CH625302A5

CH625302A5 -

Info

Publication number: CH625302A5
Application number: CH498480A
Authority: CH
Inventors: Konrad Staudacher
Original assignee: Konrad Staudacher
Priority date: 1980-06-27
Filing date: 1980-06-27
Publication date: 1981-09-15
Also published as: MX152987A; JPS5740035A; CA1160650A; DE3121045C2; FR2507657B1; BR8104067A; GR75710B; NZ197523A; DE3121045A1; FR2507657A1

Description

Die Erfindung betrifft einen vor Bodenerschütterungen geschützten, räumlich schwimmend gelagerten Körper, insbesondere Bauwerk, Maschine oder Isolatorenstation, welcher über mechanische Isolatoren, die in allen Richtungen elastisch ausgebildet sind, mit einer steif mit dem Untergrund verhafteten Basis verbunden ist.

In erdbebengefährdeten Gebieten sicher zu bauen, ist ein anspruchsvolles Anliegen der modernen Baukunst.

Trotz jahrelanger, intensiver Forschung und Entwicklung blieben die Ergebnisse bisher aber unbefriedigend, und es war bis heute nicht möglich, ein Gebäude bei extremen Erdbeben unter allen Voraussetzungen einwandfrei zu sichern. Wohl sind in den letzten 20 Jahren verschiedene neue Vorschläge für Erdbeben-Schutzsysteme bekannt geworden. Einer dieser Vorschläge befasst sich mit der Energievernichtung durch Schwingungsabsorber, die im Gebäudedach installiert werden (Wirsching P.H., Campbell G.W.: Minimal structural response under random excitation using the vibration absorber; International Journal of Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol. 2,1974). Ein weiterer Vorschlag betrifft die Lagerung des Oberbaus des Gebäudes auf horizontal beweglichen Rollenlagern mit elastischen Elementen zum Aufbau von Rückstellkräften (Matsushita K., Izumi M.: Studies on mechanismes to decrease earthquake forces applied to buildings; Proceedings of the 3rd World Conference on Earthquake Engineering, London, 1965). Schliesslich wurde auch schon vorgeschlagen, den Oberbau aufzuhängen, um ihn vom direkten Einfluss der Erschütterungen zu trennen (Oto Lanios C J. et al: Study of the behavior of a hanging building under the effect of an earthquake; Proceedings of the 4th World Conference on Earthquake Engineering, Santiago de Chile, 1969).

Alle diese und verwandte Ideen hatten bisher keinen grossen Einfluss auf die konventionelle, sog. erdbebengerechte Bauweise, die für Erdbeben bis zu mittleren Intensitäten eingesetzt wird. Für solche Beben gewährt diese Bauweise einen guten Schutz menschlichen Lebens und bietet eine hinlängliche Standsicherheit für die Gebäude, allerdings unter Hinnahme von Bauschäden bis zur Abbruchreife. Bei hohen Erdbebenintensitäten ist der Schutz aber ungenügend. Problematisch sind hier insbesondere Infrastrukturbauten in Gebieten mit hohem Erdbebenrisiko. Solche Bauten unterliegen bei plötzlichem, unerwartetem Auftreten von Erdbeben bzw. erdbebenähnlichen Einwirkungen einer erheblichen Gefährdung. Es handelt sich speziell um Anlagen des öffentlichen Bedarfs mit lebenswichtiger Funktion (Spitäler, Verwaltungs- und Kommandozentralen); des Verkehrs (Grossbrücken, Bahnhofsanla-gen, Tunnels); des Energiebedarfs (Staudämme, Kraftwerke, Treibstoff-Lagerstätten); des Industriesektors (Chemiewerke, Sprengstoff-Fabrikation); des militärischen Gebrauchs; sowie um Bauwerke mit grosser Menschenkonzentration (Hochhäuser, Kongress- und Kinogebäude, Schutzbauten). Die Existenz einiger dieser Bauten in Gebieten mit grossem Erdbebenrisiko hängt grundsätzlich von der Möglichkeit ab, den integralen Erdbebenschutz technisch zu verwirklichen. Das Bedürfnis nach einer verbesserten Erdbeben-Schutzmöglichkeit ist demnach eindeutig gegeben.

Daraus ergibt sich folgende Problemstellung:

Der konventionellen, erdbebengerechten Bauweise liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die fundamentalen Gebäudeeigenfrequenzen fast unvermeidbar in den Resonanzbereich der Erdbeben-Reaktionsspektren zu liegen kommen. Die Bewegungsenergie, welche diesen Gebäuden durch die Bodenerschütterungen übermittelt wird, wandelt sich in Strukturdeformationen um. Solange diese Strukturdeformationen im elastischen Bereich bleiben, werden die Gebäude nicht beschädigt. Wenn nun aber Erschütterungen auftreten, die in den tragenden Elementen des Gebäudes die Fliessgrenze des Materials übersteigende Deformationen bewirken, so ergeben sich Bracherscheinungen, die bis zum Kollaps des Gebäudes führen können.

Entscheidende Fortschritte in der Erdbebensicherheit von Gebäuden konnten erzielt werden, als es gelang, die Strukturdeformationen, welche bei der bisherigen Bauweise hauptsächlich im Oberbau des Gebäudes stattfinden, aus diesem bruchgefährdeten Bereich zu entfernen. In der CH-PS 450.675 wird in dieser Beziehung vorgeschlagen, flexible Zonen in Form von hochelastischen Isolatoren zwischen dem Oberbau des Gebäudes und seiner Fundation anzuordnen, damit eine räumlich schwimmende Lagerung entsteht.

Das Verfahren ist von der Lagerung von Maschinenfundamenten bekannt, und die Anwendung auf Gebäude wurde auch schon in Fachzeitschriften beschrieben (Hubacher C., Stauda-cher E., Siegenthaler R.: Erdbebensicherung im Bauen; Neue Zürcher Zeitung, Technikbeilagen, 9.2.1970). Es handelt sich dabei um eine echte, räumlich schwimmende Lagerung, die von der horizontal schwimmenden Lagerung zu unterscheiden ist. Während die Isolatoren bei letzterer nur in der Horizontalebene hochelastisch ausgebildet sind (Delfosse G.C.: The G APEC System - A new highly effective aseismic system; Proceedings of the 6th World Conference on Earthquake Engineering, New Delhi, 1977), erlaubt erstere die freie Bewegung in allen Richtungen, also auch vertikal.

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Obgleich die Vorzüge dieses Erdbeben-Schutzsystems bekannt waren, war man sich nicht bewusst, dass die räumlich schwimmende Lagerung durch geeignete zusätzliche technische Massnahmen bis zum integralen Schutz gegen die stärksten bisher bekannten Erdbeben verbessert werden kann. s

Nachstehend werden die üblichen Methoden zum Nachweis der Erdbebensicherheit beurteilt:

Zur exakten rechnerischen Untersuchung eines konventionell ausgebildeten Bauwerks müssen im Prinzip die mechanischen Eigenschaften aller vier Elemente des Systems, d.h. i» Gebäude, Isolatoren, Fundation und Boden, bekannt sein. Die Massen-, Dämpfungs- und Steifigkeitsverteilung im Oberbau, den Isolatoren, der Fundation und dem Baugrund müssen ins mathematische Systemmodell eingebracht werden, will man seine dynamischen Reaktionen infolge einer gegebenen Erdbe- 15 benbeanspruchung zuverlässig ermitteln.

Die heute gebräuchlichen, in den gesetzlichen Baunormen vorgeschlagenen Berechnungsmethoden mit Hilfe von stark vereinfachten Finite-Element-Modellen vermögen aber den Bedürfnissen des integralen Erdbebenschutzes nicht zu genü- 20 gen. Die spektrale Analyse mit Hilfe der üblichen Mittelwertspektren ergibt Resultate mit einer möglichen Fehlerspanne von mehreren 100%, während die Kosten einer modalen oder linearen inkrementalen Analyse an den Rohbaukosten des Gebäudes gemessen werden müssen. Dabei ist im Auge zu 25 behalten, dass zum integralen Erdbebenschutz prinzipiell jene exponierten Elemente des Tragwerks aufgefunden werden müssen, deren Versagen einleitende Ursache zum Systemkollaps werden kann. - Wie lässt sich der integrale Erdbebenschutz in der Praxis aber tatsächlich nachweisen? 30

Auch in der Technik der Lastfalldefinition besteht eine wichtige Lücke: Es gibt keine direkte mathematische Beziehung zwischen den seismologischen Erdbeben-Stärkeangaben mittels geschätzter Intensitäten oder gemessener Magnituden und ingenieurmässig verwendeten Grössen wie der maximalen 35 Beschleunigung eines Signals. - Wie soll dann aber der Bezug zwischen Erdbeben-Risikokarten und gesetzlichen Lastfall-Vorschriften hergestellt werden?

Die Kritik bezieht sich somit auf die Tatsache, 40

- dass im baulichen Erdbebenschutz mit einem unzulänglich bekannten Lastfall und mit Berechnungsmethoden gearbeitet wird, welche die wirklichen Verhältnisse in unzulässiger Weise vereinfachen;

- dass die üblichen Finite-Element-Modelle für eine präzise 45 Untersuchung von Gebäuden zuwenig detailliert werden können bzw. bei grosser Auflösung in der Anwendung zu teuer sind (mangelnde Wirtschaftlichkeit bzw. ungenügende Präzision der Resultate);

- dass die Materialgesetze vieler Baumaterialien (z.B. Stahl- so beton) für die höherfrequenten Anteile der Erdbebenanregung zu wenig bekannt sind.

Damit muss die durch Konvention normgemäss errechnete Erdbebenbeanspruchung der Gebäude als unzuverlässige Schätzung betrachtet werden, die in der Praxis um ein Vielfa- 55 ches übertroffen werden kann.

Mit diesen Feststellungen im Einklang steht der beschränkte Erdbeben-Schutzauftrag, der den bekannten Erdbebennormen zugrundegelegt wird. Dieser verlangt:

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- dass die Gebäude den am Bauplatz regelmässig wiederkehrenden Erdbeben möglichst schadenarm standhalten, und

- dass bei Auftreten von intensiven bzw. extremalen Erdbe-benerschütterungen der Schutz des menschlichen Lebens dem Gebäudeschutz vorgeht. 65

Der Grund, weshalb der Schutzauftrag bisher in solcher Weise reduziert wurde, lag nicht nur daran, dass es unwirtschaftlich war, für alle Bauten hochseismischer Regionen konsequentere bauliche Schutzmassnahmen zu fordern. Es bestand vor allem bis heute in der Praxis keine Möglichkeit, den integralen Erdbebenschutz technisch zu verwirklichen bzw. rechnerisch nachzuweisen. Dazu müsste der rechnerische Nachweis so geführt werden, dass jene exponierten Strukturelemente tatsächlich aufgefunden werden könnten, deren Versagen einleitende Ursache zum Systemkollaps sind. Schliesslich bestand eine erhebliche Rechtsunsicherheit in der Bestimmung des Lastfalls, wofür die Wissenschaft bisher keine anerkannten ingenieurmässigen Definitionsgrundlagen bereitgestellt hat.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die erwähnten Nachteile zu beseitigen und den integralen Erdbebenschutz von Bauwerken praktisch zu verwirklichen. Durch die nachstehend vorgeschlagenen technischen Massnahmen sollen die stärksten Erschütterungen, die am Bauplatz bis heute gemessen wurden bzw. aus vorher definierten oder bekannten Ursachen dort zu erwarten sind, wiederholt und schadlos aufgenommen werden können. Die technischen Massnahmen sollen solcherart sein, dass der erzielbare integrale Schutz durch Rechnung oder Experiment in einfacher Weise, zuverlässig und wirtschaftlich nachgewiesen werden kann.

In einem erweiterten Rahmen der Erfindungsaufgabe soll auch der Schutz von Bauwerken gegen Erschütterungen allgemeiner Natur bewirkt werden. Neben den natürlichen Erdbeben kommen künstliche Erdbeben infolge von nuklearen oder konventionellen Bombenexplosionen sowie Sprengungen, Flugzeugabstürzen, Einschläge von Geschossen und anderen stossartigen Einwirkungen in Frage. Neben Gebäuden, Unterständen, Energieanlagen, Militäranlagen sollen auch grosse Maschinen und Isolatorenstationen geschützt werden können. Nicht nur der eigentliche Baugrund freistehender Gebäude, auch ein Kavernenfels, ein Maschinenchassis oder ein Gebäudeteil selber als Träger gefährdeter Geräte können die Rolle des erschütterten Mediums übernehmen. Selbstverständlich erhebt die vorstehende Aufzählung keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Als gefährdendes Ereignis wird z.B. auch ein Flugzeugabsturz auf ein Reaktorgebäude, worin sich eine grosse Maschine befindet, angesehen.

Bei einem räumlich schwimmend gelagerten Körper der eingangs erwähnten Gattung erfolgt die Lösung der gestellten Aufgaben erfindungsgemäss so, dass zwischen der höchsten der als Grundfrequenzen bezeichneten sechs tiefsten Systemeigenfrequenzen des aus dem Körper (D) und den Isolatoren (C) bestehenden Schwingungselementes und der tiefsten der als Oberfrequenzen bezeichneten höheren Systemeigenfrequenzen ein als Eigenfrequenzloch bezeichneter Bereich vorhanden ist, in welchem das Schwingungselement keine Eigenfrequenzen aufweist, wobei das Eigenfrequenzloch im Resonanzbereich des massgebenden Bemessungs-Reaktionsspek-trums der Erschütterung liegen soll.

Ist der Körper ein Gebäude, wird seine räumlich schwimmende Lagerung mittels horizontal und vertikal hochelastischer Dämpfungselemente (mechanische Isolatoren) erreicht, die durch Trennung des Oberbaus von seiner Fundation zwischen die beiden Gebäudeteile eingefügt werden. Die sechs Grundfrequenzen des Schwingungselementes können bei entsprechender Massenverteilung des Oberbaus und der Steifigkeitsverteilung der Isolatoren in eine Zone verlegt werden, welche unterhalb der Frequenz des Resonanzbereichs des Bemessungs-Reaktionsspektrums der Erschütterung liegen.

Der Oberbau erhält eine räumlich steife Ausbildung. Dazu wird er Schachtel- oder wabenartig ausgestaltet, wobei die Aussenmauern durchgehend und mittragend konstruiert sind. So wird eine erdbebengerechte Konzeption des Bauwerkes erreicht, die als solche in den Erdbebennormen auch für ungeschützte Bauwerke gefordert wird. Diese Massnahme führt zum Ansteigen der Oberfrequenzen des Bauwerkes über den

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oberen Grenzwert des spektralen Resonanzbereichs.

Die steif im Baugrund verhaftete Fundation bildet mit diesem eine starre Einheit, wobei die Fundation als durchgehende Platte, als Trog oder als speziell ausgelegtes Zwischengeschoss ausgebildet sein kann. Die vertikale Steifigkeit des Baugrundes sollte mindestens sechs- bis neunmal grösser sein als die vertikale Isolatorensteifigkeit, damit der Einfluss der Bodennachgiebigkeit auf das Rechenverfahren beim Schutznachweis vernachlässigt werden kann.

Als Folge dieser Konzeption des Bauwerkes und der Isolatoren bildet sich ein Eigenfrequenzloch des Bauwerkes im Resonanzbereich des Reaktionsspektrums typischer Starkbeben aus.

Durch die erfindungsgemässen Massnahmen hält das Bauwerk den grössten am Bauplatz gemessenen oder zu erwartenden Starkbeben schadlos stand. Es ist integral gegen Erdbeben geschützt. Damit ist die Fähigkeit des geschützten Gebäudebereichs gemeint, wiederholt extremale Erdbebenerschütterungen ohne elasto-plastische Deformationen, d.h. Zerstörungen, des Tragwerks zu überstehen.

Nachstehend werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch ein Bauwerk, welches auf erdbebengefährdetem Baugrund steht,

Fig. 2 ein Fourier-Amplitudenspektrum einer Erdbebenerschütterung,

Fig. 3 schematisch einen mechanischen Isolator,

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen isolierten Unterstand in einer Kaverne und

Fig. 5 eine perspektivische, auseinandergezogene Darstellung eines Standardgebäudes für den rechnerischen und experimentellen Nachweis des integralen Erdbebenschutzes.

Das in der Figur 1 dargestellte, gefährdete Bauwerk D ist über den elastischen Auflagerbereich C mit der Fundation B und der Umgebung, z.B. dem Baugrund A, verbunden. Mit Pi und P2 sind die Bezugspunkte einer messbaren Erschütterungswelle E bezeichnet, z.B. ein Erdbeben, ausgedrückt im Zeitbereich T als räumliche Translations- und Rotationsbeschleunigung [DÈ(T)].

Als Erschütterungen sollen hier beliebige räumliche, dynamische Bewegungen im umgebenden Medium A verstanden werden, die sich auf den Auflagerbereich C des Bauwerkes D übertragen. Sie können stossweise oder als periodische bzw. pseudoperiodische Schwingungen ablaufen.

Als intensive oder extremale Erschütterungen sind solche dynamischen Bewegungen des Auflagers C zu betrachten, welche die mechanische Integrität des Bauwerkes D bedrohen oder seinen normalen Gebrauch in unzulässiger Weise behindern bzw. gänzlich verunmöglichen, solange keine spezifischen Schutzmassnahmen getroffen worden sind.

Die Erschütterungen können als Zeit- oder Frequenzfunktionen deterministisch oder in Form von Bemessungs-Spektral-formen probabilistisch definiert werden. Der spezifische Charakter der Erschütterungen wird als Fourier-Amplituden- und -Phasen-Spektrum oder als sog. Reaktions-Spektralform beschrieben. Die massgeblichen Grössen sind der Frequenzinhalt des Signals, d.h. die spektrale Verteilung der Amplituden als Funktion der Frequenz und die maximale Beschleunigung des Signals zu Kalibrierzwecken.

Das in der Figur 2 schematisch dargestellte Erdbeben-Reaktionsspektrum gilt als typische Form eines seismischen Bemessungsspektrums, wobei die möglichen Grundfrequenzen und die tiefsten Oberfrequenzen des vorgeschlagenen, aus dem Bauwerk D und des elastischen Auflagers C bestehenden Schwingungskörpers eingezeichnet sind. Ein solches Bemes-sungs-Reaktionsspektrum wird aus einer oder mehreren geeignet geeichten Zeitfunktionen berechnet. Mit Hilfe eines an sich bekannten Rechenverfahrens wird die maximale Bewegungsreaktion eines einfachen, (ungedämpften Schwingers auf die gewählte Erregung ermittelt und in Abhängigkeit der Eigenfrequenz des Schwingers graphisch aufgetragen. Für typische Erdbeben-Bodenerschütterungen bestitzt es ein zentrales Frequenzband mit grossen Amplituden. Dieses Band wird als Resonanzbereich des Reaktionsspektrums bezeichnet.

In der Figur 2 bezeichnet F die Frequenz und Sa die Reaktions-Spektralform der Erschütterung im Beschleunigungsbereich. Samait ist der Scheitel oder Maximalwert der Spektralbeschleunigung im Resonanzbereich, und SaR ist sein Referenzoder Grenzwert, wobei die entsprechenden Grenzfrequenzen des Resonanzbereichs mit Fi und F2 bezeichnet sind.

Die obere und untere Beschränkung der ganzen spektralen Frequenzbandbreite F ergibt sich aus dem spezifischen Charakter der Erschütterungen, gegen welche die vorgeschlagenen technischen Massnahmen eingesetzt werden. Der Resonanzbereich, der die anregungsgefährdeten Gebäudefrequenzen beschreibt, wird aus dem Amplitudenspektrum als jene zentrale Zone II ausgeschieden, deren Spektralbeschleunigung den Grenzwert SaR überschreitet. Dieser Grenzwert SaR kann als Funktion des Maximalwertes Sama* ausgedrückt werden, z.B. SaR = 0,8 X Samax. Unterhalb der Resonanzzone II befindet sich die Zone I für die tieferen, ungefährlicheren Grundfrequenzen und oberhalb befindet sich die Zone III für die Oberfrequenzen.

Die fundamentalen Eigenfrequenzen der meisten Gebäude fallen durchwegs in die Zone II des schematisierten Erdbeben-Fourier-Amplitudenspektrums. Der entsprechende Bereich dieser Resonanzzone für feste Böden liegt zwischen 1,6 Hz bis 6,0 Hz (Erfahrungswerte). Daraus ergeben sich folgende Zonenbreiten:

Zonel: <1,6 Hz Zone II: zwischen 1,6 Hz und 6,0 Hz Zone III: >6,0 Hz

Zu beachten ist, dass sich Aussagen über Eigenfrequenzen des Bauwerks auf den gesamten Schwingungskörper, gebildet aus dem Oberbau D und die ihn umgebenden Isolatoren C (Fig. 1), und nicht auf einzelne Teilbereiche des Oberbaus beziehen.

Die Art der Erschütterungsgefährdung von ungeschützten Bauwerken, die durch die vorgeschlagenen technischen Massnahmen geschützt werden sollen, wird wie folgt abgegrenzt:

a) Kollapsgefahr für Bauwerke konventioneller Bauweise mit anregbaren Eigenfrequenzen in der Zone I. Die Anregung der Fundation B kann in der tragenden Struktur des Bauwerkes D unzulässig grosse Deformationen bewirken. Das führt an exponierten tragenden Elementen zu Zerstörungen: Bedrohung der mechanischen Integrität (Einsturz bzw. Unbrauchbarwerden) von Teilbereichen oder der Gesamtstruktur.

b) Resonanzgefahr für Bauwerke konventioneller Bauweise mit anregbaren Eigenfrequenzen in der Zone II bzw. Geräte im Innern des Bauwerkes D. Die Resonanzanregung des Bauwerkes hat eine Überbeanspruchung der betroffenen Elemente zur Folge: Schäden an Teilbereichen, an der Gesamtstruktur oder an Gegenständen im Innern des Bauwerkes.

c) Sprödbruchgefahr für Bauwerke konventioneller Bauweise mit anregbaren Eigenfrequenzen in der Zone III. Die Erschütterungen des Bodens besitzen einen Frequenzinhalt, der am Bauwerk stossartige Beanspruchungszustände auslöst: Sprödbruch-Zerstörungen. Die Sprödbruch-Zerstörungen setzen ein sprödes Reaktionsverhalten der beanspruchten Materialien im angeregten Frequenzband voraus.

d) Gefahr der Überbeanspruchung infolge differenzieller Auflagerbewegungen. Der Durchgang einer Erschütterungs5

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welle von Pi nach P2 (Fig. 1) kann bei Bauwerken D mit erheblichen Aussenabmessungen zu unzulässig grossen diffe-renziellen Auflagerverschiebungen führen: Schäden durch Tendenz des Bauwerkes, sich lokal von den Auflagern abzuheben.

Schäden aus Beanspruchskombinationen der erwähnten Beanspruchsfälle a) bis d) sind eingeschlossen; viele der ungeschützten Bauwerke besitzen typischerweise anregbare Eigenfrequenzen in den Zonen II und IH.

Die vorgeschlagenen technischen Massnahmen zur Erzielung des integralen Erdbebenschutzes sowie der Möglichkeit des einfachen rechnerischen Nachweises dieses Schutzes werden zum einfachen Verständnis am Beispiel eines Gebäudes unter extremaler Erdbebeneinwirkungen erläutert. Sie können in direkter Weise auf die verwandten Anwendungsfälle übertragen werden.

Der zu schützende Oberbau D des Gebäudes ist über Isolatoren C auf der Fundation B abgestützt, die ihrerseits fest im Baugrund A verhaftet ist (Fig. 1). Die schematisierte Bodenbewegung ist mit E bzeichnet.

Der geschützte Oberbau D umfasst in der Regel alle Gebäudeteile, die nicht im Erdreich fest eingebunden sind. Der Oberbau D kann sich direkt auf der Fundation abstützen oder auf den im Erdreich eingebundenen Untergeschossen aufliegen, die in diesem Fall als Zusatzfundation wirken.

Die mechanischen Isolatoren C besitzen eine Doppelfunktion, da sie einerseits das Schwingungsverhalten eines elastischen Systems kontrollieren müssen und andererseits eine Dämpfungswirkung ausüben. Demgemäss weist der schematisch dargestellte Isolator gemäss Fig. 3 ein Dämpfungselement C.2 und ein Federelement C.l auf. Bei einer möglichen technischen Ausbildung eines Isolators sind eine Kopfplatte und eine Grundplatte mit Naturkautschuk-Platten in solcher Weise verklebt, dass der Isolator mit dem Oberbau bzw. der Fundation fest verbunden werden kann. Die Naturkautschuk-Platten werden ihrerseits nach einer speziellen Fabrikationsweise untereinander verklebt, um extremale Druck-, Zug- und Schubdeformationen aufnehmen zu können. Die Konzeption der Isolatoren ist so ausgeführt, dass sie in allen Richtungen hochelastisch sind.

Naturkautschuk-Stützkörper werden bevorzugt, da sie gegenüber Stahlfedern bessere Dämpfungswerte erreichen und den Elastizitätsanforderungen bei genügender Alterungsbeständigkeit in der Regel entsprechen.

Isolatoren müssen in der Ruhelage des Systems die statischen Oberbaukräfte aufnehmen und sie in die Fundation einleiten. Ihre geometrischen Positionen und individuellen Steifigkeiten werden deshalb grundsätzlich von der Massenverteilung im Oberbau diktiert und lassen sich ohne aufwendige technische Massnahmen nicht beeinflussen; d.h. dass vertikale Lasten auf Fundationshöhe in der Regel dort aufgenommen werden müssen, wo sie auftreten, wobei folgende Ausbildungsformen denkbar sind: Isolatorenteppich aus lauter identischen Elementen; Isolatorenteppich mit individuell angepassten Elementen; terrassenförmige Anordnung; freie Positionierung.

Bei der Fundation können folgende Varianten auftreten: klassische Fundation mit Zusatzelementen zur Aufnahme des Erdbeben-Schutzsystems (Fundation hegt dem Baugrund direkt auf); Zwischengeschoss, das Untergeschosse von Obergeschossen trennt und die Zusatzelemente des Erdbeben-Schutzsystems beherbergt.

Die Ausbildung der Fundation hat unabhängig von der gewählten Variante, folgenden Anforderungen zu genügen: Konzeption als Auflagerbereich mit grosser Steifigkeit in allen Richtungen; Verhinderung von unkontrollierten Relativbewegungen zwischen den Auflagerpunkten; Schutz der Isolatoren gegen schädliche Umwelteinflüsse; leichte Zugänglichkeit zur

Isolatoren-Kontrolle, -Wartung und -Ersatz; einwandfreie Aufnahme der klassischen Lastfälle (Eigengewicht, Nutzlast, Wind und Schnee).

Als weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 4 ein Unterstand D gezeigt, der über Isolatoren C an den Wänden einer Kaverne abgestützt ist.

Es ist nun rechnerisch nachgewiesen worden, dass, um räumlich schwimmend gelagerte Gebäude integral gegen Erdbeben zu sichern, folgende drei technische Massnahmen zu treffen sind:

- Die sechs Grundfrequenzen 1-6 des Systems müssen in die Zone I (Fig. 2) verlegt werden. Das geschieht mit Hilfe der mechanischen Isolatoren, die in allen Richtungen (auch vertikal) hochelastisch sind. Die beiden tiefsten Grundrrequenzen

I, 2 sollen ca. ein Drittel der unteren Grenzfrequenz Fi des Resonanzbereiches betragen oder darunter liegen, während die oberste Grundfrequenz 6 bei Erdbebenbeanspruchung bis knapp unter die Grenzfrequenz Fi ansteigen darf.

- Der Oberbau des Gebäudes muss so steif ausgelegt werden, dass die Oberfrequenzen 7-°° des isolierten Systems alle in die Zone III zu liegen kommen. Dazu wird ein sog. schachtel-bzw. wabenartiger Aufbau des Oberbaus gewählt: Die Aussen-mauern des Gebäudes werden mittragend ausgebildet, sie sind durchgehend, massiv und nur beschränkt mit Öffnungen durchsetzt. Ihre Verbundwirkung unter sich und mit den Dek-ken, Innenmauern und Säulen ist durch an sich bekannte konstruktive Massnahmen sicherzustellen. Relativbewegungen an Knotenpunkten, Elementbegrenzungen und Bauabschnitten müssen dank geeigneter Ausbildung ausgeschlossen werden können. Eine wabenförmige Ausbildung entsteht, wenn die Decken und die tragenden Innenwände zur inneren Aussteifung der Schachtel miteinbezogen werden.

- Die Fundation muss mit dem Baugrund ein steifes Ganzes bilden. Dazu ist ein fester Baugrund zu wählen, z.B. Fels, Festgestein oder geeignete konsolidierte Alluvionen, dessen vertikale Steifigkeit mindestens sechs- bis neunmal grösser ist als die Isolatorensteifigkeit. Die Fundation selbst ist im allgemeinen als durchgehende Platte oder als Trog auszubilden. Dadurch lassen sich Relativbewegungen zwischen den Auflagerpunkten auf vernachlässigbare Grössen reduzieren und der Einfluss der Bodenelastizität wird für den Rechengang vernachlässigbar.

Diese vorgeschlagenen technischen Massnahmen haben folgende Auswirkungen:

- Im Resonanzbereich der Bemessungs-Spektralform (Zone

II, Fig. 2) bildet sich eine Zone ohne Eigenfrequenzen des Systems aus: Eigenfrequenzloch im Resonanzbereich des Erregerspektrums.

- Da die fundamentalen System-Eigenfrequenzen alle sehr tief liegen, werden auf den Oberbau nur noch stark abgeminderte, höherfrequente Anteile der Bodenerregung E übertragen. Damit ist die Sprödbruchgefahr im Oberbau gebannt.

- Dank der starren Ausbildung und der hohen Isolation besteht für den Oberbau keine Kollapsgefahr mehr.

- Allfällige differenzielle Auflagerverschiebungen beim Durchgang einer Wellenbewegung werden «an der Quelle» erfasst (Relativbewegung zwischen den hochelastischen Isolatoren), wodurch die Gefahr einer Uberbeanspruchung im Oberbau stark herabgemindert wird.

Für das mathematische Modell entstehen zusätzlich erhebliche Vereinfachungen:

- Der Oberbau darf zu rechnerischen Zwecken auch im definitiven Hauptrechengang der Erschütterungsanalyse wie ein starrer Körper behandelt werden. Er besitzt damit nurmehr die s

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sechs Freiheitsgrade des starren Körpers im Raum. Die Qualität der Resultate gegenüber der «exakten Lösung» wird dadurch in der Praxis nicht beeinträchtigt.

- Der Einfluss der Baugrundelastizität kann zu rechnerischen Zwecken vernachlässigt werden, falls die unbelasteten sog. «Free-Field-Eigenfrequenzen» des Bodens mindestens zweieinhalb- bis dreimal so hoch sind wie die höchste Grundfrequenz des schwimmend gelagerten Gebäudes. In diesem Fall ist also die Berücksichtigung der Interaktion Gebäude/Baugrund nicht mehr nötig.

- Der Einfluss der Oberfrequenzen (ab 7. Systemfrequenz) auf die Erschütterungsbeanspruchung des geschützten Gebäudebereichs darf zu rechnerischen Zwecken vernachlässigt werden.

- Resonanzprobleme im geschützten Gebäudebereich können dank seiner steifen Ausbildung lokal behandelt werden. Eine Interaktion zwischen lokal resonanzgefährdeten Teilen und dem geschützten Gebäudebereich entfällt dank seiner steifen Ausbildung.

Die praktische Realisierbarkeit des Sicherheitsnachweises gegen extremale Erschütterungen ist mit ein Bestandteil der Aufgabenstellung für den integralen Erschütterungsschutz. Das nachfolgende Verfahren wird als geeignet erachtet, diesen Nachweis bei extremaler Erdbebenbeanspruchung zu erbringen. Es beruht darauf, dass extremale Erdbeben sich durch geeignete Definition des Lastfalls von den in einer hochseismischen Region regelmässig auftretenden Standardbeben nach Stärke und Charakter unterscheiden lassen. Die Definitionsweise des Lastfalls kann in geeigneter Weise auf andere dynamische Beanspruchungszustände übertragen werden. Der Sicherheitsnachweis wird in folgenden Etappen durchgeführt:

1. Etappe

Definition der Lastfälle Extremal- und Standardbeben, gültig für den Bauplatz

2. Etappe

Nachweis der Erdbebensicherheit des Gebäudes ohne Erd-beben-Schutzsystem gegen den Lastfall Standardbeben gemäss den Vorschriften der Erdbebennormen der betroffenen Region unter Annahme einer Beschränkung auf normgemäss elastische Deformationen

3. Etappe

Aufsuchen der ungünstigsten Einfallsrichtungen durch Rotation der dreidimensionalen Bemessungsbeben um die Fundation zur Bestimmung der extremalen Reaktionen -repetitive spektrale oder modale Berechnung unter Extremalbeben

4. Etappe

Untersuchung des Verhaltens der extremalen Bewegungsund Kräftegrössen bei systematischer Variation der Massen-und Steifigkeitsverteilung am Gebäude mit Erdbeben-Schutzsystem - Parameteranalyse durch repetitive spektrale Berechnung in den ungünstigsten Einfallsrichtungen

5. Etappe

Bestimmung der extremalen Bewegungs- und Kräftegrössen des Gesamtsystems und von Systembereichen am Gebäude mit Erdbeben-Schutzsystem - modale oder inkrementale Berechnung mit extremalen Bemessungsbeben in den ungünstigsten Einfallsrichtungen

6. Etappe

Eingliederung der extremalen Erdbebenreaktionen in die statische Berechnung und die Tragwerksbemessung - eigentlicher Sicherheitsnachweis

7. Etappe

Untersuchung der lokalen Resonanzgefahr - Berechnung mit Finite-Element-Modellen für Gebäude-Teilbereiche und den ermittelten kinematischen Reaktionen (5. Etappe) als Input-Funktionen

Für die Etappen 4-6 muss das Tragwerk als räumlich definiertes mathematisches Modell eingeführt werden. Die strukturelle Auflösung soll soweit ins Detail gehen, dass es die Analyse erlaubt, jene exponierten Elemente tatsächlich aufzufinden, die als erste elasto-plastische Deformationen erleiden.

Um den rechnerisch erbrachten Sicherheitsnachweis experimentell zu bestätigen, wurde das Modell eines Standardgebäudes erstellt und einer Erschütterung ausgesetzt, welche den bewegungsintensivsten Beben entspricht, die derzeit bekannt sind.

Das in der Fig. 5 in auseinandergezogener Darstellung gezeigte Standardgebäude besitzt einen klaren, übersichtlichen Aufbau mit statisch und dynamisch klar erfassbarer Konzeption. Der Grundriss ist punktsymmetrisch, und die Ausbildung ist monolithisch, kompakt und schachtelartig, so dass eine kräftige, starre Konstruktion gewährleistet ist. Der Oberbau ist wieder mit D bezeichnet, die Isolatoren mit C und die Fundation mit B. Die Geschossdecken D.l, das Dach D.2, der Kern D.3 mit dem Treppenhaus, die Innen- und Aussenwände D.4 und die Stützen D.5 tragen zur inneren Aussteifung des Gebäudes bei.

Dieses Standardgebäude kann als repräsentativer Vertreter eines «Turmhochhauses» gelten.

Die technische Realisierbarkeit des integralen Erdbebenschutzes konnte mit diesem Gebäude einwandfrei rechnerisch nachgewiesen werden. Im Resonanzbereich des Erdbebenbemessungsspektrums bildete sich das erfindungsgemässe Eigenfrequenzloch aus.

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1. Vor Bodenerschütterungen geschützter, räumlich schwimmend gelagerter Körper, welcher über mechanische Isolatoren, die in allen Richtungen elastisch ausgebildet sind, mit einer steif mit dem Untergrund verhafteten Basis verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der höchsten (6) der als Grundfrequenzen bezeichneten sechs tiefsten Systemeigenfrequenzen (1-6) des aus dem Körper (D) und den Isolatoren (C) bestehenden Schwingungselementes und der tiefsten (7) der als Oberfrequenzen bezeichneten höheren Systemeigenfrequenzen (7, 8 ...) ein als Eigenfrequenzloch bezeichneter Bereich vorhanden ist, in welchem das Schwingungselement keine Eigenfrequenzen aufweist, wobei das Eigenfrequenzloch im Resonanzbereich des massgebenden Bemessungs-Reak-tionsspektrums der Erschütterung liegen soll.

2. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden tiefsten Grundfrequenzen (1 und 2) nicht mehr als 40% der höchsten Grundfrequenz (6) betragen.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die höchste Grundfrequenz (6) 1,6 Hz nicht übersteigt und die tiefste Oberfrequenz (7) 6,0 Hz nicht unterschreitet.

4. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er schachtel- oder wabenartig ausgebildet ist, wobei die Aus-senwände durchgehend und mittragend gestaltet sind.

5. Körper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die im Innern mittragenden Elemente zu seiner Aussteifung verwendet werden.

6. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis (B) als durchgehende Plätte oder als Trog ausgebildet ist.

7. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein steifer Untergrund vorliegt.

8. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikale Steifigkeit der Isolatoren mindestens sechsmal kleiner ist als die vertikale Steifigkeit des Untergrunds und die vertikale Steifigkeit des Körpers selbst.

9. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Bauwerk, eine Maschine oder eine Isolatorenstation ist.