DE19921982A1

DE19921982A1 - Earthquake protection for buildings has a layer of coarse gravel beneath building foundations with pumps for its rapid flooding with water once longitudinal pressure waves have been detected indicating imminent shear waves

Info

Publication number: DE19921982A1
Application number: DE1999121982
Authority: DE
Inventors: Gerd Gudehus; Iouri Loukachev; Norbert Pralle
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-05-12
Filing date: 1999-05-12
Publication date: 2000-11-16

Abstract

A continuous or broken layer of coarse gravel is inserted directly or at a depth below the building foundations with pipe connections so that the layer can be filled with water. According to the procedure when a significant pressure wave is detected heralding a forthcoming shear wave then water is pumped into the layer to raise its pressure and core frame tensioning is largely avoided. The shear wave is largely prevented from passing through the gravel water layer.

Description

Starkbeben machen sich an Bauwerken zunächst durch eine Longitudinal- oder Druckwelle bemerkbar, die keine nennenswerten Schäden verursacht. Je nach Region folgt etwa 5 bis 60 Sekunden später eine Scherwelle mit Horizontalbewegungen, die das Bauwerk erheblich beschädigen kann. Wenn der Baugrund feinkörnig, locker gelagert und nahezu gesättigt ist, kann die Scherwelle eine Verflüssigung unter dem Bauwerk verursachen und dieses infolgedessen schwer beschädigen. Bekannte Bauweisen und Verfahren zur Abschirmung von Scherwellen arbeiten mit Stützfedern oder -rädern an der Bauwerksbasis, die kurz vor Eintreffen der Scherwelle gelöst werden, damit diese nicht ins Bauwerk übertragen wird. Die Bodenverflüssigung kann durch Verdichtung oder Injektion vermieden werden, dann aber propagieren Scherwellen verstärkt bis in das Bauwerk. Der nachträgliche Einbau von Federn oder Rädern ist mit extrem hohem, kaum vertretbarem Aufwand verbunden, eine nachträgliche Verdichtung führt zu unterschiedlichen Setzungen, eine nachträgliche Injektion ist mit erheblichem Aufwand allerdings durchführbar.Strong earthquakes initially affect buildings through a longitudinal or pressure wave noticeable, which causes no significant damage. Depending on the region, about 5 to follows 60 seconds later a shear wave with horizontal movements that the structure significantly can damage. When the ground is fine-grained, loosely stored and almost saturated the shear wave can cause liquefaction under the structure and this severe damage as a result. Known designs and methods for shielding of shear shafts work with support springs or wheels on the building base just before Arriving the shear wave be solved so that it is not transferred to the building. Soil liquefaction can then be avoided by compaction or injection but propagate shear waves increasingly into the building. The subsequent installation springs or wheels are associated with extremely high, hardly justifiable effort, a subsequent consolidation leads to different settlements, a subsequent one Injection can, however, be carried out with considerable effort.

Die hier beschriebene Erfindung weist folgenden neuartigen Hauptgedanken auf: Unter dem flach gegründeten Bauwerk wird eine Schicht aus wassergesättigtem Granulat angeordnet, das fast immer als solide Unterlage trägt, vor dem durch die Druckwelle angekündigten Eintreffen der Scherwelle wird aber durch Einpumpen von Wasser der Porenwasserdruck in dieser Schicht soweit erhöht, daß der Korngerüstdruck ganz oder weitgehend verschwindet, so daß die Scherwelle nicht mehr in ihr propagieren kann, nach dem Starkbeben wird der Normalzustand durch Nachlassen des Wasserüberdrucks rasch wieder hergestellt. Die Gra nulatschicht besteht aus Kies oder ähnlichem grobkörnigem Schüttgut, so daß sich Gasblasen im Porenraum nicht halten können und die zum Erhöhen des Wasserdrucks erforderliche Wassermenge genügend rasch eingepumpt werden kann. Die Kiesschicht ist so wasserdicht umschlossen, daß in der kurzen erforderlichen Zeit des erhöhten Wasserdrucks kein nen nenswerter Wasserverlust auftritt. Durch elastische Nachgiebigkeit der Umgebung der Kiesschicht gibt diese überschüssiges Wasser nach Öffnen der Zuleitungen in kurzer Zeit ab, so daß wieder der normale Tragzustand des Kieskorngerüsts hergestellt ist. Während des kurzfristigen, zur Scherwellenabschirmung erforderlichen Schwebezustandes kann das Bauwerk nicht weggleiten, da es durch den Boden neben dem Bauwerk ausreichend gestützt ist, andererseits kann durch den seitlichen Boden wegen dessen viel geringerer Steifigkeit nur ein geringfügiger Anteil der Scherwelle ins Bauwerk übertragen werden.The invention described here has the following novel main idea: Under the shallowly based structure, a layer of water-saturated granules is arranged, which almost always bears as a solid base, in front of the one announced by the blast When the shear shaft arrives, the pore water pressure is pumped in by water this layer is increased to such an extent that the grain structure pressure disappears completely or largely, so that the shear wave can no longer propagate in it, after the strong earthquake Normal state quickly restored by relieving the water pressure. The Gra Nulatschicht consists of gravel or similar coarse-grained bulk material, so that gas bubbles can not hold in the pore space and the necessary to increase the water pressure Amount of water can be pumped in sufficiently quickly. The layer of gravel is so waterproof enclosed that no NEN in the short required time of increased water pressure significant water loss occurs. Through elastic compliance of the environment Gravel layer gives this excess water in a short time after opening the supply lines from, so that the normal state of wear of the gravel structure is restored. While the short-term floating state required for shear wave shielding can do this Do not slide the structure away as it is adequately supported by the floor next to the structure is, on the other hand, due to the side floor because of its much lower stiffness only a minor portion of the shear wave is transferred to the structure.

In einer Variante ist die Kiesschicht direkt unter der Gründung des Bauwerks angeordnet (Fig. 1). Vorausgesetzt ist ausreichend tragfähiger Boden darunter, so daß die Abschir mung allein das Bauwerk, aber nicht den Boden darunter vor zu großen Scherverformungen zu schützen hat. Die Schicht (1) aus Kies oder einem ähnlichen grobkörnigen Granu lat mit einer Mindestdicke von ca. 0,5 m wird in dichter Lagerung eingebaut. Sie ist wasserdicht umschlossen durch eine Membran aus hochplastischem Dichtungston und/oder ausreichend zugfestem und dichtem Geotextil (2). Seitlich neben dem Membranwulst ist mitteldichter Boden eingebaut (3). Nach oben ist die Kiesschicht durch die wasserun durchlässige Gründungssohle abgeschlossen, bei nicht genügend dichter Sohle kommt eine dünne Dichtungsmembran hinzu. Zum Einpumpen von Wasser in den Kies befinden sich in der Sohlplatte Zuleitungen (4), an die sich Pumpen mit Vorratsbehältern anschließen (5).In a variant, the gravel layer is arranged directly under the foundation of the building ( Fig. 1). Provided there is sufficient load-bearing floor underneath, so that the shielding alone has to protect the building, but not the floor underneath, from excessive shear deformation. The layer ( 1 ) of gravel or a similar coarse-grained granulate with a minimum thickness of approx. 0.5 m is installed in tight storage. It is watertightly enclosed by a membrane made of highly plastic sealing clay and / or sufficiently tensile and dense geotextile ( 2 ). A medium-density base is installed on the side next to the membrane bead ( 3 ). The gravel layer is sealed off at the top by the water-impermeable foundation sole; if the sole is not sufficiently thick, a thin sealing membrane is added. For pumping water into the gravel there are supply lines ( 4 ) in the base plate, to which pumps with storage tanks are connected ( 5 ).

Eine Variante mit tiefer liegender unterbrochener Kiesschicht kommt in Frage, wenn der Boden unter dem Bauwerk bei Starkbeben verflüssigungsanfällig ist (Fig. 2). Der Boden besteht dann vorwiegend aus nahezu wassergesättigtem locker gelagertem Feinsand. In einigen Metern Tiefe sind waagerecht nebeneinander Stränge aus Kies mit ca. 0,5 m Durchmesser und kaum größeren Abständen angeordnet (1). Die Stränge werden mittels horizontal von den Seiten eingebrachter Rohre eingebracht, wofür es verschiedene Bohrver fahren gibt (6). Der in das Rohr eingefüllte Kies bleibt beim Ziehen des Rohres im Boden und bildet einen satten Anschluß an diesen (3). Als Gleithilfe dient dabei eine Erschütterung des Rohrs oder ein gelbildender Zusatz zum Porenwasser des Kieses, der nach dem Einbau biologisch abgebaut wird. Beim Zurückziehen des Horizontalbohrrohrs bleibt eine Wasser leitung im Kies, die außerhalb desselben an Pumpe und Vorratsbehälter anschließt (5).A variant with a deeper interrupted gravel layer can be considered if the floor under the building is susceptible to liquefaction during strong earthquakes ( Fig. 2). The floor then mainly consists of almost water-saturated, loosely stored fine sand. At a depth of a few meters, strands of gravel with a diameter of about 0.5 m and hardly any larger distances are arranged horizontally next to each other ( 1 ). The strands are inserted using pipes inserted horizontally from the sides, for which there are various drilling methods ( 6 ). The gravel filled into the pipe remains in the ground when the pipe is pulled and forms a full connection to it ( 3 ). A vibration of the pipe or a gel-forming additive to the pore water of the gravel, which is biodegraded after installation, serves as a sliding aid. When the horizontal drill pipe is pulled back, a water pipe remains in the gravel, which connects to the pump and reservoir outside it ( 5 ).

Beide Varianten können auch nachträglich unter bestehenden Bauwerken eingebaut wer den. Die Kiesschicht mit wasserundurchlässiger Umschließung kann wie bei einer Unter fangung abschnittsweise eingebaut werden. Die Horizontalbohrungen der zweiten Variante beeinträchtigen das Bauwerk nicht und erfordern lediglich Zugangsstellen mit geringer Ar beitsfläche, deren Entfernung in weiten Grenzen wählbar ist.Both variants can also be retrofitted under existing structures the. The layer of gravel with impermeable enclosure can be like a sub catch can be installed in sections. The horizontal holes of the second variant do not affect the structure and only require access points with low ar working area, the distance of which can be selected within wide limits.

Sofort nach dem Eintreffen einer Longitudinalwelle von signifikanter Intensität wird Wasser in die Kiesschicht bzw. die Kiesstränge eingepumpt und damit der Porenwasserdruck soweit erhöht, daß der Korngerüstdruck ganz oder weitgehend verschwindet. Die erforderliche Wassermenge richtet sich nach dem elastischen Nachgeben der Gründungsplatte bzw. des die Kiesstränge umgebenden, Gasblasen enthaltenden Bodens. Vorratsmenge, Pumpleistung und -druck richten sich nach der elastischen Nachgiebigkeit bzw. dem Strömungs widerstand in den Zuleitungen und im Kies. In der engeren Umgebung der Kiesstränge wird der Porenwasserdruck fast ebenso erhöht, so daß auch zwischen den Kiessträngen der Scherwiderstand vorübergehend sehr stark abnimmt. Die Scherwelle kann wegen der sehr geringen Schubsteifigkeit des Korngerüstes nicht durch dieses fortgeleitet werden und wird dadurch fast wie an einer freien Oberfläche weitgehend nach unten reflektiert. Bei der ersten Variante erfährt damit das Bauwerk keine schädlichen Schubverformungen mehr. Bei der zweiten Variante erzeugt die Scherwelle allenfalls eine weitergehende Verflüssigung im Bereich der Kiesstränge, der Boden darüber kann aber wegen der Abschirmung nicht verflüssigt werden.Immediately after the arrival of a longitudinal wave of significant intensity, water becomes pumped into the gravel layer or the gravel strands and thus the pore water pressure so far increases that the grain structure pressure disappears completely or largely. The required The amount of water depends on the elastic yielding of the foundation plate or the the soil surrounding the gravel strands containing gas bubbles. Amount of stock, pumping capacity and pressure depend on the elastic compliance or the flow resistance in the supply lines and in the gravel. In the closer environment of the gravel strands the pore water pressure is increased almost as well, so that also between the gravel strands the shear resistance temporarily decreases very sharply. The shear wave can because of very low shear rigidity of the grain structure can not be passed through this and is largely reflected downwards like on a free surface. At In the first variant, the building no longer experiences any harmful shear deformations. In the second variant, the shear wave at most generates further liquefaction in the area of the gravel strands, but the ground above cannot because of the shielding be liquefied.

Sofort nach der Passage der Scherwelle werden die Wasserzuleitungen geöffnet. Die elastis che Umgebung des Kiesbetts bzw. der Kiesstränge drückt das Wasser selbsttägig in kurzer Zeit heraus, und das Korngerüst des Kieses gerät wieder unter Druck und ist damit wie vorher tragfähig. Während des kurzfristigen Schwebezustandes kann das Gebäude nicht weggleiten, weil der seitliche Boden eine ausreichende Stützung dagegen bildet. Anderer seits ist dieser Boden wegen seines geringen Überlagerungsdrucks so wenig schubsteif, daß durch ihn ein nennenswerter Anteil der Scherwellen nicht in das Bauwerk bzw. in den Boden neben demselben eingetragen werden kann. Die durch Umlagerung des Korngerüstes bei der Aktivierung und der Deaktivierung des. Wasserüberdrucks auftretenden Verformungen sind gegenüber denjenigen ohne eine solche Abschirmung geringfügig und bleiben im bei Starkbeben hinnehmbaren Rahmen.The water supply lines are opened immediately after the passage of the shear shaft. The elastis The area around the gravel bed or the strands of gravel presses the water automatically in a short time Time out, and the grain structure of the gravel comes under pressure again and is like that previously viable. During the short-term limbo, the building cannot slide away because the side floor provides sufficient support against it. Other on the one hand, this floor is so little shear-resistant due to its low overlay pressure that due to this, a significant proportion of the shear waves do not enter the structure or the ground can be entered next to the same. The by rearrangement of the grain structure at the activation and deactivation of the deformations occurring are marginal to those without such a shield and remain in the Strong quake acceptable frame.

Das Abschirmsystem ist robust und anpassungsfähig. Nach Eintreffen von Vorbeben wird Wasser soweit eingepumpt, daß der Korngerüstdruck im Kies etwa um ein Drittel abnimmt. Damit wird die Pumpe für den raschen Hauptdruckpuls vorbereitet und das Porenfluid im Kies gesättigt. Bei im Grundriß variablen Sohldrücken wird der Wasserdruck feldweise unterschiedlich synchron erhöht, Schottwände sind wegen der kontrollierbaren seitlichen Druckausbreitung im Kies nicht unbedingt erforderlich. Zur Kontrolle des Abschirmsystems wird der Wasserdruck bei einem schwachen Erdbeben bis zur fast vollen Entspannung des Kieskorngerüsts erhöht. Seismische und piezometrische Messungen zeigen die Wirksamkeit, so daß erforderlichenfalls nachgebessert werden kann.The shielding system is robust and adaptable. After the arrival of the quake Water pumped in so far that the grain structure pressure in the gravel decreases by about a third. This prepares the pump for the rapid main pressure pulse and the pore fluid in the Gravel saturated. If the base pressure is variable in the floor plan, the water pressure becomes field by field differently increased synchronously, bulkheads are because of the controllable side Pressure expansion in the gravel is not absolutely necessary. To control the shielding system is the water pressure in a weak earthquake until the relaxation of the Gravel structure increased. Seismic and piezometric measurements show the effectiveness, so that improvements can be made if necessary.

Die Erfindung eignet sich für flachgegründete Bauwerke in Starkbebengebieten auf gut tragfähigem oder verflüssigungsanfälligem Baugrund. Wegen der großen Anzahl solcher Bauwerke, der guten Anpassungsfähigkeit an verschiedene Bauwerksgrundrisse und -höhen, der technischen Robustheit sowie wegen der im Vergleich zu konkurrierenden Bauweisen geringeren Aufwendungen ist der mit der Erfindung verbundene wirtschaftliche Vorteil beträchtlich. The invention is suitable for flat-based structures in strong earthquake areas stable or liquefaction-prone subsoil. Because of the large number of such Buildings, good adaptability to different building layouts and heights, the technical robustness and because of the comparison to competing designs lower cost is the economic advantage associated with the invention considerably.

Earthquake shielding through controlled induced local liquefaction Explanations to the pictures

11

Stark durchlässige Schicht bzw. Stränge aus z. B. Kies
Highly permeable layer or strands of e.g. B. gravel

22nd

undurchlässiges Geotextil bzw. hochplastischer Dichtungston
impermeable geotextile or highly plastic sealing clay

33rd

anstehender Boden
upcoming floor

44th

Wasserzuleitungen
Water supply lines

55

Pumpen mit Vorratsbehälter
Pumps with storage tanks

66

spezielles Bohrverfahren
special drilling method

Claims

1. Construction and method for shielding structures against earthquake-related horizontal shear waves, characterized in that a continuous or interrupted layer of water-saturated coarse-grained granules is installed directly or deeper under the structure base, in which after the arrival of a significant pressure wave before the arrival of the associated shear wave Water pressure is temporarily increased by pumping in water to such an extent that the grain structure tension largely disappears and shear waves can hardly be transmitted.

2. Construction and method according to claim 1, characterized in that a sufficiently thick layer of coarse-grained directly under the structure base Granules (e.g. gravel) is arranged.

3. Construction and method according to claim 1 and 2, characterized in that the coarse-grained layer is sealed watertight down and to the side a membrane made of clay mix or plastic and up through the soleplate of the structure or, if necessary, a membrane under the same.

4. Construction and method according to claim 1 and 2, characterized in that the coarse-grained, watertight, enclosed layer prevents lateral evasion Ground is supported.

5. Construction and method according to claim 1, characterized in that a series of parallel strands at a suitable depth under the base of the building in the ground made of coarse-grained granules (e.g. gravel).

6. Construction and method according to claim 1 and 5, characterized in that Coarse-grained granules are inserted into the ground through horizontally driven pipes is brought.

7. Construction and method according to claim 1, 5 and 6, characterized in that vibrations applied to support the gravel outlet when pulling pipes be or the gravel is mixed with an organic gel that after installation is biodegraded into water underground.

8. Construction and method according to claim 1, characterized in that the gravel layer or the gravel strands under existing buildings afterwards to be built in.

9. Construction and method according to claim 1, characterized in that immediately after the arrival of an earthquake pressure wave of significant size via supply line water is pumped into the gravel and its pressure is increased so that the grain structure pressure and thus the one required to transmit the shear shaft Shear stiffness largely disappears.

10. Construction and method according to claim 1, characterized in that after the arrival of a strong shear wave, the supply lines to the gravel are opened which and the excess water pressure automatically reduces again after a short time.

11. Construction and method according to claim 1, characterized in that in preparation for the arrival of the quake, the water pressure somewhat and thus also the degree of saturation is increased significantly and the pumps for main use to get prepared.

12. Building and method according to claim 1, characterized in that under parts of the building with different base pressures the water pressure through sectional supply line is increased differently and thus adjusted.

13. Construction and method according to claim 1, characterized in that the shielding device in the event of a weak earthquake due to an increase in water pressure and measurement monitoring is tested and corrected if necessary.