Erdbebensicher bauen: Die klugen Tricks gegen Erdstöße
Erdbebensicherheit: Wie Bauwerke Erdbeben überstehen: Erprobte Methoden, moderne Technik und historische Vorbilder.
Die 660 Tonnen schwere Stahlkugel im Hochhaus Taipei 101 sorgt in 380 Metern Höhe für Schwingungsausgleich bei Erdbeben und Taifunen.
Foto: picture alliance / imageBROKER | Hans-Werner Rodrian
Ein Erdbeben dauert oft nur wenige Sekunden. Doch in dieser kurzen Zeit entscheidet sich, ob ein Gebäude stehen bleibt oder zur Falle wird. Fachleute sprechen vom „erdbebensicheren Bauen“. Gemeint ist damit alles, was ein Bauwerk so vorbereitet, dass es Erdstöße bis zu einer gewissen Stärke übersteht – oder zumindest Zeit verschafft, das Gebäude rechtzeitig zu verlassen.
Dabei gibt es zwei Ansätze:
- Erdbebengerecht heißt: Das Haus soll so lange stabil bleiben, dass Menschen fliehen können. Dafür dürfen sich Stützen und Wände ruhig verformen – Hauptsache, die Fluchtwege bleiben frei. Möbel oder Deckenverkleidungen sind dabei oft nicht geschützt.
- Erdbebensicher bedeutet: Auch nach einem heftigen Beben soll das Gebäude noch nutzbar sein. Isolationen im Fundament oder elastische Tragwerke sorgen dafür, dass Schäden möglichst gering bleiben – selbst bei den Einbauten.
Wohnhäuser setzen meist auf das „erdbebengerechte“ Konzept. Bei Krankenhäusern, Brücken oder Kernkraftwerken geht es dagegen um absolute Ausfallsicherheit. Wir kümmern uns hier in erster Linie um Techniken für erdbebensicheres Bauen.
Inhaltsverzeichnis
- Drei Klassiker: Scherwände, Querverstrebungen und Rahmen
- Basisisolierung: Gebäude auf Stoßdämpfern
- Seismische Dämpfer: Stoßdämpfer fürs Bauwerk
- Controlled Rocking: Wenn Gebäude wippen dürfen
- Seismischer Tarnmantel: Unsichtbar für Wellen
- Shinbashira: Die Weisheit der Pagoden
- Metamaterialien: Zukunft im Boden
- Normen und Regelwerke: Eurocode 8
- Bauweisen: Leicht, duktil und redundant
- Lehren aus Fukushima und Kobe
- Die Römer als antike Vorbilder
- Wie lassen sich bestehende Gebäude nachrüsten?
Drei Klassiker: Scherwände, Querverstrebungen und Rahmen
Manchmal sind es die unspektakulären Dinge, die Leben retten. Drei Techniken gehören seit Jahrzehnten zum Standard:
- Scherwände – die steifen Scheiben: Stellen Sie sich ein Hochhaus wie einen Schuhkarton vor. Seitlich drücken – und schon knickt er ein. Setzen Sie eine feste Scheibe ein, bleibt er stabil. Genau so funktionieren Scherwände: massive Wände aus Stahlbeton, die seitliche Kräfte aufnehmen und ins Fundament ableiten. Besonders in Treppenhäusern und Aufzugsschächten bilden sie das Rückgrat.
- Querverstrebungen – das Kreuz im Rahmen: Wo keine Wände stören dürfen, helfen Stahlkreuze. Sie verwandeln ein wackeliges Rechteck in ein starres Dreieck. Schon Fachwerkhäuser setzten auf Holzstreben. Heute ziehen Stahlträger oder -seile ihre X-Muster durch moderne Fassaden – wie beim John Hancock Center in Chicago.
- Momentenrahmen – flexibel, aber stark: Hier bleiben die Verbindungen zwischen Balken und Stützen starr. Statt zu knicken, biegen sich die Balken bei einem Beben durch. Das klingt unscheinbar, erfordert aber extrem belastbare Knotenpunkte. Architekt*innen lieben diese Technik, weil sie offene Grundrisse ermöglicht.
In der Praxis kombinieren Fachleute fast immer alle drei Methoden: Scherwände als Kern, Verstrebungen für zusätzliche Stabilität und Rahmen für Flexibilität.
Nach dem schweren Erdbeben im Januar 2010 auf Haiti bildet eine deutsche Hilfsorganisationen lokale Bauarbeiter im Bau erdbebensicherer Häuser aus. Die Häuser bekommen eine Fachwerkstruktur aus Holz, die mit Lehm und Feldsteinen ausgefüllt wird.
Foto: picture alliance / imageBROKER | Florian Kopp
Basisisolierung: Gebäude auf Stoßdämpfern
Ein moderner „Trick“ setzt ganz unten an – beim Fundament. Statt den Baukörper starr mit dem Boden zu verbinden, steht er auf elastischen Lagern. Diese wirken wie Stoßdämpfer, verlängern die Schwingungsdauer und bremsen die Beschleunigung.
Es gibt verschiedene Varianten:
- Elastomerlager bestehen aus dicken Gummischichten, die Bewegungen in alle Richtungen dämpfen.
- Bleikernlager kombinieren Gummi mit einem Bleikern, der sich plastisch verformt und Energie absorbiert.
- Gleitlager ermöglichen horizontale Bewegungen auf speziellen Flächen.
- Gleitpendellager nutzen eine konkave Schale. Nach der Bewegung rollt das Gebäude durch die Schwerkraft in die Ausgangslage zurück.
In Japan und Neuseeland sind solche Isolatoren Standard. In Kalifornien stehen Behördengebäude und Museen auf Gummilagern. Der Haken: Sie sind teuer und brauchen Platz, damit sich das Haus seitlich bewegen kann.
Seismische Dämpfer: Stoßdämpfer fürs Bauwerk
Was tun, wenn Energie doch ins Bauwerk eindringt? Dafür gibt es Dämpfer. Sie wandeln Bewegungen in Wärme um.
- Die bekannteste Form sind Schwingungstilger – riesige Massen, die im Hochhaus mitschwingen. Der Taipei 101 in Taiwan besitzt ein 660 Tonnen schweres Pendel, das Besuchende bestaunen können. Auch der Shanghai Tower nutzt dieses Prinzip.
- Andere Varianten setzen auf Flüssigkeiten. In Tanks schwappt Wasser im Takt der Schwingungen. In Asien dienen diese Tanks oft zugleich als Löschwasserspeicher.
- Weitere Systeme nutzen Viskoseflüssigkeit in Zylindern. Ein Kolben presst sie bei Bewegung durch enge Öffnungen – die Energie verpufft. Oder Metallplatten reiben aneinander, wie bei Reibungsdämpfern.
- Noch in der Forschung sind smarte Dämpfer. Magnetische Felder verändern ihre Steifigkeit in Echtzeit. Solche Systeme könnten Gebäude schaffen, die sich selbst anpassen.
Öldämpfer im Turmkern des Tokyo Skytree reduzieren die Schwingungen.
Foto: picture alliance / Sipa USA | Kazuki Oishi
Controlled Rocking: Wenn Gebäude wippen dürfen
Ein unkonventioneller Ansatz heißt Controlled Rocking. Hier soll das Gebäude gezielt kippen dürfen. Statt starre Rahmen zu erzwingen, bauen Ingenieurinnen und Ingenieure Scharniere im Fundament ein.
Bei einem starken Beben wippt das Bauwerk um diese Scharniere. Eingebaute Dämpfer oder Stahlplatten nehmen die Energie auf. Spannseile oder Formgedächtnislegierungen ziehen das Haus danach wieder in die Ausgangslage.
In Neuseeland wurden nach dem Christchurch-Beben 2011 viele Neubauten mit sogenannten Rocking Walls errichtet. Das Ergebnis: weniger Schäden, leichtere Reparaturen.
Seismischer Tarnmantel: Unsichtbar für Wellen
Noch experimentell ist der Seismic Cloak. Statt das Gebäude zu verstärken, wird die Welle im Boden umgeleitet.
Forschende in Marseille bohrten dafür hunderte Löcher im Boden. Die Idee: Seismische Wellen prallen an den Strukturen ab und laufen seitlich am Gebäude vorbei.
Praktisch ist das bislang nur in Pilotprojekten umgesetzt. Aber die Vision ist klar: ein seismisches Schutzschild im Untergrund. Besonders für Rechenzentren oder Kernkraftwerke könnte das eines Tages interessant werden.
Shinbashira: Die Weisheit der Pagoden
Japanische Pagoden sind seit Jahrhunderten erdbebensicher. Der Grund ist der Shinbashira, ein zentraler Pfahl, der nicht starr mit den Stockwerken verbunden ist.
Wenn das Gebäude schwankt, bewegt sich der Pfahl verzögert. Diese gegenläufige Schwingung stabilisiert die Konstruktion.
Moderne Ingenieur*innen haben das Prinzip übernommen. Der Tokyo Skytree nutzt einen entkoppelten Betonkern als Shinbashira. Öl-Dämpfer sorgen für kontrollierte Relativbewegungen. Selbst bei einem Beben der Magnitude 7,9 würde die Bewegung halbiert.
Metamaterialien: Zukunft im Boden
Noch jünger ist die Idee, seismische Wellen durch Metamaterialien zu blockieren. Dabei geht es nicht um neue Substanzen, sondern um Strukturen im Boden.
Reihen von Pfählen oder Resonatoren schaffen sogenannte Bandlücken, in denen Wellen nicht weiterlaufen. Simulationen zeigen, dass sich Schwingungen um bis zu 70 % verringern lassen.
Noch ist das weit entfernt von der Praxis. Aber es könnte die Zukunft sein: ganze Stadtteile, geschützt durch ein unsichtbares Wellenfilter im Untergrund.
| Nr. | Technik | Einsatzgebiet | Vorteile | Nachteile |
| 1 | Scherwände, Querverstrebungen & momente-resistente Rahmen | Standard im Hoch- und Wohnungsbau; mittelhohe Gebäude, Hallen, Hochhäuser | + Bewährt und kostengünstig + Relativ einfach zu planen + Hohe Tragfähigkeit + Kombination mit anderen Systemen möglich |
– Kann Grundrisse einschränken – Hohe Steifigkeit = Gefahr spröden Versagens – Nachträgliche Verstärkung aufwendig |
| 2 | Basisisolierung (Base Isolation) – Lead-Rubber Bearings – Roller Bearings – Friction Pendulum |
Krankenhäuser, Museen, Brücken, mittelhohe Hochhäuser | + Sehr hohe Wirksamkeit (Entkopplung vom Boden) + Geringere Gebäudeschäden + Gebäude bleiben funktionsfähig |
– Hohe Kosten (10–20 % Mehrkosten) – Platzbedarf für horizontale Verschiebungen – Weniger effektiv bei sehr hohen Gebäuden |
| 3 | Seismische Dämpfer (Tuned Mass Dampers, Flüssigkeits-, Viskose- & Reibungsdämpfer) | Hochhäuser, Brücken, Spezialbauten | + Vielseitig (Neubau + Nachrüstung) + Reduzieren Bewegungen bis 40 % + Auch wirksam gegen Windlasten |
– Wartungsaufwand (z. B. Öl-/Fluiddämpfer) – Exakte Abstimmung nötig – Zusätzliche Kosten |
| 4 | Controlled Rocking (kontrolliertes Wippen) | Neubauten in seismisch aktiven Regionen, besonders Büro- und Wohngebäude | + Energie in austauschbaren Elementen gebunden + Selbstzentrierung durch Spannsysteme + Geringere Reparaturkosten nach Beben |
– Komplexe Planung – Höhere Baukosten – Ungewöhnlich für Bauherren („Gebäude kippt“) |
| 5 | Seismischer Tarnmantel (Seismic Cloaking) | Zukunftstechnologie für kritische Infrastrukturen (Kernkraftwerke, Rechenzentren, Krankenhäuser) | + Verhindert, dass Wellen Gebäude überhaupt erreichen + Keine beweglichen Teile, kein Verschleiß + Langfristig sehr nachhaltig |
– Noch im Forschungsstadium – Sehr teuer – Frequenzabhängig – Funktioniert nur in bestimmten Böden |
| 6 | Shinbashira-Prinzip (zentraler Pfahl) | Traditionell: Pagoden Modern: Hochhäuser wie Tokyo Skytree |
+ Historisch bewährt + Passiv, keine Elektronik nötig + Skalierbar (von Tempel bis Hochhaus) + Kombinierbar mit modernen Dämpfern |
– Platzbedarf für Pfahlkern – Aufwendig in Planung – Kostenintensiv bei Stahlbeton |
| 7 | Metamaterialien (Metabarrieren / Metafundamente) | Pilotprojekte, Forschung; langfristig: Stadtteile, Brücken, Kraftwerke | + Präventiv: Wellen werden abgelenkt/gestoppt + Passiv & wartungsfrei + Potenzial für großflächigen Schutz |
– Noch experimentell – Frequenzabhängig – Sehr hoher Bauaufwand – Geologieabhängig |
Normen und Regelwerke: Eurocode 8
Technik allein genügt nicht. Sie braucht klare Vorgaben. In Europa gelten seit Jahren die Eurocodes. Für Erdbeben ist der Eurocode 8 zuständig. Er besteht aus sechs Teilen: von den Grundlagen über Brücken bis zu Silos, Rohrleitungen und Schornsteinen. In Deutschland wurde er als DIN EN 1998 übernommen.
Allerdings gibt es Besonderheiten: Die ältere Norm DIN 4149 ist offiziell zurückgezogen, wird aber weiter angewandt, solange der Eurocode 8 nicht in allen Bundesländern baurechtlich eingeführt ist.
Entscheidend sind die sogenannten Erdbebenzonen. Deutschland gilt größtenteils als wenig gefährdet. Nur im Rheingraben, im Vogtland und an den Alpen drohen stärkere Beben. Die Norm geht von einem 475-jährlichen Erdbeben aus – einem Ereignis, das in 50 Jahren mit 10 % Wahrscheinlichkeit überschritten wird.
Bauweisen: Leicht, duktil und redundant
Nicht nur Technik, auch die Bauweise selbst entscheidet über die Sicherheit. Als günstig gelten:
- Duktile Materialien, die sich verformen, bevor sie brechen, etwa Stahl oder Stahlbeton.
- Symmetrische Grundrisse, die gleichmäßige Lastverteilung ermöglichen.
- Statisch überbestimmte Systeme, bei denen mehrere Bauteile dieselbe Last tragen können.
- Leichte Konstruktionen, die weniger Masse in Bewegung setzen.
- Mittelpfeiler, die vertikal durchlaufen und als Stabilisatoren dienen.
Auch Holzbauweisen oder Fachwerk zeigen gute Eigenschaften. Sie sind flexibel und nehmen Schwingungen besser auf als spröder Beton.
In San Francisco ist jederzeit mit schweren Erdbeben zu rechnen. Die Pfeiler der Golden Gate Brigde stehen daher auf viskosen Dämpfern.
Foto: Smarterpix / moodboard
Lehren aus Fukushima und Kobe
Die Realität zeigt, dass selbst modernste Technik Grenzen hat. Das Kobe-Erdbeben 1995 forderte über 6400 Menschenleben. Viele Brücken und Hochhäuser hielten nicht stand. Seitdem wurden in Japan die Vorschriften drastisch verschärft.
Die Katastrophe von Fukushima 2011 machte deutlich, dass auch Kernkraftwerke verwundbar sind. Zwar hielten viele Gebäude dem Beben stand, doch die anschließende Flutwelle führte zum Super-GAU.
Die Römer als antike Vorbilder
Schon die Römer hatten Tricks auf Lager. Am Aquädukt von Saldae setzten sie kleine Bögen an die Enden, die bei einem Beben nachgeben konnten, ohne den Hauptbogen zu zerstören. Kaputte Bögen ließ man einfach austauschen.
Auch das Trajansforum in Rom trotzt seit fast 2000 Jahren den Kräften. Ein Grund könnte der Mörtel sein: Kalk und Vulkanasche, die im Laufe der Zeit Kristalle bildeten und Risse schlossen – eine Art selbstheilender Beton.
Wie lassen sich bestehende Gebäude nachrüsten?
Nicht jedes Haus lässt sich neu bauen. Gerade im Bestand stellt sich die Frage: Wie lässt sich nachträglich Erdbebensicherheit schaffen? Fachleute setzen dabei auf verschiedene Strategien.
Oft werden zusätzliche Scherwände eingezogen oder vorhandene Wände verstärkt. So bekommt das Gebäude mehr Widerstand gegen seitliche Kräfte. Eine weitere Möglichkeit sind Stahlrahmen, die Decken und Wände miteinander verbinden. Sie schaffen eine tragende Hülle, die Schwingungen besser verteilt.
Auch die Fassade lässt sich versteifen. Mit Verstrebungen – sichtbar oder verborgen – werden einzelne Felder stabilisiert. Bei besonders wertvollen oder sicherheitsrelevanten Gebäuden greifen Fachleute sogar zu einer nachträglichen Basisisolation. Das Bauwerk wird dabei auf elastische Lager gesetzt, die wie Stoßdämpfer wirken.
Zusätzlich können Dämpfungssysteme nachgerüstet werden. In Brückenpfeilern oder Hochhauskernen lassen sich viskose oder reibungsbasierte Dämpfer integrieren. Sie sorgen dafür, dass ein Teil der Bewegungsenergie verpufft, bevor sie die Tragstruktur belastet.
Beispiele für konkrete Maßnahmen, die durchgeführt wurden
Scherwände verstärken oder neu einbauen
- Spital Limmattal, Zürich (Schweiz): Hier wurden im Zuge einer Modernisierung zusätzliche Stahlbeton-Scherwände eingezogen, um den Klinikbetrieb auch bei Beben aufrechtzuerhalten.
- Mehrfamilienhäuser in Mexiko-Stadt: Nach dem schweren Beben von 1985 wurden viele Altbauten mit neuen, durchgehenden Betonwänden im Kernbereich ertüchtigt.
Stahlrahmen nachrüsten
- Oakland City Hall (Kalifornien, USA): Nach dem Loma-Prieta-Erdbeben 1989 erhielt das historische Rathaus ein neues Stahlrahmen-System, das die alten Mauerwerkswände einbindet.
- Umrüstung von Schulen in Istanbul (Türkei): Zahlreiche Schulgebäude wurden in den letzten 20 Jahren mit Stahlrahmen nachgerüstet, um die Sicherheit der Kinder zu erhöhen.
Fassadenverstrebungen ergänzen
- John Hancock Center, Chicago (USA): Zwar ursprünglich gegen Windlasten gebaut, zeigen die markanten X-Bracings, wie Fassadenverstrebungen auch seismische Kräfte ableiten können. Vergleichbare Systeme wurden nachträglich bei mittelhohen Bürogebäuden in Japan ergänzt.
- Wohnanlagen in Kobe (Japan): Nach 1995 erhielten viele Gebäude sichtbare Stahlverstrebungen an den Fassaden, um ihre seitliche Stabilität zu erhöhen.
Nachträgliche Basisisolation
- San Francisco City Hall (USA): Nach dem Loma-Prieta-Beben wurde das Gebäude von seinem alten Fundament getrennt und auf rund 500 Basisisolatoren gesetzt – eines der bekanntesten Beispiele weltweit.
- Parlamentsgebäude in Wellington (Neuseeland): Ebenfalls nachträglich auf Lead-Rubber Bearings gestellt, um die Funktionsfähigkeit im Ernstfall sicherzustellen.
Dämpfungssysteme integrieren
- Golden Gate Bridge (San Francisco, USA): Die Brücke erhielt zusätzliche viskose Dämpfer, die Bewegungen in den Pfeilern kontrollieren.
- Tokyo Skytree (Japan): Öl-Dämpfer im Turmkern reduzieren die Schwingungen – auch wenn es sich hier nicht um eine Nachrüstung, sondern um eine bewusste Integration beim Bau handelt.
- Akropolis-Museum in Athen (Griechenland): Mit Gleitpendellagern ausgestattet, um die wertvollen Exponate zu schützen.
| Weiterführende Informationen: |
Quellenverzeichnis
- 1. Scherwände, Querverstrebungen & momente-resistente Rahmen
- 2. Basisisolierung (Base Isolation)
- 3. Seismische Dämpfer
- 4. Controlled Rocking
- 5. Seismischer Tarnmantel (Seismic Cloaking)
- 6. Shinbashira-Prinzip (zentraler Pfahl)
- 7. Metamaterialien: Metabarrieren & Metafundamente
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