Warum hängt im Taipei 101 eine 660-Tonnen-Kugel unter der Spitze?

Eine Kugel im Sturm

Am Morgen des 8. August 2015 tobte Taifun Soudelor über Taipeh. Nahe der Spitze des Taipei 101 schwang eine goldene Stahlkugel mit einem Gewicht von 660 Tonnen einen ganzen Meter zur Seite. Ingenieure nennen ihn einen Schwingungstilger, und er ist einer der größten, die je gebaut wurden.

Das Gebäude war nie auch nur annähernd vom Einsturz bedroht. Warum also hängt man etwas so Schweres in einen Wolkenkratzer? Die Antwort beginnt mit einer Tatsache, die die meisten überrascht: Wolkenkratzer sind dafür gebaut, zu schwanken. Und der Grund, warum Ingenieure dieses Schwanken bekämpfen, hat weniger mit Stahl zu tun als mit dem Innenohr.

Gebaut, um sich zu biegen

Der Taipei 101 ist 508 Meter hoch und hat 101 oberirdische Stockwerke. Als er Ende 2004 fertig war, war er das höchste Gebäude der Welt, und diesen Titel behielt er bis 2010. Sein Tragwerk ist um acht riesige Stützen nahe der Außenseite gebaut, die sogenannten Superstützen, und sechzehn weitere im Kern. Alle acht bis zehn Stockwerke verbinden riesige Stahlfachwerke sie miteinander.

Dieses Tragwerk ist stark, aber nicht starr. Drückt man die Spitze eines hohen Turms zur Seite, biegt er sich, federt zurück, schwingt über die Ausgangslage hinaus und schwingt wieder zurück. Jedes Gebäude hat für diese Bewegung seinen eigenen natürlichen Rhythmus. Beim Taipei 101 dauert eine volle Schwingung, hin und zurück, knapp sieben Sekunden.

Forscher der Academia Sinica in Taiwan bestimmten diesen Rhythmus mit Seismometern im 90. Stock auf etwa 0,15 Hertz, also 0,15 Schwingungen pro Sekunde. Ingenieure versuchen nicht, diese Biegung zu verhindern. Sie setzen ihr Grenzen.

Der Taipei 101 wurde so ausgelegt, dass er sich in einem Sturm, wie er einmal in 50 Jahren zu erwarten ist, um höchstens ein Zweihundertstel seiner Höhe neigt. An der Spitze sind das etwa zweieinhalb Meter. Sein Tragwerk wurde für Winde von etwa 156 Kilometern pro Stunde ausgelegt, wie sie einmal in einem Jahrhundert zu erwarten sind. Das Tragwerk hält den Wind also aus.

Das Problem sind die Menschen darin.

Warum langsames Schwanken Übelkeit auslöst

Was Menschen spüren, ist nicht, wie weit sich ein Gebäude bewegt. Sondern wie schnell die Bewegung beschleunigt und wieder abgebremst wird, also ihre Beschleunigung. Ingenieure messen sie in Tausendsteln der Erdbeschleunigung, genannt Milli-g. Unter etwa fünf Milli-g merken die meisten Menschen gar nichts.

Irgendwo zwischen fünf und zehn fangen viele an, es zu spüren. Baurichtlinien in Kanada zum Beispiel schlagen Grenzwerte zwischen zehn und dreißig Milli-g vor, für Wohnungen niedrigere als für Büros. An der University of Bath in England setzten Forscher Freiwillige in einen Bewegungssimulator, der sich wie ein Hochhaus im Wind bewegte. In Sitzungen von etwa zwei Stunden verschlechterte die Bewegung ihre Arbeit, und sie fühlten sich weniger wohl.

Einige zeigten frühe Anzeichen des sogenannten Sopite-Syndroms: Schläfrigkeit, Müdigkeit und Antriebsverlust. Und die Forscher berichteten von Effekten sogar dann, wenn die Bewegung zu schwach war, um sie bewusst wahrzunehmen. Es gibt noch einen Grund, warum das wichtig ist, und es geht um den Rhythmus. Ob einem übel wird, hängt stark davon ab, wie schnell das Hin und Her ist.

Schnelleres Schütteln macht weniger übel, und sehr langsames Treiben ebenso. Am schlimmsten ist der Bereich dazwischen, etwa eine Schwingung alle fünf Sekunden, also rund 0,2 Hertz. Die internationale Norm zur Bewegungskrankheit, die für Auf- und Abbewegungen geschrieben wurde, legt das Maximum auf 0,17 Hertz. Eine Studie von 2024, die 96 Menschen in Bewegungssimulatoren vorwärts, seitwärts sowie auf und ab bewegte, fand das Maximum etwas höher, bei 0,23.

Eine führende Erklärung lautet, dass das Innenohr Mühe hat, Neigung von seitlichem Schieben zu unterscheiden, und dass diese Verwirrung bei langsamen Rhythmen wie diesen am stärksten ist. Nun erinnern wir uns an den Rhythmus des Taipei 101: etwa 0,15 Hertz. Diese Zahlen stammen aus verschiedenen Forschungsfeldern, und wir sind es, die sie nebeneinanderstellen. Vergleicht man die Zahlen, liegt das natürliche Schwanken des Turms nahe an den Rhythmen, bei denen Menschen am leichtesten übel wird, auch wenn jene Studie viel stärkere Bewegungen nutzte als das Schwanken eines Gebäudes.

Es ist also der Komfort, nicht ein Einsturz, weshalb ein Gebäude, das gar nicht einzustürzen droht, trotzdem Hilfe brauchen kann.

Wie Wind einen Turm schüttelt

Wind drückt einen Turm nicht nur in die Richtung, in die er weht. Wenn Luft um ein Gebäude strömt, lösen sich an den Seiten Wirbel ab, erst auf der einen Seite, dann auf der anderen. Jeder Wirbel zieht den Turm ein wenig zur Seite, quer zum Wind. Kommen diese Stöße im Takt des gebäudeeigenen Rhythmus, addiert sich jeder zum vorigen, und das Schwanken wächst.

Das ist Resonanz. Eine Möglichkeit, dagegen anzugehen, ist die Form. Oberhalb des 25. Stocks ist jede Ecke des Taipei 101 in zwei Stufen eingekerbt, wie die Zähne einer Säge.

Die Kerben brechen diese Wirbel auf, und der Entwurf wurde an Modellen im Windkanal getestet. Der Burj Khalifa in Dubai treibt die Idee weiter. Seine Rücksprünge verändern den Querschnitt mit der Höhe, sodass die Wirbel in verschiedenen Höhen nicht in den gleichen Takt fallen. Sein leitender Tragwerksingenieur, Bill Baker, nennt das den Wind verwirren.

Aber die Form allein reicht nur bis zu einem gewissen Punkt. Der Taipei 101 brauchte auch etwas im Inneren.

Ein Pendel, das dagegenhält

Die Idee dahinter ist mehr als ein Jahrhundert alt, und sie begann mit Schiffen. Ein Ingenieur namens Hermann Frahm suchte nach Wegen, Schiffe zu beruhigen, vom Rollen in den Wellen bis zum Zittern durch Motoren und Propeller. Im Oktober 1909 meldete er in den USA ein Patent an für das, was er eine Vorrichtung zum Dämpfen von Schwingungen von Körpern nannte. Das Prinzip ist schnell erklärt.

Man befestigt an dem, was schwingt, eine zweite, kleinere Masse und stimmt sie so ab, dass sie von Natur aus im gleichen Rhythmus schwingt. Wenn das Gebäude zu schwanken beginnt, schwingt die abgestimmte Masse mit, aber etwa eine Viertelschwingung verzögert. Wegen dieser Verzögerung zieht sie ständig gegen die Bewegung des Gebäudes. Dann wandelt ein Dämpfer, wie ein riesiger Stoßdämpfer, die Bewegung der Masse in Wärme um.

Abgestimmte Masse, dazu ein Dämpfer. Die Ingenieure J. Ormondroyd und Jacob Den Hartog arbeiteten 1928 die Theorie aus. Bei einem hängenden Gewicht hängt der Rhythmus vor allem von der Länge seiner Seile ab.

Nach unserer eigenen Rechnung bräuchte ein einfaches Pendel etwa 11 Meter lange Seile, um einmal alle 6,7 Sekunden zu schwingen. Deshalb braucht ein solcher Dämpfer mehrere Stockwerke hohen freien Raum, um darin zu hängen.

In der goldenen Kugel

Der Dämpfer des Taipei 101 hängt vom 92. Stock und reicht bis hinunter zum 87. Stock. Die Kugel hat einen Durchmesser von etwa 5,5 Metern.

Sie besteht aus 41 runden Stahlplatten von je 125 Millimetern Dicke, die miteinander verschweißt sind. Sie wiegt 660 Tonnen, laut Taipei 101 und Guinness World Records, auch wenn manche Quellen andere Zahlen nennen. So schwer sie ist, sie macht nur etwa 0,25 Prozent der Masse des Gebäudes aus. Stahlseile halten sie, und an den Seilen festgeklemmte Blöcke legen die schwingende Länge fest.

Durch Verschieben dieser Blöcke stimmen Ingenieure sie auf das Gebäude ab. Abgedichtete hydraulische Dämpfer unter der Kugel schlucken ihre Bewegung. Puffer stoppen sie, wenn sie zu weit schwingt. Sie kann sich bis zu eineinhalb Meter bewegen, musste aber nie so weit ausschlagen.

Zwei kleinere Dämpfer von je etwa 4,5 Tonnen sitzen in der Turmspitze. Das System wurde von der kanadischen Firma Motioneering entworfen und von A+H Custom gebaut, ebenfalls aus Kanada. Und statt ihn zu verstecken, stellte der Taipei 101 ihn zur Schau. Besucher können ihn von Aussichtsbereichen im 88.

und 89. Stock aus sehen. Er hat sogar Comic-Maskottchen, die Damper Babies.

Die Bewährungsprobe im Taifun

Seine bisher größte Bewährungsprobe kam vom Wind. Im August 2015 traf Taifun Soudelor Taipeh mit heftigen Böen. Um 6:59 Uhr morgens am 8. August schwang der Dämpfer 100 Zentimeter.

Das ist die größte Bewegung, die der Taipei 101 gemeldet hat. Seismometer im 90. Stock zeichneten auf, dass sich das Gebäude selbst bis zu 44,5 Zentimeter von Nord nach Süd bewegte und 32,2 von Ost nach West. Diese Messungen zeigten noch etwas anderes.

In den stärksten Winden dauerte jede Schwingung des Gebäudes bis zu sieben Prozent länger. Seine Masse hatte sich nicht verändert, also vermuteten die Forscher, dass das Tragwerk höchstwahrscheinlich etwas weniger steif geworden war, während es durchgeschüttelt wurde. Das ist für einen abgestimmten Dämpfer wichtig, denn er funktioniert am besten, wenn sein Rhythmus zu dem des Gebäudes passt. Bei Dämpfern mit schwappendem Wasser zum Beispiel müssen die beiden Rhythmen laut Ingenieuren innerhalb von etwa zehn Prozent übereinstimmen.

Wie stark diese Verschiebung um sieben Prozent den Dämpfer des Taipei 101 in jenem Sturm beeinflusst hat, wurde, soweit wir finden konnten, nicht veröffentlicht. Der Taipei 101 sagt, der Dämpfer verringere das Schwanken des Gebäudes um bis zu 40 Prozent. Diese Zahl stammt von den Betreibern des Taipei 101, und wir konnten keine unabhängige Studie finden, die sie überprüft.

Und Erdbeben?

Videos der schwingenden Kugel bei Erdbeben wurden weltweit gesehen. Oft kommen sie mit der Behauptung, die Kugel habe das Gebäude gerettet. Die Aufzeichnungen erzählen etwas anderes. Im April 2019 bewegte ein Erdbeben der Stärke 6,1 den Dämpfer um 20 Zentimeter.

Laut Taipei 101 war das die größte Bewegung durch ein Erdbeben in seinen ersten 15 Jahren. Die zweitgrößte betrug 15 Zentimeter, bei einem Erdbeben der Stärke 6,3 vor Hualien im Jahr 2015. Man vergleiche das mit dem ganzen Meter, den er im Taifun ausschlug. Eine Studie von Alexander Tuan und G.

Q. Shang aus dem Jahr 2013 ergab, dass der Dämpfer Windschwingungen wirksam verringert, gegen Erschütterungen durch weit entfernte Erdbeben aber weniger wirksam ist. Im Oktober 2021 veröffentlichte der Taipei 101 nicht mehr, wie weit sich der Dämpfer bewegt. Als am 3.

April 2024 ein schweres Erdbeben nahe Hualien die Region erschütterte, verbreiteten sich die Videos der Kugel deshalb erneut, doch es gibt keine offizielle Zahl dazu, wie weit sie schwang. Das Erdbeben hatte laut dem US Geological Survey eine Stärke von 7,4 und laut Taiwans Wetterbehörde von 7,2. Was den Turm Erdbeben standhalten ließ, ist sein gesamtes Tragwerk, ausgelegt für Bodenerschütterungen von bis zur Hälfte der Erdbeschleunigung. Der Turm erlebte ein Erdbeben, noch bevor er fertig war.

Am 31. März 2002 riss ein Erdbeben der Stärke 6,8 Kräne von dem unfertigen Gebäude, und fünf Menschen kamen ums Leben. Und der Taipei 101 hat vielleicht eine noch seltsamere Verbindung zu Erdbeben. 2005 berichtete der Geologe Lin Cheng-horng, dass kleine Erdbeben in dieser einst ruhigen Gegend während des Baus leicht und nach der Fertigstellung des Turms stark zugenommen hatten.

Er vermutete, dass das Gewicht des Gebäudes, das unter dem Fundament mindestens 4,7 bar zusätzliche Spannung erzeugt, fast das Fünffache des normalen Luftdrucks, eine verborgene Verwerfung unter dem Gelände auslösen könnte. Er selbst sagte, die Idee sei sehr schwer zu beweisen und ebenso schwer zu widerlegen. Eine spätere Studie mit einem dichten Netz von Seismometern führte drei spürbare Erdbeben auf eine verborgene Verwerfung etwa drei Kilometer südlich des Turms zurück. Die Frage ist weiterhin offen.

Lehren aus Beinahe-Katastrophen

Beim Begrenzen des Schwankens geht es nicht nur um Komfort. Manchmal hängt es mit Sicherheit zusammen, wie einer der berühmtesten Beinahe-Unfälle der Ingenieurgeschichte zeigt. Das Citicorp Center in New York wurde 1977 fertiggestellt. Es steht auf vier massiven Stützen, die in der Mitte jeder Seite statt an den Ecken stehen, damit eine Ecke über eine Kirche ragen konnte.

Es war auch der erste Wolkenkratzer in den USA mit einem Schwingungstilger. Im Juni 1978, nach dem Anruf eines Ingenieurstudenten wegen dieser Stützen, prüfte sein Tragwerksingenieur William LeMessurier seine Berechnungen noch einmal. Er stellte fest, dass schräg auftreffende Winde Teile des Tragwerks stärker belasteten und dass die wichtigsten Verbindungen verschraubt statt verschweißt worden waren. Fiel der Dämpfer aus, war mit einem Sturm, der stark genug war, diese Verbindungen zu brechen, etwa einmal alle 16 Jahre zu rechnen.

Mit laufendem Dämpfer wurde daraus etwa einmal alle 55 Jahre, aber der Dämpfer lief mit Strom, und ein Sturm konnte die Stromversorgung kappen. Von August bis Oktober arbeiteten Schweißer nachts und deckten etwa 200 verschraubte Verbindungen mit dicken Stahlplatten ab. Etwa zur Hälfte der Arbeiten zog Hurrikan Ella auf New York zu. New York war nur Stunden von einer Notevakuierung entfernt, als der Sturm aufs Meer abdrehte.

Die Reparaturen blieben geheim, begünstigt durch einen Zeitungsstreik in New York, und die ganze Geschichte kam erst 1995 heraus, fast 20 Jahre später. Auch Brücken haben Ingenieuren ihre eigenen Lektionen über Wind erteilt. Am 7. November 1940 verdrehte sich die Tacoma-Narrows-Brücke im Bundesstaat Washington, bis sie auseinanderbrach.

Sie wird oft als Beispiel für Resonanz gelehrt, aber die Ingenieure Yusuf Billah und Robert Scanlan argumentierten 1991, diese Erklärung sei nicht ganz richtig. Nach ihrer Darstellung veränderte die Verdrehung den Winkel, mit dem der Wind auf die Fahrbahn traf, und das trieb die Verdrehung weiter an, ein Vorgang namens Flattern. Der berühmte Film der sich verdrehenden Brücke, nicht aber der ihres endgültigen Einsturzes, wird meist zu schnell gezeigt. Er wurde mit etwa 16 Bildern pro Sekunde gedreht, aber so auf Video übertragen, als wären es 24, deshalb wirkt die Verdrehung etwa 50 Prozent schneller.

Hier ist er in echter Geschwindigkeit. Sechzig Jahre später fand eine Brücke in London einen anderen Weg zu schwanken: Menschen. Die Millennium Bridge wurde im Juni 2000 eröffnet, und als Menschenmengen sie überquerten, begann sie seitlich hin und her zu schwanken. Sie wurde innerhalb weniger Tage geschlossen.

Ihre Fahrbahn schwankte seitlich um bis zu etwa sieben Zentimeter. Die Brücke steifer zu machen, hätte ihr Aussehen verändert, also bauten Ingenieure von Arup stattdessen Dämpfer ein. Sie bauten 37 viskose Dämpfer ein, wie riesige Stoßdämpfer, um das seitliche Schwanken zu beruhigen, und mehr als 50 Schwingungstilger gegen das Auf-und-ab-Federn. Sie wurde im Februar 2002 wiedereröffnet und hat seitdem nicht mehr so geschwankt.

Warum die Fußgänger sie zum Schwanken brachten, ist immer noch umstritten. Eine Studie von 2021 legte nahe, dass das Wackeln beginnen kann, ohne dass die Menschen im Gleichschritt gehen, und dass der Gleichschritt erst später kommt und es verstärkt.

Wasser, Magnete und eine goldene Kugel

Nicht jeder Dämpfer ist eine Kugel. Oben auf dem One Wall Centre, einem 48-stöckigen Turm in Vancouver, stehen zwei Wassertanks, jeder 16 Meter lang und etwa 8 Meter hoch. Das Wasser schwappt zwischen einem unteren Kanal und Säulen an beiden Enden, und seine Bewegung wirkt dem Schwanken des Gebäudes entgegen. Nachdem der Turm gebaut war, konnten Ingenieure nur noch die Wassermenge und eine Klappe einstellen, die den Durchfluss regelt.

Der Shanghai Tower, 632 Meter hoch, trägt zwischen seinem 125. und 126. Stock einen Dämpfer von 1.000 Tonnen. Statt mit hydraulischen Dämpfern wie im Taipei 101 bremst er mit Magneten.

Etwa 1.800 Neodym-Magnete an seiner Unterseite gleiten über eine Kupferplatte am Boden. Die Bewegung erzeugt im Kupfer elektrische Ströme, sogenannte Wirbelströme, und die drücken gegen die Magnete und bremsen das Pendel, ohne es zu berühren. Ingenieure können die Bremswirkung ändern, indem sie den Abstand zwischen Magneten und Kupfer verändern. Die Windingenieure des Gebäudes sagen, er sei so ausgelegt, dass er die Beschleunigung des Gebäudes bei Wind um etwa 45 Prozent verringert.

Die goldene Kugel im Taipei 101 ist also nicht da, um das Gebäude zu halten. Der Turm wurde gebaut, um Taifunen und Erdbeben aus eigener Kraft standzuhalten. Die Kugel ist für die Menschen darin da, um ein langsames Schwanken abzumildern, das dem Rhythmus nahekommt, den unser Körper am schlechtesten verträgt. Jedes Mal, wenn sie schwingt, verwandelt sie ein wenig des Sturms draußen in Wärme.