DE3611809A1 - Einrichtung zur erdbebensicherung von bauwerken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erdbebensicherung von Bauwerken.

Es gibt verschiedene Ansätze, Bauwerke erdbebensicher zu gestalten. Man kann beispielsweise die Gebäudekonstruktion so steif auslegen, daß sie im Erdbebenfall aller Voraussicht nach im linearen Verformungsbereich bleibt. Damit geht aber ein erheblicher, ökonomisch in der Regel nicht zu rechtfer­ tigender Bauaufwand einher. Auch muß eine Annahme über die maximal zu erwartende Erdbebenbelastung getroffen werden, womit beträchtliche Unsicherheiten verbunden sind. Noch so hohe bauliche Sicherheitsfaktoren können sich daher im Einzel­ fall einmal als ungenügend erweisen.

Alternativ besteht die Möglichkeit, Energiedissipationszonen in ein Bauwerk einzubauen. Diese sollen die während eines Erdbebens in das Bauwerk eingetragene Energie durch bewußt in Kauf genommene Zerstörung aufnehmen, wobei insbesondere zu fordern ist, daß der Gebäudedeckenabstand erhalten bleibt. Auch hier ist man aber mit Unsicherheiten hinsichtlich der maximal zu erwartenden Erdbebeneinwirkung konfrontiert. Weiter ist nachteilig, daß bei einem Erdbeben schwere, nicht selten irreparable Schäden an dem Bauwerk auftreten.

Ein weiterer Vorschlag nach dem Stand der Technik geht dahin, zwischen dem Fundament und dem Oberbau des Bauwerks schwin­ gungsisolierende Auflager vorzusehen. Man geht hier von der Feststellung aus, daß die bei einem Erdbeben stochastisch zweidimensional auftretenden, im wesentlichen horizontalen Bodenbewegungen für ein Bauwerk besonders gefährlich sind, da es normalerweise nicht auf hohe Schubbelastungen ausgelegt ist. Vertikale Bodenbewegungen, die bei einem Erdbeben auch auftreten, lassen sich hingegen wegen der Standardbelastung eines Bauwerks in Vertikalrichtung und der insofern üblicher­ weise vorgesehenen hohen Sicherheitsfaktoren relativ leicht beherrschen. Das Auflager soll also eine relative Gleitbewe­ gung von Fundament und Oberbau in Horizontalrichtung ermögli­ chen, wobei im Idealfall das Gebäude während eines Erdbebens aufgrund seiner Massenträgheit in Ruhe bleibt, während sich der Boden unter ihm bewegt.

Bekannte Auflager zur Schwingungsisolation von Bauwerken enthalten ein Federelement, beispielsweise in Gestalt eines Blocks aus elastomerem Material mit eingelegten horizontalen Stahlscheiben (EP-A 76 573) oder einer Schraubendruckfeder (DE-OS 30 47 762). Die Abfederung muß dabei so weich sein, daß das aus Gebäude und Federelement bestehende schwingungs­ fähige System eine Eigenfrequenz hat, die deutlich niedriger liegt als die niedrigste zu erwartende Anregungsfrequenz durch Erdstöße. Nur so ist gewährleistet, daß das Bauwerk bei einem Erdbeben im wesentlichen in Ruhe bleibt, und daß gefährliche Resonanzen vermieden werden. Die sehr weiche Abfederung in horizontaler Richtung ist aber angesichts der auch im Normalfall an einem Gebäude angreifenden Schubspan­ nungen insbesondere durch Windlast problematisch. Insbeson­ dere Böen können ein nur auf einer weichen Feder stehendes Gebäude in merkliche Schwingungen versetzen, was für Insas­ sen nicht tolerabel ist.

Es muß daher durch besondere Maßnahmen an den bekannten Aufla­ gern sichergestellt sein, daß sie durch Windlast an dem Bauwerk auftretende Schubspannungen im wesentlichen starr auf das Fundament übertragen. Bei der DE-OS 31 51 011 sind hierzu neben einem elastischen Auflager starre Stützen vorgesehen, die normalerweise den Oberbau des Gebäudes tragen und im Erdbebenfall zerstört werden. Man sucht so zugleich dem Pro­ blem der Materialermüdung zu begegnen, das bei allen ständig unter Last stehenden Federelementen auftritt.

Elastische Auflager erfordern weiter eine Dämpfung, damit die im Erdbebenfall eingetragene Verformungsenergie schnell und ohne große Relativbewegungen zwischen Fundament und Ober­ bau dissipiert wird. Auch verhindert die Dämpfung, daß das Gebäude in resonante Schwingung gerät. Als Dämpfungsglieder sind nach dem Stand der Technik hydraulische Stoßdämpfer, mit Viskoseflüssigkeit gefüllte Behälter (DE-OS 31 51 011) und mit einstellbarer Federkraft beaufschlagte Reib­ flächen (EP-A 76 573) bekannt.

Zusammenfassend, sind an ein zur Schwingungsisolation eines Bauwerks im Erdbebenfall dienendes Auflager folgende For­ derungen zu stellen:

• 1) Das Auflager muß die Last des Bauwerks auf Dauer ohne Materialermüdung und ohne wesentliche Formänderung auf das Fundament abtragen;
• 2) das Auflager muß sich unter insbesondere durch Windlast auf ein Gebäude einwirkenden üblichen Seitenkräften schub­ steif verhalten und die entsprechenden Schubspannungen zum Fundament hin ableiten;
• 3) das Auflager muß sich unter den durch Erdbebeneinwirkung auftretenden Belastungen schubweich verhalten, so daß sich zur seismischen Isolierung des Gebäudes eine Art hori­ zontal gleitende Lagerung ergibt;
• 4) das Auflager muß im Erdbebenfall eine starke Dämpfung haben, damit die bei seiner Verformung in das aus Bauwerk und Auflager bestehende mechanische System eingetragene Energie ohne große Bewegungen des Bauwerks dissipiert wird und resonante Schwingungen des Bauwerks vermieden werden.

Diese Forderungen werden bei den Auflagern nach dem Stand der Technik wenn überhaupt nur mit hohem Aufwand erfüllt. Die bekannten Kombinationen aus Federbein und Dämpfer sind im Aufbau komplizierte, materialkostenintensive Konstruktio­ nen. Ihre Auslegung, Montage und Abstimmung ist Arbeit für Spezialisten, und nicht zuletzt ist eine laufende Wartung der Auflager erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Erdbeben­ sicherung von Bauwerken mit einem zwischen dem Fundament und dem Oberbau des Bauwerks anzuordnenden und letzteres gegen im wesentlichen horizontal auftretende Erdbebenwirkungen isolierenden, konstruktiv unaufwendigen Auflager anzugeben, das sich unter Verwendung kostengünstiger, baustellenüblicher Materialien bei Einsatz weniger Fachkräfte installieren läßt, praktisch wartungsfrei ist und die gewünschten Eigenschaften einer stabilen Langzeittragfähigkeit, Schubsteifigkeit unter Windlast und Schubweichheit und hoher Dämpfung unter Erdbeben­ einwirkung im wesentlichen materialimmanent in sich vereinigt.

Ein zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagenes Auflager hat ein geschlossenes, unter Erdbebeneinwirkung bei in guter Näherung konstantem Volumen verformbares Gehäuse, das mit einer körnigen, mit Flüssigkeit gesättigten, unter Erdbe­ beneinwirkung verflüssigbaren Substanz gefüllt ist.

Die Erfindung bedient sich damit zur Erdbebensicherung von Bauwerken einer gezielten Verflüssigung von Material, auf dem das Bauwerk steht. Die insofern vergleichsweise heranzu­ ziehende Bodenverflüssigung ist ein in der Bautechnik bekann­ tes Phänomen, das Gebäude zum Absinken, und Tunnelbauten zum Aufschwimmen bringt und daher generell vermieden werden muß. Die Erfindung macht sich nun gerade die Änderung von Materialeigenschaften bei der Verflüssigung zu Nutze.

Zur Erläuterung des Prinzips kann man exemplarisch ein ab­ geschlossenes Gehäuse betrachten, das gänzlich von mit Was­ ser gesättigtem Sand angefüllt ist. Im nicht verflüssigten Zustand trägt der Sand eine darauf ruhende Last durch Rei­ bung an den Korngrenzen ab. Es herrscht ein Porenwasserdruck Null, und der Sand verhält sich schubsteif. Läßt man nun insbesondere wiederholt eine genügend hohe Schubkraft auf das System wirken, so erfährt der Sand unter der Normalkraft der Last eine Verdichtung, und es wird Porenwasser freige­ setzt. Bei Volumenkonstanz oder annähernder Volumenkonstanz des Gehäuses kann kein Wasserverlust eintreten, und der Porenwasserdruck steigt an. Sobald der Porenwasserdruck den Binnendruck in dem Gehäuse erreicht, tritt eine Ver­ flüssigung des Sands ein, der sich dann schubweich verhält. Die Last des Gehäuses wird weiter von der verflüssigten Substanz getragen, im wesentlichen also vom freigesetzen Porenwasser, das man in guter Näherung als inkompressibel betrachten kann.

Für das erfindungsgemäße, zur Erdbebensicherung von Bau­ werken dienende Auflager findet allgemein eine körnige, mit Flüssigkeit gesättigte Substanz Verwendung, die im Nor­ malfall nicht verflüssigt ist, und unter Erdbebeneinwir­ kung verflüssigt. Die Substanz ist körnig, damit eine zur Verflüssigung erforderliche Verdichtung möglich ist. Sie ist mit Flüssigkeit gesättigt, damit bei der Verdichtung quantitativ Flüssigkeit freigesetzt und nicht wieder vom Porenvolumen der Substanz aufgenommen wird. Die Substanz ist in einem soweit dichten und haltbaren Gehäuse enthalten, daß im Verflüssigungsfall kein nennenswerter Flüssigkeitsver­ lust eintritt, und daß die verflüssigte Substanz nicht ein­ fach seitlich weggedrückt wird, sondern unter Druckerhöhung eine tragende Funktion übernimmt. Das Gehäuse wird normaler­ weise ein abgeschlossener Behälter sein, doch kann es auch natürliche Wände haben, wenn der erforderliche Einschluß der verflüssigbaren Substanz gewährleistet ist. Das Gehäuse ist verformbar, damit es durch die Boden­ bewegungen eines Erdbebens deformiert werden kann, wobei es im linearen Verformungsbereich bleiben sollte, damit die Volumenkonstanz gewährleistet ist. Das Gehäuse ist mit der verflüssigbaren Substanz gefüllt, damit die bei Erdbeben­ einwirkung auftretenden, das Gehäuse verformenden Schubkräfte voll auf die verflüssigbare Substanz weitergegeben werden, und damit nach erfolgter Verflüssigung die inkompressible Flüssigkeit, und nicht etwa ein Luftpolster, die Last des Gebäudes ohne nennenswerte Volumenveränderung des Auflagers übernimmt.

Das erfindungsgemäße Auflager läßt sich in unaufwendiger, baustellenüblicher Technik unter Einsatz von baustellen­ üblichen Materialien erstellen. Eine Anpassung an bauliche und örtliche Gegebenheiten, insbesondere im Hinblick auf die zu erwartende Erdbebeneinflüsse, ist durch Wahl einer geeigneten Zusammensetzung der körnigen Substanz möglich. Justierarbeiten entfallen. Es tritt auch über sehr lange Standzeiten keine Materialermüdung ein, und das System ist praktisch wartungsfrei. Im Erdbebenfall bleibt das Gebäude in seiner Gesamtheit intakt, und es besteht sogar die Mög­ lichkeit, das Auflagern ohne kompletten Austausch wieder in seine Bereitstellung zu versetzen, indem man Flüssig­ keit abläßt und die körnige Substanz wieder in ihren nicht­ verflüssigten Normalzustand versetzt.

Für die Erfindung kommen aus einer oder mehreren Komponenten bestehende körnige mineralische Substanzen natürlichen oder künstlichen Ursprungs in Betracht. In erster Linie ist an Sand zu denken, und zwar sowohl Natursand, als auch Brech­ sand, vorzugsweise Sand mit einer definierten Sieblinie. Ein weiteres mögliches Material ist gemahlener Natur- oder Kunststein, wobei in letzterem Fall insbesondere an hydrau­ lisch gebundene Phasen beispielsweise mit Zement oder Gips als Bindemittel zu denken ist. Die verwendete Substanz kann aber auch lehmig sein oder einen lehmigen Anteil haben, wobei insbesondere Schluff, Mergel und Ton in Betracht kommt. Weitere mögliche Materialien sind feinkörnige Schlacke, Keramik und Glas.

Die die körnige Substanz sättigende Flüssigkeit ist vor­ zugsweise Wasser, für das ein klarer Kostenvorteil spricht. Wasser steht auf der Baustelle und am fertigen Bauwerk ohne weiteres zur Verfügung. Ein im Lauf der Zeit am Auflager möglicherweise auftretender Flüssigkeitsverlust kann so leicht ausgeglichen werden, insbesondere mit Leitungswasser, gegebenenfalls aber auch mit Abwasser. Bei einem Auflager, das unterhalb des Grundwasserspiegels eingebaut wird, muß nicht absolute Wasserdichtigkeit des Gehäuses gewährleistet sein; vielmehr kann man beispielsweise durch Mikroporösität des Gehäuses einen gewissen Wasseraustausch mit der Umgebung zulassen, aufgrund dessen eine ständige Sättigung der körni­ gen Substanz mit Wasser automatisch gewährleistet ist. Die Erfindung ist aber nicht auf die Verwendung von Wasser be­ schränkt; es können vielmehr auch andere Flüssigkeiten zum Einsatz kommen, beispielsweise Öl.

Das Gehäuse des erfindungsgemäßen Auflagers kann aus zwei im wesentlichen horizontal einzubauenden Platten aufgebaut sein, die mittels einer verformbaren Seitenwand insbesondere in Gestalt einer Membran o.ä. miteinander verbunden sind.

Die Platten können insbesondere aus Beton oder Stahl beste­ hen, und für die Membran kommt als Material Metall oder Kunststoff in Betracht, wobei letzterer faserverstärkt sein kann. Allgemein sind Materialien zu verwenden, die bei Kon­ takt mit Wasser als sättigender Flüssigkeit auch über lange Zeit hinweg nicht korrodieren. Ein Aufbau des Gehäuses aus zwei im wesentlichen parallelen Platten ist konstruktiv besonders einfach, da ein herkömmliches Gebäude im wesent­ lichen nur durch Vorsehen einer oder mehrerer zusätzlicher Fundamentplatten modifiziert wird. Für die abgedichtete Verbindung zweier Platten aus Beton oder Stahl mit einer Membran kann auf Standardtechniken zurückgegriffen werden, wie sie beispielsweise im Schwimmbadbau üblich sind. Die Erfindung ist aber nicht auf ein behälterartiges Gehäuse der genannten Art beschränkt. Es ist beispielsweise auch möglich, ein Kissen aus elastomerem, eventuell faserverstärktem Material mit der verflüssigbaren Substanz zu füllen, oder letztere unterhalb des Grundwasser­ spiegels unmittelbar auf den Boden aufzubringen, wenn nur der erforderliche Einschluß gewährleistet ist.

Das Gehäuse des erfindungsgemäßen Auflagers hat vorzugswei­ se kreisrunden Grundriß, und es kann im wesentlichen kreis­ zylindrisch sein. Damit ist räumliche Homogenität gegenüber den im wesentlichen horizontalen Erdbebeneinwirkungen gewähr­ leistet, die stochastisch zweidimensional auftreten. Außer­ dem werden Diskontinuitäten der Seitenwand vermieden, die Schwachstellen bilden könnten, so daß man einen robusten, der auftretenden Druckbelastung problemlos standhaltenden Aufbau erhält.

Wie schon erwähnt, kann das Gehäuse eine den Wasseraustausch mit der Umgebung ermöglichende Wasserdurchlässigkeit haben. In nasser Umgebung ist so eine ständige Sättigung der körni­ gen Substanz mit Wasser automatisch gewährleistet, was den Wartungsaufwand weiter verringert. Bei einem Gehäuse, das aus Beton besteht, ist eine entsprechende Mikroporösität von Haus aus vorhanden. Die Wasserdurchlässigkeit darf aber natürlich nicht soweit gehen, daß bei der Verflüssigung der Substanz freiwerdendes Porenwasser schnell entweichen kann; das Gehäuse muß vielmehr dieses unter Druck stehende Wasser mindestens für die Dauer des Erdbebens halten.

Das Gehäuse kann einen in sein Inneres führenden absperrbaren Flüssigkeitsanschluß haben. Es ist damit möglich, ein Ver­ lustvolumen an Flüssigkeit zu ergänzen. Der Flüssigkeits­ anschluß muß absperrbar, und im Normalfall geschlossen sein, damit die Volumenkonstanz des Auflagers gewährleistet ist. Es besteht die Möglichkeit, die Wasseranschlüsse mehrerer an einem Gebäude vorgesehener Auflager miteinander und gege­ benenfalls mit einem Reservoir zu verbinden. Der Flüssig­ keitsanschluß kann weiter zum Ablassen von Flüssigkeit nach einem Erdbeben dienen, wodurch man die körnige Substanz wieder in den nicht verflüssigten Zustand versetzt.

Das Gehäuse kann eine äußere Schutzabdeckung für die bei­ spielsweise als Membran gestaltete verformbare Seitenwand haben. Diese Abdeckung kann auch unter Abdichtung einen äußeren Ringraum umschließen, der ebenfalls verflüssigbare Substanz oder auch ein Luftpolster enthalten kann. Auch andere Abteilungen des Auflagers sind möglich. Man kann so eine mehrfache Dichtsicherheit und eine verbesserte Dämp­ fung erreichen. Allgemein versteht sich, daß die abgeschlos­ senen Volumina der erfindungsgemäßen Auflager nicht zu groß sein dürfen, damit nicht trotz der Volumenkonstanz im Erdbebenfall Verformungen der Auflager auftreten, die das darauf stehende Gebäude gefährden.

Das erfindungsgemäße Auflager kann als komplettes Modul, eventuell einschließlich Füllung, vorgefertigt sein. Doch besteht auch die Möglichkeit, Teile des Auflagers, insbe­ sondere die Gehäuseplatten, auf der Baustelle anzufertigen. Das Auflager kann austauschbar zwischen Fundament und Oberbau des Bauwerks angeordnet sein, so daß es nach einem Erdbe­ ben erneuert werden kann. Man kann das Auflager aber auch untrennbar in das Bauwerk integrieren, wozu insbesondere eine seiner Gehäuseplatten Teil des Fundaments sein kann. Es braucht dann letztlich nur eine zusätzliche Fundament­ platte und eine Zwischenlage aus unaufwendigem Material, um das Bauwerk erdbebensicher zu machen.

Zur Erdbebensicherung eines Gebäudes kann ein einziges erfindungsgemäßes Auflager genügen. In der Regel wird aber zwischen Fundament und Oberbau eine Mehrzahl von Auflagern vorhanden sein, auf die sich die Gebäudelast verteilt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen nä­ her erläutert. Teilweise schematisch zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Auflager zur Erdbe­ bensicherung von Bauwerken;

Fig. 2 ein Diagramm, das Verflüssigungsgrenzen von ver­ schiedenen, mit Flüssigkeit gesättigten körnigen Materialien in Abhängigkeit vom Verhältnis der angreifenden Schubspannung τ zur Normalspannung σ und der Anzahl der Lastspielwechsel r zeigt;

Fig. 3 ein Diagramm, das den Gang von Schubmodul G und Dämpfung ξ bei der Verflüssigung eines mit Flüssig­ keit gesättigten Materials zeigt; unabhängiger Parameter ist hier die prozentuale zyklische Schub­ verformungsamplitude γ.

Fig. 1 zeigt ein Auflager, das zur Erdbebensicherung eines Bauwerks zwischen Fundament und Oberbau eingebaut wird. Das Auflager hat ein Gehäuse von kreisrundem Grundriß, das aus einer unteren Platte 10, einer oberen Platte 12 und einer die Platten 10, 12 verbindende, verformbaren Seitenwand 14 besteht. Die Platten 10, 12 kommen parallel zueinander im wesentlichen horizontal zu liegen. Die untere Platte 10 ist entweder selbst eine fest im Boden verankerte Funda­ mentplatte, oder sie ist mit einer solchen Fundamentplatte dauerhaft starr verbunden. Auf der oberen Platte 12 baut eine tragende Säule oder tragende Wand 16 auf, die zum Ober­ bau eines gegen Erdbebeneinwirkung zu sichernden Bauwerks gehört. Der Oberbau wird durch das Auflager gegen im wesent­ lichen horizontale seismische Schwingungen isoliert.

Die Seitenwand 14 ist membranartig gestaltet, kreisringför­ mig und nach außen gewölbt. Sie trägt an ihren axialen Enden einstückig angeformte Dichtringe 18, die unter Abdichtung in umlaufende Ringnuten der Platten 10, 12 eingreifen.

Die untere Platte 10 hat einen nach oben abstehenden umlau­ fenden Randsteg 20, der die Seitenwand 14 außen umschließt. Zwischen der Oberkante des Randstegs 20 und der oberen Platte 12 bleibt ein Spalt, der durch eine Schutzabdeckung 22 ver­ schlossen ist. Es wird so ein Ringraum radial außen von der Seitenwand 14 abgeteilt. Die Schutzabdeckung 22 kann ebenso wie die Seitenwand 14 unter Abdichtung mit den Platten 10, 12 verbunden sein, so daß in den Ringraum ein Luftpolster eingeschlossen ist. Im wesentlichen dient die Schutzabdek­ kung 22 aber dazu, Einwirkungen von der Seitenwand 14 fern­ zuhalten, die ihre Dichtigkeit beeinträchtigen könnten.

Die untere Platte 10 ist bis auf die Höhe des Randstegs 20 ins Erdreich 24 eingebettet. Eine als Erdleitung ausge­ bildete Wasserleitung 26 führt zu einem Wasseranschluß im Mittelbereich der unteren Platte 10. Der Wasseranschluß mündet in dem von der membranartigen Seitenwand 14 umschlos­ senen Teil des Auflagers, der gänzlich mit einer körnigen Substanz, insbesondere Sand angefüllt ist. Bei installiertem Auflager ist dieser Sand mit Wasser gesättigt, und die Was­ serleitung 26 ist abgesperrt.

Im Normalfall ohne Erdbebeneinwirkung ist der mit Wasser gesättigte Sand in einem nicht verflüssigten Zustand. Er trägt dann die Gebäudelast 16 durch Reibung an den Korngren­ zen auf das Fundament ab, und der Porenwasserdruck im In­ nern des Auflagers ist Null. Der Sand verhält sich dabei schubsteif gegenüber Seitenkräften, wie sie durch Windlast an dem Gebäude auftreten, und leitet entsprechende Schub­ spannungen zum Fundament hin ab.

Bei einem Erdbeben wirken vom Boden her wesentlich höhere Schubkräfte auf das Auflager, das dabei im Bereich der Sei­ tenwand 14 verformt wird. Das Gehäusevolumen des Auflagers bleibt dabei im wesentlichen konstant, und die Dichtigkeit bleibt erhalten, so daß kein Wasserverlust eintritt, auch nicht durch die abgesperrte Wasserleitung 26. Das mit Was­ ser gesättigte körnige Material im Innern des Auflagers wird verdichtet, und Porenwasser freigesetzt, so daß aufgrund der Volumenkonstanz der Porenwasserdruck steigt. Sobald er den Binnendruck im Gehäuse des Auflagers erreicht, tritt eine Verflüssigung des Materials ein, das sich nun schub­ weich verhält und horizontale Gleitbewegungen zwischen Funda­ ment und Oberbau ermöglicht, so daß letzterer von Boden­ schwingungen isoliert ist. Die Last des Gebäudes wird in dieser Phase vom hydrostatischen Druck der verflüssigten Substanz abgetragen. Nach dem Erdbeben kann mittels der Leitung 26 Wasser aus dem Auflager abgelassen werden, worauf das körnige Material unter einiger Verdichtung in den nicht verflüssigten Normalzustand zurückkehrt. Es ist eine wieder­ holte erneute Verflüssigung möglich. In der Regel wird man aber im Rahmen der nach einem Erdbeben vorgenommenen Baumaß­ nahmen die Auflager, bei denen Verflüssigung aufgetreten ist, insgesamt ersetzen.

Fig. 2 zeigt Verflüssigungsgrenzen für verschiedene, mit Wasser gesättigte körnige Substanzen. An der Ordinate ist das Verhältnis der an dem Material angreifenden Schubspannung t zur Normalspannung σ aufgetragen. Damit ist ein Belastungs­ niveau des Materials definiert. Die Abszisse zeigt in loga­ rithmischem Maßstab eine Anzahl zyklischer Lastspielwechsel r. Eine zu einem bestimmten Material gehörige Kurve der Kurvenschar läßt erkennen, wieviel Lastspielwechsel bei einem bestimmten Belastungsniveau erforderlich sind, um das mit Wasser gesättigte Material zu verflüssigen. Der Übergang in den verflüssigten Zustand kann dabei auf verschiedene Art und Weise quantifiziert sein, beispielsweise durch einen Anstieg des Porenwasserdrucks über eine vorgegebene Grenze. Unterhalb der Kurve in der Nähe der Abszisse gibt es einen Bereich niedrigen Belastungsniveaus, wo auch durch noch so viele Lastspielwechsel keine Verflüssigung des Materials eintritt. Bei hohem Belastungsniveau genügen dagegen zu­ nehmend weniger Lastspielwechsel, um die Verflüssigung her­ beizuführen.

Man hat nun die durch Windlast an einem Bauwerk anfallenden und auf das Auflager übertragenen Schubspannungen τ, und desgleichen die durch die Last des Gebäudes wirkenden Nor­ malspannungen σ anhand der Gebäudekonstruktion, der vorge­ sehenen Anzahl von Auflagern usw. weitgehend in der Hand. Die bei Erdbebeneinwirkung auftretenden, viel größeren Schub­ spannungen kann man abschätzen und eine Schwelle vorgeben, oberhalb derer eine seismische Entkopplung des Gebäudes durch Materialverflüssigung eintreten soll. Im Idealfall erfolgt die Verflüssigung schon beim ersten Erdstoß der ent­ sprechenden Stärke. Die ideale Verflüssigungskennlinie hat daher einen Verlauf, wie er gestrichelt in Fig. 2 dargestellt ist. Durch Auswahl und gegebenenfalls Mischung von körnigem Material, insbesondere Sand von definierter Sieblinie, kann man sich dem idealen Verflüssigungsverhalten weitgehend annähern.

Fig. 3 zeigt schematisch den Schubmodul G und die Dämpfung ξ eines mit Wasser gesättigten körnigen Materials in Ab­ hängigkeit von der im logarithmischen Maßstab aufgetragenen prozentualen zyklischen Schubverformungsamplitude γ, die ein Maß für die Verflüssigung des Materials ist. Man er­ kennt, daß bei zunehmender Verflüssigung der Schubmodul G abfällt, und die Dämpfung ξ ansteigt. Wie gewünscht, hat daher das erfindungsgemäße Auflager im Erdbebenfall eine hohe Dämpfung.

• Liste der Bezugszeichen 10 untere Platte
  12 obere Platte
  14 Seitenwand
  16 tragendes Teil
  18 Dichtring
  20 Randsteg
  22 Schutzabdeckung
  24 Erdreich
  26 Wasserleitung

Claims (16)

1. Einrichtung zur Erdbebensicherung von Bauwerken mit einem Auflager, das zwischen dem Fundament und dem Ober­ bau des Bauwerks angeordnet ist und letzteren gegen im wesentlichen horizontal auftretende Erdbebenwirkungen isoliert, dadurch gekennzeichnet, daß das Auflager ein geschlossenes, unter Erdbebeneinwirkung bei in guter Näherung konstentem Volumen verformbares Gehäuse hat, das mit einer körnigen, mit Flüssigkeit gesättigten, unter Erdbebeneinwirkung verflüssigbaren Substanz gefüllt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine aus einer oder mehreren Komponenten bestehende körnige mineralische Substanz natürlichen oder künstlichen Ur­ sprungs insbesondere mit einem Anteil Sand, gemahlenem Natur- oder Kunststein, Schluff, Mergel, Ton, Schlacke, Keramik, Glas.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die körnige Substanz einen wesentlichen Anteil Natursand und/oder Brechsand, insbesondere Sand mit definierter Sieblinie, hat.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Substanz sättigende Flüs­ sigkeit Wasser ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus zwei im wesentli­ chen horizontal einzubauenden Platten (10, 12) aufge­ baut ist, die über eine verformbare Seitenwand (14), ins­ besondere eine Membran o.ä., miteinander verbunden sind.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus unter Wassereinwir­ kung korrosionfreiem Material besteht, wobei für die Platten (10, 12) insbesondere Beton oder rostfreier Stahl, und für die Seitenwand (14) Metall oder Kunst­ stoff mit oder ohne Faserverstärkung in Betracht kommt.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse kreisrunden Grundriß hat.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse eine den Wasseraustausch mit der Umgebung ermöglichende Wasserdurchlässigkeit hat.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse wenigstens einen in sein Inneres führenden, absperrbaren Flüssigkeitsan­ schluß (26) hat.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Gehäuse eine äußere Schutz­ abdeckung (22) für die Seitenwand (14) vorgesehen ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse in eine Mehrzahl von Kammern unterteilt ist.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse eine Mehrzahl von einan­ der unter Abdichtung umschließenden, verformbaren Sei­ tenwänden hat.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Auflager als komplettes Modul vorgefertigt ist.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Teile des Auflager, insbesondere die Platten (10, 12), auf der Baustelle angefertigt sind.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Auflager austauschbar zwischen Fundament und Oberbau des Bauwerks angeordnet ist.

16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Auflager untrennbar in das Ge­ bäude integiert ist, wozu insbesondere eine seiner Plat­ ten (10) Teil des Fundaments sein kann.