DE3121045A1 - Vor schaeden durch bodenerschuetterungen integral geschuetzter, raeumlich schwimmend gelagerter koerper, insbesondere bauwerk, maschine oder isolatorenstation - Google Patents

Description

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■Anmelder:

Seisma AG. Frohburgstraße CH-8006 Zürich SCHWEIZ

Stuttgart, den 26. Mai 1981 P 4065

Vertreter:

Kohler-Schwindling-Späth P at ent anwält e
Hohentwielstraße 41 7000 Stuttgart 1

Vor Schaden durch Bodenerschütterungen integral geschützter, räumlich schwimmend gelagerter Körper, insbesondere Bauwerk, Maschine oder Isolatorenstation

(Schaeden durch) Die Erfindung betrifft einen vor/Jiodenerschütte-

lintegral;
rungeni geschützten, räumlich schwimmend gelagerten Körper,

insbesondere Bauwerk, Maschine oder IsoLatorenstation, welcher über mechanische Isolatoren, die in allen Richtungen elastisch ausgebildet sind, mit einer steif mit dem Untergrund verhafteten Basis verbunden ist.

In erdbebengefährdeten Gebieten sicher zu bauen» ist ein anspruchsvolles Anliegen der modernen Baukunst.

Durch die vorgeschlagenen technischen Massnahmen der Erfindung, wird der Koerper in die Lage versetzt, den groessten je gemessenen oder am Standort zu erwartenden Starkbeben wiederholt und schadlos standzuhalten. Sein Traqwerk erleidet waehrend solchen Bodenerschuetterungen keine elastoplastischen Deformationen (Zerstoerungen): Integraler baulicher Erdbebenschutz.

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Trotz jahrelanger, intensiver Forschung und Entwicklung blieben die Ergebnisse bisher aber unbefriedigend, und es war bis heute nicht möglich, ein Gebäude bei extremen Erdbeben unter allen Voraussetzungen einwandfrei zu sichern. Wohl sind in den letzten 20 Jahren verschiedene neue Vorschläge für Erdbeben-Schutzsysteme bekannt geworden. Einer dieser Vorschläge befasst sich mit der Energievernichtung durch Schwingungsabsorber, die im Gebäudedach installiert werden (Wirsching P.H., Campbell G.W.:" Minimal structural response under random excitation using the vibration absorber; International Journal of Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol. 2, 1974). Ein weiterer Vorschlag betrifft die Lagerung des Oberbaus des Gebäudes auf horizontal beweglichen Rollenlagern mit elastischen Elementen zum Aufbau von Rückstellkräften (Matsushita K., Izumi M.:"Studies on mechanismes to decrease earthquake forces applied to buildings"; Proceedings of the 3rd World Conference on Earthquake Engineering, London, 1965). Schliesslich wurde auch schon vorgeschlagen, den Oberbau aufzuhängen, um ihn vom direkten Einfluss der Erschütterungen zu trennen (Oto Lanios CJ. et al: Study of the behavior of a hanging building under the effect of an earthquake; Pro-

ceedings of the 4th World Conference on Earthquake Engineering, Santiago de Chile, 1969).

Alle diese und verwandte Ideen hatten bisher keinen grossen Einfluss auf die konventionelle, sog.erdbebengerechte Bauweise, die für Erdbeben bis zu mittleren Intensitäten eingesetzt wird. Für solche Beben gewährt diese Bauweise einen guten Schutz menschlichen Lebens und bietet eine hinlängliche Standsicherheit für die Gebäude, allerdings unter Hinnahme von Bauschäden bis zur Abbruchreife. Bei hohen Erdbebenintensitäten ist der Schutz aber

sog. seismische ungenügend. Problematisch sind hier insbesondere ifrfcras-trrtiic

Risikobauten starkbebengefaehrdeten Regionen

b in Gebxeten wirt-^TO-henrHSrdire-b^rris-iHk-o. Solche Bauten unterliegen bei plötzlichem, unerwartetem Auftreten von Erdbeben bzw. erdbebenähnlichen Einwirkungen einer erheblichen Gefährdung. Es handelt sich speziell um Anlagen des öffentlichen Bedarfs mit lebenswichtiger Funktion (Spitäler, Verwaltungs- und Kommandozentralen); des Verkehrs (Grossbrücken, Bahnhofsanlagen, Tunnels); des Energiebedarfs (Staudämme, Kraftwerke, Treibstoff-Lagerstätten) ; des Industriesektors (Chemiewerke, Sprengstoff-Fabrikation); des militärischen Gebrauchs; sowie um Bauwerke

mit grosser Menschenkonzentration (Hochhäuser, Kongress-

i >Schulen, ι
und Kfcnogebäude,/Schutzbauten). Die Existenz einiger dieser Bauten in Gebieten mit grossem Erdbebenrisko hängt grundsätzlich von der Möglichkeit ab, den integralen Erdbebenschutz technisch zu verwirklichen. Das Bedürfnis nach einer verbesserten Erdbeben-Schutzmöglichkeit ist demnach eindeutig gegeben.

Daraus ergibt sich folgende Problemstellung:

Der konventionellen, erdbebengerechten Bauweise liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die fundamentalen Gebäudeeigenfrequenzen fast unvermeidbar in den Resonanzbereich der Erdbeben-Reaktionsspektren zu liegen kommen. Die Bewegungsenergie, welche diesen Gebäuden durch die Bodenerschütterungen übermittelt wird, wandelt sich in Strukturdeformationen um. Solange diese Strukturdeformationen im elastischen Bereich bleiben, werden die Gebäude nicht beschädigt. Wenn nun aber Erschütterungen auftreten, die in den tragenden Elementen des Gebäudes die Fliessgrenze des Materials übersteigende Deformationen bewirken, so ergeben sich Brucherscheinungen, die bis zum Kollaps des Gebäudes

fuhren können.

Entscheidende Fortschritte in der Erdbebensicherheit von Gebäuden konnten erzielt werden, als es gelang, die Strukturdeforniat ionen, welche bei der bisherigen Baux^eise hauptsächlich im Oberbau des Gebäudes stattfinden, aus diesem bruchgefährdeten Bereich zu entfernen. In der CH-PS 450.675 wird in dieser Beziehung vorgeschlagen, flexible Zonen in Form von hochelastischen Isolatoren zwischen dem Oberbau des Gebäudes und seiner Fundation anzuordnen, damit eine räumlich schwimmende Lagerung entsteht.

Das Verfahren ist von der Lagerung von Maschinenfundamenten bekannt, und die Anwendung auf Gebäude wurde auch schon in Fachzeitschriften beschrieben (Hubacher C., Staudacher E., Siegenthaler R.:"Erdbebensicherung im Bauei^l·, Neue Zürcher Zeitung, Technikbeilagen, 9.2.1970). Es handele sich dabei um eine echte, räumlich schwimmende Lagerung, die von der horizontal schwimmenden Lagerung zu unterscheiden ist. Während die Isolatoren bei letzterer nur in der Horizontalebene hochelastisch ausgebildet sind (Delfosse G.C.: The GAPEC System - A new highly effective aseismic

system; Proceedings of the 6th World Conference on Earthquake Engineering, New Delhi, 1977), erlaubt erstere die freie Bewegung in allen Richtungen, also auch vertikal.

Obgleich die Vorzüge dieses Erdbeben-Schutzsystems bekannt waren, war man sich nicht bewusst, dass die räumlich schwimmende Lagerung durch geeignete zusätzliche technische Massnahmen bis zum integralen Schutz gegen die stärksten bisher bekannten Erdbeben verbessert werden kann.

Nachstehend werden die üblichen Methoden zum Nachweis der Erdbebensicherheit beurteilt:

Zur exakten rechnerischen Untersuchung eines

ftiiSg'efe-il'dre-feeft Bauwerks müssen im Prinzip die mechanischen Eigenschaften aller vier Elemente des Systems, d. h. Gebäude, Isolatoren, Fundation und Boden, bekannt sein. Die Massen-, Dämpfungs- und Steifigkeitsverteilung im

(allenfalls vorhandenen j

Oberbau, den IIsolatoren, der Fundation und dem Baugrund werden

mtw-setf ins mathematische Systemmodell eingebracht Trerd^nT, um
wi-tl -rnati- seine dynamischen Reaktionen infolge einer gegebe-

{ZUJ

nen Erdbebenbeanspruchung zuverlässig/ermitteln.

31.2.1 DAS

K) -

Die heute gebräuchlichen, in den gesetzlichen Baunormen vorgeschlagenen Berechnungsmethoden mit Hilfe von stark vereinfachten Finite-Element-Modellen vermögen aber den Bedürfnissen des integralen Erdbebenschutzes nicht zu genügen. Die spektrale Analyse mit Hilfe der üblichen Mittelwertspektren ergibt Resultate mit einer möglichen Fehlerspanne von mehreren 100 %, während die Kosten einer modalen oder linearen inkrementalen Analyse an den Rohbaukosten des Gebäudes gemessen werden müssen. Dabei ist im Auge zu behalten, dass zum integralen Erdbebenschutz prinzipiell jene exponierten Elemente des Tragwerks aufgefunden werden müssen, deren Versagen einleitende Ursache zum Systemkollaps werden kann. - Wie lässt sich der integrale Erdbebenschutz in der Praxis aber tatsächlich nachweisen?

Auch in der Technik der Lastfalldefinition besteht eine wichtige Lücke: Es gibt keine direkte mathematische Beziehung zwischen den seismologischen Erdbeben-StärV.?- angaben mittels geschätzter Intensitäten oder gemessener Magnituden und ingenieurmässig verwendeten Grossen wie der maximalen Beschleunigung eines Signals. - Wie soll dann aber der Bezug zwischen Erdbeben-Risikokarten und gesetz-

lichen LastEall-Vorschriften hergestellt werden?

Die Kritik bezieht sich somit auf die Tatsache,

dass im baulichen Erdbebenschutz mit einem

unzulänglich bekannten Lastfall und mit Berechnungsmethoden gearbeitet wird, welche die wirklichen Verhältnisse in unzulässiger Weise vereinfachen;

dass die üblichen Finite-Element-Modelle

für eine präzise Untersuchung von Gebäuden zuwenig detailliert werden können bzw, bei grosser Auflösung in der Anwendung zu teuer sind (mangelnde Wirtschaftlichkeit bzw. ungenügende Präzision der Resultate);

der

dass die Materialgesetze v4^s-leT- Baumateria unter
lien (ζ. Β. Stahlbeton)

Erdbebenanregung zuw^enig bekannt sind.

Damit muss die durch Konvention normgemäss errechnete Erdbebenbeansprucliung der Gebäude als unzuverlässige Schätzung betrachtet werden, die in der Praxis um ein Viel-

4, · «4

faches übertroffen werden kann.

Mit diesen Feststellungen im Einklang steht der beschränkte Erdbeben-Schutzauftrag, der den bekannten Erdbebennormen zugrundegelegt wird. Dieser verlangt,

dass die Gebäude den am Bauplatz regelmässig { schwachen )

wiederkehrenden!Erdbeben möglichst schadenarm standhalten, und

dass bei Auftreten von intensiven bzw.

extremalen Erdbebenerschütterungen der Schutz des menschlichen Lebens dem Gebäudoschutz vorgeht.

Der Grund, weshalb der Schutzauftrag bisher in solcher Weise reduziert wurde, lag nicht nur daran, dass es unwirtschaftlich war, für alle Bauten hochseismischer Regionen konsequentere bauliche Schutzmassnahmen zu fordern. Es bestand vor allem bis heute in der Praxis keine Möglichkeit, den integralen Erdbebenschutz technisch zu verwirklichen bzw. rechnerisch nachzuweisen. Dazu müsste der rechnerische Nachweis so geführt werden, dass jene exponierten Struktur-

3 12.1 O Ä 5

elemente tatsächlich aufgefunden werden könnten, deren Versagen einleitende Ursache zum Systemkollaps sind. Schliesslich bestand eine erhebliche Rechtsunsicherheit in der Bestimmung des Lastfalls, wofür die Wissenschaft bisher keine anerkannten ingenieurmässigen Definitionsgrundlagen bereitgestellt hat.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die erwähnten Nachteile zu beseitigen und den integralen Erdbeben-

. _ fund aehnlichen Koerpern; ·,-,.·, „ ,,. schutz von Bauwerken!praktisch zu verwirklichen. Durch die nachstehend vorgeschlagenen technischen Massnahmen sollen die stärksten Erschütterungen, die am Bauplatz bis heute gemessen wurden bzw. aus vorher definierten oder bekannten Ursachen dort zu erwarten sind, wiederholt und schadlos aufgenommen werden können. Die technischen Massnahmen sollen solcherart sein, dass der erzielbare integrale Schutz durch Rechnung oder Experiment in einfacher Weise, zuverlässig und wirtschaftlich nachgewiesen werden kann.

In einem erweiterten Rahmen der Erfindungsaufgabe

Koerpern

soll auch der Schutz von-Bfttwer-k-ert gegen Erschütterungen allgemeiner Natur bewirkt werden. Neben den natürlichen

Erdbeben kommen künstliche Erdbeben infolge von nuklearen oder konventionellen Bombenexplosionen sowie Sprengungen, Flugzeugabstürzen, Einschläge von Geschossen und anderen stossartigen Einwirkungen in Frage. Neben Gebäuden, Unterständen, Energieanlagen, Militäranlagen sollen auch grosso Maschinen und Isolatorenstationen geschützt werden können. Nicht nur der eigentliche Baugrund freistehender Gebäude, auch ein Kavernenfels, ein Maschinenchassis oder ein Gebäudeteil selber als Trüger gefährdeter Geräte können die Rolle des erschütterten Mediums übernehmen. Selbstverständlich erhebt die vorstehende Aufzählung keinen Ansprttch auf Vollständigkeit. Als gefährdendes Ereignis wird z. B. auch ein Flugzeugabsturz auf ein Reaktorgebäude, worin sich eine grosse Maschine befindet, angesehen.

Bei einem räumlich schwimmend gelagerten Körper der eingangs erwähnten Gattung erfolgt die Lösung der gestellten Aufgaben erfindungsgemäss so, dass zwischen der höchsten der als Grundfrequenzen bezeichneten sechs tiefsten. Systemeigenfrequenzen des aus dem Körper (D) und den Isolatoren (C) bestehenden Schwingungselementes und der tiefsten der als Oberfrequenzen bezeichneten höheren Systemeigen-

frequenzen ein als Eigenfrequenzloch bezeichneter Bereich vorhanden ist, in welchem das Schwingungselement' keine Ki ijeriFroqiionzen aufweist:, wobei, das Higenfrrequenzloch im Resonanzbereich des ruassgebenden Bemessungs-Reaktionsspek-

(qefaehrdenden )
trums der/hrschütterung liegen soll.

Ist der Körper ein Gebäude, wird seine räumlich schwimmende Lagerung mittels horizontal und vertikal hochelastischer Dämpfungselemente (mechanische Isolatoren) erreicht, die durch Trennung des Oberbaus von seiner Fundation zwischen die beiden Gebäudeteile eingefügt werden. Die sechs Grundfrequenzen des Schwingungselementes können bei entsprechender Massenverteilung des Oberbaus und der Steifigkeitsverteilung der Isolatoren in eine Zone verlegt werden, welche unterhalb ά&τ—Freq-cteirz- des Resonanzbereichs des

Bemessungs-Reaktionsspektrums der Erschütterung liegen» und alle Oberfrequenzen des Schwingungselements in eine Zone, die oberhalb des Resonanzbereichs liegt.

Der Oberbau erhält eine räumlich steife

Ausbildung. Dazu wird er schachtel- oder wabenartig

ausgestaltet, wobei die Aussenmauern durchgehend und mittragend konstruiert sind. ,So wird eine erdbebengerechte Konzeption des Bauwerkes/erreicht, die als solche in den Erdbebennormen auch für/ungeschützte Bauwerke gefordert

• Damit soll er in die Lage versetzt werden, die beliebig gerichteten dynamischen Kraefte voll aufzunehmen und weiterzuleiten.

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wird. Diese Massnahme führt zum Ansteigen der Oberfrequenzen des Bauwerkes über den oberen Grenzwert des .spektraler Resonanzbereichs» falls es gleichzeitig hochelastisch gelagert ist.

Die steif im Baugrund verhaftete Fundation bildet mit diesem eine starre Einheit, wobei die Fundation als durchgehende Platte, als Trog oder als speziell ausgelegtes Zwischengeschoss ausgebildet sein kann. Die vertikale Steifigkeit des Baugrundes sollte mindestens sechs- bis neunmal grosser sein als die vertikale Isolatorensteifigkeit, damit der Einfluss der Bodennachgiebigkeit auf das Rechenverfahren beim Schutznachweis vernachlässigt werden kann.

Als Folge dieser Konzeption des Bauwerkes und der Isolatoren bildet sich ein Eigenfrequenzloch des Bauwerkes im Resonanzbereich des Reaktionsspektrums typischer Starkbeben aus.

Durch geeignete Bemessung der einzelnen Elemente im Rahmen dieser BtHr-ek-d-i-e- erfindungsgemässen Massnahmen hält das Bauwerk den grössten am Bauplatz gemessenen oder zu erwartenden Starkbeben schadlos stand. Es ist integral gegen Erdbeben geschützt. Damit ist die Fähigkeit des geschützter.

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Gebäudebereichs gemeint, wiederholt extremale Erdbebenerschüttcrungen ohne elasto-plastische Deformationen, d. h. Zerstörungen, des Tragwerks zu überstehen.

Nachstehend werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch ein Bauwerk, welches auf erdbebengefährdetem Baugrund steht,

Fig. 2 ein Fourier-Amplitudenspektrum einer Erdbebenerschütterung,

Fig. 3 schematisch einen mechanischen Isolator,

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen isolierten Unterstand in einer Kaverne und

Fig. 5 eine perspektivische, auseinandergezogene Dar-

ides Modells zuj

Stellung/einem Standardgebäudes für den rechnerischen und experimentellen Nachweis des integralen Erdbebenschutzes.

- V6 -

Das in der Figur 1 dargestellte, gefährdete Bauwerk. D ist über den elastischen Auflagerbereich C mit der Fundation B und der Umgebung, z. B. dem Baugrund A, verbunden. Mit P.. und P„ sind die Bezugspunkte einer messbaren Erschütterungswelle E bezeichnet, z. B. ein Erdbeben, ausgedrückt im Zeitbereich T als räumliche Translations- und Rotationsbeschleunigung [DE(T)].

Als Erschütterungen sollen hier beliebige räumliche, dynamische Bewegungen im umgebenden Medium A verstanden werden, die sich auf den Auflagerbereich C des Bauwerkes D übertragen. Sie können stossweise oder als periodische bzw. pseudoperiodische Schwingungen ablaufen.

Als "intensive oder extremale Erschütterungen¹¹ sind

solche dynamischen Bewegungen de» Auflagers C zu betrachten,

Koerpers welche die mechanische Integrität des B-auweT&es D bedrohen oder seinen normalen Gebrauch in unzulässiger Weise behindern bzw. gänzlich verunmöglichen, solange keine spezifischen Schutzmassnahmen getroffen worden sind.

Die Erschütterungen können als Zeit- oder Fre-

quenzfunktionen deterministisch oder in Form von Bemessungs-Spektralformen probabilistisch definiert werden. Der spezifische Charakter der Erschütterungen wird als Fourier-Amplituden- und -Phasen-Spektrum oder als sog. Reaktions-Spektralform beschrieben. Die massgeblichen Grossen sind
der Frequenz inhalt des Signals, d. h. die spektrale Vertei- ^ lung der Amplituden als Funktion der Frequenz_sund die maximale Beschleunigung des Signals zu Kalibrierzwecken.

Das in der Figur 2 schematisch dargestellte Erdbeben-Reaktionsspektrum gilt als typische Form eines seismischen Bemessungsspektrums, wobei die möglichen Grundfrequenzen und die tiefsten

Koerper
Oberfrequenzen des vorgeschlagenen, aus dem -Battwerk- D und

der Isolatoren

tl-eir-e-L-ft-s-fei-irehe+i--AH-i^:-l-iirge-tMi C bestehenden Schwingungskörpers

eingezeichnet sind. Ein solches Bemessungs-Reaktionsspektrum "***"' wird aus einer oder mehreren geeignet geeichten Zeit-

funktionen berechnet. Mit Hilfe eines art—sieh bekannten
Rechenverfahrens wird die maximale Bewegungsreaktion eines einfachen, (un)gedämpften Schwingers auf die gewählte Erregung ermittelt und in Abhängigkeit der Eigenfrequenz des
Schwingers graphisch aufgetragen. Für typische Erdbeben-Bodenerschütterungen besitzt es ein zentrales Frequenzband

mit grossen Amplituden. Dieses Band wird als Resonanzbereich des Reaktions spektrums bezeichnet.

In der Figur 2 bezeichnet F die Frequenz und Sa die Reaktions-Spektralform der Erschütterung im Beschleuni-

TTl 1 Ύ

gungsbereich. Sa ^c' ist der Scheitel oder Maximalwert der Spektralbeschleunigung im Resonanzbereich, und Sa ist sein Referenz- oder Grenzwert, wobei die entsprechenden Grenzfrequenzen des Resonanzbereichs mit F und F„ bezeichnet sind.

Die obere und untere Beschränkung der ganzen spektralen Frequenzbandbreite F ergibt sich aus dem spezifischen Charakter der Erschütterungen, gegen welche die vorgeschlagenen technischen Massnahmen eingesetzt werden. Der Resonanzbereich, der die anregungsgefährdeten Gebäudefrequenzen beschreibt, wird aus dem Amplitudenspektrum als jene zentrale Zone II ausgeschieden, deren Spektralbeschleunigung den Grenzwert Sa überschreitet. Dieser Grenzv/ert Sa kann als Funktion des Maximalwertes Sa * ausgedrückt werden, z. B. Sa = 0,8 χ Sa^max. Unterhalb der Resonanzzone II befindet sich die Zone I für die tieferen, ungefährli-

• m

cheren Grundfrequenzen und oberhalb befindet sich die Zone III für die Oberfreuquenzen.

Die fundamentalen Eigenfrequenzen der meisten Gebäude fallen durchwegs in die Zone II des schmatisierten Erdbeben-Fourier-Amplitudenspektrums. Der entsprechende Be-

der
reich -d-i-es-e-Tr Resonanzzone für feste Böden liegt zwischen 1,6 Hz bis 6,0 Hz (Erfahrungswerte). Daraus ergeben sich folgende Zonenbreiten:

Zone I: < 1,6 Hz

Zone II: zwischen 1,6 Hz und 6,0 Hz Zone III: > 6,0 Hz

Zu beachten ist, dass sich Aussagen über Eigenfrequenzen des Bauwerks auf den gesamten Schwingungskörper, gebildet aus dem Oberbau D und die ihn umgebenden Isolatoren C (Fig. 1), und nicht auf einzelne Teilbereiche des Oberbaus beziehen.

Die Art der Erschütterungsgefährdung von ungeschützten Bauwerken, die durch die vorgeschlagenen techni-

sehen Massnahmen geschützt werden sollen, wird wie folgt abgegrenzt:

a) Kollapsgefahr für Bauwerke konventioneller Bauweise mit anregbaren Eigenfrequenzen in der Zone I. Die Anregung der Fundation B kann in der tragenden Struktur des Bauwerkes D unzulässig grosse Deformationen bewirken. Das führt an exponierten tragenden Elementen zu Zerstörungen: Bedrohung der mechanischen Integrität (Einsturz bzw. Unbrauchbarwerden) von Teilbereichen oder der Gesamtstruktur.

b) Resonanzgefahr für Bauwerke konventioneller Bauweise mit anregbaren Eigenfrequenzen in der Zone II bzw.

fuer Geräte im Innern des Bauwerkes D. Die Resonanzanregung des Bauwerkes hat eine Ueberbeanspruchung der betroffenen Elemente zur Folge: Schaden an Teilbereichen, an der Gesamtstruktur oder an Gegenständen im Innern des Bauwerkes.

c) Sprödbruchgefahr für Bauwerke konventioneller Bauweise mit anregbaren Eigenfrequenzen in der Zone III. Die Erschütterungen des Bodens besitzen einen Frequenzin-

SM

2« -

halt, der am Bauwerk stossartige Beanspruchungszustände auslöst: Sprödbruch-Zerstörungen. Die Sprödbruch-Zerstörungen setzen ein sprödes Reaktionsverhalten der beanspruchten Materialien im angeregten Frequenzband voraus.

d) Gefahr der Ueberbeanspruchung infolge differenzieller Auflagerbewegungen. Der Durchgang einer Erschütterungswelle von P nach P₂ (Fig. 1) kann bei Bauwerken D mit erheblichen Aussenabmessungen zu unzulässig grossen differenziellen Auflagerverschiebungen führen: Schaden durch Tendenz des Bauwerkes, sich lokal von den Auflagern abzuheben.

Schäden aus Beanspruchskombinationen der erwähnten Beanspruchsfalle a) bis d) sind eingeschlossen; viele der ungeschützten Bauwerke besitzen typischerweise anregbare Eigenfrequenzen in den Zonen II und III.

Die vorgeschlagenen technischen Massnahmen zur Erzielung des integralen Erdbebenschutzes sowie der Möglichkeit des einfachen rechnerischen Nachweises dieses Schutzes werden zum einfachen Verständnis am Beispiel eines Gebäudes

unter extremaler Erdbebeneinwirkungen erläutert. Sie können in direkter Weise auF die verwandten Anwehdungsfälle übertragen werden.

Der zu schützende Oberbau D des Gebäudes ist über Isolatoren C auf der Fundation B abgestützt, die ihrerseits fest im Baugrund A verhaftet ist (Fig. 1). Die schematisierte Bodenbewegung ist mit E bezeichnet.

Der geschützte Oberbau D umfasst in der Regel alle Gebäudeteile, die nicht im Erdreich fest eingebunden sind. Der Oberbau D kann sich direkt auf der Fundation abstützen oder auf den im Erdreich eingebundenen Untergeschossen aufliegen, die in diesem Fall als Zusatzfundation wirken.

B-i-e- mechanische». Isolatoren C besitzen eine Doppelfunktion, da sie einerseits das Schwingungsverhalten eines elastischen Systems kontrollieren fltü-ss-ett und andererseits eine Dämpfungswirkung ausüben. Deingemäss weist der schematisch dargestellte Isolator gemäss Fig. 3 ein Dümpfungselement C.2 und ein Federelement C.1 auf. Bei einer mög-

«au

werden liehen technischen Ausbildung eines Isolators s-i-rtet eine

(zwi schenii egenden j Kopfplatte und eine Grundplatte mit]Naturkautschuk-Platten in solcher Weise verklebt, dass der Isolator mit dem Oberbau bzw. der Fundation fest verbunden werden kann. Die Naturkautschuk-Platten werden ihrerseits nach einer speziellen FabrLkationsweise untereinander verklebt, um extremale Druck-, Zug- und Schubdeformationen aufnehmen zu können. Die Konzeption der Isolatoren ist so ausgeführt, dass sie in allen Richtungen hochelastisch sind.

Naturkautschuk-Stützkörper werden bevorzugt, da sie

(wesentlich./
gegenüber Stahlfedern/bessere DämpEungswerte erreichen und

den Elastizitätsanforderungen bei genügender Alterungsbe-

.. ,. . . . , _n . ^ , Vertikal wirkende Stahlfedern sind standigkeit m der Regel entsprechen.

nach dem aktuellen Stand der Technik nicht geeignet zur Extremalbebensicherung, d

Isolatoren müssen in der Ruhelage des Systems die statischen überbaukräL'te aufnehmen und sie in die Fundation einleiten. Ihre geometrischen Positionen und individuellen Steifigkeiten werden deshalb grundsätzlich von der Massenverteilung im Oberbau diktiert und lassen sich ohne aufwendige technische Massnahmen nicht beeinflussen; d. h. dass vertikale Lasten auf Fundationshöhe in der Regel dort aufgenommen werden müssen, wo sie auftreten, wobei folgende Ausbil-

ORIGINAtJNSPECTED ^C0PY

dungsformen denkbar sind: Isolatorenteppich aus lauter ider.· tischen Elementen; Isolatorenteppich mit individuell angepassten Elementen; terrassenförmige Anordnung; freie Positionierung.

Bei der Fundation können folgende Varianten auftreten: klassische Fundation mit Zusatzelementen zur Aufnahme des Erdbeben-Schutzsystems (Fundation liegt dem Baugrund direkt auf); Zwischengeschoss, das Untergeschosse von Obergeschossen trennt und die Zusätzelemontc des Erdbeben-Schutzsystems beherbergt.

Die Ausbildung der Fundation hat, unabhängig vor der gewählten Variante, folgenden Anforderungen zu genügen: Konzeption "als Auflagerbereich mit grosser Steifigkeit in allen Richtungen; Verhinderung von unkontrollierten Relativbewegungen zwischen den Auflagerpunkten; Schutz der Isolatoren gegen schädliche Umwelteinflüsse; leichte Zugänglichkeit zur Isolatoren-Kontrolle, -Wartung und -Ersatz; einwandfreie Aufnahme der klassischen Lastfälle (Eigengewicht, Nutzlast, Wind und Schnee).

ORIGINAL INSFEOTfO _COpY

Als weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 4 ein Unterstand D gezeigt, der über Isolatoren C an den Wänden einer Kaverne abgestützt ist.

Es ist nun rechnerisch nachget^iesen worden, dass, um räumlich schwimmend gelagerte Gebäude integral gegen Erdbeben zu sichern, folgende drei technische Massnahmen zu

treffen sind:

um eine genuegende Isolations-

\wirkung zu erzielen. f

Die sechs Grundffrequenzen 1 - 6 das Systems müssen in die Zone I (Fig. 2) verlegt werden. Das geschieht mit Hilfe der mechanischen Isolatoren, die in allen Richtungen (auch vertikal) hochelastisch sind. Die beiden tief-

nicht mehr als etwa 4θ\% sten Grundfrequenzen 1, 2 sollen ca-.-TTin~frritrtrrl de^ unteren G rein: frequenz F des Resonanzbe re Lches betragen

darf hingegen ■dao?Hfirfre¥"H-eg-ert, w-ith-re-ftd-.uie oberste Grundfrequenz 6 -be-i

bis knapp unter die Grenzfrequenz F₁

Der Oberbau des Gebäu

um die statischen Kraefte in der ansteigen etarfr, Ruheposition einwandfrei auf die

Fundation zu uebertragen.- : doo-

es muss so steif aus-

gelegt werden, dass die Oberfrequenzen 7 - °° des isolierten Systems alle in die Zone IIΓ zu liegen kommen. Dazu wird

-ORIGINAL INSPECTED COPY

3 121 (K

ein sog. schachtel- bzw. wabenartiger Aufbau des Oberbaus gewählt: Die Aussenmauern des Gebäudes werden mittragend ausgebildet, sie sind durchgehend, massiv und nur beschränkt mit Oeffnungen durchsetzt. Ihre Verbundwirkung unter sich und mit den Decken, Innenmauern und Säulen ist durch an sich bekannte konstruktive Massnahmen sicherzustellen. Relativbewegungen an Knotenpunkten, Elementbegrenzungen und Bauabschnitten müssen dank geeigneter Ausbildung ausgeschlossen werden können. Eine wabenfrörmige Ausbildung entsteht, wenn die Decken und die tragenden Innenwände zur inneren Aussteifung der Schachtel miteinbezogen werden.

Die Fundation muss mit dem Baugrund ein

steifes Ganzes bilden. Dazu ist ein fester Baugrund zu wählen, z. B. Fels, Festgestein oder geeignete konsolidierte Alluvionen, dessen vertikale Steifigkeit mindestens sechsbis neunmal grosser ist als die Isolatorensteifigkeit. Die Fundation selbst ist im allgemeinen als durchgehende Platte oder als Trog auszubilden. Dadurch lassen sich Relativbewegungen zwischen den Auflagerpunkten auf vernachlässigbare Grossen reduzieren, und der Einfluss der Bodenelastizität wird für den Rechengang vernachlässigbar.

ORIGINAL INSPECTED

Diese vorgeschlagenen technischen Massnahmen haben folgende Auswirkungen:

Im Resonanzbereich der Bemessungs-Spektralform (Zone II, Fig. 2) bildet sich eine Zone ohne Eigenfrequenzen des Systems aus: Eigenfrequenzloch im Resonanzbereich des Erregerspektrums.

Da die fundamentalen System-Eigenfrequenzen

alle sehr tief liegen, werden auf den Oberbau nur noch stark abgeminderte, höherfrequente Anteile der Bodenerregung E übertragen. Damit ist die Sprödbruchgefahr im Oberbau gebannt.

Dank der starren Ausbildung und der hohen Isolation besteht für den Oberbau keine Kollapsgefahr mehr.

Allfällige differenzielle Auflagerverschiebungen beim Durchgang einer Wellenbewegung werden "an der Quelle" erfasst (Relativbewegung zwischen den hochelastischen Isolatoren), wodurch die Gefahr einer Ueberbeanspruchung im Oberbau stark herabgemindert wird.

Für das mathematische Modell entstehen zusätzlich erhebliche Vereinfachungen:

Der Oberbau darf zu rechnerischen Zwecken auch im definitiven Hauptrechengang der Erschütterungsanalyse wie ein starrer Körper behandelt werden. Er besitzt damit nurmehr die sechs Freiheitsgrade des starren Körpers im Raum. Die Qualität der Resultate gegenüber der "exakten Lösung" wird dadurch in der Praxis nicht beeinträchtigt.

Der Einfluss der Baugrundelastizität kann zu rechnerischen Zwecken vernachlässigt werden, falls die unbelasteten sog. "Free-Field-Eigenfrequenzen" des Bodens mindestens zweieinhalb- bis dreimal so hoch sind wie die höchste Grundfrequenz des schwimmend gelagerten Gebäudes. In diesem Fall ist also die Berücksichtigung der Interaktion Gebäude/Baugrund nicht mehr nötig.

Der Einfluss der Oberfrequenzen Cab 7. Systemfrequenz) auf die Erschütterungsbeanspruchung des

geschützten Gebäudebereichs darf zu rechnerischen Zxiecken vernachlässigt werden.

Resonanzprobleme im geschützten Gebäudebereich können dank seiner steifen Ausbildung lokal behandelt werden. Eine Interaktion zwischen lokal resonanzgefährdeten Teilen und dem geschützten Gebäudebereich entfällt dank seiner steifen Ausbildung.

Die praktische Realisierbarkeit des Sicherheitsnachweises gegen extremale Erschütterungen ist mit ein Bestandteil der Aufgabenstellung für den integralen Erschütterungsschutz. Das nachfolgende Verfahren wird als geeignet erachtet, diesen Nachweis bei extremaler Erdbebenbeanspruchung zu erbringen. Es beruht darauf, dass extremale Erdbeben sich durch geeignete Definition des Lastfalls von den in einer hochseismischen Region regelmässig auftretenden Standardbeben nach Stärke und Charakter unterscheiden lassen. Die Definitionsweise des Lastfalls kann in geeigneter Weise auf andere dynamische ßeanspruchungszustände übertragen werden. Der SicherheLtsnachweis wird in folgenden Etappen durchgeführt:

- yz. -

1. Etappe Definition der Lastfälle Extremal- und

Standardbeben, gültig für den Bauplatz

2. Etappe Nachweis der Erdbebensicherheit des Ge

bäudes ohne Erdbeben-Schutzsystem gegen den Lastfall Standardbeben gemäss den Vorschriften der Erdbebennormen der betroffenen Region unter Annahme einer Beschränkung auf normgemäss elastische Deformationen

3. Etappe Aufsuchen der ungünstigsten Einfallsrichtungen durch Rotation der dreidimensionalen Bemessungsbeben um die Fundation zur Be-/■""· Stimmung der extremalen Reaktionen -

repetitive spektrale oder modale Berechnung unter Extremalbeben

- as -

4. Etappe Untersuchung des Verhaltens der extremalen

Bewegungs- und Kräftegrössen bei systematischer Variation der Massen- und Steifigkeitsverte.Llung am Gebäude mit Erdbeben-Schutzsystem - Parameteranalyse durch repetitive spektrale Berechnung in den ungünstigsten Einfallsrichtungen

5. Etappe Bestimmung der extremalen Bewegungs- und

Kräftegrössen des Gesamtsystems und von Systembereichen am Gebäude mit Erdbeben-Schutzsystem - modale oder inkrementale Berechnung mit extremalen Bemessungsbeben in den ungünstigsten Einfallsrichtungen

6. Etappe

Eingliederung der extremalen Erdbebenreaktionen in die statische Berechnung und die

312104

Tragwerksbemessung - eigentlicher Sicherheitsnachweis

7. Etappe Untersuchung der lokalen Resonanzgefahr Berechnung mit Finite-Element-Modcl l.en für Gebäudc-Teilbcreiche und den ermittelten kinematischen Reaktionen (5. Etappe) als Input-Funktionen

Für die Etappen 4 bis 6 muss das Tragwerk als räumlich definiertes mathematisches Modell eingeführt werden. Die strukturelle Auflösung soll soweit ins Detail gehen, dass es die Analyse erlaubt, jene exponierten Elemente tatsächlich aufzufinden, die als erste elasto-plastische Deformationen erleiden.

Um den rechnerisch erbrachten Sicherheitsnachwei? experimentell zu bestätigen, wurde das Modell eines Standardgebäudes erstellt und einer Erschütterung ausgesetzt, welche den bewegungsintensivsten Beben entspricht, die derzeit bekannt sind.

Das in der Figur 5 in auseinandergezogener Darstellung gezeigte Standardgebäude besitzt einen klaren,

übersichtlichen Aufbau mit statisch und dynamisch klar erfassbarer Konzeption. Der Grundriss ist punktsymmetrisch, und die Ausbildung ist monolithisch, kompakt und schachtelartig, so dass eine kräftige, starre Konstruktion gewährleistet ist. Der Oberbau ist wieder mit D bezeichnet, die Isolatoren mit C und die Fundation mit B. Die Geschossdecken D.1, das Dach D.2. der Kern D.3 mit dem Treppenhaus, die Innen- und Aussenwände D.4 und die Stützen D.5 tragen zur inneren Aussteifung des Gebäudes bei.

Dieses Standardgebäude kann als repräsentativer Vertreter eines "Turmhochhauses" gelten.

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' Am Beispiel dieses achtgeschossigen Gebaeudes konnte rechnerisch und experi-* mentell einwandfrei nachgewiesen werden, dass der integrale bauliche Erdbebenschutz gegen die groessten heute bekannten Starkbeben in der Praxis erzielt werden kann. Dank der vorgeschlagenen technischen Massnahmen bildet sich im Resonanzbereicn des ErdbebenbemessungsSpektrums das erfindungsgemässe Eigenfisguenzlocli aus.

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Claims (9)

1. PATENTANSPRÜCHE

   ^gp Hiirrh 1 ^integral/

   vor* Bodenerschütterungen/'geSCnützter, räumlich schwimmend gelagerter Körper, welcher über mechanische Isolatoren, die in allen Richtungen elastisch ausgebildet sind, mit einer steif mit dem Untergrund verhafteten Basis verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der höchsten (6) der als Grundfrequenzen bezeichneten sechs tiefsten Systemeigenfrequenzen (1 - 6) des aus dem Körper (D) und den Isolatoren (C) bestehenden Schwingungselementes und der tiefsten (7) der als Oberfrequenzen bezeichneten höheren Systemeigenfrequenzen (7, 8 ...) ein als Eigenfrequenzloch bezeichneter Bereich vorhanden ist, in welchem das Schwingungselement keine Eigenfrequenzen aufweist, wobei das Eigenfrequenzloch im Resonanzbereich des massgebenden Bemessungs-Reaktionsspektrums der Erschütterung/liegen soll.
2. 2. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden tiefsten Grundfrequenzen (1 und 2) nicht
   mehr als 40 % der höchsten Grundfrequenz (6) betragen.
3. 3. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

   ■wesentlich/
   die höchste Grundfrequenz (6) 1,6 Hz nicht/übersteigt

   **y iwössntl ich /

   und die tiefste Oberfrequenz (7) 6.0 Hz nichtJunter-

   schreitet.
4. 4. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er schachtel-x-e-de-ir-wft&eftartig ausgebildet ist, wobei die Aussenwände durchgehend und mittragend gestaltet sind.
5. 5. Körper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die im Innern mittragenden Elemente zu seiner Aussteifung verwendet werden.» was zu einem wabenartigen Innenaufbau beitraegt.
6. 6. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis (B) als durchgehende Platte oder als
   Trog ausgebildet ist.
7. 7. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein steifer Untergrund vorliegt.
8. 8. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikale Steifigkeit der Isolatoren mindestens sechsmal kleiner ist als die vertikale Steifigkeit des Untergrunds und die vertikale Steifigkeit des Körpers selbst.
9. 9. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Bauwerk, eine Maschine oder eine Isolatorenstation ist.