EP0056258A2 - Einsatzkonstruktion zur Schwingungsdämpfung und Energieabsorption - Google Patents

Einsatzkonstruktion zur Schwingungsdämpfung und Energieabsorption Download PDF

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EP0056258A2
EP0056258A2 EP82100092A EP82100092A EP0056258A2 EP 0056258 A2 EP0056258 A2 EP 0056258A2 EP 82100092 A EP82100092 A EP 82100092A EP 82100092 A EP82100092 A EP 82100092A EP 0056258 A2 EP0056258 A2 EP 0056258A2
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EP
European Patent Office
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construction
foundation
steel
insert
energy absorption
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EP0056258A3 (en
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Béla Dr. Csák
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Technische Universitat Budapest
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Technische Universitat Budapest
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04H—BUILDINGS OR LIKE STRUCTURES FOR PARTICULAR PURPOSES; SWIMMING OR SPLASH BATHS OR POOLS; MASTS; FENCING; TENTS OR CANOPIES, IN GENERAL
    • E04H9/00—Buildings, groups of buildings or shelters adapted to withstand or provide protection against abnormal external influences, e.g. war-like action, earthquake or extreme climate
    • E04H9/02—Buildings, groups of buildings or shelters adapted to withstand or provide protection against abnormal external influences, e.g. war-like action, earthquake or extreme climate withstanding earthquake or sinking of ground
    • E04H9/021—Bearing, supporting or connecting constructions specially adapted for such buildings
    • E04H9/022—Bearing, supporting or connecting constructions specially adapted for such buildings and comprising laminated structures of alternating elastomeric and rigid layers

Definitions

  • the patent is a vibration damping insert designed to reduce seismic forces and stresses that occur in buildings.
  • the insert construction serves to eliminate, or at least to reduce, the transmission of ground movements, and it is installed between the foundation and the wall construction.
  • Swiss Patent No. 584,333 contains a peculiar solution for reducing the effects of seismic forces. This is the support of spherical tanks for the storage of liquid. The tanks are placed on articulated supports that emanate from their plane of symmetry. The bottom tangent of the tank is approximately one meter above the ground. A rigid ring is welded to the tank from below, which is connected to the foundation by three horizontal steel bars that enclose 120 ° with each other. The ends of the bars are connected to the ring as well as to the foundation by ball joints. Pistons for vibration damping are located approximately in the middle of the rods.
  • the proposal in the Swiss description contains good ideas, but in reality it can only be used in very limited areas, it cannot be used in buildings. The complexity and cost of the structure are also disadvantageous, and their maintenance requires a significant amount of living work.
  • the solution which contains patent No. 3,940,895 in the USA, was developed according to other principles, but with the use of known sets of technical vibration theory.
  • the essential thing is that to a vibrating mass - e.g. to the building or part of it - with the help of a rigid rod and a support, a smaller mass is connected so that when the larger mass is accelerated, the smaller mass is accelerated in the opposite direction.
  • the degree of damping can be set with the aid of the geometric relationships of the rigid connection between the two masses.
  • the physical background of the solution is real and obvious, on the one hand the real solution is costly, on the other hand the damping is only effective in one level, in the level of the support, to expand in other directions is complicated and difficult, e.g. through the use of ball joints and multi-directional support.
  • the insert construction for the damping is to be put together from a damping part with a great ability to change the elastic shape, and from an energy absorption part (plastic part) with great effectiveness.
  • the part for the movement damping can be constructed easily and well as a construction consisting of alternating rubber layers and steel plates.
  • the energy absorption part can consist of such, expediently vertical steel mandrels or of a set of steel mandrels which extend both into the foundation and into the wall construction. The dimensions of the mandrels are chosen so that they come into the flow area at horizontal loads greater than the wind load.
  • the insert construction for damping serves to reduce seismic forces and stresses on buildings - which prevents or at least reduces the movement of ground movements and is installed between the foundation and the wall construction - in such a way that the insert construction increases the rigidity of one elastic-plastic spring system is formed, the spring system contains a part of the movement damping with high ability of elastic shape change, as well as an energy absorption part (plastic part) with great effectiveness, the part for movement damping consists of superimposed rubber layers, which are surrounded by steel plates , the part for energy absorption consists of rows of steel mandrels that extend into the opposing planes of the foundation and the wall construction, and with greater loads than the one that results from the maximum wind load res are ultimately unsuitable for absorbing the stress.
  • the part for movement damping is composed of at least two layers of hard rubber plates and at least three layers of steel plates, the layer construction developed in this way advantageously has both on the side of the base body and on the side of the wall construction one base for the load distribution.
  • Both the base body and the wall construction are suitable for holding the steel mandrels for energy absorption, and they usually have sleeves made of steel pipes. The sleeves are embedded in the base body as well as in the wall construction without any possibility of movement, advantageous, they are concreted in.
  • the buohsen reach into the interior of the base body and the wall construction at a depth that is at least four times, but advantageously at least six times the diameter of the make up their diameter.
  • the steel mandrels extend into the interior of the bushes at a depth that is at least three times, but advantageously at least five times their diameter.
  • An air cushion is left between the ends of the steel mandrels and the lower part of the bushings.
  • the steel mandrels are advantageously loosely traversed by the layered structures, which are composed of rubber plates and steel plates, when an air cushion is released. Between the outer lateral surface of the steel mandrels and the inner lateral surface of the bushes, a lubricant is expediently applied in film-like thin layers to reduce the friction. Both the base body and the wall construction near the bushes expediently have reinforcement cells in the form of spatial brackets.
  • the elastic-plastic spring system is installed in sections between the base body and the wall construction, and each section contains both a part for movement damping and a part for energy absorption.
  • the entire spring system or possibly some of its parts, have bushes with less stiffness along the edges instead of the steel mandrels.
  • the additional bushings are embedded in an elastic filler.
  • the stratified motion damping part is able to ask vertical forces, further that it is due to repeated quakes in a vertical plane behaves as an elastic support, the horizontal movements are dampened by it.
  • the energy absorption part of the insert construction which contains the vertical steel mandrels, can - due to its character - only absorb forces in the horizontal direction, at the expense of the plastic shape change of the mandrels it can absorb the energies that were generated during the quake.
  • the insert construction works according to the calculations based on the so-called "progressive suspension”. It can therefore be determined with great accuracy that new spring elements only come into play to a certain extent after the change in shape has occurred, which can only undergo elastic changes in shape. As a result, those elastic reaction forces arise in the parts that have only undergone elastic shape changes, which prevent the wall structure of the building from being displaced horizontally beyond a certain limit.
  • Figure 1 shows a section of the floor plan A, above the wall construction B. Between them is built in insert structure for damping, which consists of the plastic part for energy absorption and the elastic part for movement damping.
  • insert structure for damping which consists of the plastic part for energy absorption and the elastic part for movement damping.
  • the latter is such a layer structure, which is composed of the 5 rubber plates arranged one above the other and the 6 steel plates lying between and surrounding them.
  • the 5 rubber plates made of hard rubber and the 6 steel plates can be assembled in a thickness that meets the needs.
  • Figure 1 it can be seen that below and above the layer construction that forms the part of the movement damping, there is a 4 base for load distribution, on which the wall construction B is supported on the part for movement damping, the latter on the base body.
  • the 3 steel mandrels do not get directly into the openings formed for them between the base body A and the wall construction B, but they extend into the interior of the bushings 1, which are expediently made of steel tube.
  • the bushings 1 are surrounded by strong, spatial brackets 7 in at least 2 grooves, by means of which their position is stabilized greater strength.
  • the sockets 1 are therefore now rigidly embedded in the base body A and in the wall construction B.
  • the bushings 1 extend at least 6 times as deep into the concrete body of the base body A and the wall construction B as their own diameter.
  • Figure 3 shows that the steel mandrels 3 do not extend along the inner part of the bushings 1, but they reach into them at least in a length that is at least five times their diameter.
  • Figure 4 shows the possibility that the steel mandrels 3 along the edges of the insert construction for damping can be replaced by the additional mandrels 10 with less rigidity.
  • the air gap 8 and the application of the lubricant 9 are not required, but it is expedient to embed the additional mandrel 10 with a smaller diameter in some filler material.
  • the latter can for example made of rubber.
  • the bushings 1 are expediently prayed in advance both into the base body A and into the turning structure B, and at the same time the spatial reinforcement brackets 7 are finished in the vicinity of the bushings 1.
  • the rubber plates 5 and the steel plates 6 are expediently connected to one another by means of adhesive.
  • the casing 2 prevents that harmful cuts in the part for energy absorption due to the movements can occur.
  • the inlay construction for damping according to the patent serves to protect buildings in any location that is exposed to seismic movements. It can also be used for special structures such as power plants, smelters, reactors, etc., but there is no need to take into account the horizontal forces that correspond to the wind load or the acceleration values that correspond to these horizontal forces.
  • structures are planned and calculated in such a way that all structural elements remain undamaged during the entire service life of the structures in the event of wind load.
  • the main cause of the damage is the process of energy absorption, which ensures the balance of kinetic and potential energy in the construction system throughout the duration of the earthquake.
  • the cost of avoiding structural damage is around 4-6% of the total construction costs on a global average.
  • the steel mandrels can be replaced if necessary.

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Abstract

Das Patent ist eine Einlagekonstruktion für Schwingungsdämpfung, die der Verringerung seismischer Kräfte und Beanspruchungen dient, die an Gebäuden entstehen. Zur Verhinderung der Weiterleitung von Bodenbewegungen ist sie zwischen Fundament und Wandkonstruktion eingebaut. Charakteristisch ist für sie, daß die Einlagekonstruktion zur Erhöhung der Beständigkeit von einem elastisch- plastischen Fedemsystem gebildet wird. Das Federnsystem enthält einen Teil für Bewegungsdämpfung mit großer Fähigkeit der elastischen Formveränderung und einen Teil für Energieabsorption mit großer Effektivität. Der Teil für Bewegungsdämpfung besteht aus einer Schichtkonstruktion, die aus übereinander gelegten Gummiplatten und sie umgebenden Stahlplatten zusammengesetzt ist. Der Teil für Energieabsorption besteht aus einer Reihe von Stahldornen, die in die einander gegenüber liegenden Flächen des Fundamentes und der Wandkonstruktion hineinreichen, und Beanspruchungen aufnehmen können, die größer sind als diejenigen, die aus der maximalen Windlast resultieren.

Description

  • Das Patent ist eine Einsatzkonstruktion zur Schwingungsdämpfung für die Verringerung seismischer Kräfte und Beanspruchungen, die in Gebäuden auftreten. Die Einsatzkonstruktion dient der Eliminierung der Weitergabe von Bodenbewegungen, zumindest aber ihrer Verringerung, und sie ist zwischen Fundament und Wandkonstruktion eingebaut.
  • Bauten haben seismische Kräfte in solchen Fällen zu ertragen, wenn sie dem ursprünglichen Ruhezustand entgegen infolge von Erdstößen beschleunigte Bewegungen ausführen. Die Größe der seismischen Kräfte ist laut Satz von Newton und D'Alembert mit der Masse des Baus und der auftretenden Beschleunigung direkt proportional. Aus der Sicht der Verringerung seismischer Kräfte ist jede solche Bestrebung von Bedeutung, die die Verringerung der Masse von Bauten zum Ziel hat.
  • Mit der Entwicklung der Architektur hat aieh die Masse von Bauten auch schon bis jetzt in bedeutendem Maße verringert, und dieser Prozeß wird sich wahrscheinlich auch in der Zukunft fortsetzen. Auf diese Art kann man aber nur das Eigengewicht von Bauten verringern, denn die Nutzlast hängt mit der Funktion des Gebäudes zusammen, ihre Verringerung kann also nur in bestimmten Fällen erreicht werden,
  • Zur wenigstens teilweise Eliminierung beschleunigter Bewegungen infolge von Erdstößen gibt es eine andere mögliche Methode, wobei zwisohen Fundament und Wandkonstruktion des Baus irgend eine Zwisohenkonntruktion eingebaut wird, die geeignet ist, Energie zu verbrauchen. In Jugoslawien ist zum Beispiel eine solche Lösung ausgearbeitet worden.
  • Nach dem Vorschlag werden zwischen Fundament und Wandkonstruktion etwa 1 m hohe Wände eingebaut, die bei Erdbeben bersten. Durch die entstandenen Formänderungen wird ein Teil der Energie wirklich verbraucht. Nach dem Erdbeben können die beschädigten Wände abschnittsweise erneuert werden. Die Fähigkeit des Energieverbrauchs der Wand wird dadurch erreicht, daß beim Mäuern der Wand solcher Mörtel verwendet wird, der fähig ist, große Formänderungen auszuhalten.
  • Um ein ähnliohes Ziel zu erreichen und um Energie zu absorbieren, ist in den USA eine Lösung entstanden, bei der zwischen Fundament und Wandkonstruktion sowie zwischen Fundament und Boden Einlagen zur Absorption von Energie eingebaut werden. An der ersteren Stelle sind die Einlagen Rollen mit begrenzter Bewegung, an der letzteren Stelle sind sie Gleitplatten aus Kunststoff.
  • In den Vereinigten Staaten wurde eine solche Art der Energieabsorption vorgeschlagen, bei der Stahlplatten zwischen Boden und Bau untergebracht werden würden, die Torsion und longitudinale Formveränderung ebenfalls ertragen können. Ebenfalls in den USA wurde der Gedanke publiziert, wonach zwischen Fundament und Wandkonstruktion Gummifeder eingebaut werden. Der Einbau der Gummiblöcke zwischen Fundament und Wandkonstruktion ist in Jugoslawien auch in der Praxis verwirklicht worden. In Skopje wurde nach dem Erdbeben 1963 - nach Plänen aus der Schweiz - eine solche Schule gebaut, die tatsächlich auf Gummiblöcken steht.
  • Sowohl in Japan als auch in der Sovrietunion wurden solche Methoden zur Sohwingungsdämpfung ausgearbeitet, bei denen die Absorption der Energie mit Hilfe der Fortnveränderung von Stahlbetonsäulen erfolgt. Nach dem japanischen Vorschlag sind etwa 1,5 m hohe Stahlbetonsäulen zwischen Fundament und Wandkonstruktion unterzubringen. Sie werden so bemesnen, daß ihre Energie der plastischen Formveränderung mit der kinetischen Energie, die bei Erdstößen auftritt, Gleichgewicht hält.
  • Ähnlich wird der Bau nach dem sowietischen Vorschlag auf ein Geschoß hohe Säulen errichtet, ihre elastisch-plastische Formveränderung bewirkt eine Verringerung der nach oben geleiteten kinetischen Energie. In der Sowietunion ist auch eine solche Lösung ausgearbeitet worden, bei der ebenfalls am Erdgeschoß sogenannte "auslösbare" Verbindungen eingebaut werden. Ihre Eigenart besteht darin, daß sie beim Auftreten von Kräften, die eine gewisse Grenze überschreiten, zugrunde gehen. So wird verhidnert, daß Beschleunigungen in waagerechter Richtung in übermäßig hohem Maße auftreten und auf die Wandkonstruktion weitergegeben werden. Für diesen Zweck werden Gitterkonsolen und zum Teil senkrechte Säulen vorgeschlagen.
  • Eine eigenartige Lösung-enthält das schweizerische Patent Nr. 584.333 für die Verringerung der Wirkung von seismischen Kräften. Dabei handelt es sich um die Unterstützung von Tanks in Kugelform für die Speicherung von Flüssigkeit. Die Tanks sind auf Gelenkstützen gestelllt, die aus ihrer Symmetriebene etwa ausgehen. Die untere Tangente des Tanks befindet sich ungefähr ein Meter über dem Boden. Zum Tank ist von unten ein starrer Ring geschweißt, der von drei waagerechten Stahlstäben, die untereinander 120° einschließen, zum Fundament verbunden ist. Die Enden der Stäbe sind sowohl zum Ring als auch zum Fundament durch Kugelgelenke verbunden. Etwa in der Mitte der Stäbe sind Kolben für die Schwingungsdämpfung untergebracht. Der Vorschlag in der schweizerischen Beschreibung enthält gute Gedanken, in Wirklichkeit kann er aber nur auf sehr begrenzten Gebieten angewendet werden, bei Gebäuden kann er nicht in Frage kommen. Auch die Kompliziertheit und die Kosten der Struktur sind nachteilig, ihre Instandhaltung bedarf ein bedeutendes Maß an lebendiger Arbeit.
  • Nach anderen Prinzipien, aber mit der Anwendung bekannter Sätze der technischen Schwingungslehre, entstand die Lösung, die das Patent Nr. 3.940.895 in den USA enthält. Das wesentliche besteht darin, daß zu einer schwingenden Masse - z.B. zum Gebäude oder einem Teil davon - mit Hilfe eines starren Stabes sowie einer Stützung eine kleinere Masse so verbunden wird, daß bei Beschleunigung der größeren Masse die kleiner in entgegengesetzter Richtung beschleunigt wird. Mit Hilfe der geometrischen Verhältnisse der starren Verbindung zwischen den beiden Massen kann das Maß der Dämpfung eingestellt werden. Der physikalische Hintergrund der Lösung ist reell und liegt an der Hand, die wirkliche Lösung ist jedoch einerseits kostenaufwendig, anderseits ist die Dämpfung nur in einer Ebene, in der Ebene der Stützung, wirksam, in andere Richtungen auszudehnen ist es kopmliziert und schwierig möglich, z.B. durch die Anwendung von Kugelgelenken und Stützung in mehreren Richtungen.
  • Am zweckmäßigsten von den bekannten Lösungen erscheint die, die in der US-Patentbeschreibung Nr. 4.121.393 zu finden ist. Bei dieser sind zwischen Fundament und Wandkonstruktion elastische Elemente eingebaut, wodurch die Weitergabe von Erdbewegungen verringert wird. Einige Teile der Elemente bestehen aus Bronze-, Kupfer-, Titan- und sonstigen Platten, zwischen denen infolge der senkrechten Belastung Reibung.auftritt. Die Reibungskraft dient zur Sohwingungsdämpfung, Trotz der Originalität ist es nicht zu erwarten, daß sich die Lösung weit verbreitern wird, da die Reibung bei wiederholten Beben nicht als konstant angesehen werden kann. Das Maß der Dämpfung kann darüber hinaus rechnerisch nicht verfolgt werden, einerseits wegen der Formveränderung der einzelnen Elemente, anderseits wegen der Veränderung der Eigenschaften der Rauheit an den Flächen, die sich berühren.
  • Keine der in den obigen Ausführungen dargelegten Verfahren ist geeignet, das Problem zufriedenstellend zu lösen. Ihr wichtigster Mangel besteht darin, daß die Konstruktionselemente im Falle ihrer Beschädigung nicht in der Lage sind, die senkrechte Belastung mit Sicherheit zu tragen. Wegen der großen Formveränderungen, hauptsächlich wegen der in waagerechter Richtung, entstehen schwerwiegende Stabilitätsprobleme. Deshalb, wenn auch die oberen Teile des Baus infolge der seismischen Beanspruchung nicht beschädigt werden, fallen die Gebäude wegen der Unzulänglichkeiten der Stabilität der Säulen oft ein.
  • Eine große Sorge bereitet - und sie ist bisher ungelöst - die Tatsache bei den bekannten Konstruktionen, daß die Richtung der Erdstöße und die daraus resultierenden seismischen Kräfte, völlig beliebig ist. Die Konstruktionslösungen machen nämlich die Anpassung an die Beliebigkeit nicht möglich, das heißt, daß die Starrheit in der waagerechten Ebene in jeder Richtung nahezu die gleiche ist. Es wurde versucht, daran mit Federn, die aus Gummiblöcken gebildet wurden, zu helfen, die Methode erwies sich jedoch wegen der lediglich elastischen Formveränderung nicht geeignet, genügend Energie zu absorbieren.
  • Bei den bekannten Lösungen sind die aufgetauchten Schwierigkeiten von ökonomischer Natur. Die Kosten der lasttragenden. Konstruktionen bei durchschnittlichen Gebäuden machen etwa 40 % der vollen Investitionskosten aus, während die restlichen 60 % für sonstige Konstruktionen wie zum Beispiel für Türen, Fenster, Raumteilerwände, Beläge, installationstechnische Ausrüstungen und für sonstige Anlagen verwedet wird, die mit dem Gebäude im allgemeinen im Zusammenhang stehen. Ein bedeutender Teil von ihnen wird bei Erdstößen größerer Intensität auch dann unbrauchbar, wenn die lasttragenden Konstruktionen nicht kaputt gehen. Die größere Sorge wird aber jedoch wegen der Reparatur und der Verstärkung lasttragender Konstruktionen bereitet, in den meisten Fällen ist es aber unmöglich zu erreichen, daß die beschädigte lasttragende Konstruktion bei Wiederholung der Erdstöße die ursprüngliche Eigenschaften hinsichtlich der Belastbarkeit besitzt.
  • Grundlage des Patentes ist die Erkenntnis, daß eine solche Einlagekonstruktion verwendet werden soll, wobei die Vorteile der am weitesten entwickelten beibehalten werden, aber die Mängel auszumerzen sind. Sie soll dann zwischen Fundament und Wandkonstruktion eingebaut worden. Das Fundament "lebt" zusammen mit dem Boden infolge der seismischen Kräfte, somit sind dafür die gleichen Bewegungscharakteristika - Seschwindigkeit, Beschleunigung, Amplitude - gültig wie für den Boden selbst, während sich in der Wandkonstruktion nur solche Bewegungen vor sich gehen, deren Ausbildung die zwischengebauten elastisch-plastische Einlagekonstruktionen zulassen.
  • Mit anderen Worten, durch die Wahl der Einlagekonstruktion für Dämpfung können wir steuern, welche waagerechte Belastung die Wandkonstruktion maximal bekommen soll. Das kann dadurch erreicht werden, daß zwischen Fundament und Wandkonstruktion ein solches Federsystem eingebaut wird, das höchstens solche seismische Kräfte zuläßt, die sich aus der Windlast waagerecht entstehen würden, während das System beim Auftreten höherer Kräfte "fließt", und deshalb es wegen seiner plastischen Formverändderung für die Weiterleitung größerer Kräfte automatisch ungeeignet wird.
  • Zum Patentgedanken gehört auch, daß die Einlagekonstruktion für die Dämpfung aus einem Dämpfungsteil mit großer Fähigkeit der elastischen Formveränderung, sowie aus einem Energie-Absorptionsteil (plastischer Teil) mit großer Effektivität zusammenzusetzen ist. Der Teil für die Bewegungsdämpfung kann als eine Konstruktion bestehend aus abwechselnd übereinander gelegten Gummischichten und Stahlplatten leicht und gut aufgebaut werden. Der Energie-Absorptionsteil kann aus solchen, zweckmäßigerweise senkrechten Stahldornen beziehungsweise aus einem Satz von Stahldornen bestehen, der sowohl ins Fundament als auch in die Wandkonstruktion hineinreicht. Die Abmessungen der Dornen sind so gewählt, daß sie bei größeren waagerechten Belastungen als die Windlast in den Fließbereich kommen.
  • Dem Gesteckten Ziel entsprechend dient die Einlagekonstruktion für Dämpfung laut Patent der Verringerung seismischer Kräfte und Beanspruchungen an Gebäuden - die der Woiterleitung von Bodenbewegungen auschaltet, oder zumindest verringert, und zwischen Fundament und Wandkonstruktion eingebaut ist - so ausgebildet, daß die die Bentändigkeit steigernde Einlagekonstruktion von einem elastisch- plastischen Federnsystem gebildet wird, das Federnsystem enthält einen Teil der Bewegungsdämpfung mit hoher Fähigkeit der elastischen Formveränderung, sowie einen Energie-Absorptionsteil (plastischer Teil) mit großer Effektivität, der Teil für Bewegungsdämpfung besteht aus über einander gelegten Gummischichten, die von Stahlplatten umgeben werden, der Teil für Energie-Absorption besteht aus Reihen von'Stahldornen, die in die einander gegenüber liegenden Eächen des Fundaments und der Wandkonstruktion hineinreichen, und bei größeren Beanspruchungen als diejenige, die sich aus der maximalen Windlast resultieren, für die Aufnahme der Beanspruchung ungeeignet sind.
  • Ein weiteres Kennzeichen der Einlagekonstruktion für Dämpfung laut Patent kann sein, daß der Teil für Bewegungsdämpfung mindestens aus zwei Schichten an Hartgummiplatten und mindestens aus drei Schichten an Stahlplatten zusammengesetzt ist, die so entwickelte Schichtkonstruktion besitzt vorteilhaft sowohl an der Seite des Grundkörpers als auch an der Seite der Wandkonstruktion je eine Unterlage für die Lastverteilung. Sowohl der Grundkörper als auch die Wandkonstruktion sind für die Aufnahme der Stahldornen für die Energie-Absoprtion geeignet, zweokmäßigerweise verfügen sie über BUchsen, die aus Stahlrohren ausgebildet sind. Die Büchsen sind sowohl in den Grundkörper als auch in die Wandkonstruktion ohne Bewegungsmöglichkeit eingelassen, vorteilhaft, sie sind einbetoniert.
  • Die Buohsen reichen in einer Tiefe ins Innere des Grundkörpers und der Wandkonstruktion, die mindestens das Vierfache, vorteilhaft aber mindestens das Sechsfache des Durchmessers der ihrer Durchmesser ausmachen. Die Stahldornen reichen in einer Tiefe ins Innere der Buchsen, die mindestens das Dreifache, vorteilhaft aber mindestens das Fünffache ihres Durchmessers ausnacht. Zwischen den Enden der Stahldornen und dem Unterteil der Buchsen ist ein Luftkissen freigelassen.
  • Die Stahldornen sind durch die Schichtkonstruktionen, die aus Gummiplatten und Stählplatten zusammengesetzt sind, beim Freilassen eines Luftkissens vorteilhaft locker durchzogen. Zwischen die äußere Mantelflache der Stahldornen und die innere Mantelfläche der Buchsen ist zweckmäßig ein Schmierstoff in filmartig dünnen Schichten aufgetragen für die Verringerung der Reibung, Sowohl der Grundkörper als such die Wandkonstruktion verfügen in der Nähe der Buchsen zweckmäßig in der Torm räumlicher Bügel über Verstärkungscinlagen.
  • Bei der zweckmäßigen Ausführungsform der Einlagekonstruktion für Dämpfung ist das elastisch- plastische Federnsystem zwischen den Grundkörper und die Wandkonstruktion abschnittsweise eingebaut, und jeder Abschnitt enthält sowohl einen Teil für Bewegungadämpfung als auch einen Teil für Energieabsorption.
  • Das ganze Federnsystem, oder gegebenfalls einige seiner Teile, haben entlang der Ränder anstelle der Stahldornen Buchsen mit kleinerer Steifheit. Die zusätzlichen Buchsen sind in einen elastischen Füllstoff eingebettet.
  • Der größte Vorteil der Einlagekonstruktion für Dämpfung laut Patent besteht darin, daß der Energie-Absorptionsteil im Falle von Beben infolge von Kräften, die die Beanspruchung aus der Windlast überschreiten, in den Fließbereich kommt, so kann er vom Fundament, das sich mit dem Boden zusammen bewegt, keine weiteren, größeren Kräfte an die Wandkonstruktion, weiterleiten.
  • Der Teil für Bewegungsdämpfung mit dem geschichteten Charakter ist in der Lage, senkrechte Kräfte zu fragen, weiterhin, daß er sich infolge von wiederholten Beben in senkrechter Ebene als elastische Stützung verhält, die waagerechten Bewegungen werden durch ihn gedämpft. Der Energie-Absorptionsteil der Einlagekonstruktion, der die senkrechten Stahldornen enthält, kann - wegen seines Charakters - nur Kräfte in waagerechter Richtung aufnehmen, auf Kosten der plastischen Formveränderung der Dornen kann er die Energien absorbieren, die während der Beben entstanden.
  • Die Einlagekonstruktion funktioniert nach den Berechnungen auf Grund der sogenannten "progressiven Federung". Es kann deshalb mit großer Genauigkeit bestimmt werden, daß neue Federelemente nur nach dem Zustandekommen von Formveränderungan mit einem gewissen Maß ins Kräftespiel eintreten, die nur noch elastische Formveräderungenerfahren können. Infolge dessen entstehen in den Teilen, die nur elastische Fomveränderung erfahren haben, solche elastische Rückwirkkräfte, die verhindern, daß die Wandkonstruktion des Baus in waagerechtor Richtung über eine gewisse Grenze hinaus verschoben wird.
  • Es ist ebenfalls günstig, daß infolge der geometrischen und strukturellen Ausbildung des Energie-Absorptionsteilos er in der waagerechter Ebene in jeder Richtung genauso funktioniert. Auf diese Weise, ganz gleich, in welcher Richtung der Erdstoß entsteht, verhält sich der Bau dem gegenüber immer auf die gleiche Art und Weise. Dank der Einlagekonstruktion laut Patent werden auch die Investitionskosten des Baus geringer, da die lasttragende Konstruktion nur für die Windlast, das Fundament und das Kellergeschoß für die Beben mit der vorgeschriebenen Intensität zu bemessen sind. Wegen des Ausschließens der Weiterleitung einer größeren Kraft als die Windlast werden im Falle eines Bebens weder die lasttragende Konstruktion, noch die sonstigen Einrichtungsgegenstände und zusätzlichen Konstruktionen des Baus beschädigt.
  • Das Patent wird im Zusammenhang eines Beispiels anhand von Zeichnungen näher erläutert. Auf den beigefügten Anlagen sind auf
    • Bild 1 schematische Anordnung der Einlagekonstruktion in nenkrechtem Schnitt,
    • Bild 2 die Anordnung laut Bild 1 in Daraufsicht,
    • Bild 3 der Stahldorn und seine Umgebung in vergrößertem Maßstab im Vergleich zu Bild 1
    • Bild 4 Ausbildung kleinerer Steifdornen an den Rändern der Einlagekonstruktion.
  • Auf Bild 1 ist ein Abschnitt des Grundrißes A, darüber der Wandkonstruktion B zu sehen. Zwischen sie ist dio Einlagekonstruktion für Dämpfung eingebaut, die aus dem plastischen Teil für Energieabsorption und dem elastischen Teil für Bewegungsdämpfung besteht. Letzterer ist eine solche Schichtkonstruktioh, die aus den über einander angeordneten 5 Gummiplatten, sowie den 6 dazwischen liegenden und umgebenden Stahplatten zusammengesetzt ist.
  • Die aus Hartgummi hergestellten 5 Gummiplatten und die 6 Stahlplatten können in einer Stärke zusammengesetzt werden, die dem Bedarf entspreicht. Für die Stahldornen (3), die den Teil für Eneregisabsorption bilden, sind nach der auf Bild 2 angeführten Teilung Öffnungen untergebracht, durch die die 3 Dornen hindurch gelangen können.
  • Auf Bild 1 ist ersichtlich, daß unter- und oberhalb der Schichtkonstruktion, die den Teil der Bewegungsdämpfung bildet, je eine 4 Unterlage für Lastverteilung angebracht ist, an denen die Wandkonatruktion B an den Teil für Bewegungsdämpfung, letzterer auf den Grundkörper gestützt ist. Die 3 Stahldornen gelangen nicht unmittelbar in dio für sie ausgebildeten Öffnungen zwischen Grundkörper A und Wandkonstruktion B, sondern sie reichen ins Innere der Buchsen 1 hinein, die zweckmäßigerweise aus Stahlrohr gefertigt sind.
  • Die Buchsen 1 sind von starken, räumlichen Bügeln 7 in mindestens 2 Riohtungen umgeben, durch die sie in ihrer Lage stabilisiert werden, darüber hinaus wird der Teil des Grundkörpers A und der Wandkonstruktion B in der Umgebung der Buchsen 1 größere Festigkeit besitzon. Die Buchsen 1 sind deshalb nowohl in den Grundkörper A als auch in die Wandkonstruktion B starr eingebettet.
  • Nach unseren Versuchserfahrungen ist es zweckmäßig, wenn die Buchsen 1 mindestens 6-mal so tief in den Betonkörper des Grundkörpers A und der Wandkonstruktion B hineinreichen, wie ihr eigener Durchmesser ist. Bild 3 zeigt, daß die Stahldornen 3 nicht entlang des Innenteiles der Buchsen 1 reichen, aber sie reichen in sie mindestens in einer Länge ein, die das Fünffache ihres Durchmessers mindestens ausnacht.
  • Auf diese Weise entsteht zwischen dem Unterteil 1a der Buchse 1 und den Enden 3a der Stahldornen 3 ein Luftkissen, das sich infolge der senkrechten Lasten und /oder Beben in kleinerem oder größerem Maße schließen kann, aber gleichseitig die Möglichkeit für die Fortbewegung in axialer Richtung zwischen dem Stahldorn 3 und der Buchse 1 zuläßt.
  • Ähnlich dient der Möglichkeit der Bowegung, zwischen dem Teil für Bewegungsdämpfung und dem Teil für Energieabsorption die Tatsache, daß die Stahldornen 3 durch die Gummiplatten 5, durch die sie umgebenden Stahlplatten 6 locker durchzogen sind, somit bleibt zwischen ihren Mantelflächen die Luftspalte 8 frei. Schließlich, aber nicht zuletzt, kann die leichte, teleskopartige Bewegung der Stahldornen 3 innerhalb der Duchsen 1 dadurch erleichtert werden, wenn zwischen die äußere Mantelfläche der Stahldornen 3 und die innere Mantelfläche der Buchse 1 solcher Schnisrstoff 9 hineingebracht wird, der der Verringerung der Reibung zwischen ihnen dient.
  • Auf Bild 4 wird die Möglichkeit gezeigt, daß die Stahldornen 3 entlang der Ränder der Einlagekonstruktion für Dämpfung durch die zusätzlichen Dornen 10 mit kleinerer Steifheit ersetzt werden können. In diesem Fall wird natürlich der Luftspalt 8 und das Auftragen des Schmierstoffes 9 nicht benötigt, es ist aber zweckmäßig, den zusätzlichen Dorn 10 mit kleinerem Durchmesser in irgend ein Füllmaterial einzubetten. Letzteres kann zum Beispiol aus Gummi gefertigt werden.
  • Die Büchsen 1 werden zweckmäßig im voraue sowohl in den Grundkörper A als auch in die Wendkonstruktion B hineinbeteniert, und zur gleichen Zeit werden die räumlichen Verstärkungsbügel 7 in der Umgebung der Buchsen 1 fertiggemacht. Sowohl auf Bild 3 als auch auf Bild 4 ist as ersichtlich, daß die Gummiplatten 5 und die Stahlplatten 6 zweckmäßig mittels Kleben miteinander verbunden werden.
  • Auf Bild 3 sind der Stahldorn 3, sowie in der Schichtkonstruktion bestehend aus den Gummiplatten 5 und den Stahlplatten 6 ein dünnwändiges Futterrohr 2 für den Stahldorn untergebracht.
  • Durch das Futterrohr 2 wird verhindert, daß schädliche Einfräsungen im Teil für Energieabsorption infolge der Bewegungen auftreten können.
  • Aus der auf Bild 1 dargestellten Einlagekonstruktion für Bämpfung kann natürlich nicht nur eine, sondern bei Bodarf auch mehrere zwischen den Grundkörper A und die Wandkonstruktion B untergebracht werden. Die Gruppen der so angelegten Einlagekonstruktionen für Dämpfung ergänzen ihre Wirkung unter einander, beziehungsweise, sowohl ihre Wirkung der Bewegungsdämpfung als auch ihre Wirkurg der Energieabsorption werden superponiert, das heißt, sie funktionieren als parallel geschaltete Federn-Systeme.
  • Die Einlagekonstruktion für Dämpfung laut Patent dient dem Schutz von Gebäuden an beliebigen Orten, die seismischen Bewegungen ausgesetzt sind. Sie kann auch bei besonderen Bauten zum Beispiel bei Kraftwerken, Hütten, Reaktoren usw. angewendet werden, aber dort sind nicht die Horizontalkräfte, die der Windlast entsprechen, zu berücksichtigen, beziehungsweise auch nicht die Beschleunigungswerte, die diesen Horizontalkräften entsprechen.
  • Heute sind die Bauwerke im allgemeinen an Beanspruchungen von horizontalen Kräften des Windes und Erdbebens geplant und berechnet.
  • Unter Berücksichtigung der großen Wahrscheinlichkeit der maximalen Windlast, werden Bauwerke so geplant und berechnet, daß bei Windlastbeanspruchungen alle Konstruktionselemente während der ganzen Lebensdauer der Bauwerke unbeschädigt bleiben.
  • Gegen überdimensionale Erdbebenkräfte werden Bauwerke so geplant und bemessen, daß die Konstruktionselemente unter seismischen Beanspruchungen nicht zerstört werden können. Man muß allerdings mit dem Auftritt von schweren Konstruktionsschäden rechnen.
  • Die Hauptursache der Beschädigungen ist der Vorgang von Energieabsorbtionen, die das Gleichgewicht der-kinetischen und potentiellen Energie im Konstruktionssystem während der ganzen Dauer des Erdbebens gewährleisten.
  • Die Kosten zur Vermeidung von Konstruktionsschäden belaufen sich im Weltdurchschnitt auf ca. 4-6 % der gesamten Baukosten.
  • Demgegenüber vervielfachen sich die Kosten nach seismischen Schäden bei Wiederherstellungen des Bauwerkes bzw. bei Verstärkungen. Das kann in schweren Fällen 40-60 % der gesamten Baukosten betragen.
  • Das hier betrachtete elasoplastische Federsystem, das zwischen dem Fundament und dem Untergeschoss von Bauwerken eingebaut wird, ist von folgenden Eigenschaften gekennzeichnet:
    • 1. Die horizontale Federsteifigkeit des Federsystems muß man so planen und bemessen, daß die bei einem Erdbeben auftretenden horizontalen Kräften und Beanspruchungen, an den Konstruktionen keine größeren Werte als die, die bei maxi- malen Windeffektentauftretenden, erreichen. Das kann ereicht werden, daß bei grösseren Windlasten die horizontalen Kräfte die Federelemente im plastischen Zustand belasten, wodurch an den Konstruktionen nur solche Beschläunigungen entstehen, zu welchem nach Newtonsches Gesetz und d'Alembert's Prizipgleiche seismische Kräfte und Beanspruchungen von Windkräften und Beanspruchungen gehören.
    • 2. So ist der ganze Vorgang von Energieabsorbtioneh des Konstruktionssystems unabhängig, da sich die Belastung der Baukörper in den Federelementen verläuft.
    • 3. Entsprechende Versuche haben erwiesen, daß die Federelemente zwei aufeinander folgenden Erdbeben der Intensität MSK VIII - IX standhielten, das heißt, die Federelemente besaßen nach einer ersten Belastung noch genügend Festigkeit um bei einem zweiten Belastungsfall die auftretende Energie zu absorptieren. Selbstverständlich ist es ebenfalls möglich, Federelemente für Erdbebenstärke MKS IX - X einzusetzen.
    • 4. Im Bauguerschnitt werden die Federelemente so verteilt, daß der Massen- und Steifigkeitsschwerpunkt sowie die Hauptinertia und Hauptsteifigkeitsachse zusammenfallen. So können die Torsionsschwingungen ausgeschlossen werden.
    • 5. In speziellen Fällen, wie z.B. bei Kernkraftwerken etc., kann die Federsteifigkeit so bemessen werden, daß keine über dem zugelassenen Maß hinausgehenden seismischen Beanspruchungen auftreten können.
    • 6. Allgemein zu den Kosten: Die Kosten,die beim Einsatz der Federelemente zu verzeichnen sind, erreichen in keinem Falle die Kosten für die mit den bisher bekannten Methoden durchgeführten Verhütungsmaßnahmen.
  • Bei einem Einsatz von Federelementen entfällt eine Kalkulation mit eventuellen Wiederherstellungs- oder Sanierungskosten gänzlich, da die auf den Baukörper wirkenden Kräfte die Belastungswerte einer maximalen Windlast nicht ereichen können.
    • Definition des Systems
    • Das System besteht aus:a) zwischen dem Fundament und dem Baukörper einzulegenden Sandwich-Elementen, die sich ihrerseits aus Stahlplatten und dazwischen eingeklebten oder einvulkanisierten Gummilagen zusammensetzen.
    • b) zu der Flächeder Sandwich-Elementen senkrecht eingesetzten Stahldornen.
  • Die letzteren werden durch die Baukörpergrundplatte bzw. durch die Bohrungen der Sandwich-Elemente in das Fundament eingeführt. Die Führung der Stahldornen wird mit Hilfe von eingesetzten Rohrbuchsen gewährleistet.
  • Die Stahl-Dornen können bei Bedarf ausgewechselt werden.
  • Zusammenfassend ist zu erklären, daß die vertikalen Belastungen durch die Sandwich-Elemente, und die horizontalen Belastungen durch die Stahlfederelemente und auch durch die Sandwich-Elemente aufgefangen werden.

Claims (13)

1 Einlagekonstruktion für Scbbwingungsdämpfung zur Verringerung seismischer Kräfte und Beanspruchungen, die en Gebüuden entstehen, sie dient der Verhinderung aber zumindest der Verringerung der Weiterleitung von Bodenbeweguagen, und sie ist zwicchen Fundament und Wandkonstruktion eingebaut, charakterisiert dadurch, daß die Einlagekonstruktion zur Steigerung der beständigkeit von einem elastisch- plastischen Federnsysten gebildet wird, des Federnsystem enthält einen Teil für Bewegungsdämpfung mit großer Fähigkeit der elastischen Formveränderung, sowie einen plastischen Teil für die Energieabsorption mit großer Effektivität, der Teil für Bewegungsdämpfung bestekt aus überejnandergelegten Cummiplatten (5), die von Stahlplatten (6) umgeben sind und eine Schichtkonstruktion bilden, der Teil für Energieabsorption reicht in die einander gegenüber liegenden Flächen des Fundamentes (A) und der Wandkonstruktion (B) hinein, er ist als eine Reihe von Stahldornen (3) aufgebaut, die für die Aufnahme von Belastungen, die größer als die aus der maximalen Windlast resultierenden Belastungen sind, ungeeignet ist.
2 Auaführungsform der Einlagekonstruktion laut Anspruchspunkt 1, damit charakterisiert, daß der Teil für Bewegungsdämpfung aus mindestens zwei Hartgummiplatten (5) und aus mindestens drei Schichten Stahlplatten (6) zusammengesetzt ist, sowokl an der Seite des Fundamentes (A) ab auch an der Seite der Wandkonstruktion (B) der so gebildeten Schichtkonstruktion ist je eine Unterlage für Lastverteilung (4) angebracht.
3 Ausdührungsform der Einlagekonstruktion laut Ansprcuhspunkt 1, damit charakterisiert, daß nowohl das Fundament (A) als auch die Wandkonstruktion (B) für die Aufnahme der Stahldornen (3) des Teiles für Energieaboorption geeignet sind, sie verfügen zweckmäßig über Buchsen (1), die aus Stahlrohr hergestellt sind.
4 Ausführungsform der Einlagekonstruktion laut Anspruchepunkt 3, damit charakterisiert, daß die Buchsen (1) sowohl ins Fundament (A) als auch in die Wandkonstruktion (B) bewegungsfrei eingefaßt sind, vorteilhaft sind sie einbetoniert.
5 Ausführungsform der Einlagekonstruktion laut Anspruchcpunkte 3 oder 4, damit charakterisiert, daß die Buchten (1) in einer Tiefe ins Fundament (A) und in die Wandkonstruktion (B) hineinreichen, die mindestens das Vierfache, vorteilhaft mindestens das Sechsfache ihres Durchmessers ist.
6 Ausführungsform der Einlagekonstruktion laut Ancpruchcpunkte 3 oder 4 oder 5 - beliebig -, damit charakterisiert, daß die Stahldornen (3) in einer Tiefe ins Innere der Buchsen (1) hineinreichen, die mindestens das Dreifache, vorteilhaft das fünff- fache ihreo eigenen Durchmensers ausmachen.
7 Ausführungsform der Einlagekonstruktion laut Anspruchspunkt 5 oder 6, damit charakterisiert, daß zwischen den Enden der Stahldornen (3) und dem Unterteil (1a) der Duchsen (1) ein Luftkissen (12) freigelassen ist.
8 Ausführungsform der Einlagekonstruktion beliebig nach einem der Anspruchspunkte 1-7, damit charakterisiert, daß die Stahl- dornen (3) durch Freilassung eines vorteilhaften Luftspaltes (8) in der Schichtkonstruktion, bestehend aus Gunmiplatten (5) und Stahlplatten (6), locker durchzogen sind.
9 Ausführungsform der Einlagekonstruktion beliebig nach einem der Anapruchspunkte 1-8, damit charakterisiert, daß zwischen die Hußere Mantelfläche der Stahldornen und die innere Mantelfläche der Buchsen (1) vorteilhaft ein Schmierstoff (9) filmartig dünnschichtig aufgetragen zur Verringerung der Reibung eingebracht wird.
10 Ausführungsform der Einlagekonstruktion beliebig nach einem der Anspruchspunkte 1-9, damit charakterisiert, daß sowohl das Fundament (A) als auch die Wandkonstruktion (B) in der Nähe der einbetonierten Buchsen (1) in der Form eines räumlichen Bägels (7) über Verstärkungseinlagen verfügt.
11 Ausführungsform der Einlagenkonstruktion beliebig nach einem der Ansprucbspunkte 1-10, damit charakterisiert, daß das elastisch- plastische Federnsystem swischen Fundament (A) und Wandkonstruktion (B) abschnittsweise eingebaut ist, und jeder Abschnitt enthält gleichermaßen einen Teil für Bewegungsdämpfung und einen Teil für Energieabsorption.
12 Ausführungsform der Einlegekonstruktion boliebig nach einen der Anspruchspunkte 1-11, damit charakterisiert, daß an den Rändern des gesamten Federnsystems oder gegebenfalls an dessen Teilen die Stahldornen (3) durch zusätzliche Buchsen (1a) mit kleinerer Steifheit ersetzt sind.
13 Ausführungsform der Einlagekonstruktion nach Anspruchspunkt 12, damit charakterisiert, daß die zusëtslichen Buchsen (1a) in ein elastisches Füllmsterial (11) eingabettet sind.
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