DE19535197C1 - Einrichtung zum Schutz von Gebäuden, insbesondere Fabrikhallen, gegen Erdbeben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Schutz von Gebäuden, Fa­ brikhallen u. dgl. gegen Erdbeben, mit das Gebäude tragenden Stützen, die sich auf paar­ weise vorgesehene Tragkörper stützen, zwischen denen Rollkörper in Rollbahnen geführt sind, wobei der unterste Tragkörper im Erdreich angeordnet ist, wobei seismische Beschleunigungskräfte ein relatives Verschieben der Tragkörper zuein­ ander bewirken, und wobei die Stützen jeweils gelenkig auf einer Brücke mittig gelagert sind.

Erdbebengefährdete Länder sind geologisch meist in eine seismische Kette einge­ bettet. Die seismischen Aktivitäten werden hauptsächlich durch tektonische Platten-Verschiebungen erzeugt. So verschiebt sich z. B. die Amerika-Platte gegen die ost­ pazifische Platte. Hierbei treten seismische Beschleunigungskräfte im Erdreich auf, die sich auf die Gebäude übertragen und diese bis zur Zerstörung erschüttern.

Es ist eine Einrichtung als Abstützvorrichtung bekannt (EP 00 52 549 B1), die zwi­ schen einem Gebäude von großer Masse bzw. großem Gewicht und dem Erdreich angeordnet ist und eine Einschränkung der Verschiebung und Beschleunigung des Gebäudes in bezug auf das Erdreich bei Bewegungen zuläßt. Hierbei werden zylin­ drische Walzen benutzt, die horizontal in zwei übereinander liegenden Anordnungen aus jeweils zumindest zwei parallelen Walzen gebildet sind. Mit dieser Vorrichtung können Beschleunigungskräfte aufgefangen werden, welche in horizontalen Ebenen in zwei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen wirken; Verdrehungen um die Vertikalachse, wie sie durch zwar gleichgerichtete, jedoch beschleunigungsunter­ schiedliche Erdstöße verursacht werden, kann die bekannte Vorrichtung nicht fol­ gen. Des weiteren ist bei dieser Vorrichtung zwischen den einander überkreuzenden Walzenpaaren eine formkorrespondierende, eine Bauhöhe der Vorrichtung vergrö­ ßernde Bahnplatte erforderlich, durch die die allseitige horizontale Verschiebbarkeit erst ermöglicht wird.

Der ungünstigste Fall seismischer Kräfte kann bei einem geringen Abstand zum Epi­ zentrum eines Erdbebens auftreten bei höchsten und dabei differenten torsionsver­ ursachenden Beschleunigungskräften. Es ist daher mit dem bekannten Vorrichtun­ gen nicht möglich, Erdverschiebungen, aus unbestimmten Richtungen kommend, aufzufangen.

Die eingangs bezeichnete Einrichtung zum Schutz von Gebäuden gegen Erdbeben ist aus der US-PS 37 62 114 bekannt. Diese Bauart wandelt Beschleunigungskräfte in Umfangsrichtung eines mittig mittels einer senkrechten Säule und eines brückenartigen Lagers auf einem Drehtisch abgestützten Systems um. Allerdings sind auch hierbei wie schon zu der vorstehend beschriebenen Bauart gemäß EP 00 52 549 B1 ausgeführt, auf Achsen gelagerte walzenförmige Rollkörper eingesetzt, und zwar zunächst unterhalb des Dreh­ tisches als in Umfangsrichtung bewegliche Rollkörper. Im Fall von achsparallel wir­ kenden Beschleunigungskräften erbringen diese keine Wirkung zum relativen Verschieben der Säule gegenüber dem Untergrund. Die Säule ist zwar außerdem auf weitere Rollkörper aufgestützt, deren Achsen in der Horizontalen senkrecht zu den erstgenannten Rollkörpern verlaufen. Die weiteren Rollkörper sind jedoch nur in einer diametralen Führung des Drehtisches beweglich, wobei ebenfalls Reibungswiderstände zu überwinden sind, die das Gebäude beanspruchen. Schließlich sind noch radial wirkende Stützräder vorhanden, die für eine drehende Bewegung des die Säule tragenden Drehtisches vorgesehen sind und gleichfalls einen Rollwiderstand verursachen. Plötzlich auftretende zentrische Erdstöße mit einer überwiegenden Kraftkomponente senkrecht zur diametralen Führungsbahn bewirken relativ hohe Bewegungswiderstände, so daß eine Bewegung nur unter erheblichen Reibungsverlusten stattfindet. Die Gesamt-Verluste beanspruchen die Säule und das darüber befindliche Gebäude noch zu hoch.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art, aus unvor­ hersehbaren Richtungen ankommende seismische Beschleunigungskräfte auch dann durch reibungsverminderte Relativverschiebungen aufzufangen, wenn die Einrichtung im Grunde nach einer ungünstigen Richtung ausgelegt ist.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Brücke statisch bestimmt auf paarweise vorgesehenen oberen und unteren Schwimmlagerplatten gelenkig gela­ gert ist, wobei jeweils zwischen einer oberen Schwimmlagerplatte und der zugehörigen unteren Schwimmlagerplatte Kugelkörper in Hohlräumen angeordnet sind, die die Relativ­ bewegungen zwischen der oberen und der unteren Schwimmlagerplatte gestatten. Diese Einrichtung ermöglicht ohne tiefe Fundamentierung der unteren Schwimmla­ gerplatte im Erdreich auszukommen, erfüllt das Erfordernis, seismische und gleich­ zeitig unterschiedliche Beschleunigungskräfte aus unbestimmten Richtungen aufzu­ nehmen und besitzt die Eigenschaften von mehreren Gelenken gleichzeitig. Bei ent­ sprechender Belastbarkeit der Kugelkörper wird ein reibungsarmes Abrollen erzielt, das besonders bedeutungsvoll ist. Durch die Abmessungsauswahl von Kugelkörpern wird auch ein gewisses Verdrehen der Einrichtung um die Vertikalachse ermöglicht.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zwischen jeder Stütze und ihrer Brücke sowie zwischen der Brücke und der oberen Schwimmlagerplatte ein Kugel­ gelenk gebildet ist. Diese Maßnahmen unterstützen die angestrebte schwimmende Lagerung der gesamten Einrichtung.

Aufgrund der statisch bestimmten Lagerung ist es vorteilhaft, daß die Brücke im Grundriß dreieckförmig ausgebildet ist (Dreipunkt-Auflage).

Für die angestrebte Kraftverteilung ist ferner zweckmäßig, daß die Stütze jeweils im Flächenschwerpunkt der dreieckförmigen Brücke angreift.

Nach der weiteren Erfindung sind die Schwimmlagerplatten im Grundriß polygonal ausgebildet, und die Gelenklager für die Brücke sind im Flächenschwerpunkt des Schwimmlagerplatten-Polygonals angeordnet. Diese Ausbildung gestattet die Über­ tragung der statisch bestimmten Lagerkräfte auf unterschiedliche Schwimmlagerplat­ ten.

Es ist insbesondere vorteilhaft, daß das Schwimmlagerplatten-Polygonal jeweils aus drei Sechsecken gebildet ist und daß eines der Sechsecke zwischen zwei benach­ barten Schwimmlagerplatten-Polygonalen mit Spaltabstand liegt, so daß die auftre­ tenden Vertikalkräfte auch bei vertikalem Versetzen gleichanteilig auf alle Schwimmlagerplatten-Polygonale wirken.

Der statische Kraftaufbau wird ferner dadurch unterstützt, daß die Kugelkörper zwi­ schen den oberen und den unteren Schwimmlagerplatten in den Eckpunkten von Dreiecken angeordnet sind, wobei die Eckpunkte jeweils den Flächenschwerpunkten der Sechsecke entsprechen.

Die Funktionsfähigkeit der Einrichtung und gleichzeitig die Standsicherheit des Ge­ bäudes werden entsprechend vorteilhaft dadurch beeinflußt, daß mehrere obere Schwimmlagerplatten-Polygonale und/oder mehrere untere Schwimmlagerplatten-Polygonale mit federnd nachgiebigen Verbindungselementen versehen sind.

Die angestrebte Schwimmlagerung wird außerdem dadurch unterstützt, daß die zwi­ schen der oberen und der unteren Schwimmlagerplatte gebildeten Hohlräume für die Kugelkörper ovalförmig ausgebildet sind. Dadurch ergibt sich über die umschlossenen Kugelkörper ein stabiles Gleichgewicht, das die Schwimmlagerplatten infolge der Schwerkraft des Bauwerks immer wieder in die Neutralstellung (Ausgangsstellung) zurückkehren läßt, wobei die Hohlräume im Vertikalschnitt gesehen konkav sein können.

Für sehr große Gebäude bei entsprechend großen Massen kann es vorteilhaft sein, daß die Brücke und/oder die obere Schwimmlagerplatte und/oder die untere Schwimmlagerplatte sowie auch die sphärischen Kugelkörper als vorgefertigte Be­ tonserienteile hergestellt sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben: Es zeigt

Fig. 1 einen Aufriß der gesamten Einrichtung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf das statisch bestimmte System,

Fig. 3 denselben Aufriß wie Fig. 1,

Fig. 4 einen horizontalen Schnitt A-B gemäß Fig. 3,

Fig. 5 einen Aufriß wie die Fig. 1 und 3,

Fig. 6 einen horizontalen Schnitt C-D gemäß Fig. 5,

Fig. 7 einen Aufriß wie die Fig. 1, 3 und 5,

Fig. 8 einen horizontalen Schnitt E-F gemäß Fig. 7

Fig. 9 einen Aufriß wie die Fig. 1, 3, 5 und 7,

Fig. 10 einen horizontalen Schnitt G-H gemäß Fig. 9,

Fig. 11 einen Aufriß wie die Fig. 1, 3, 5 und 9,

Fig. 12 einen horizontalen Schnitt J-K gemäß Fig. 11,

Fig. 13 einen senkrechten Querschnitt durch Stütze, Brücke, untere und obere Schwimmlagerplatten in vergrößertem Maßstab,

Fig. 14a, 14b, 14c zeigen die Außenkonturen mehrerer Polygonale,

Fig. 15a, 15b korrespondierende Sechseck-Anordnungen,

Fig. 16 die Einteilung der Polygonale gemäß der Kontur der Fig. 14a und

Fig. 17 einen Hallenquerschnitt einer Hüttenwerkshalle mit den Ver­ schiebewegen, die in Millimeter angegeben sind.

Das Gebäude, z. B. eine Stahlwerkshalle, steht auf mehreren Stützen 1, die sich mittels eines Kugelgelenkes 2 auf eine Brücke 3 mittig aufstützen (Fig. 1 und 2). Die Brücke 3 ist auf tripodal vorgesehenen oberen und unteren Schwimmlager­ platten 4 bzw. 5 statisch bestimmt, d. h. in einer Dreipunktlagerung aufgestützt. Zwi­ schen der oberen Schwimmlagerplatte 4 und der unteren Schwimmlagerplatte 5 sind Kugelkörper 6 in Hohlräumen 7 angeordnet, so daß Relativbewegungen zwischen der oberen und der unteren Schwimmlagerplatte 4 bzw. 5 stattfinden können. Diese Relativbewegungen treten dann auf, wenn bei Erdbeben seismische Beschleuni­ gungskräfte eine Verlagerung des Erdreiches 8 bewirken, wobei auch eine jeweils untere Schwimmlagerplatte 5 um einen Horizontalabstand 9 verlagert wird. Es ist davon auszugehen, daß sich die Kugelkörper 6 zwischen der unteren Schwimmla­ gerplatte 5 und der oberen Schwimmlagerplatte 4 nur abwälzen, so daß die obere Schwimmlagerplatte 4 aufgrund der Trägheit der Auflagermassen nur eine geringe Horizontalbewegung ausführt.

Eine zerstörungsfreie Beweglichkeit des beschriebenen Systems zur Erdbeben-Stoßdämpfung im Fall von Bodensetzungen bzw. Bauwerksresonanz wird dadurch erleichtert, indem zwischen jeder Stütze 1 und ihrer Brücke 3 sowie zwischen der Brücke 3 und der oberen Schwimmlagerplatte 4 ein Kugelgelenk 10 gebildet ist. Die­ ses Kugelgelenk 10 enthält im einfachsten Fall einen in Mulden 11 gelagerten Ku­ gelkörper 6. Die horizontalen Relativbewegungen werden dann in dem gewünschten Umfang erreicht, wenn durch statische Bestimmtheit in allen Auflagerstellen bekann­ te und gleich große Kräfte auftreten. Hierzu ist die Brücke 3 im Grundriß 12 dreieck­ förmig ausgebildet mit gleich großen Dreieckseiten.

Sodann greift die Stütze 1 jeweils im Flächenschwerpunkt 13a der dreieckförmigen Brücke 3 an (Fig. 3 und 4).

Das System der statischen Bestimmtheit wird von der Brücke 3 auch auf die obere Schwimmlagerplatte 4 und die untere Schwimmlagerplatte 5 übertragen (Fig. 5 und 6). Hierzu sind die Schwimmlagerplatten 4 bzw. 5 im Grundriß 14 polygonal ausge­ bildet und Gelenklager 15 für die Brücke 3 sind im Dreieck mit Flächenschwerpunkt 13b des Schwimmlagerplatten-Polygonals 16 angeordnet. Der Flächenschwerpunkt 13b entsteht z. B. dann, wenn das Schwimmlagerplatten-Polygonal 16 jeweils aus drei Sechsecken 17a, 17b, 17c gebildet ist, wobei eines der Sechsecke 17c zwi­ schen zwei benachbarten Schwimmlagerplatten-Polygonalen 16 mit Spaltabstand 18 liegt (Fig. 7 und 8).

Die statische Bestimmtheit wird über die Brücke 3 und die jeweils oberen Schwimm­ lagerplatten 4 dadurch übertragen, daß die Kugelkörper 6 zwischen den oberen und unteren Schwimmlagerplatten 4 bzw. 5 in den Eckpunkten 19 von Dreiecken 20 an­ geordnet werden, wobei die Eckpunkte 19 jeweils den Flächenschwerpunkten der Sechsecke 17a, 17b, 17c entsprechen (Fig. 9 und 10).

Eine gemeinsame Relativbewegung der oberen Schwimmlagerplatten-Polygonale 16 und/oder mehrerer unterer Schwimmlagerplatten-Polygonale 16 kann mittels bewe­ gungsnachgiebiger Verbindungselemente 21 erreicht werden (Fig. 11 und 12).

Zwischen der oberen und der unteren Schwimmlagerplatte 4 bzw. 5 sind die Hohl­ räume 7 für die Kugelkörper 6 ovalförmig ausgebildet in dem Sinn, daß der Hohl­ raum 7 im Grundriß 22 kreisförmig ausgebildet ist (Fig. 12 und 13), so daß der Querschnitt sich wie gezeichnet ovalförmig darstellt, wobei die sich gegenüberlie­ genden Seiten lineare Abschnitte 24a, 24b bilden.

Die Brücke 3, das Kugelgelenk 2, die oberen Schwimmlagerplatten 4 und die unteren Schwimmlagerplatten 5 können im Grunde aus Stahl oder Gußwerkstoffen hergestellt sein. Es ist jedoch auch vorteilhaft, daß die Brücke 3 und/oder die oberen Schwimmlagerplatten 4 und/oder die unteren Schwimmlagerplatten 5 aus Beton her­ gestellt sind.

Durch mehrfache Horizontal-Ebenen der Brücken 3 läßt sich eine entsprechend große Häufung der Polygonalen und somit eine große Fläche und Gesamtbelastung erzielen (z. B. für die Auflagerung von Hochöfen oder Kernreaktoren und Hochhäu­ sern).

Die in den Fig. 14a, 14b und 14c dargestellten Außenkonturen dienen dazu, sich Planungen bei vorhandenen benachbarten Hindernissen anzupassen. Für diese Konturen-Varianten sind die Tragfähigkeiten jeweils gleich. Als Beispiel werden Konfigurationen von jeweils 27 Sechsecken (Fig. 16) gewählt. Die Gliederung der Fig. 15a entspricht der Kontur der Fig. 14b. Die Gliederung der Fig. 15b ist analog zur Kontur der Fig. 14c.

Währenddem die Systeme in ihrer Ruhelage dargestellt sind, zeigt Fig. 17 ein Sy­ stem in Maximal-Ausschlag während eines Erdbebens. Es wird angenommen, daß eine oder mehrere aufeinanderfolgende oder teilweise gleichzeitig ankommende Erschütterungswellen aus unbestimmten Richtungen kommen und entsprechend verlaufen. Die sich dabei ergebenden Verschiebungen betragen beim gezeichneten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 17 jeweils 1230,5 mm. Entsprechende Anord­ nungsgrößen können aus den Fig. 15a, 15b und 16 abgelesen werden.

Bezugszeichenliste

1 Stütze
2 Kugelgelenk
3 Brücke
4 obere Schwimmlagerplatten
5 untere Schwimmlagerplatten
6 Kugelkörper
7 Hohlraum
8 Erdreich
9 Horizontalabstand
10 Kugelgelenk
11 Mulden
12 Grundriß der Brücke
13a Flächenschwerpunkt der Brücke
13b Flächenschwerpunkt des Schwimmlagerplatten-Polygonals
14 Grundriß der Schwimmlagerplatten
15 Gelenklager
16 Schwimmlagerplatten-Polygonal
17a Sechsecke
17b Sechsecke
17c Sechsecke
18 Spaltabstand
19 Eckpunkte
20 Dreiecke
21 Verbindungselemente
22 Grundriß des Hohlraums
23 Oval
24a lineare Abschnitte
24b lineare Abschnitte

Claims (10)

1. Einrichtung zum Schutz von Gebäuden, Fabrikhallen u. dgl. gegen Erdbeben, mit das Gebäude tragenden Stützen, die sich auf paarweise vorgesehene Tragkörper stützen, zwischen denen Rollkörper in Rollbahnen geführt sind, wobei der unterste Tragkörper im Erdreich angeordnet ist, wobei seismi­ sche Beschleunigungskräfte ein relatives Verschieben der Tragkörper zuein­ ander bewirken, und wobei die Stützen jeweils gelenkig auf einer Brücke mit­ tig gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Brücke (3) statisch bestimmt auf paarweise vorgesehenen oberen und unteren Schwimmlagerplatten (4; 5) gelenkig gelagert ist, wobei jeweils zwischen einer oberen Schwimmlagerplatte (4) und der zugehörigen unteren Schwimmlagerplatte (5) Kugelkörper (6) in Hohlräumen (7) angeordnet sind, die die Relativbewegungen zwischen der oberen und der unteren Schwimm­ lagerplatte (4; 5) gestatten.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jeder Stütze (1) und ihrer Brücke (3) sowie zwischen der Brücke (3) und der oberen Schwimmlagerplatte (4) ein Kugelgelenk (2 bzw. 10) gebildet ist.

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brücke (3) im Grundriß (12) dreieckförmig ausgebildet ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stütze (1) jeweils im Flächenschwerpunkt (13a) der dreieckförmigen Brücke (3) angreift.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß die Schwimmlagerplatten (4; 5) im Grundriß (14) polygonal ausgebildet und daß Gelenklager (15) für die Brücke (3) im Flächenschwerpunkt (13b) des Schwimmlagerplatten-Polygonals (16) angeordnet sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwimmlagerplatten-Polygonal (16) jeweils aus drei Sechsecken (17a, 17b, 17c) gebildet ist und daß eines der Sechsecke (17c) zwischen zwei benachbarten Schwimmlagerplatten-Polygonalen (16) mit Spaltabstand (18) liegt.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelkörper (6) zwischen den oberen und den unteren Schwimm­ lagerplatten (4; 5) in den Eckpunkten (19) von Dreiecken (20) angeordnet sind, wobei die Eckpunkte (19) jeweils den Flächenschwerpunkten der Sechs­ ecke (17a, 17b, 17c) entsprechen.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere obere Schwimmlagerplatten-Polygonale (16) und/oder mehrere untere Schwimmlagerplatten-Polygonale (16) mit federnd nachgiebigen Verbindungselementen (21) versehen sind.

9. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen der oberen und der unteren Schwimmlagerplatte (4; 5) gebil­ deten Hohlräume (7) für die Kugelkörper (6) ovalförmig ausgebildet sind.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Brücke (3) und/oder die obere Schwimmlagerplatte (4) und/oder die untere Schwimmlagerplatte (5) aus Beton hergestellt sind.