des KIT schließlich in fachfremde Gefilde, und zwar die Arbeit mit technischen Textilien.

Hightech-Textil mit Potenzial

Noch bevor das heutige System zur Erdbebensicherung für den Massivbau angedacht wurde, beschäftigten sich die Forscher mit der Sicherung von Innenräumen. Eine sogenannte Erdbebentapete war das erste Projekt, in dem die Arbeitsgruppe von Prof. Stempniewski und die Textilexperten der Dr. Günther Kast & Co. KG GmbH zusammenarbeiteten. Daraus entwickelte sich eine langjährige Zusammenarbeit bis hin zur Lizenzierung der am KIT entwickelten Technologie. „Es ist von Vorteil, wenn man in der produktorientierten Forschung an einem Strang zieht. Auf der einen Seite haben wir als Wissenschaftler die Möglichkeit, nah am Markt zu forschen. Im Gegenzug hat ein Industriepartner die Chance, ein neues Produkt in sein Portfolio aufzunehmen“, so Stempniewski.

Das familiengeführte, mittelständische Unternehmen Kast mit Sitz im bayrischen Sonthofen ist spezialisiert auf die Herstellung von Spezialfasererzeugnissen, wie Materialien für Buchbinder, Papierverbunde und technische Textilien. Geschäftsführer Christoph Kast erläutert:  „Wir hatten den Erdbebenbereich nicht im Fokus, waren jedoch überzeugt, dass Textilien im Massivbau für die strukturelle Verstärkung einen wichtigen Beitrag leisten können. Die Lizensierung als Grundlage ist dabei für beide Seiten eine Win-Win-Situation. Die Gelder kommen dem Institut zugute und wir können damit gleichzeitig sicherstellen, dass die Technologie nicht in einem Entwicklungsstand verharrt, sondern fortwährend weiterentwickelt werden kann.“ So hat sich das gemeinsam entwickelte System EQ-Grid zur Erdbebensicherung heute zu einem neuen Standbein des Textilunternehmens entwickelt. Mittels Sublizenzierung an Fachunternehmen im Bauwesen wird EQ-Grid bereits international vermarktet.

Schichtaufbau mit System

Die Systemlösung EQ-Grid zeichnet sich durch zwei Komponenten aus: ein Textil sowie ein darauf abgestimmter Putz. Erst durch Kombination beider Komponenten entfaltet das System seine Stärke. Zweierlei Fasern mit unterschiedlichen Materialeigenschaften werden zu einem technischen Textil verbunden. Die steiferen Glasfasern stabilisieren das Mauerwerk bei kleineren Beben und halten es zusammen, ohne dass sichtbare Schäden entstehen. Werden die Kräfte jedoch zu groß und diese Fasern reißen, übernehmen die hochelastischen Kunststofffasern. „Aufgrund ihrer deutlich höheren Dehnbarkeit, bis auf das Doppelte ihrer Länge, geben sie dem Gebäude Verformungsmöglichkeiten, halten jedoch die bröckelnden Mauerteile zusammen. Sie unterbinden den Einsturz oder verzögern ihn zumindest“, beschreibt Prof. Stempniewski. Beide Fasern zusammen fangen die Erdbebenenergien auf und federn die Querbewegungen beim Beben ab.

Auf der Baustelle wird nach dem Auftrag einer dünnen Schicht des speziell entwickelten Kalkmörtels das technische Textil auf das gesamte Mauerwerk aufgebracht. Zuerst wie eine Art Gürtel um das gesamte Haus herum über den Öffnungen, wie Fenstern und Türen, in einer Stoffbahn. An den restlichen Flächen des Mauerwerks werden die Textilbahnen überlappend, vertikal aufgestrichen. Zum Abschluss werden die Wände mithilfe des Spezialmörtels verputzt. Ein durchschnittliches Einfamilienhaus ist so innerhalb eines Tages mit dem Erdbebenschutzgewebe appliziert. Das verputzte Gewebe bildet eine feste, stabilisierende Schicht um das Mauerwerk und hält extremen Belastungen stand.

Die Besonderheit: EQ-Grid ist nicht nur im Neubau einsetzbar, sondern eignet sich vor allem für die Nachrüstung bestehender Bauten und die Sanierung geschädigter Gebäude. „Der Kerngedanke dabei ist, alle Wände zu aktivieren, anstatt zusätzlich einzelne stabilisierende Elemente einzubauen. Dadurch ist eine bessere Kraftverteilung bei Erschütterung möglich“, so Prof. Stempniewski. „Bei der Verarbeitung des Systems haben wir uns an den bestehenden Produkten und Arbeitsweisen der Praxis orientiert. Wenn das Produkt erfolgreich verkauft werden soll, dann können wir nur auf die Fachunternehmen zurückgreifen, die heute schon in dem Bereich tätig sind. Wir wollten keinen neuen Beruf kreieren“, erklärt der Bauingenieur.

Flexible, textile Fertigung

Was zunächst recht simpel erscheint, offenbart seine Raffinesse im Detail. Eine große Herausforderung während der Produktentwicklung waren der anspruchsvolle textile Fertigungsprozess und die Veredelung. Um den Materialmix mit unterschiedlichen Stoffeigenschaften, wie etwa die Schmelztemperatur, zu beherrschen, entwickelten die Textilspezialisten von Kast eine besondere Prozedur zur Herstellung des markanten quadraxialen Textils. Eine gewisse Festigkeit, die notwendig für die Anwendung und Verarbeitung der gerollten Meterware ist, wurde mit neuen Veredelungsverfahren erreicht. Kast erklärt: „Wir haben in die Herstellung und die Veredelungstechnologie investiert, da wir den Nischenmarkt der Erdbebentextilien erschließen wollen. Hier war Sorgfalt geboten, da sich die Qualität der Materialien direkt in der Leistung des Systems nieder schlägt.“ Dabei macht es zudem einen Unterschied, ob 50 Meter von einem Produkt für einen Versuch hergestellt werden oder ein Vielfaches in Serienproduktion. „Das Textil-Know-how unseres Partners hat entscheidend zum Erfolg beigetragen. Erst durch die Verarbeitungsexpertise ist es gelungen, unser Konzept in ein handfestes Produkt umzusetzen“, sagt der Wissenschaftler Stempniewski.

Smarte Textilien für die Zukunft

In Deutschland sind Erdbebenzonen relativ gering vertreten und seltener aktiv. Großer Anwendungsbedarf zeigt sich jedoch auch bei Schäden durch Setzungen – beispielsweise wenn das Grundwasser zurück geht und der Boden dadurch nachgibt. Daher bewahrt das System EQ-Grid nicht nur im Erdbebenfall vor dem Einsturz. Standfestigkeit bewies das System bei wissenschaftlichen Experimenten im Härtetest: „Es hat noch kein Rütteltisch der Welt geschafft, unser System zu Bruch zu bringen“, berichtet Prof. Stempniewski stolz. „Für die Zukunft werden wir verstärkt auch mit Sensorik im Gewebe arbeiten, um qualitätsrelevante Werte zu messen und Zustände von Mauerwerken besser bewerten zu können.“, gibt Prof. Stempniewski einen Ausblick. 

 

 

Kontakt:

Institut für Massivbau und Baustofftechnologie (IMB) 
Prof. Dr.-Ing. Lothar Stempniewski
lothar.stempniewski∂kit.edu