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Die vorliegende Erfindung betrifft eine
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Anordnung zur Sicherung von Gebäuden aller Art gegen Erdbebenschäden,
bestehend aus einer Unterlage und Elementen, welche Horizontalverschiebungen des
Bauwerkes relativ zur Unterlage ermöglichen und welche zwischen dem Bauwerk und
der Unterlage angeordnet sind.
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Die bei Erdbeben in Bauwerken auftretenden mechanischen Spannungen
entziehen sich normalerweise der Berechnung.
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Die auftretenden Beschleunigungen sind durch die Starrheit der Verbindung
zwischen dem Baugrund, bzw. der Unterlage und dem Bauwerk oft so gross, dass an
kritischen Stellen der Konstruktion der Material über den zulässigen Wert hinaus
beansprucht wird. Damit kEnnen leicht Anrisse entstehen, die sich bei mehrfacher
Wiederholung der Beanspruchung erleitern, was bis zur Zerstörung des Bauwerkes fuhren
kann.
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In erster Linie möchte man erdbebensichere Wohnbauten haben, damit
allermindestens die Menschen gegen die bekannten Folgen schwerer Erdbeben geschützt
sind. Es gibt jeoch auch Bauwerke besonderer technischer Natur, deren Erstellung
sehr kostspielig ist und deren Zerstörung schwerwiegende Folgen haben könnte, so
dass solche Bauwerke ganz besonders gegen Erdbebenfolgen gesichert werden müssen.
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Absolute Sicherheit ist jedoch weder technisch noch wirtschaftlich
erzielbar. Man wird nich zufrieden geben müssen, wenn es durch technisch M@@nahren
gelingt, die Schäden auf wenige Prozent der jetzt normalerweise bei schweren Erdbeben
auftretenden Schäden herabzusetzen, was mit einen noch erträglichen wirtschaftlichen
Aufwand erzielbar ist.
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Es ist eine Aufg½?be der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zu
beschreiben, welche gestattet, die bei Erdbeben auf Bauwerke wirkenden Kräfte in
kontrollierbaren Grenzen zu halten.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung anzugeben,
bei welcher die Frequenzen der Erdbebenschwingungen nicht mehr vom Baugrund auf
das Bauwerk übertragen erden.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Bewegungen des
Bauwerkes während des Erdbebens unter Kontrolle zu halten, so dass die Spannungen
innerhalb der vorausgesehenen Grenzen bleiben.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, dem Bauwerk während
des Erdbebens eine Schwingungsmöglichkeit zu geben, die vom Gebäude ausgehalten
wird. Insbesondere soll die Frequenz, mit welcher das Bauwerk schwingt viel tiefer
liegen, als die vom Erdbeben aufgebrachten Frequenzen.
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Das Problem der Erdbebenschwingungen besteht nicht nur für Bauwerke.
So wurde schon vor vielen Jahren die Aufgabe gestellt und gelöst, erdbebensichere
Hochspannungsschalter zu bauen. Das dort verwendete Prinzip ist bereits recht alt,
gelangt aber immer noch zur Anwendung, vgl. USA-Patent 3 973 078.
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Bei den Hochspannungsschaltern muss darauf geschtet werden, dass das
spröde Porzellan unter Erdbebenbeanspruchung nicht übermüssig beansprucht wird,
was insbesondere für die Einspannung der Säulen der Schalterpole gilt. Die Einspannung
der Säulen von Hochspannungsschaltern für erdbebebenreiche Gebiete wird daher möglichst
elastisch gestellt. Bei Erdbeben schwanken die Säulen mit grossen Amplituden langsam
hin und her. Bei starrer Einspannung würde der Grund den Schalterpolen eine viel
höhere Frequenz aufzwingen. Das @@ste zu hohen Beschleunigungen und nach dem Gesetz
von Newton zu grossen Kräften führen, die dann als duerkrRifte das Porzellan vermutlich
sehr rasch zerstören müssten.
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Eine entsprechende Ueberlegung lässt sich an Bauwerken anstellen.
In der Deutschen Auslegeschrift 1103890 ist vorgesehen, mit einem Druckmittel allfallige
Fundamentsenkungen auszugleichen. Die Massnahme ist in erster Linie für Bergbaugebiete
vorgesehen, in denen solche Senkungen gelegentlich auftreten können. Für eine Erdbebensicherung
ist die vorgesehene Massnahme recht teuer und es fragt sich, ob die Steuerung ar
Druckflüssigkeit mit der benötigten Geschwindigkeit erfolgen kann.
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In der Deutschen Offenlegungsschrift 2 021 031 ist eine Einrichtung
für Bauwerke vorgesehen, bei welcher zwischen Bauwerk und Unterlage linsenförmige
Elemente eingebracht werden. Die linsenförmigen Elemente werden durch Kugelkalotten
von Kugeln mit gleichem Radius gebildet. Diese Konstruktion hat den grossen Vorteil,
selbstzentrierend zu sein. Nach einem Beben erhält damit das Bauwerk von selbst
die Tendenz jene Lage einzunehmen, bei welcher der Schwerpunkt des Bauwerks möglichst
tief liegt. Für schwache Beben ist die Anordnung völlig ausreichend und
zleckmassig.
ei starken Beben besteht aber die grosse Gefahr, dass die linsenförmigen Elemente
ungleichartige Bewegung ausführen und bald einmal sehr verschieden belastet werden.
Nach einer bekannten Formel von Hertz treten jedoch rasch St%l'r hohe Beanspruchungen
auf, so dass die Gefahr der Zerstörung der linsenförmigen Elemente besteht. Auch
wenn eine solche Zerstörung nicht erfolgt, kc':nnen durch die ungleichartig bewegten
linsenförmigen Elemente Instabilitäten entstehen, so dass die Dast des ganzen Bauwerks
aus andere linsenförmige Elemente kippt.
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nit ist er das Bauwerk wiederum unerwünschten Erschütterungen ausgesetzt,
die man ja möglichst -vermeiden wollte.
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Im Falle eines Hauses oder eines teuren technischen Bauwerks kann
man sich wie folgt helfen. Man stelle sich vor dass mindestens das unterste Stockwerk
des Hauses als starre Rahmenkonstruktion ausgefiilirt sei. Eei einem teuren technischen
Bauwerk kann an dessen Stelle der Boden zusammen mit einem Teil der darauf aufgeführten
Aussenwände treten. Bei einem Haus werden die Kellerwände ohnehin meist in Beton
ausgeführt. Wenn man die Zugzone des entsprechenden Gebäudeteils zusätzlich etwas
armiert, so lässt sich vermeiden, dass Zugspannungen in der Zugzone bei einem Erdbeben
den Beton von unten her aufbrechen. Mit verhältnismässig einfachen und billigen
Mitteln lässt sich daher der verlangte Rahmen schaffen. Bei der bisherigen Konstruktionsweise
wurde die Armierung der betonierten Kellermauern meistens unterlassen. In besonderen
Fällen kann der starre Rahmen zwei oder drei Stockwerke umfassen.
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Stellt man nun die gesamte Konstruktion auf Kugeln auf eine ebene
Unterlage, so wird das Bauwerk bei einer Erdbebenerschütterung nahezu in Ruhe verharren,
weil die Erdbebenwellen grösstenteils in tangentialer Richtune angreifen. Kommen
trotzdem einmal Stösse in vertikaler Richtung vor, so werden diese, wie bekannt,
viel besser ausgehalten als die horizontalen Erdstösse.
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Anstelle einer ebenen Unterlage kann vorteilhaft eine kugelige Unterlage
treten, deren Radius R sei. Man hat dabei zu beachten, dass der Schwerpunkt des
Bauwerks dem Zentren der Kugel nicht zu n<} e ko at, weil sonst bei einem Erdbeben
das Bauwerk von seiner Unterlage mitgeführt wird, wie wenn es starr mit der Erde
verbunden wäre.
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Im Interesse der Beweglichkeit des Bauwerks ist ein grosser Abstand
zwischen Kugelzentrum und Schwerpunkt des Bauwerks erwünscht. Zudem sollte der Schwerpunkt
der Unterlage näher sein als das Kugelzentrum.
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Mit der kugeligen Gestalt der Unterlage wird eine Selbstzentrierung
des Gebäudes erzielt; Bei einer Verschiebung des Bauwerks infolge eines Erdbebens
wird der Schwerpunkt ein wenig angehoben. Damit übt die Unterlage auf das Bauwerk
über die Kugeln, auf denen es rollt und die den Radius r haben mögen, eine Kraft
aus, welche den Schwerpunkt in die ursprungliche Lage zurückzutreiben sucht, damit
er wieder möglichst tief liegt. Dabei ist darauf zu achten, dass die Radien r und
R und die Materialien eine rücktreibende Kraft ergeben, welche grösser ist als die
Reibungskraft. Ausserdem muss gewährleistet sein, dass die Hertz'sche Flächenpressung
zwischen Unterlage und Bauwerk die für das gewählte Material zulässige Spannung
nicht übertrifft. Schliesslich ist zu beachten, dass die Kugeln vom Radius r sich
auch relativ zum Bauwerk bewegen. So sind auch am Bauwerk Flächen vorzusehen, welche
einen einwandfreien Kraftschluss zwischen Unterlagen, Kugeln mit Radien r und Bauwerk-Unterseite
ergeben. Geeignet dafür ist natürlich eine Kugeloberfläche mit dem Radius R-2r.
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Wie sich mit den Mitteln der Differentialgeometrie zeigen lässt, hat
die Kugelgestalt für Unterlage und Bauwerk-Unterteil folgenden Vorteil voraus. Abgesehen
von seltenen Ausnahmen wird man das Bauwerk auf mehr als drei Kugeln abstützen
wollen.
Sorgt man mittels konstruktiver Massnahmen dafür, dass die gegenseitigen Abstände
der Kugeln vom Radius r auch bei Erdbeben ur.verinderlich bleiLn, so bleibt der
Kontakt sämtlicher Kugeln mit der Unterlage und dem Bauwerk erhalten, womit die
Voraussetzung der Kraftschlüssigkeit erfüllt wird. Wählt man andere Formgebungen
als die Xugelform für Unterlage oder Bauwerk, so ist diese Voraussetzung nicht streng
erfüllbar. Damit besteht die Gefahr von Erschütterungen zufolge von Instabilitäten.
Die ebene For!n für die Unterlage ist als Spezialfall für die kugelige Form mit
sehr grossen Radius R zu verstehen. Im Falle einer ebenen Unterlage muss die rücktreibende
Kraft mit an sich bekannten Mitteln, wie z.B. Federn, aufgebracht a rden. Unter
Umständen kommt man auch bei kugeliger Unterlage nicht ganz ohne zusätzliche rücktreibende
saft herum.
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Das kugelige ;Jiderlager mit dem Radius R auf welches die Kugeln vom
Radius r<R rollen, braucht jeweils nur in der Umgebung der Auflagerpunkte tatsächlich
vorhanden zu sein.
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Anstelle eines einzigen grossen Kugelausschnittes vom Radius R treten
dann mehrere Kugelflächenteile, denen allen das Zentrum und der Radius R gemeinsam
ist. Die Kugelflächenteile werden vorteilhaft mit Wülsten kreisförmig begrenzt und
zwar so, dass das Zentrum des begrenzenden Kreises mit dem Berührungspunkt einer
Kugel vom Radius r mit der Unterlage übereinstimmt. Den Radius dieser Kreise wählt
man so gross, dass sich die Kugeln hinreichend auf ihrer Unterlage wälzen können.
Damit kann erreicht werden, dass sich die Kugeln nicht über ihre kugelförmigen führenden
Unterlagen hinausbewegen können.
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Die Kugeln vom Radius r können unter Umständen mit Vorteil in die
Unterseite des Bauwerkes eingelassen werden.
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In diesem Fall ist für die gute Schmierung der Kugeln und ihrer Halterung
zu sorgen. Man muss verhindern, dass
Verühreinigungen die Funktion
der Kugeln beeinträchtigen.
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Es gibt noch andere Möglichkeiten, die @erteckten Ziele zu erreichen.
Man könnte beispielsweise das Bauwerk mit einem nach unten @@mbierten Boden auf
eine kugelige oder ebene Unterlage stellen. Da in diesem Fall die Berührung nur
in einem Punkt stattfindet, ist eine grosse Flächenpreszung zu erwarten. Andererseits
kann durch fast gleiche Radien für Unterlage und Bodenunterseite dieser Effekt weitgehend
gemildert werden. Bei dieser Konstruktionsweise entstehen für das Bauwerk leicht
schwankende Bewegungen in Analogie zu den Hochspannungsschaltern. Ohne zusätzliche
Massnahme hat aber diese Bauweise den Nachteil, dass die Frequenzen der Erschütterungen
vom Baugrund her aufgezwungen werden. Die Konstruktion mit nach unten bombierten
Boden des Bauwerks kann man als Spezialfall der erfindungsgemässen Konstruktion
auffassen oder sie ist in Kenntnis derselben mindestens naheliegend.
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Sodann besteht noch die LNöglichkeit, Rollenlager zu verwenden. In
der Technik des Brückenbaues sind geeignete Rollenlager längst bekannt und verwirklicht.
Entsprechend den zwei Freiheitsgraden der möglichen Verschiebungen in der Horizontalebene,
müssen mindestens zwei Rollenlagersätze vorgesehen werden, die sich in zwei möglichst
zueinander senkrechten Riettungen verschieben können.
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Zwischen die Rollensätze wird ein möglichst leichter, jedoch starrer
Rahmen, beispielsweise aus Metall, eingebracht. Einer der Rollensätze gestattet
die Verschiebung des starren Rahmens in nur einer Richtung. In der Unterlage werden
Führungen vorgesehen, auf welchen sich die Rollen dieses ersten Rollensatzes wälzen,
wobei die Unterlage mit dem Boden, wie zuvor angenommen, fest verbunden, etwa in
diesen einbetoniert ist. Der zweite Rollensatz
kann sich bei einem
Erdbeben auf entsprechende Führungen, die zu diesen Zwecke am starren Rahmen angebracht
werden, in ungefähr senkrechter Richtung zum ersten Rollensatz wälzen. Erst auf
dem zweiten Rollensatz befindet sich der starre Rahmen des zu schützenden Bauwerks.
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Erfindungsgemäss besteht die Anordnung aus mindestens einem starren
Rahmen, gel,ildet durch die Aussenwände minbestens des interten Geschosses und die
dazu gehörenden Horizontaltragwerke, bzw. dem untersten Boden und den Aussenwänden,
wobei das restliche Bauwerk auf diesem Rahren aufliegt und unterhalb des starren
Rahmens Elemente vorhn4en sind welche bei den llorizontalverschiebungen zwlschen
Bauwerk und Untergrund in der ungefähren Grösse der Erdbebenamplituden in allen
Richtungen der Horizontalebene mit Verwendung einer Führungsfläche von positiver
konstanter Krüfmmug kraftschlüssig bleiben.
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Der starre Rahmen kann auch mehrere Geschosse mitsamt den dazugehörenden
Horizontaltragwerken, d.h. Deckenkonstruktionen, sowie den untersten Kellerboden
umfassen. Dabei ist stets der Karftschluss zischen der Unterlage und den Elementen,
bzw. zwischen den Elementen und dem starren Rahmen des Bauwerks zu gewährleisten,
damit keine lnstabilitäten entstehen.
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Die erfindungsgemässe Anordnung erfüllt offensichtlich die Aufgaben,
welche eingangs gestellt werden; Infolge der Trägheit folgt das Bauwerk den Erdstössen
fast nicht, sofern die Reibungskräfte klein gehalten werden. Die Unterlage schwingt
unter den Elementen hin und her. Das Bauwerk führt Eigenschwingungen aus, deren
Freouenz durch die Masse des Bauwerks und die geometrische Gestalt der Unterlage
bestimmt ist. Bei nichtebener Unterlage hat man es mit nichtlinearen Schwingungen
zu tun, deren Amplitude frequenzabhängig oder deren Frequenz amplitudenabhängig
ist. Aus dem Schwingungsverhalten
kann man nach Bedarf auf die
Kräfte und Spannungen in der Konstruktion zurückschlissen.
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Im Falle einer ebenen Unterlage wird man vorzugsweise lineare Schwingungen
erhalten. Man wird die rücktrei@@@en Kräfte so @anlen, dass keine Resonanzerscheinungen
zu befürchten sind, sondern dass die Eigenfrequenz tief unterhalb der Erdbebenfrequenzen
liegen. Seil mit diesen Marsnahmen die am Bauwerk angreigfenden Kräfte klein werden,
sind auch die Spannungen klein und werden von den üblichen Materialien leicht ausgehalten.
Man ist sogar in der Lage, die Grösse der Spannungen rechnerisch zu erfassen.