DE102005022734A1

DE102005022734A1 - Basisisolierungssystem zum Schutz von Gebäuden und Anlagen gegen Erdbeben

Info

Publication number: DE102005022734A1
Application number: DE102005022734A
Authority: DE
Inventors: Horst-Dieter Rector; Günther Mager
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-05-18
Filing date: 2005-05-18
Publication date: 2006-11-23

Abstract

Basisisolierungssystem (Fig. 1) zur Verhinderung der Übertragung von bei Erdbeben auftretenden horizontalen Schwingungen auf Gebäude und Anlagen, wobei das Gebäude (8) auf zwei formschlüssig vollständig getrennte Platten ruht, nämlich der Fundamentplatte (1) und der Gebäudegrundplatte (2), wobei zwischen den beiden Platten Wälzkörper (3) eingebracht sind. Wird die Fundamentplatte (1) durch ein Erdbeben horizontal beschleunigt, so wird die Gebäudegrundplatte (2) mit dem darauf errichteten Gebäude (8) nur sehr geringfügig bewegt, da einerseits die Massenträgheit der Gebäudegrundplatte (2) und der darauf sich befindenden Gebäude (8) sehr groß ist und andererseits die auf die Gebäudegrundplatte (2) übertragene Horizontalkraft durch die Wälzkörper (3) infolge der Beschleunigung nur sehr gering ist. Nach Ende des Erdbebens zentrieren sich die Wälzkörper (3) wieder in ihren Lagermulden und die Gebäudegrundplatte (2) kommt wieder in ihre ursprüngliche Position zurück.

Description

Zum Schutze vor Beschädigungen durch Erdbeben werden weltweit, besonders in Japan und den USA, Gebäude und Anlagen mit Basisisolierungssystemen ausgestattet.

Diese Systeme, z.B. Gummilager oder Stoßdämpfer, sollen die Gebäudeschwingungen soweit dämpfen, dass keine oder nur geringe Schäden entstehen.

Inwieweit derart gesicherte Gebäude oder Anlagen jedoch schwersten Erdbeben wirklich widerstehen, ist nicht bekannt.

Dauer der Beben, die Amplitudengrößen sowie die Beschleunigungen können so groß sein, dass sie jedes noch so bebensicher errichtetes Gebäude zerstören oder stark beschädigen, weil die Dämpfungskapazität der Systeme immer begrenzt ist.

Ideal wäre ein Basisisolierungssystem, dessen Wirkungsweise nicht nur auf das bloße Dämpfen der Schwingungen beruht.

Deshalb wird erfindungsgemäß ein System vorgestellt, das die Übertragung der bei einem Erdbeben auftretenden horizontalen Schwingungen auf Gebäude oder Anlagen praktisch vollständig verhindert.

Dies wird erreicht durch eine Fundamentierung, die nach dem Prinzip eines Wälzlagers funktioniert. Die Fundamentplatte (1) mit den entsprechenden Bodenverankerungen bildet die untere Lauffläche für die Wälzkörper (3, 4), während die eigentliche Gebäudegrundplatte (2) die obere Lauffläche für die Wälzkörper (3, 4) bildet.

Die Wälzkörper können Kugeln (3) oder zylindrische Rollen (4) sein.

Wirkungsweise des neuen Systems:

Wird die Fundamentplatte (1) durch ein Erdbeben horizontal beschleunigt, so wird die Gebäudegrundplatte (2) mit dem darauf errichteten Gebäude (8) nur geringfügig bewegt, da einerseits die Massenträgheit der Gebäudegrundplatte (2) und der darauf sich befindenden Gebäude (8) sehr groß ist und andererseits die auf die Gebäudegrundplatte (2) infolge der Beschleunigung übertragene Horizontalkraft durch die Wälzkörper (3, 4) nur sehr gering ist. Die Fundamentplatte (1) und die Wälzkörper (3, 4) folgen der Bewegung durch das Erdbeben, wobei die Wälzkörper (3, 4) nur um die halbe Amplitude ausgelenkt werden, während die Gebäudegrundplatte (2) mit den Bauwerken sich kaum bewegt.

Wenn das Erdbeben aufhört, zentrieren sich die Wälzkörper (3, 4) in ihren Mulden (6, 7) und die Gebäudegrundplatte (2) kommt in ihre ursprüngliche Position zurück.

Nachfolgend ein Ausführungsbeispiel:

Das in 2 dargestellte Wälzelement besteht aus zwei gleiche Platten (9a, 9b) mit muldenförmigen Vertiefungen (6) sowie mit der darin zentrisch lagernden Kugel (3). Stabilisiert wird das Wälzelement durch 4 Fixierstäbe (10), wie in 1 zu sehen, die durch die Bohrungen (12) die beiden Platten (9a, b) miteinander verspannen. Auf der oberen Platte (9a) sitzen Schutzhülsen (11), wie in 1 zu sehen, von der Länge der späteren Dicke der Gebäudegrundplatte (2).

Die Fundamentplatte (1) wird mit diesen Wälzelementen (wie 2, jedoch mit Fixierstäben) vorzugsweise vollflächig ausgelegt. Anschließend werden die Stöße (13) zwischen den Wälzelementen hermetisch abgedichtet. Die Gesamtheit der Wälzelemente stellt die Unterschalung für die nun aufzubringende armierte Gebäudegrundplatte (2) dar. Nach dem Aushärten der Gebäudegrundplatte (2) werden die Fixierstäbe (10) durch die Schutzhülsen (11) entfernt und die Bohrungen der Schutzhülsen abgedichte Die so fertiggestellte Gebäudegrundplatte (2) hält ihre statisch definierte Position bei, weil die Kugeln (3) in den oberen sowie in den unteren Platten (9a, 9b) zentrisch in muldenförmige Vertiefungen (6) liegen. Nach Abdichtung der Seitenöffnung zwischen Fundamentplatte (1) und Gebäudegrundplatte (2) mit geeigneten Mitteln (z.B. Gummiplatten) kann der Zwischenraum zwischen Fundamentplatte (1) und Gebäudegrundplatte (2) nicht mehr verschmutzen und die Errichtung des Gebäudes oder der Anlage kann starten.

Es ist auch möglich, Wälzelemente mit 2, 3 oder mehr Kugeln zu verwenden, vorteilhafterweise bei Kugeln und Mulden mit kleinen Durchmessern.

Ein herausragendes Merkmal des neuen Systems besteht darin, dass die Ausdehnung der bebaubaren Fläche entsprechend 1 praktisch unbegrenzt ist. Somit könnte auf diesem neuartigen erdbebensicheren Fundament eine komplette Krankenhausanlage oder ein Kraftwerk inklusive aller Nebengebäude, Versorgungs- und Entsorgungsanlagen usw. errichtet werden. Selbst im Falle einer schwersten Erdbebenkatastrophe blieben damit die überlebenswichtigen Hilfs- und Versorgungseinrichtungen voll funktionsfähig.

Im Falle eines Erdbebens bewegt sich nur die Fundamentplatte (1). Die Gebäudegrundplatte (2) rollt über die Kugeln (3) ab und bleibt praktisch im Ruhestand. Lediglich die nicht zu vermeidende Rollreibung überträgt noch eine geringe, kaum messbare und unschädliche Schwingung auf die Gebäudegrundplatte (2). Nach dem Abklingen des Erdbebens zentriert sich die Gebäudegrundplatte (2) wieder in ihre definierte Position.

Die Ausführung der Basisisolierung mit zylindrischen Rollen (4) erzeugt eine um ein Vielfaches erhöhte Belastbarkeit der Gebäudegrundplatte (2). 3a/b zeigt die zwei Seitenansichten eines Wälzelementes mit vier Rollen (4) in Ruheposition. 4a/b zeigt die zwei Seitenansichten eines Wälzelementes mit 4 Rollen bei maximaler Ausdenkung. Je zwei Rollen liegen um 90° versetzt in zwei Ebenen, getrennt durch eine Zwischenplatte (5). Da die zylindrischen Rollen (4) oben und unten am Fuße zweier aufeinander zulaufenden Schrägen (7) liegen, ist auch diese Ausführung selbstzentrierend und funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie die Kugelausführung. Auch die Verbauung geschieht nach dem gleichen Prinzip. Dieses System eignet sich aber besonders für die Fälle, in denen sehr hohe Lasten punktuell aufgefangen werden müssen, z.B. bei Brückenpfeilern. Auch Wälzelemente mit 2 mal 3, 2 mal 4 oder mehr Rollen sind denkbar.

Die beschriebene Wirkungsweise des Systems ist nicht nur theoretisch untermauert. Sie konnte anhand von Versuchen mit einem kleinen Erdbebensimulator (5) eindrucksvoll praktisch nachgewiesen werden.

Aus der Fußplatte des Simulators (14) ragen Rundstäbe aus Federstahl (15), auf denen die Unterplatte (16) befestigt ist, die die Fundamentplatte (1) darstellen soll. Der Hammer (21) der Schlagvorrichtung (20) versetzt die Unterplatte (16) in eine gewünschte definierte Schwingung, die dabei ihre waagerechte Lage immer beibehält. Zwischen Unterplatte (16) und Oberplatte (19) sind drei Kugelelemente wie 2 eingebracht, von denen die untere Mulde (17) und die Kugel (18) zu erkennen sind. Auf diesen drei Kugeln ruht die Oberplatte (19) mit den hier nicht sichtbaren oberen Mulden. Die Oberplatte (19) stellt die Gebäudegrundplatte (2) dar.

Auf die Oberplatte (19) wurden maßstabgerecht Gebäude mit losen Steinen und Gegenstände aufgebaut, die bei geringsten Schwingungen des Untergrundes normalerweise sofort zusammenstürzen. Selbst bei stärksten Schwingungen gab es jedoch keinerlei Zerstörungen, selbst "Kartenhäuser" hielten den Schwingungen stand.

Claims

Basisisolierungssystem zur Verhinderung der Übertragung von bei Erdbeben auftretenden horizontalen Schwingungen auf Gebäude und Anlagen, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebäude (8) auf zwei formschlüssig vollständig getrennten Platten, nämlich der Fundamentplatte (1) und der Gebäudegrundplatte (2) ruht, wobei zwischen den beiden Platten Wälzkörper (3, 4) eingebracht sind, die beim Auftreten horizontaler Schwingungen des Bodens und damit der Fundamentplatte (1) ein fast reibungsfreies Abrollen der Gebäudegrundplatte (2) in alle Richtungen ermöglichen.
Basisisolierungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Fundamentplatte (1) und Gebäudegrundplatte (2) als Wälzkörper Kugeln (3) eingebracht sind.
Basisisolierungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Fundamentplatte (1) und Gebäudegrundplatte (2) als Wälzkörper zylindrische Rollen (4) in zwei um 90 ° versetzte Ebenen mit einer zusätzlichen Zwischenplatte (5) eingebracht sind.
Basisisolierungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (3) oben und unten zentrisch in muldenförmigen Vertiefungen (6) liegen und damit die Gebäudegrundplatte (2) nach einer Bodenbewegung wieder exakt in die alte Lage zentrieren.
Basisisolierungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrischen Rollen (4) jeweils oben und unten am Fuße zweier aufeinander zulaufenden schrägen Flächen (7) liegen und damit die Gebäudegrundplatte (2) nach einer Bodenbewegung wieder exakt in die alte Lage zentrieren.
Basisisolierungssystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine sehr hohe Stabilität des Gebäudes (8) gegen Windbelastung gegeben ist, da ein Verschieben des Gebäudes aufgrund der Neigungen bzw. Steigungen der Abrollflächen (6, 7) ein Anheben des gesamten Gebäudes (8) erfordert.
Basisisolierungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Lagermulden (6) der Kugeln (3) die maximal mögliche Amplitude der Schwingung bestimmt, die in beiden Richtungen dem Durchmesser der Lagermulde (6) entspricht.
Basisisolierungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge beider schräger Flächen (7) die maximal mögliche Amplitude der Schwingung bestimmt, die in beiden Richtungen der Länge beider Flächen (7) entspricht.
Basisisolierungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser und die Anzahl der Kugeln (3) sowie die gewählten Werkstoffe die Tragefähigkeit der Gebäudegrundplatte (2) bestimmen.
Basisisolierungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser und die Anzahl der zylindrischen Rollen (4) sowie die gewählten Werkstoffe die Tragefähigkeit der Gebäudegrundplatte (2) bestimmen.
Basisisolierungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (3, 4) sowie deren Abrollflächen (6, 7) aus Metall bestehen.
Basisisolierungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (3, 4) sowie deren Abrollflächen (6, 7) aus keramischen Werkstoffen bestehen.
Basisisolierungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (3, 4) sowie deren Abrollflächen (6, 7) aus einer Kombination von Metall und keramischen Werkstoffen bestehen.
Basisisolierungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Fläche zwischen Fundamentplatte (1) und Gebäudegrundplatte (2) mit Wälzkörpern (3, 4) bestückt ist.
Basisisolierungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche zwischen Fundamentplatte (1) und Gebäudegrundplatte (2) nur teilweise mit Wälzkörpern (3, 4) bestückt ist.