CH625302A5 - - Google Patents

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CH625302A5
CH625302A5 CH498480A CH498480A CH625302A5 CH 625302 A5 CH625302 A5 CH 625302A5 CH 498480 A CH498480 A CH 498480A CH 498480 A CH498480 A CH 498480A CH 625302 A5 CH625302 A5 CH 625302A5
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Konrad Staudacher
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Konrad Staudacher
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    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E04BUILDING
    • E04BGENERAL BUILDING CONSTRUCTIONS; WALLS, e.g. PARTITIONS; ROOFS; FLOORS; CEILINGS; INSULATION OR OTHER PROTECTION OF BUILDINGS
    • E04B1/00Constructions in general; Structures which are not restricted either to walls, e.g. partitions, or floors or ceilings or roofs
    • E04B1/62Insulation or other protection; Elements or use of specified material therefor
    • E04B1/92Protection against other undesired influences or dangers
    • E04B1/98Protection against other undesired influences or dangers against vibrations or shocks; against mechanical destruction, e.g. by air-raids
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E04BUILDING
    • E04HBUILDINGS OR LIKE STRUCTURES FOR PARTICULAR PURPOSES; SWIMMING OR SPLASH BATHS OR POOLS; MASTS; FENCING; TENTS OR CANOPIES, IN GENERAL
    • E04H9/00Buildings, groups of buildings or shelters adapted to withstand or provide protection against abnormal external influences, e.g. war-like action, earthquake or extreme climate
    • E04H9/02Buildings, groups of buildings or shelters adapted to withstand or provide protection against abnormal external influences, e.g. war-like action, earthquake or extreme climate withstanding earthquake or sinking of ground
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E02HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
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    • E02D27/34Foundations for sinking or earthquake territories

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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. The invention relates to a spatially floating body protected from ground vibrations, in particular structure, machine or isolator station, which is connected via mechanical isolators, which are designed to be elastic in all directions, to a base rigidly attached to the subsurface.

In erdbebengefährdeten Gebieten sicher zu bauen, ist ein anspruchsvolles Anliegen der modernen Baukunst. Building safely in earthquake-prone areas is a challenging task for modern architecture.

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). Despite years of intensive research and development, the results have so far been unsatisfactory, and it has not been possible to secure a building properly in the event of extreme earthquakes under all conditions. Various new proposals for earthquake protection systems have become known in the past 20 years. One of these proposals deals with energy destruction by vibration absorbers installed in the building roof (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). Another proposal concerns the storage of the superstructure of the building on horizontally movable roller bearings with elastic elements to build up restoring forces (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). Finally, it has also been proposed to hang the superstructure in order to separate it from the direct influence of the vibrations (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. All of these and related ideas have so far not had a major impact on the conventional, so-called earthquake-friendly design, which is used for earthquakes up to medium intensities. This type of construction provides good protection for human life for such earthquakes and offers sufficient stability for the buildings, however, taking structural damage into account until it is ready for demolition. Protection is insufficient at high earthquake intensities. Infrastructure buildings in areas with a high earthquake risk are particularly problematic. Such buildings are subject to considerable danger in the event of sudden, unexpected earthquakes or earthquake-like effects. These are specifically facilities for public needs with vital functions (hospitals, administrative and command centers); of traffic (large bridges, train station facilities, tunnels); energy needs (dams, power plants, fuel deposits); the industrial sector (chemical plants, explosives manufacturing); military use; as well as buildings with a large concentration of people (high-rise buildings, congress and cinema buildings, protective structures). The existence of some of these structures in areas at high risk of earthquakes basically depends on the possibility of technically realizing the integral earthquake protection. There is therefore a clear need for an improved earthquake protection option.

Daraus ergibt sich folgende Problemstellung: This leads to the following problem:

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. The conventional, earthquake-proof design is based on the knowledge that the fundamental natural building frequencies are almost inevitably in the resonance range of the earthquake reaction spectra. The kinetic energy that is transmitted to these buildings by the ground vibrations is transformed into structural deformations. As long as these structural deformations remain in the elastic range, the buildings will not be damaged. If, however, shocks occur that cause deformations in the load-bearing elements of the building that exceed the flow limit of the material, there are fallow phenomena that can lead to the collapse of the building.

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. Decisive progress in the seismic safety of buildings was achieved when it was possible to remove the structural deformations, which in the previous construction mainly take place in the upper structure of the building, from this area at risk of breakage. In this regard, CH-PS 450.675 proposes to arrange flexible zones in the form of highly elastic insulators between the superstructure of the building and its foundation, so that a floating bearing arrangement is created.

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. The method is known from the storage of machine foundations, and its use on buildings has already been described in specialist journals (Hubacher C., Stauda-cher E., Siegenthaler R .: earthquake protection in construction; Neue Zürcher Zeitung, Technikbeilagen, February 9, 1970) . It is a real, spatially floating bearing that can be distinguished from the horizontally floating bearing. While the isolators in the latter are only highly elastic in the horizontal plane (Delfosse GC: The G APEC System - A new highly effective aseismic system; Proceedings of the 6th World Conference on Earthquake Engineering, New Delhi, 1977), the former allows free movement in in all directions, including vertical.

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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 Although the advantages of this earthquake protection system were known, it was not known that the floating storage could be improved through suitable additional technical measures up to integral protection against the strongest known earthquakes. s

Nachstehend werden die üblichen Methoden zum Nachweis der Erdbebensicherheit beurteilt: The usual methods of demonstrating earthquake safety are assessed below:

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. For the exact mathematical examination of a conventionally designed building, the mechanical properties of all four elements of the system, i.e. i »Buildings, insulators, foundations and floors. The mass, damping and stiffness distribution in the superstructure, the insulators, the foundation and the subsoil must be included in the mathematical system model if you want to reliably determine its dynamic reactions due to a given earthquake stress.

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 However, the calculation methods commonly used today, which are proposed in the legal building standards with the aid of greatly simplified finite element models, cannot meet the needs of integral earthquake protection. The spectral analysis using the usual mean spectra gives results with a possible error range of several 100%, while the cost of a modal or linear incremental analysis must be measured against the building shell cost. It should be borne in mind that, for integral earthquake protection, those exposed elements of the structure must in principle be found, the failure of which can be the initial cause of the system collapse. - How can integral earthquake protection actually be demonstrated in practice? 30th

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? There is also an important gap in the technique of load case definition: There is no direct mathematical relationship between the seismological earthquake strength data using estimated intensities or measured magnitudes and quantities used in engineering such as the maximum acceleration of a signal. - How should the relationship between earthquake risk maps and legal load case regulations be established?

Die Kritik bezieht sich somit auf die Tatsache, 40 The criticism thus refers to the fact 40

- dass im baulichen Erdbebenschutz mit einem unzulänglich bekannten Lastfall und mit Berechnungsmethoden gearbeitet wird, welche die wirklichen Verhältnisse in unzulässiger Weise vereinfachen; - That structural earthquake protection works with an inadequately known load case and with calculation methods that simplify the actual conditions in an impermissible manner;

- 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); - that the usual finite element models for a precise 45 examination of buildings cannot be detailed enough or are too expensive to use if the resolution is high (poor economy or insufficient precision of the results);

- dass die Materialgesetze vieler Baumaterialien (z.B. Stahl- so beton) für die höherfrequenten Anteile der Erdbebenanregung zu wenig bekannt sind. - that the material laws of many building materials (e.g. steel and concrete) are too little known for the higher-frequency components of earthquake excitation.

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. This means that the earthquake stress on the buildings calculated by convention must be viewed as an unreliable estimate, which can be exceeded many times in practice.

Mit diesen Feststellungen im Einklang steht der beschränkte Erdbeben-Schutzauftrag, der den bekannten Erdbebennormen zugrundegelegt wird. Dieser verlangt: The limited earthquake protection mandate on which the known earthquake standards are based is in line with these findings. This requires:

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- dass die Gebäude den am Bauplatz regelmässig wiederkehrenden Erdbeben möglichst schadenarm standhalten, und - that the buildings can withstand the earthquake that regularly recurs on the site with as little damage as possible, and

- dass bei Auftreten von intensiven bzw. extremalen Erdbe-benerschütterungen der Schutz des menschlichen Lebens dem Gebäudeschutz vorgeht. 65 - that the protection of human life takes precedence over building protection in the event of intense or extreme earthquake tremors. 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. The reason why the protection mandate has so far been reduced in this way is not only because it was uneconomical to demand more consistent structural protection measures for all buildings in high-seismic regions. Up until now, there has been no way, in practice, to technically implement the integral earthquake protection or to prove it mathematically. For this, the computational proof would have to be carried out in such a way that those exposed structural elements whose failure are the initial cause of the system collapse could actually be found. Finally, there was considerable legal uncertainty in the determination of the load case, for which science has so far not provided any recognized engineering basis for definition.

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. The aim of the present invention is to eliminate the disadvantages mentioned and to implement the integral earthquake protection of buildings in practice. The technical measures proposed below are intended to be able to repeatedly and without damage absorb the strongest vibrations that have been measured on the building site to date or that can be expected there from previously defined or known causes. The technical measures should be such that the achievable integral protection can be proven in a simple, reliable and economical way by calculation or experiment.

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. In an expanded scope of the task of the invention, the protection of buildings against vibrations of a general nature is also to be effected. In addition to the natural earthquakes, artificial earthquakes as a result of nuclear or conventional bomb explosions as well as explosions, plane crashes, bullet impacts and other shock-like impacts are also possible. In addition to buildings, shelters, energy systems, military systems, large machines and isolator stations should also be able to be protected. Not only the actual building ground of free-standing buildings, but also a cavern rock, a machine chassis or a part of the building itself as the carrier of endangered devices can take on the role of the shaken medium. Of course, the above list does not claim to be complete. As a dangerous event, e.g. also saw a plane crash on a reactor building in which a large machine is located.

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. In the case of a spatially floating body of the type mentioned at the outset, the objects are achieved according to the invention in such a way that between the highest of the six lowest system natural frequencies, referred to as the basic frequencies, of the vibration element consisting of the body (D) and the isolators (C) and the deepest of the as Upper frequencies designated higher system natural frequencies, there is an area referred to as a natural frequency hole, in which the oscillation element has no natural frequencies, the natural frequency hole being intended to lie in the resonance range of the decisive design reaction spectrum of the vibration.

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. If the body is a building, its spatially floating storage is achieved by means of horizontally and vertically highly elastic damping elements (mechanical isolators), which are inserted between the two parts of the building by separating the superstructure from its foundation. The six fundamental frequencies of the vibration element can be relocated to a zone with a corresponding mass distribution of the superstructure and the stiffness distribution of the insulators, which are below the frequency of the resonance range of the design reaction spectrum of the vibration.

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 The superstructure receives a spatially rigid training. For this purpose, it is designed in a box-like or honeycomb-like manner, the outer walls being constructed to be continuous and load-bearing. In this way, an earthquake-compatible design of the structure is achieved, which as such is also required for unprotected structures in the earthquake standards. This measure leads to an increase in the upper frequencies of the structure above the

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oberen Grenzwert des spektralen Resonanzbereichs. upper limit of the spectral resonance range.

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. The foundation stiffly stuck in the building ground forms a rigid unit with it, whereby the foundation can be designed as a continuous plate, as a trough or as a specially designed mezzanine. The vertical rigidity of the subsoil should be at least six to nine times greater than the vertical isolator rigidity, so that the influence of soil compliance on the calculation method can be neglected when verifying protection.

Als Folge dieser Konzeption des Bauwerkes und der Isolatoren bildet sich ein Eigenfrequenzloch des Bauwerkes im Resonanzbereich des Reaktionsspektrums typischer Starkbeben aus. As a result of this conception of the structure and the isolators, a natural frequency hole of the structure is formed in the resonance range of the reaction spectrum of typical strong earthquakes.

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. Thanks to the measures according to the invention, the building withstands the largest strong earthquake measured or to be expected on the site. It is integrally protected against earthquakes. This means the ability of the protected building area to repeatedly repeat extreme earthquake vibrations without elasto-plastic deformations, i.e. Destruction to survive the structure.

Nachstehend werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen: Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawings. Show it:

Fig. 1 schematisch ein Bauwerk, welches auf erdbebengefährdetem Baugrund steht, 1 schematically shows a structure which stands on earthquake that is at risk of earthquakes,

Fig. 2 ein Fourier-Amplitudenspektrum einer Erdbebenerschütterung, 2 shows a Fourier amplitude spectrum of an earthquake vibration,

Fig. 3 schematisch einen mechanischen Isolator, 3 schematically shows a mechanical isolator,

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen isolierten Unterstand in einer Kaverne und Fig. 4 shows a cross section through an insulated shelter in a cavern and

Fig. 5 eine perspektivische, auseinandergezogene Darstellung eines Standardgebäudes für den rechnerischen und experimentellen Nachweis des integralen Erdbebenschutzes. Fig. 5 is a perspective, exploded view of a standard building for the computational and experimental verification of integral earthquake protection.

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)]. The endangered structure D shown in FIG. 1 is connected to the foundation B and the environment, e.g. the ground A, connected. Pi and P2 denote the reference points of a measurable vibration wave E, e.g. an earthquake, expressed in the time domain T as spatial translational and rotational acceleration [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. Any spatial, dynamic movements in the surrounding medium A that are transferred to the bearing area C of the structure D are to be understood here as vibrations. They can run intermittently or as periodic or pseudo-periodic vibrations.

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. Such dynamic or extreme vibrations of the support C are to be regarded as intense or extreme vibrations, which threaten the mechanical integrity of the structure D or impermissibly or completely impede its normal use as long as no specific protective measures have been taken.

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. The vibrations can be defined deterministically as time or frequency functions or probabilistically in the form of dimensioning spectral forms. The specific character of the vibrations is described as a Fourier amplitude and phase spectrum or as a so-called reaction spectral form. The relevant variables are the frequency content of the signal, i.e. the spectral distribution of the amplitudes as a function of frequency and the maximum acceleration of the signal for calibration purposes.

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. The earthquake reaction spectrum shown schematically in FIG. 2 is a typical form of a seismic design spectrum, the possible fundamental frequencies and the lowest upper frequencies of the proposed vibration body consisting of the structure D and the elastic support C being shown. Such a rated response spectrum is calculated from one or more suitably calibrated time functions. With the help of a calculation method known per se, the maximum movement reaction of a simple, undamped vibrator to the selected excitation is determined and plotted as a function of the natural frequency of the vibrator. For typical earthquake ground vibrations, it has a central frequency band with large amplitudes. This band is called Designated resonance range of the reaction spectrum.

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. In FIG. 2, F denotes the frequency and Sa the reaction spectral shape of the vibration in the acceleration range. Samait is the peak or maximum value of the spectral acceleration in the resonance range, and SaR is its reference or limit value, the corresponding cut-off frequencies of the resonance range being designated Fi and F2.

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. The upper and lower limits of the entire spectral frequency bandwidth F result from the specific character of the vibrations against which the proposed technical measures are used. The resonance range that describes the building frequencies at risk from excitation is eliminated from the amplitude spectrum as that central zone II, the spectral acceleration of which exceeds the limit value SaR. This limit value SaR can be expressed as a function of the maximum value Sama *, e.g. SaR = 0.8 X Samax. Below the resonance zone II is zone I for the lower, less dangerous fundamental frequencies and above is zone III for the upper frequencies.

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: The fundamental natural frequencies of most buildings fall entirely into Zone II of the schematic earthquake Fourier amplitude spectrum. The corresponding range of this resonance zone for solid floors is between 1.6 Hz and 6.0 Hz (empirical values). This results in the following zone widths:

Zonel: <1,6 Hz Zone II: zwischen 1,6 Hz und 6,0 Hz Zone III: >6,0 Hz Zonel: <1.6 Hz Zone II: between 1.6 Hz and 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. It should be noted that statements about the natural frequencies of the structure refer to the entire vibrating body, formed from the superstructure D and the insulators C surrounding it (FIG. 1), and not to individual sub-areas of the superstructure.

Die Art der Erschütterungsgefährdung von ungeschützten Bauwerken, die durch die vorgeschlagenen technischen Massnahmen geschützt werden sollen, wird wie folgt abgegrenzt: The type of vibration hazard of unprotected structures that are to be protected by the proposed technical measures is delimited as follows:

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. a) Risk of collapse for buildings of conventional construction with excitable natural frequencies in zone I. Excitation of the foundation B can cause impermissibly large deformations in the supporting structure of the building D. This leads to destruction on exposed load-bearing elements: threats to the mechanical integrity (collapse or becoming unusable) of partial areas or the overall structure.

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. b) Risk of resonance for structures of conventional construction with excitable natural frequencies in Zone II or devices inside the structure D. The resonance excitation of the structure results in an overuse of the affected elements: damage to partial areas, to the overall structure or to objects inside the structure .

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. c) Risk of brittle fracture for buildings of conventional construction with excitable natural frequencies in Zone III. The vibrations of the floor have a frequency content that triggers shock-like stress conditions on the structure: brittle fracture destruction. The brittle fracture destruction presupposes a brittle reaction behavior of the claimed materials in the excited frequency band.

d) Gefahr der Überbeanspruchung infolge differenzieller Auflagerbewegungen. Der Durchgang einer Erschütterungs5 d) Risk of overuse due to differential support movements. The passage of a vibration 5

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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. Wave from pi to p2 (Fig. 1) can lead to impermissibly large differential support displacements for structures D with considerable external dimensions: damage caused by the structure's tendency to stand out locally from the supports.

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. Damage from combinations of claims of the mentioned claims a) to d) are included; many of the unprotected structures typically have excitable natural frequencies in Zones II and 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. The proposed technical measures to achieve integral earthquake protection and the possibility of simple mathematical verification of this protection are explained for easy understanding using the example of a building under extreme earthquake effects. They can be transferred directly to the related use cases.

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. The superstructure D to be protected of the building is supported on the foundation B via insulators C, which in turn is firmly attached to the subsoil A (FIG. 1). The schematic ground movement is marked with E.

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. The protected superstructure D generally includes all parts of the building that are not permanently embedded in the ground. The superstructure D can be supported directly on the foundation or lie on the basement levels embedded in the ground, which in this case act as an additional foundation.

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. The mechanical isolators C have a double function, because on the one hand they have to control the vibration behavior of an elastic system and on the other hand they have a damping effect. Accordingly, the schematically illustrated insulator according to FIG. 3 has a damping element C. 2 and a spring element C. 1. In the case of a possible technical design of an insulator, a head plate and a base plate are glued to natural rubber plates in such a way that the insulator can be firmly connected to the superstructure or the foundation. The natural rubber sheets are in turn glued to each other according to a special manufacturing method in order to be able to absorb extreme pressure, tensile and shear deformations. The isolators are designed so that they are highly elastic in all directions.

Naturkautschuk-Stützkörper werden bevorzugt, da sie gegenüber Stahlfedern bessere Dämpfungswerte erreichen und den Elastizitätsanforderungen bei genügender Alterungsbeständigkeit in der Regel entsprechen. Natural rubber support bodies are preferred because they achieve better damping values compared to steel springs and generally meet the elasticity requirements with sufficient resistance to aging.

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. When the system is at rest, insulators must absorb the static superstructure and introduce them into the foundation. Their geometric positions and individual stiffness are therefore dictated by the mass distribution in the superstructure and cannot be influenced without complex technical measures; i.e. that vertical loads at the level of the foundation generally have to be absorbed where they occur, whereby the following types of training are conceivable: insulator carpet made of identical elements; Insulator carpet with individually adapted elements; terraced arrangement; free positioning.

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. The following variants of the foundation can occur: classic foundation with additional elements to accommodate the earthquake protection system (foundation lays directly on the ground); Mezzanine that separates the basement from the upper floor and houses the additional elements of the earthquake protection system.

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 Regardless of the variant chosen, the formation of the foundation must meet the following requirements: conception as a support area with great rigidity in all directions; Prevention of uncontrolled relative movements between the support points; Protection of the insulators against harmful environmental influences; easy access to

Isolatoren-Kontrolle, -Wartung und -Ersatz; einwandfreie Aufnahme der klassischen Lastfälle (Eigengewicht, Nutzlast, Wind und Schnee). Isolator control, maintenance and replacement; flawless absorption of classic load cases (dead weight, payload, wind and snow).

Als weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 4 ein Unterstand D gezeigt, der über Isolatoren C an den Wänden einer Kaverne abgestützt ist. As a further embodiment of the invention, a shelter D is shown in FIG. 4, which is supported by insulators C on the walls of a cavern.

Es ist nun rechnerisch nachgewiesen worden, dass, um räumlich schwimmend gelagerte Gebäude integral gegen Erdbeben zu sichern, folgende drei technische Massnahmen zu treffen sind: It has now been arithmetically proven that the following three technical measures must be taken to ensure that buildings that are floating are integrated against earthquakes:

- 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 - The six basic frequencies 1-6 of the system must be moved to Zone I (Fig. 2). This is done with the help of mechanical isolators, which are highly elastic in all directions (including vertical). The two lowest basic frequencies

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. I, 2 should be approximately one third of the lower cut-off frequency Fi of the resonance range or below, while the top fundamental frequency 6 may rise to just below the cut-off frequency Fi in the event of an earthquake.

- 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. - The superstructure of the building must be designed so stiff that the upper frequencies 7- o'clock of the isolated system all come to Zone III. For this purpose, a so-called box or honeycomb-like structure of the superstructure selected: the outer walls of the building are designed to be load-bearing, they are continuous, solid and only partially interspersed with openings. Their interlocking effect among themselves and with the ceilings, inner walls and columns is to be ensured by construction measures known per se. Relative movements at nodes, element boundaries and construction sections must be excluded thanks to suitable training. A honeycomb-shaped formation occurs when the ceilings and the load-bearing inner walls are included for the internal bracing of the box.

- 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. - The foundation must form a rigid whole with the ground. For this, a solid foundation must be selected, e.g. Rock, solid rock or suitable consolidated alluvions, whose vertical stiffness is at least six to nine times greater than the insulator stiffness. The foundation itself is generally designed as a continuous slab or as a trough. As a result, relative movements between the support points can be reduced to negligible sizes and the influence of soil elasticity is negligible for the calculation process.

Diese vorgeschlagenen technischen Massnahmen haben folgende Auswirkungen: These proposed technical measures have the following effects:

- Im Resonanzbereich der Bemessungs-Spektralform (Zone - In the resonance range of the design spectral shape (zone

II, Fig. 2) bildet sich eine Zone ohne Eigenfrequenzen des Systems aus: Eigenfrequenzloch im Resonanzbereich des Erregerspektrums. II, Fig. 2), a zone is formed without natural frequencies of the system: natural frequency hole in the resonance range of the excitation spectrum.

- 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. - Since the fundamental system natural frequencies are all very low, only greatly reduced, higher-frequency components of the ground excitation E are transferred to the superstructure. This eliminates the risk of brittle fractures in the superstructure.

- Dank der starren Ausbildung und der hohen Isolation besteht für den Oberbau keine Kollapsgefahr mehr. - Thanks to the rigid design and high insulation, there is no longer a risk of collapse for the superstructure.

- 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. - Any differential bearing displacements during the passage of a shaft movement are recorded "at the source" (relative movement between the highly elastic insulators), which greatly reduces the risk of overloading the superstructure.

Für das mathematische Modell entstehen zusätzlich erhebliche Vereinfachungen: There are also considerable simplifications for the mathematical model:

- Der Oberbau darf zu rechnerischen Zwecken auch im definitiven Hauptrechengang der Erschütterungsanalyse wie ein starrer Körper behandelt werden. Er besitzt damit nurmehr die s - The superstructure may also be treated like a rigid body in the final main arithmetic of vibration analysis for computational purposes. He now only has the 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. six degrees of freedom of the rigid body in space. In practice, this does not affect the quality of the results compared to the "exact solution".

- 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. - The influence of the ground elasticity can be neglected for computational purposes if the unloaded so-called “free-field natural frequencies” of the floor are at least two and a half to three times as high as the highest basic frequency of the floating building. In this case, it is no longer necessary to take into account the interaction between building / building site.

- Der Einfluss der Oberfrequenzen (ab 7. Systemfrequenz) auf die Erschütterungsbeanspruchung des geschützten Gebäudebereichs darf zu rechnerischen Zwecken vernachlässigt werden. - The influence of the upper frequencies (from 7th system frequency) on the vibration stress of the protected building area may be neglected for computational purposes.

- 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. - Thanks to its rigid construction, resonance problems in the protected building area can be dealt with locally. An interaction between locally resonant parts and the protected building area is eliminated thanks to its rigid design.

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: The practical feasibility of proof of safety against extreme vibrations is part of the task for integral vibration protection. The following procedure is considered suitable to provide this evidence in the event of extreme earthquake stress. It is based on the fact that, by appropriately defining the load case, extreme earthquakes can be distinguished from the standard earthquakes that occur regularly in a high seismic region in terms of strength and character. The definition of the load case can be suitably transferred to other dynamic stress conditions. The security verification is carried out in the following stages:

1. Etappe 1st stage

Definition der Lastfälle Extremal- und Standardbeben, gültig für den Bauplatz Definition of extreme and standard quakes, valid for the construction site

2. Etappe 2nd stage

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 Proof of the seismic safety of the building without an earthquake protection system against the load case of standard earthquakes in accordance with the regulations of the earthquake standards of the region concerned, assuming a restriction to elastic deformations according to the standard

3. Etappe 3rd stage

Aufsuchen der ungünstigsten Einfallsrichtungen durch Rotation der dreidimensionalen Bemessungsbeben um die Fundation zur Bestimmung der extremalen Reaktionen -repetitive spektrale oder modale Berechnung unter Extremalbeben Find the most unfavorable directions of incidence by rotating the three-dimensional design quakes around the foundation to determine the extreme reactions - repetitive spectral or modal calculation under extreme albums

4. Etappe 4th stage

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 Investigation of the behavior of the extremal movement and force quantities with systematic variation of the mass and stiffness distribution on the building with earthquake protection system - parameter analysis by repetitive spectral calculation in the most unfavorable directions of incidence

5. Etappe 5th stage

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 Determination of the extreme movement and force quantities of the overall system and of system areas on the building with earthquake protection system - modal or incremental calculation with extreme design earthquakes in the most unfavorable directions of incidence

6. Etappe 6th stage

Eingliederung der extremalen Erdbebenreaktionen in die statische Berechnung und die Tragwerksbemessung - eigentlicher Sicherheitsnachweis Incorporation of the extreme earthquake reactions into the static calculation and the structural design - actual safety verification

7. Etappe 7th stage

Untersuchung der lokalen Resonanzgefahr - Berechnung mit Finite-Element-Modellen für Gebäude-Teilbereiche und den ermittelten kinematischen Reaktionen (5. Etappe) als Input-Funktionen Investigation of the local risk of resonance - calculation with finite element models for building sections and the determined kinematic reactions (5th stage) as input functions

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. For stages 4-6, the structure must be introduced as a spatially defined mathematical model. The structural resolution should go into so much detail that the analysis allows the exposed elements to be found that are the first to experience elasto-plastic deformations.

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. In order to experimentally confirm the mathematical proof of safety, the model of a standard building was created and subjected to a vibration that corresponds to the most movement-intensive earthquakes that are currently known.

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. The standard building shown in an exploded view in FIG. 5 has a clear, clear structure with a statically and dynamically clearly conceivable concept. The floor plan is point-symmetrical, and the design is monolithic, compact and box-like, so that a strong, rigid construction is guaranteed. The superstructure is again marked with D, the insulators with C and the foundation with B. The storey ceilings Dl, the roof D.2, the core D.3 with the staircase, the inner and outer walls D.4 and the supports D. 5 contribute to the internal bracing of the building.

Dieses Standardgebäude kann als repräsentativer Vertreter eines «Turmhochhauses» gelten. This standard building can be considered a representative representative of a “tower tower”.

Die technische Realisierbarkeit des integralen Erdbebenschutzes konnte mit diesem Gebäude einwandfrei rechnerisch nachgewiesen werden. Im Resonanzbereich des Erdbebenbemessungsspektrums bildete sich das erfindungsgemässe Eigenfrequenzloch aus. The technical feasibility of the integral earthquake protection could be verified with this building. The natural frequency hole according to the invention formed in the resonance range of the earthquake design spectrum.

6 6

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B B

2 Blatt Zeichnungen 2 sheets of drawings

Claims (9)

625 302625 302 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. 1. Body that is protected against vibrations from the ground and floats in space, which is connected via mechanical isolators, which are elastic in all directions, to a base rigidly attached to the ground, characterized in that between the highest (6) of the six referred to as fundamental frequencies lowest natural system frequencies (1-6) of the vibration element consisting of the body (D) and the isolators (C) and the lowest (7) of the higher natural system frequencies (7, 8 ...) referred to as upper frequencies, there is an area called a natural frequency hole, in which the vibration element has no natural frequencies, the natural frequency hole being in the resonance range of the decisive design reaction spectrum of the vibration. 2. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden tiefsten Grundfrequenzen (1 und 2) nicht mehr als 40% der höchsten Grundfrequenz (6) betragen. 2. Body according to claim 1, characterized in that the two lowest fundamental frequencies (1 and 2) are not more than 40% of the highest fundamental frequency (6). 2 2nd PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS 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. 3. Body according to claim 1, characterized in that the highest fundamental frequency (6) does not exceed 1.6 Hz and the lowest upper frequency (7) does not fall below 6.0 Hz. 4. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er schachtel- oder wabenartig ausgebildet ist, wobei die Aus-senwände durchgehend und mittragend gestaltet sind. 4. Body according to claim 1, characterized in that it is box-shaped or honeycomb-shaped, the outer walls being designed to be continuous and load-bearing. 5. Körper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die im Innern mittragenden Elemente zu seiner Aussteifung verwendet werden. 5. Body according to claim 4, characterized in that the elements carrying in the interior are used for its stiffening. 6. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis (B) als durchgehende Plätte oder als Trog ausgebildet ist. 6. Body according to claim 1, characterized in that the base (B) is designed as a continuous plate or as a trough. 7. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein steifer Untergrund vorliegt. 7. Body according to claim 1, characterized in that a rigid base is present. 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. 8. Body according to claim 1, characterized in that the vertical stiffness of the insulators is at least six times smaller than the vertical stiffness of the substrate and the vertical stiffness of the body itself. 9. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Bauwerk, eine Maschine oder eine Isolatorenstation ist. 9. Body according to claim 1, characterized in that it is a building, a machine or an isolator station.
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