Forschung -

Sensoren überprüfen Gebäude unmittelbar nach Erdbeben

Eine sehr interessante Technologie von Berkeley Lab könnte die Zeit verkürzen, die benötigt wird, um durch Erdbeben gefährdete Gebäude wieder sicher und stabil zu erklären.

Die neusten massiven Erdbeben in Südkalifornien zwangen unter anderem das Ridgecrest Regional Hospital während des dann folgenden Wochenendes außer Betrieb, während die kleine Stadt Ridgecrest die Schäden erst einmal zu bewerten hatte. Das nimmt viel Zeit in Anspruch.

Ein neuer optischer Sensor, der am Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) entwickelt wurde, könnte die Beurteilungszeit, ob kritische Gebäude kurz nach einem schweren Erdbeben sicher zu benutzen sind, erheblich verkürzen.

Diese Technologie erfasst und überträgt autonom die Daten, die die mögliche relative Verschiebung zwischen zwei benachbarten Stockwerken eines betroffenen Gebäudes dokumentieren.

Sie ist in der Lage, zuverlässige Informationen über Gebäudeschäden unmittelbar nach einem Erdbeben zu liefern und könnte die Bemühungen zur sicheren Bewertung, Reparatur und Wiederbelegung von Gebäuden nach einem Erdbeben beschleunigen.

Wissenschaftler und Ingenieure des Berkeley Lab, des Lawrence Livermore National Laboratory und der University of Nevada-Reno begannen 2015 mit der Entwicklung einer optischen Methode zur Messung der Drift zwischen Gebäudeetagen.

Nach vier Jahren umfangreicher Forschung und simulativen Tests am "Earthquake Engineering Laboratory" der University of Nevada wird der "Discrete Diode Position Sensor" (DDPS) derzeit zum ersten Mal in einem mehrstöckigen Gebäude im Berkeley Lab eingesetzt - das neben dem Hayward Fault liegt, eines der gefährlichsten Erdbebenregionen in den Vereinigten Staaten.

"Bis jetzt gab es keine Möglichkeit, die Drift zwischen den Gebäudeetagen genau und direkt zu messen, was ein Schlüsselparameter für die Beurteilung der Erdbebenfolgen in einem Gebäude ist", sagte David McCallen, Senior Scientist in der 'Energy Geosciences Division' am Berkeley Lab und Dozent an der University of Nevada, der das Forschungsprojekt leitet.

Das Debüt des DDPS kommt zu einem Zeitpunkt, wo die Regierungen auf allen Ebenen die Gebäudeinspektionen und Wiederbesetzungen nach Erdbeben zu einem zentralen Schwerpunkt der Reaktionsplanung machen. Hinzu kommt die mit Spannung erwartete nächste Generation der "Remote Connectivity" - 5G - durch die eine schnelle Datenübertragung dann Realität wird.

Die Messung der Etagendrift in Gebäuden war schon seit einiger Zeit ein Faktor bei der Beurteilung von Gebäudeschäden nach einem Erdbeben. Doch die Suche nach einer zuverlässigen Methode dafür war mit zahlreichen Herausforderungen verbunden.

Bis jetzt montierten Ingenieure Beschleunigungssensoren für Erdbeben mit starker Bewegung in ausgewählten Höhenlagen, um Daten über die hin- und hergehenden sowie seitlichen Kräfte zu sichern, die auf ein Gebäude einwirken.

Die Verarbeitung dieser Beschleunigungsdaten ist aufgrund der Frequenzbegrenzungen der Sensoren jedoch sehr schwierig, insbesondere wenn Gebäude permanente Verschiebungen aufweisen, die mit Schäden verbunden sind.

Noch schwieriger ist es, Daten schnell genug zu erhalten, um Entscheidungen über die Betriebskontinuität eines Gebäudes und die Sicherheit der Insassen zu treffen. Da die typische Sensor-Instrumentierung von Gebäuden auch noch recht kostspielig sein kann, gibt es bei relativ wenigen Gebäuden nicht mal ausreichende Beschleunigungssensoren.

Das DDPS nutzt eine vielversprechende neue Alternative zur direkten Driftmessung von Gebäudeebenen, die Laserstrahlen mit optischen Sensoren kombiniert.

Diese Technik konzentriert sich auf das Projizieren von Laserlicht über eine Stockwerkhöhe, um die Position zu erfassen, an der das Licht auf einen Detektor trifft, der sich im angrenzenden Gebäudestockwerk befindet, um strukturelle Abweichungen direkt zu messen.

Das im Berkeley Lab entwickelte Tool basiert auf einer Laserquelle und einem positionsempfindlichen Detektor. Durch die geometrische Anordnung kleiner, kostengünstiger und lichtempfindlicher Fotodioden ist der Sensor in der Lage, die Position eines auftreffenden Laserstrahls sofort zu verfolgen.

"Frühere DDPS-Generationen von waren viel größer als das System, das wir jetzt einsetzen können", sagte McCallen. "Basierend auf Designfortschritten und Erfahrungen ist unser Sensor nur ein Viertel so groß wie unser ursprüngliches Sensordesign, verfügt aber über 92 Dioden, die in einer rechteckigen Anordnung gestapelt sind, sodass der Laserstrahl immer auf eine oder mehrere Dioden trifft."

Bislang hat der DDPS bis zu drei Runden rigoroser experimenteller Rütteltischversuche erfolgreich überstanden.

"Die strengen Tests, denen der DDPS unterzogen wurde, zeigen, wie die auf den drei Prüfständen gemessenen Driftverschiebungen im Vergleich zu repräsentativen Verschiebungen aussehen, die mit einem echten Gebäude in Originalgröße erreicht werden könnten, das starken Erschütterungen durch ein Erdbeben ausgesetzt ist", sagte McCallen.

Die bevölkerungsreichste Stadt, die von dem besagten Erdbeben in Südkalifornien betroffen war, war Ridgecrest selbst, eine Stadt mit 29.000 Einwohnern, die im Epizentrum des Erdbebens der Stärke 7,1 lag. Obwohl es sich um ein kleines Ballungszentrum handelt, liegen die Schätzungen für Gebäudeschäden immer noch im Bereich von 100 Millionen Dollar.

Wenn ein Erdbeben dieser Größenordnung Los Angeles 150 Meilen südlich von Ridgecrest oder San Francisco, fast 400 Meilen nördlich, treffen würde, würden buchstäblich Hunderte bis Tausende von Gebäuden beschädigt werden.

In diesem Szenario würde die Fähigkeit, wichtige Driftinformationen zwischen Stockwerken unmittelbar nach einem Erdbeben zu messen und anzuzeigen, wichtige neue Informationen für fundierte Entscheidungen über die Gebäudenutzungen liefern.

Entsprechende Informationen für die Ersthelfer würden zudem wirksam helfen, die Evakuierung eines Gebäudes effizient zu leiten. Und Kommunen könnten über die Nutzung wichtiger Einrichtungen, wie Krankenhäuser, schneller als bisher entscheiden.

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