DE2801821A1 - Anordnung zur sicherung von gebaeuden aller art gegen erdbebenschaeden - Google Patents

Anordnung zur sicherung von gebaeuden aller art gegen erdbebenschaeden

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DE2801821A1
DE2801821A1 DE19782801821 DE2801821A DE2801821A1 DE 2801821 A1 DE2801821 A1 DE 2801821A1 DE 19782801821 DE19782801821 DE 19782801821 DE 2801821 A DE2801821 A DE 2801821A DE 2801821 A1 DE2801821 A1 DE 2801821A1
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DE
Germany
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earthquake
building
base
elements
arrangement according
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DE19782801821
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English (en)
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Robert Zwahlen-Surber
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BIELLER RUDI
Original Assignee
BIELLER RUDI
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Publication date
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    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E02HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02DFOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D27/00Foundations as substructures
    • E02D27/32Foundations for special purposes
    • E02D27/34Foundations for sinking or earthquake territories
    • 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

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Architecture (AREA)
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  • Structural Engineering (AREA)
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  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Paleontology (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Buildings Adapted To Withstand Abnormal External Influences (AREA)
  • Vibration Prevention Devices (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine
  • 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.
  • Die bei Erdbeben in Bauwerken auftretenden mechanischen Spannungen entziehen sich normalerweise der Berechnung.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • nit ist er das Bauwerk wiederum unerwünschten Erschütterungen ausgesetzt, die man ja möglichst -vermeiden wollte.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Kugeln vom Radius r können unter Umständen mit Vorteil in die Unterseite des Bauwerkes eingelassen werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (6)

  1. Anordnung zur Sicherung von Gebäuden aller Art gegen Erdbebenschäden Patentansprüche 1. Anordnung zur Sicherung von Gebäuden aller Art gegen Erdbebenschäden, bestehend aus einer Unterlage und Elementen, welche Horizontalverschiebungen des Bauwerkes relativ zur Unterlage ermrjglichen und welche zwischen dem P,au'erk und der Unterlage angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet dass die Anordnung aus mindestens einem starren Rahmen, gebildet durch die Aussenwände mindestens des untersten Geschosses und die dazu gehörenden Horizontaltragwerke, bzw. dem untersten Boden und den Aussenwänden besteht, wobei das restliche Bauwerk auf diesem Rahmen aufliegt und unterhalb des starren Rahmens Elemente vorhanden sind, welche bei den Horizontalverschiebungen zzischen Bauwerk und Untergrund in der ungefähren Grösse der Erdbebenamplituden in allen Richtungen der IIorizontalebene mit Verwendung einer Führungsfläche von positiver konsinter Krümmung kraftschlüssig bleiben.
  2. 2, Anordnung gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Kittel vorgesehen sind um die Reibungskräfte an den Elementen dauernd klein zu halten.
  3. 3. Anordnung gemäss Patentansprüch 2, dadurch gekennzeictlnet, Das die Unterlage jeweils in der naheren @@gebung der @erührungsstelle mit einem Element Abgelförmig ist und alle diese kugelförmigen Unterlagen-Festenlteile ein-und derselben Kugel von Radius R angehören und dass alle Elemente Kugeln von Radius r<R sind, wobei R grösser als der Abstand des Schwerpunktes des Bauwerks von der Unterlage zu wählen ist.
  4. 4. Anordnung gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente aus zwei Rollensätzen bestehen, wobei die Rollen unter sich gleiche Kreiszylinder sind, wobei die Achsen jedes Satzes unter sich parallel sind, jedoch die Achsrichtungen der beiden sätze ungefähr zueinander senkrecht stehen und das Bauwerk auf einem der Rollensätze aufliegt und dieser Rollensatz auf einen ebenfalls starren, möglichst leichten Zwischenrahmen abgestützt wird, der seinerseits auf dem zweiten Rollensatz liegt, der schliesslich auf der Unterlage abgestützt ist.
  5. 5. Anordnung nach einem beliebigen der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Flächenstücke, auf welchen sich die Elemente abewälzen von elastischem Material begrenzt sind, welches die Bewegungen des Bauwerkes bei einem Erdbeben in solcher Weise begrent, dass dieses selbst bei schweren Beben stets auf den dafür vorgesehenen Unterlagen aufliegt.
  6. 6. Anordnung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass auch die @erührungsflächen zwischen den Kugeln und dem starren Rahmen als Abwälzflächen für die Kugeln ausgebildet sind.
DE19782801821 1977-02-22 1978-01-17 Anordnung zur sicherung von gebaeuden aller art gegen erdbebenschaeden Pending DE2801821A1 (de)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3121045A1 (de) * 1980-06-27 1982-02-25 Seisma AG, 8006 Zürich Vor schaeden durch bodenerschuetterungen integral geschuetzter, raeumlich schwimmend gelagerter koerper, insbesondere bauwerk, maschine oder isolatorenstation
US4387036A (en) 1981-07-29 1983-06-07 International Flavors & Fragrances Inc. 1-Ethoxy-1-ethanol acetate-acetaldehyde mixtures for augmenting or enhancing the aroma of detergents

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3121045A1 (de) * 1980-06-27 1982-02-25 Seisma AG, 8006 Zürich Vor schaeden durch bodenerschuetterungen integral geschuetzter, raeumlich schwimmend gelagerter koerper, insbesondere bauwerk, maschine oder isolatorenstation
US4387036A (en) 1981-07-29 1983-06-07 International Flavors & Fragrances Inc. 1-Ethoxy-1-ethanol acetate-acetaldehyde mixtures for augmenting or enhancing the aroma of detergents

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CH590387A5 (de) 1977-08-15

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