DE3611809C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Auflager zur Erdbebensicherung von Bauwerken mit einem geschlossenen verformbaren Gehäuse, dessen Volumen in guter Näherung unter Erdbebeneinwirkung konstant bleibt und das mit einer körnigen Substanz und mit einer Flüssigkeit gefüllt ist.

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 rechtfertigender 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 Einzelfall 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.

Ein Auflager der eingangs genannten Art mit hoher innerer Dämpfung ist in der DE-OS 29 21 828 beschrieben. Das Auflager besteht aus einer Übereinanderschichtung von Elastomerschichten, die durch Stahlbleche voneinander getrennt sind. Zwischen mindestens zwei der Bleche sind innerhalb der Umrißlinie der Schichten Räume vorgesehen, die mit einer Substanz gefüllt sind, die in das Auflager eingetragene Verformungsenergie zu adsorbieren vermag. Bei der Substanz handelt es sich insbesondere um ein viskoses Fluid oder eine Anhäufung fester Körner. Die Substanz dient nur als Dämpfungsmaterial. Sie hat keine schwingungsisolierende Funktion, und trägt auch nicht die vertikale Last des Bauwerks.

Dieselben Feststellungen sind zu dem japanischen Patentdokument 58-1 46 743(A) zu treffen. Es wird hier eine Einrichtung zur Erdbebensicherung von Bauwerken beschrieben, zu der Schwingungsisolatoren und ein Dämpfungselement gehören. Die Schwingungsisolatoren werden von Schichten aus elastomerem Material gebildet, die von Metallplatten getrennt übereinander gestapelt sind. Das Dämpfungselement hat ein Gehäuse, das mit einer sich im flüssigen Zustand befindlichen, hochviskosen, körnigen Substanz gefüllt ist. Es kommt allein auf die Dämpfungseigenschaften dieser Substanz an, die nicht geeignet ist, die vertikale Last des Bauwerks abzutragen, und keine schwingungsisolierende Funktion erfüllt.

Aus der US-PS 16 15 350 ist ein Auflager zur Erdbebensicherung von Bauwerken bekannt, das aus einer Horizontalbewegung relativ zum Boden ermöglichenden Sandzwischenschicht im Fundament des Bauwerks besteht. Die Sandzwischenschicht ist durch ein Entwässerungsnetz gegen Wasseraufnahme geschützt.

Bei der DE-PS 8 36 473 wird eine thixotrope Flüssigkeit unter die Fundamentsohle eines Gebäudes gebracht, um eine horizontale Entkopplung des Gebäudes in Bergwerksenkungsgebieten zu erzielen.

Die DE-PS 6 24 955 beschreibt einen Erschütterungsschutz für Gebäude mit in das Fundament eingebauten elastischen Polstern.

Die deutsche Patentanmeldung DE-AN: H 21 710 v/84 a beschreibt eine Vorrichtung zur Erzielung einer gleichmäßigen Setzung eines in einem Staudamm liegenden Dichtungskernes. Es wird hier fließfähiges Material, insbesondere Sand, von einem Kontrollgang in dem Damm aus abgelassen.

Die DE-OS 22 24 267 beschreibt ein hydraulisches Hubverfahren für Gebäudedecken. In erdbebengefährdeten Gebieten sollen letztere anschließend auf Luftpolstern abgefedert gelagert werden.

Die AT-PS 3 67 843 beschreibt eine viskose Zwischenschicht im Fundament eines Gebäudes, die auch hier wegen ihrer Dämpfungseigenschaften vorgesehen ist.

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, ein konstruktiv unaufwendiges, ein Bauwerk gegen im wesentlichen horizontal auftretende Erdbebeneinwirkungen isolierendes 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 Erdbebeneinwirkung im wesentlichen materialimmanent in sich vereinigt.

Bei einem zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagenes Auflager ist die körnige Substanz mit der Flüssigkeit gesättigt und die Füllung so beschaffen, daß sich die Substanz bei Erdbebeneinwirkung verdichtet, sich somit die gesamte Füllung wie eine viskose Flüssigkeit verhält.

Die Erfindung bedient sich zur Erdbebensicherung von Bauwerken einer besonderen Eigenschaft des Materials, auf dem das Bauwerk steht. Die insofern vergleichsweise heranzuziehende Bodenverflüssigung ist ein in der Bautechnik bekanntes 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 von bestimmten Bodentypen bei der Verflüssigung zu Nutze.

Zur Erläuterung des Prinzips kann man exemplarisch ein abgeschlossenes Gehäuse betrachten, das gänzlich von Wasser und Sand angefüllt ist. Im nicht verflüssigten Zustand trägt der Sand eine darauf ruhende Last durch Reibung 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 die Konstruktion des Sandes eine Verzerrung. Durch diese Verzerrung geht der Kontakt zwischen einem Teil der Sandkörner verloren. Das Porenwasser wird sofort in die ehemalige Kontaktzone fließen und auch den Kontaktdruck infolge der Normalkraft übernehmen. In dem Prozeß wird die Kornstruktur lediglich verzerrt aber nicht verdichtet. Bei Volumenkonstanz oder annähernder Volumenkonstanz des Gehäuses kann kein Wasserverlust eintreten, und der Porenwasserdruck steigt an. Sobald der Porenwasserdruck den sich unter Normalkraft einstellenden Binnendruck in dem Gehäuse erreicht, tritt eine Verflüssigung des Füllmaterials ein, das sich dann schubweich verhält. Die Last des Gebäudes wird weiter vom verflüssigten Füllmaterial getragen, im wesentlichen also vom freigesetzten Porenwasser, das man in guter Näherung als inkompressibel betrachten kann.

Für das erfindungsgemäße, zur Erdbebensicherung von Bauwerken dienende Auflager findet allgemein eine körnige, mit Flüssigkeit gesättigte Substanz Verwendung, die sich im Normalfall wie ein Festkörper verhält und nur unter Erdbebeneinwirkung verflüssigt. Die Substanz ist körnig, damit eine Umlagerung bei einer bestimmten Verzerrung des Korngerüstes von der tragenden Kornstruktur zur tragenden Flüssigkeit möglich ist. Sie ist mit Flüssigkeit gesättigt, damit bei Kontaktverlust der Körner quantitativ Flüssigkeit freigesetzt und nicht wieder vom Porenvolumen der Substanz aufgenommen wird. Die Substanz ist in einem soweit dichten und haltbaren Gehäuse enthalten, daß in diesem Fall kein nennenswerter Flüssigkeitsverlust eintritt, und daß die Füllung nicht einfach seitlich weggedrückt wird, sondern unter Druckerhöhung eine tragende Funktion übernimmt. Das Gehäuse wird normalerweise ein abgeschlossener Behälter sein, doch kann es auch natürliche Wände haben, wenn der erforderliche Einschluß des verflüssigten Füllmaterials gewährleistet ist. Das Gehäuse ist verformbar, damit es durch die Bodenbewegungen eines Erdbebens deformiert werden kann, wobei es im linearen Verformungsbereich bleiben sollte, damit die Volumenkonstanz gewährleistet ist. Das Gehäuse ist mit der beschriebenen Substanz gefüllt, damit die bei Erdbebeneinwirkung auftretenden, das Gehäuse verformenden Schubkräfte voll auf diese 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 baustellenüblichen Materialien erstellen. Eine Anpassung an bauliche und örtliche Gegebenheiten, insbesondere im Hinblick auf die zu erwartenden 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 Möglichkeit, das Auflagern ohne kompletten Austausch wieder in seine Bereitstellung zu versetzen, indem man Flüssigkeit abläßt und die körnige Substanz wieder in ihren festkörperartigen 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 Brechsand, vorzugsweise Sand mit einer definierten Sieblinie. Ein weiteres mögliches Material ist gemahlener Natur- oder Kunststein, wobei in letzterem Fall insbesondere an hydraulisch 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 kommen. Weitere mögliche Materialien sind feinkörnige Schlacke, Keramik und Glas.

Die die körnige Substanz sättigende Flüssigkeit ist vorzugsweise 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 auch mit Abwasser. Bei einem Auflager, das unterhalb des Grundwasserspiegels eingebaut wird, muß keine absolute Wasserdichtigkeit des Gehäuses gewährleistet sein; vielmehr kann man beispielsweise durch Mikroporsität des Gehäuses einen gewissen Wasseraustausch mit der Umgebung zulassen, aufgrund dessen eine ständige Sättigung der körnigen Substanz mit Wasser automatisch gewährleistet ist. Die Erfindung ist aber nicht auf die Verwendung von Wasser beschränkt; 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 bestehen, und für die Membran kommt als Material Metall oder Kunststoff in Betracht, wobei letzterer faserverstärkt sein kann. Allgemein sind Materialien zu verwenden, die bei Kontakt 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 wesentlichen 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 dem verflüssigbaren Bodentyp zu füllen, oder letztere unterhalb des Grundwasserspiegels unmittelbar auf den Boden aufzubringen, wenn nur der erforderliche Einschluß gewährleistet ist.

Das Gehäuse des erfindungsgemäßen Auflagers hat vorzugsweise kreisrunden Grundriß, und es kann im wesentlichen kreiszylindrisch sein. Damit ist räumliche Homogenität gegenüber den im wesentlichen horizontalen Erdbebeneinwirkungen gewährleistet, die stochastisch zweidimensional auftreten. Außerdem 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 körnigen 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 das bei der Verflüssigung des Gemischs aus körniger Substanz und Wasser freiwerdende 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 Verlustvolumen an Flüssigkeit zu ergänzen. Der Flüssigkeitsanschluß 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 gegebenenfalls mit einem Reservoir zu verbinden. Der Flüssigkeitsanschluß kann weiter zum Ablassen von Flüssigkeit nach einem Erdbeben dienen, wodurch man die körnige Substanz wieder in den festkörperartigen Zustand versetzt.

Das Gehäuse kann eine äußere Schutzabdeckung für die beispielsweise als Membran gestaltete verformbare Seitenwand haben. Diese Abdeckung kann auch unter Abdichtung einen äußeren Ringraum umschließen, der ebenfalls das beschriebene Material oder auch ein Luftpolster enthalten kann. Auch andere Abteilungen des Auflagers sind möglich. Man kann so eine mehrfache Dichtsicherheit und eine verbesserte Dämpfung erreichen. Allgemein versteht sich, daß die abgeschlossenen 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, insbesondere die Gehäuseplatten, auf der Baustelle anzufertigen. Das Auflager kann austauschbar zwischen Fundament und Oberbau des Bauwerks angeordnet sein, so daß es nach einem Erdbeben 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 Fundamentplatte und eine Zwischenlage aus unaufwendigem Material, um das Bauwerk erdbebensicher zu machen.

In der Regel wird zwischen Fundament und Oberbau eine Mehrzahl von Auflagern vorhanden sein, auf die sich die Gebäudelast verteilt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

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

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

Fig. 3 ein Diagramm, das den Gang von Schubmodul G und Dämpfung ξ bei der Verflüssigung des Gemischs aus körniger Substanz und Wasser zeigt; unabhängiger Parameter ist hier die prozentuale zyklische Schubverformungsamplitude 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 Fundamentplatte, oder sie ist mit einer solchen Fundamentplatte dauerhaft starr verbunden. Auf der oberen Platte 12 steht eine tragende Säule oder tragende Wand 16 auf, die zum Oberbau eines gegen Erdbebeneinwirkung zu sichernden Bauwerks gehört. Der Oberbau wird durch das Auflager gegen im wesentlichen horizontale seismische Schwingungen isoliert.

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

Die untere Platte 10 hat einen nach oben abstehenden umlaufenden 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 verschlossen 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 Schutzabdeckung 22 aber dazu, Einwirkungen von der Seitenwand 14 fernzuhalten, die ihre Dichtigkeit beeinträchtigen könnten.

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

Im Normalfall ohne Erdbebeneinwirkung ist der mit Wasser gesättigte Sand in einem festkörperartigen Ausgangszustand. Er trägt dann die Gebäudelast durch Reibung an den Korngrenzen auf das Fundament ab, und der Porenwasserdruck im Inneren des Auflagers ist Null. Der Sand verhält sich dabei schubsteif gegenüber Seitenkräften, wie sie durch Windlast an dem Gebäude auftreten, und leitet entsprechende Schubspannungen zum Fundament hin ab.

Bei einem Erdbeben wirken vom Boden her wesentlich höhere Schubkräfte auf das Auflager, das dabei im Bereich der Seitenwand 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. Die mit Wasser gesättigte körnige Substanz im Innern des Auflagers wird verzerrt und Porenwasser freigesetzt, so daß aufgrund der Volumenkonstanz der Porenwasserdruck steigt. Sobald er den Binnendruck im Gehäuse des Auflagers erreicht, tritt eine Verflüssigung der Füllung ein, die sich nun schubweich verhält und horizontale Gleitbewegungen zwischen Fundament und Oberbau ermöglicht, so daß letzterer von Bodenschwingungen isoliert ist. Die Last des Gebäudes wird in dieser Phase vom hydrostatischen Druck der Flüssigkeit abgetragen. Nach dem Erdbeben kann mittels der Leitung 26 Wasser aus dem Auflager abgelassen werden, worauf die körnige Substanz unter einiger Verdichtung in den festkörperartigen Zustand zurückkehrt. Es ist eine wiederholte erneute Verflüssigung oder ein Austausch des gesamten Lagersystems möglich.

Fig. 2 zeigt Verflüssigungsgrenzen für verschiedene Gemische aus körniger Substanz und Wasser. An der Ordinate ist das Verhältnis τ zur Normalspannung σ aufgetragen. Damit ist ein Belastungsniveau der Füllung definiert. Die Abszisse zeigt in logarithmischem Maßstab eine Anzahl zyklischer Lastspielwechsel r. Eine zu einer bestimmten Füllung gehörige Kurve der Kurvenschar läßt erkennen, wieviel Lastspielwechsel bei einem bestimmten Belastungsniveau erforderlich sind, um die Füllung zu verflüssigen. Der Übergang in diesen 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 der Füllung eintritt. Bei hohem Belastungsniveau genügen dagegen zunehmend weniger Lastspielwechsel, um die Verflüssigung herbeizuführen.

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 Normalspannungen σ anhand der Gebäudekonstruktion, der vorgegebenen Anzahl von Auflagern usw. weitgehend in der Hand. Die bei Erdbebeneinwirkung auftretenden, viel größeren Schubspannungen kann man abschätzen und eine Schwelle vorgeben, oberhalb derer eine seismische Entkopplung des Gebäudes durch die Verflüssigung der Füllung eintreten soll. Im Idealfall erfolgt die Verflüssigung schon beim ersten Erdstoß der entsprechenden Stärke. Die ideale Verflüssigungskennlinie hat daher einen Verlauf, wie er gestrichelt in Fig. 2 dargestellt ist. Durch Auswahl und gegebenenfalls Mischung von körniger Substanz, insbesondere Sand von definierter Sieblinie, kann man sich dem idealen Verflüssigungsverhalten weitgehend annähern.

Fig. 3 zeigt schematisch den Schubmodul G und die Dämpfung ξ einer mit Wasser gesättigten körnigen Substanz in Abhängigkeit von der im logarithmischen Maßstab aufgetragenen prozentualen zyklischen Schubverformungsamplitude γ, die ein Maß für die Verflüssigung des Materials ist. Man erkennt, 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.

Claims (14)

1. Auflager zur Erdbebensicherung von Bauwerken mit einem geschlossenen, verformbaren Gehäuse, dessen Volumen in guter Näherung unter Erdbebeneinwirkung konstant bleibt und das mit einer körnigen Substanz und mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die körnige Substanz mit der Flüssigkeit gesättigt ist und daß die Füllung so beschaffen ist, daß sich die Substanz bei Erdbebeneinwirkung verdichtet, sich somit die gesamte Füllung wie eine viskose Flüssigkeit verhält.

2. Auflager nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine aus einer oder mehreren Komponenten bestehenden körnigen mineralischen Substanz natürlichen oder künstlichen Ursprungs, insbesondere mit einem Anteil Sand, gemahlenem Natur- oder Kunststein, Schluff, Mergel, Ton, Schlacke, Keramik, Glas.

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

4. Auflager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Substanz sättigende Flüssigkeit Wasser ist.

5. Auflager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus zwei im wesentlichen horizontal einzubauenden Platten (10, 12) aufgebaut ist, die über eine verformbare Seitenwand (14), insbesondere eine Membran o.ä., miteinander verbunden sind.

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

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

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

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

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

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

12. Auflager nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse eine Mehrzahl von einander unter Abdichtung umschließenden, verformbaren Seitenwänden hat.

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

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