Gununilager für Brücken und ähnliche Bauwerke mit besonderer Eignung für Verdrehungen Die Erfindung betrifft ein Gummilager für Brücken und ähnliche Bauwerke, welches aus einem mit einer die Querdehnungen begrenzenden Bewehrung versehenen La gerkörper aus Gummi besteht.
Gummilager, welche * insbesondere Verschiebungen parallel zu den belasteten Flächen durch ihre Schub verformung gut aufzunehmen vermögen, sind in ver- schiedenen Ausführungen bekannt. Um die Tragfähigkeit zu vergrössern, wird die Querdehnung derartiger Lager behindert, wodurch ein Verhalten des praktisch inkom- pressiblen Gummis erzwungen wird, das dem einer Flüs sigkeit in einem Druckzylinder ähnelt.
Zum Begrenzen der Querdehnung sind hochzugfeste Bewehrungseinlagen parallel zu den belasteten Flächen angeordnet. Die Einlagen bestehen aus Blechen, Draht gittern oder Geweben, die durch Reibung, Verkleben oder Vulkanisation mit dem Gummi verbunden sind.
Bei Längenänderungen oder Belastungen der auf dem Lager abgestützten Bauwerke parallel zu den belasteten Flächen ergeben sich Schubverformungen des Gummi lagers parallel zu den Bewehrungseinlagen, die Schub spannungen sind nicht sehr gross und gleichförmig über die Fläche des Lagers verteilt. Sie sind für die Trag fähigkeit des Lagers von. zweitrangiger Bedeutung.
Unter senkrechter Last, also einer Last senkrecht zu den Bewehrungseinlagen, möchte der Gummi seitlich ausweichen. Dies wird durch die Haftung an den Ein lagen verhindert. Es treten Schubspannungen zwischen dem Gummi und den Einlagen auf, die eine Zugbean spruchung der Bewehrungseinlagen ergeben. Diese Schub spannungen weisen am Rand des Lagers eine hohe Span nungsspitze auf und werden in Lagermitte null.
Verdrehungen der Lager uni Achsen parallel zu den Bewehrungseinlagen, also senkrecht zur Hauptbelastung, wie sie aus der Durchbiegung oder einem Kippen, der auf dem Lager abgestützten Bauwerke oder durch mangelnde Parallelität der tragenden und der belastenden Fläche, insbesondere bei Verwendung vorgefertigter Bauteile, entstehen nach dem gleichen Prinzip wie bei senkrechten Lasten zusätlich Schubspannungen zwischen Gummi und Einlagen.
Diese Schubspannungen weisen am Rand noch ausgeprägtere Spitzen auf als die Schubspannungen aus senkrechter Last.
Bei grösseren Verdrehungen hebt sich das Bauwerk häufig am nicht gedrückten Rand von dem Gummilager ab, wodurch am gedrückten Rand die Schubbeanspru chung aus senkrechter Last und Verdrehung weiter an wächst.
Die grossen örtlichen Schubspannungen am Lager rand können zu einem Ablösen des Gummis von den Bewehrungseinlagen oder zu deren Zerstörung führen. Die Behinderung der Querdehnung fällt dadurch aus, und das Lager ist nicht mehr imstande, die ihm zuge dachten Lasten aufzunehmen.
Um bei den bekannten Gummilagern eine grössere Verdrehbarkeit zu ermöglichen, müsste die Lagerdicke erhöht werden. Neben den hierdurch entstehenden zusätz lichen Kosten würde zugleich die Belastbarkeit der Lager sinken, da sie mit zunehmender Höhe unter senkrechter Last leichter ausknicken. Es handelt sich nicht um ein Biegeknicken, sondern um ein Schubknicken, welches darauf zurückzuführen ist, dass der Schubmodul der Lager um 2 bis 3 Zehnerpotenzen unter ihrem Elastizi- tätsmodul liegt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vor allem durch Lasten senkrecht zu den Bewehrungseinlagen und Verdrehungen um Achsen parallel zu den Beweh- rungseinlagen auftretenden Schubspannungen herabzu setzen, damit die Beanspruchung des Lagers durch Ver drehungen und senkrechte Belastungen gesteigert werden kann, ohne dass die Gefahr eines Ablösens des Gummis von der Bewehrung besteht.
Die Lösung besteht darin, dass der Randbereich des Lagerkörpers elastisch nachgiebiger ausgebildet ist als der Mittelteil.
Durch die grössere elastische Nachgiebigkeit des Randbereiches wird erreicht, dass sich in diesem die Spannungsspitzen aus Belastungen senkrecht zu den Be- wehrungseinlagen und Verdrehungen um Achsen paral lel zu den Bewehrungseinlagen nicht ausbilden können.
Die Schubspannungen aus durch Längenänderungen oder Belastungen parallel zu den belasteten Flächen erzwun genen Schubverformungen des Lagers sind der elastischen Nachgiebigkeit des Gummis proportional und deshalb in dem elastisch nachgiebigeren Randbereich ebenfalls kleiner.
Durch diese Abminderung der Schubspannungsspit- zen am Lagerrand können die verträglichen Beanspru- chungen eines Gummilagers aus Belastungen senkrecht zu den Bewehrungseinlagen und Verdrehungen um Achsen parallel zu diesen wesentlich gesteigert werden.
Die nach der Erfindung vorgeschlagene grössere elastische Nachgiebigkeit des Randbereiches kann da durch herbeigeführt werden, dass der Gummi des La gerkörpers zum Rand hin zunehmend elastisch nach giebiger ausgebildet ist.
Der Idealfall ist in einer stetig zunehmenden elastischen Nachgiebigkeit zu sehen, doch wird man aus wirtschaftlichen Gründen häufig einer stufenweise zum Rand hin zunehmenden elastischen Nachgiebigkeit den Vorzug geben. In diesem Fall kann der Lagerkörper im Querschnitt aus nebeneinander an geordneten, fest miteinander verbundenen Streifen aus Gummi bestehen, deren Nachgiebigkeit jeweils grösser ist als die des zur Körpermitte hin angrenzenden be nachbarten Streifens.
Eine zum Rand hin zunehmende elastische Nach giebigkeit kann aber auch dadurch erreicht werden, dass die Dicke des Lagerkörpers zum Rand hin zunimmt.
Weiter besteht die Möglichkeit, die Dicke der Be- wehrungseinlagen von der Mitte zum Rand abnehmen zu lassen, wodurch ebenfalls eine grössere elastische Nachgiebigkeit des Randbereiches erzielt wird.
Schliesslich besteht auch die Möglichkeit, dass nur ein Teil der Bewehrungseinlagen, und zwar vorzugsweise diejenigen im Bereich der Ober- und Unterseite des La gerkörpers, von der Lagermitte in den Randbereich des Lagerkörpers geführt ist.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Er- findung dargestellt.
Bei dem in Abb. 1 im Querschnitt dargestellten Lager wird die grössere elastische Nachgiebigkeit des Rand bereichs dadurch erreicht, dass am Rand elastisch nach giebiger Gummi verwendet ist. Die Querdehnung wird durch Bewehrungseinlagen 3 aus Metall eingeschränkt. Das Lager kann im Grundriss jede beliebige Form haben. Die Höhe des Lagers und die Zahl der Bewehrungsein- lagen 3 kann frei gewählt werden.
Der Streifen 2 im mitt leren Bereich ist härter als der Streifen 1 des Rand bereichs. Die Streifen 1 und 2 können durch Vulkanisa- tion miteinander und mit den Bewehrungseinlagen 3 verbunden sein, wodurch die Tragfähigkeit des Lagers steigt. Die Pfeile symbolisieren die Hauptbelastungs- richtungen.
Die Zunahme der elastischen Nachgiebigkeit zum Rand kann auch in mehreren Schritten erfolgen, wie es in Abb. 2 an dem Schnitt ein anderes Lager gezeigt ist. An den verhältnismässig harten Streifen 2 in der Mitte des Lagerkörpers schliessen sich zum Rand hin jeweils weichere Streifen 5 und 4 an.
Am Rand ist wieder der weichste Streifen 1 angeordnet. Der Übergang zu weiche rem Gummi kann in beliebig vielen Stufen oder sogar stufenlos erfolgen. Die Bewehrungseinlagen 6 dieses La gers bestehen aus Drahtgitter oder Gewebe. Die Anzahl der Einlagen ist ebenso wie der Grundriss des Lagers beliebig.
Abb. 3 zeigt den Schnitt durch ein Lager, das aus dem mittigen Streifen 2 und dem an Rand angeordneten Streifen 1 grösserer elastischer Nachgiebigkeit besteht und bei dem die Querdehnung biespielsweise - wie im oberen Teil der Abb. dargestellt - durch Bewehrungs- einlagen 7 und 8 aus Blech behindert ist, deren Dicke zum Rand hin abnimmt. Die Bewehrungseinlage 7 besteht aus einem Blech, dessen Dicke stufenförmig zum Rand hin abnimmt. Die Anzahl der Stufen ist beliebig.
Die Grundrissform des Bleches entspricht der Form des Gummilagers. Von derartigen Einlagen kann eine be liebige Anzahl übereinander angeordnet sein. Bei der Bewehrungseinlage 8 nimmt deren Blechdicke stufenlos zum Rand des Lagerkörpers ab.
Im unteren Teil der Abb. 3 ist eine andere Beweh- rungsanordnung dargestellt. Hier ist nur ein Teil der Bewehrungseinlagen 9 von der Mitte bis in den Rand bereich des Lagerkörpers geführt. Hierzu gehören die Einlagen, die der Unterseite des Lagerkörpers benach bart sind.
Die Bewehrungseinlagen 7, 8, 9 können auch aus einem hochfesten Gewebe oder einem Drahtgitter beste hen. Sie sind zum Erhöhen der Tragfähigkeit fest mit dem Gummi verbunden.
Eine weitere Möglichkeit, den Lagerkörper zum Rand hin elastisch nachgiebiger auszubilden, besteht darin, dass die Dicke der des Lagerkörpers zum Rand hin zunimmt. Diese Möglichkeit kann mit einer zum Rand hin zuneh menden elastischen Nachgiebigkeit nebeneinander an geordneter Streifen gekoppelt werden, wodurch die Eignung für Verdrehungen um Achsen senkrecht zu der Hauptlastrichtung noch verbessert wird.
Wie in Abb. 4 gezeigt ist, kann das Gummilager also auch aus einem bikonkaven Lagerkörper bestehen. Die Bewehrungseinlagen 10 aus Metall oder Gewebe sind gekrümmt oder in Streifen 11 angeordnet.
Abb. 5 zeigt eine Ausführung, bei der die grössere Weichheit des Randbereichs durch eine stufenweise Zu nahme der Dicke nies Lagerkörpers zum Rand hin er reicht wird. Die Bewehrungseinlagen 3 können Bleche, Drahtgitter oder Gewebe sein.
Gununilager for bridges and similar structures with particular suitability for twisting The invention relates to a rubber bearing for bridges and similar structures, which consists of a bearing body made of rubber provided with a reinforcement which limits the transverse expansion.
Various designs of rubber mounts are known which, in particular, are able to absorb displacements parallel to the loaded surfaces due to their shear deformation. In order to increase the load-bearing capacity, the transverse expansion of such bearings is hindered, which forces the practically incompressible rubber to behave in a manner similar to that of a liquid in a printing cylinder.
To limit the transverse expansion, high-tensile reinforcement inserts are arranged parallel to the loaded surfaces. The inserts consist of metal sheets, wire grids or fabrics that are connected to the rubber by friction, gluing or vulcanization.
In the event of changes in length or loads on the structures supported on the bearing parallel to the loaded surfaces, there are shear deformations of the rubber bearing parallel to the reinforcement, the shear stresses are not very large and evenly distributed over the surface of the bearing. They are responsible for the bearing capacity of. of secondary importance.
Under a vertical load, i.e. a load perpendicular to the reinforcement, the rubber tries to give way to the side. This is prevented by the adhesion to the deposits. Shear stresses occur between the rubber and the inserts, which result in tensile stress on the reinforcement inserts. These shear stresses have a high voltage peak at the edge of the bearing and are zero in the middle of the bearing.
Rotations of the bearings and axes parallel to the reinforcement inserts, i.e. perpendicular to the main load, as they arise from the deflection or tilting of the structures supported on the bearing or from a lack of parallelism of the load-bearing and the loading surface, especially when using prefabricated components, arise after the same principle as with vertical loads plus shear stresses between rubber and inserts.
These shear stresses have even more pronounced peaks at the edge than the shear stresses from vertical load.
In the case of larger rotations, the structure often lifts itself off the rubber bearing at the unpressed edge, which means that the shear stress from vertical load and torsion continues to grow at the pressed edge.
The large local shear stresses on the edge of the bearing can lead to the rubber becoming detached from the reinforcement layers or to their destruction. The hindrance of the transverse expansion is eliminated and the bearing is no longer able to take the loads intended for it.
In order to enable the known rubber bearings to be more rotatable, the bearing thickness would have to be increased. In addition to the resulting additional costs, the load capacity of the bearings would also decrease, as they buckle more easily with increasing height under vertical load. It is not a flexural buckling, but a shear buckling, which can be attributed to the fact that the shear modulus of the bearings is 2 to 3 powers of ten below their modulus of elasticity.
The invention is based on the object of reducing the shear stresses occurring primarily through loads perpendicular to the reinforcement inserts and rotations about axes parallel to the reinforcement inserts, so that the stress on the bearing can be increased through rotations and vertical loads without the danger there is a detachment of the rubber from the reinforcement.
The solution is that the edge area of the bearing body is designed to be elastically more flexible than the central part.
The greater elastic resilience of the edge area ensures that the stress peaks from loads perpendicular to the reinforcement inserts and rotations about axes parallel to the reinforcement inserts cannot develop in this area.
The shear stresses caused by changes in length or loads parallel to the loaded surfaces forced shear deformations of the bearing are proportional to the elastic resilience of the rubber and therefore also smaller in the elastically more resilient edge area.
By reducing the shear stress peaks at the edge of the bearing, the tolerable loads on a rubber bearing from loads perpendicular to the reinforcement inserts and rotations about axes parallel to them can be significantly increased.
The greater elastic resilience of the edge area proposed according to the invention can be brought about by the fact that the rubber of the bearing body is increasingly elastic toward the edge towards the edge.
The ideal case is a steadily increasing elastic resilience, but for economic reasons, preference will often be given to an elastic resilience that increases gradually towards the edge. In this case, the bearing body in cross-section can consist of side by side of ordered, firmly interconnected strips of rubber, the flexibility of which is greater than that of the adjacent strip be adjacent to the body center.
An elastic resilience that increases towards the edge can also be achieved in that the thickness of the bearing body increases towards the edge.
There is also the possibility of reducing the thickness of the reinforcement inlays from the center to the edge, which also results in greater elastic resilience in the edge area.
Finally, there is also the possibility that only a part of the reinforcement inserts, namely preferably those in the area of the top and bottom of the bearing body, is guided from the center of the bearing into the edge area of the bearing body.
Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing.
In the case of the bearing shown in cross-section in Fig. 1, the greater elastic resilience of the edge area is achieved by using elastic rubber at the edge. The transverse expansion is restricted by reinforcement inserts 3 made of metal. The warehouse can have any shape in plan. The height of the bearing and the number of reinforcement layers 3 can be freely selected.
The strip 2 in the middle area is harder than the strip 1 of the edge area. The strips 1 and 2 can be connected to one another and to the reinforcement inserts 3 by vulcanization, which increases the load-bearing capacity of the bearing. The arrows symbolize the main directions of exposure.
The increase in elastic resilience to the edge can also take place in several steps, as shown in Fig. 2 at the section of another bearing. The relatively hard strip 2 in the middle of the bearing body is followed by softer strips 5 and 4 towards the edge.
The softest strip 1 is again arranged at the edge. The transition to soft rubber can take place in any number of stages or even continuously. The reinforcement layers 6 of this La gers consist of wire mesh or fabric. The number of inserts, as well as the layout of the warehouse, is arbitrary.
Fig. 3 shows the section through a bearing, which consists of the central strip 2 and the strip 1 arranged at the edge of greater elastic resilience and in which the transverse expansion, for example - as shown in the upper part of the figure - by reinforcement inserts 7 and 8 made of sheet metal, the thickness of which decreases towards the edge. The reinforcement insert 7 consists of a sheet metal whose thickness decreases in steps towards the edge. The number of levels is unlimited.
The plan shape of the sheet corresponds to the shape of the rubber mount. Any number of such deposits can be arranged one above the other. In the case of the reinforcement insert 8, the sheet metal thickness decreases continuously towards the edge of the bearing body.
Another reinforcement arrangement is shown in the lower part of Fig. 3. Here only part of the reinforcement inserts 9 is guided from the center to the edge area of the bearing body. These include the deposits that are neigh the underside of the bearing body.
The reinforcement inserts 7, 8, 9 can also be made of a high-strength fabric or wire mesh. They are firmly connected to the rubber to increase the load-bearing capacity.
Another possibility of designing the bearing body to be more resilient towards the edge is that the thickness of the bearing body increases towards the edge. This possibility can be coupled with an elastic resilience that increases towards the edge next to one another on ordered strips, whereby the suitability for rotations about axes perpendicular to the main load direction is further improved.
As shown in Fig. 4, the rubber bearing can also consist of a biconcave bearing body. The reinforcement inserts 10 made of metal or fabric are curved or arranged in strips 11.
Fig. 5 shows an embodiment in which the greater softness of the edge area is achieved by gradually increasing the thickness of the bearing body towards the edge. The reinforcement inserts 3 can be metal sheets, wire mesh or fabric.