EP1544366A1 - Gebäude aus vorfabrizierten Raumzellen - Google Patents

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Publication number
EP1544366A1
EP1544366A1 EP04106406A EP04106406A EP1544366A1 EP 1544366 A1 EP1544366 A1 EP 1544366A1 EP 04106406 A EP04106406 A EP 04106406A EP 04106406 A EP04106406 A EP 04106406A EP 1544366 A1 EP1544366 A1 EP 1544366A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
building
bearing element
elastic bearing
room
floor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04106406A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Fritz Stucky
Frank Rodgers
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Elcon AG
Original Assignee
Elcon AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Elcon AG filed Critical Elcon AG
Publication of EP1544366A1 publication Critical patent/EP1544366A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04B—GENERAL BUILDING CONSTRUCTIONS; WALLS, e.g. PARTITIONS; ROOFS; FLOORS; CEILINGS; INSULATION OR OTHER PROTECTION OF BUILDINGS
    • E04B1/00—Constructions in general; Structures which are not restricted either to walls, e.g. partitions, or floors or ceilings or roofs
    • E04B1/348—Structures composed of units comprising at least considerable parts of two sides of a room, e.g. box-like or cell-like units closed or in skeleton form
    • E04B1/34815—Elements not integrated in a skeleton
    • E04B1/34823—Elements not integrated in a skeleton the supporting structure consisting of concrete

Definitions

  • the invention relates to a building of prefabricated room cells in the preamble of claim 1 mentioned type.
  • Such a space cell consists of a base plate and upright standing load-bearing end elements. It is known from the CH 415011, the successive Keep space cells in the right position by means of suitable pins. It is known from CH 503854 for the compensation of small height differences and for a uniform load distribution too on the one hand bearing plates and on the other hand spacers, which are slightly compressible, between the end elements and the bottom plate of the overlying room cell to order.
  • the Intermediate pieces are statically designed so that they are the vertical loads between each other compensate, but because they are not deformable in the horizontal direction, any horizontal forces transferred undiminished from floor to floor.
  • WO 9624735 several methods are described for prefabricated room units that have a U-shaped Have cross-section to connect with each other.
  • the connection will be special Fasteners made of metallic components and a neoprene rubber block consist.
  • the room units are rigidly bolted together so that any horizontal forces be transferred directly from room unit to room unit. However, the horizontal force exceeds one predetermined value, then the screws shear off and the power transmission is from the neoprene rubber block accepted.
  • This solution has several disadvantages. In an earthquake, the Horizontal forces are transferred unchanged from room unit to room unit, as long as the screws are intact stay. Only when the screws are no longer able to withstand the forces, the forces should be caught by the neoprene rubber block.
  • the invention has for its object to construct a building of prefabricated space cells, the earthquake, which does not exceed a predetermined strength, survives without damage.
  • the invention relates to a building with several floors, which consists of prefabricated room cells is formed.
  • Each room cell has a bottom plate and at least two perpendicular to the bottom plate extending end elements.
  • According to the invention is between the end elements of a room cell and placing an elastic bearing element over the adjacent floor panel of an adjacent room cell, which is elastically deformable in the horizontal direction and a deflection of the end element opposite the overlying floor slab of at least 1 centimeter allowed.
  • the term "in horizontal Direction deformable means that the bottom and the top of the elastic bearing element are deflected relative to each other.
  • the floors are comparatively rigid structural elements, the are separated by a plurality of elastic bearing elements.
  • the bearing elements take one certain proportion of the mechanical stress occurring in an earthquake. Ideally distributed the load on the different floors, so that each floor only a fraction of the must absorb all mechanical stress.
  • the elastic bearing element is preferably a body of elastically deformable material, the is reinforced by extending in the horizontal plane extending metal plates, so that the elastic Bearing element is under the weight of the overlying floors only slightly deformed and not or only slightly bulges.
  • limiting means are preferably present in each room cell, which limit the deflection of the Limit bearing element in the horizontal direction to a predetermined value, so that the load The earthquake actually spreads to the various floors.
  • the limiting means For example, have a mandrel anchored to the end member and one with the reinforcement of the bottom plate connected metal plate on.
  • the metal plate and the elastic bearing element also contain an implementation. When the building is assembled, the spike protrudes through the passage of the elastic bearing element and the implementation of the metal plate. When the elastic bearing element deformed in a seismic shock, then moves the tip of the cathedral relative to Passing in the metal plate, and comes when the deformation exceeds a predetermined degree, at the edge of the passage to the stop. Another deformation of the elastic bearing element is not possible anymore.
  • the mandrel is preferably conical and the implementation in the elastic bearing element cylindrical. If the elastic bearing element is deformed, then comes, starting with the bottom, one metal plate after the other at the mandrel to the stop. This causes relatively strong Earthquake a uniformly distributed over its height load of the elastic bearing element.
  • Fig. 1 shows a perspective view of a prefabricated room cell 1, as in the state of Technique is known.
  • the room cell 1 is manufactured in a factory and transported to the place to the building is being built.
  • the room cell 1 has a bottom plate 2 and at least two, on opposite narrow sides 3, 4 of the bottom plate 2 arranged perpendicular to the bottom plate. 2 extending, load-bearing end elements 5.
  • the total of four carriers 6 are located at the four corners of Bottom plate 2.
  • the end elements 5 and the bottom plate 2 are rigid, i. bend-resistant, with each other connected.
  • Such a space cell 1 can additional, drawn with dashed lines, to the Longitudinal sides arranged carrier 6 'included.
  • Such space cells are in the art as E-shaped Space cells known.
  • Fig. 1 further shows schematically elastic bearing elements 7, as described below Assembling of several room cells 1 to a building between each end element 5 or
  • the elastic Bearing elements 7 have the task of an earthquake lateral displacement of one above the other to allow lying room cells, i. a shift in the horizontal direction of the one Room cell with respect to the room cell above.
  • an E-shaped room cell are also between the arranged on the longitudinal sides of the carrier and the bottom plate of the overlying Room cell elastic bearing elements 7 installed.
  • Fig. 2 shows a side view of the structure of a prefabricated room cells 1 composed Building 8 during a earthquake shock.
  • the illustrated section are eight room cells 1, which form four floors 9 - 12, with the ground floor being the first floor.
  • the Floor panels 2 of the space cells 1 placed next to each other are known by a rigid, known Connection 13 connected together.
  • the connection 13 consists for example of a metal plate, which is welded to the reinforcing iron of the adjacent floor panels 2.
  • Adjacent end elements 5 are usually not or only separated by a small distance, are in the drawing they are shown at a distance for the sake of clarity.
  • the room cells 1 of the ground floor or first floor 9 are connected via an elastic bearing element. 7 stored on a mounted on or in the ground 14 foundation 15.
  • the foundation 15 forms the base of the building 8 and supports the building 8.
  • Each room cell 1 is about elastic bearing elements 7 stored on the underlying room cell 1.
  • a roof or attic 16 is about elastic Bearing elements 7 mounted on the underlying room cells 1.
  • Each floor 9, 10, 11, 12 and Also, the attic 16 are rigid structural elements, by means of the elastic bearing elements. 7 with respect to all three spatial directions, i. in both horizontal directions and also in vertical Direction, are resiliently mounted.
  • the foundation 15 transmits not only the weight of Building 8 on the earth 14, but also transmits in the opposite direction shocks of an earthquake from the earth 14 to the building 8.
  • An earthquake typically causes the ground 14 to be primary in the horizontal direction and only secondarily in the vertical direction is moved. Leaving the vertical Component of the earthquake for the time being ignored, then the seismic movement or Acceleration, which is symbolized in Fig. 2 by a double arrow 17 in the ground 14, in one certain unpredictable horizontal direction having motion components which along the two horizontal main axes of the building 8 are directed.
  • Each of the floors 9 and the attic 16 has a considerable inertial mass.
  • the seismic movement of the soil 14 tends to take the building 8, i. it accelerates the building 8 in the horizontal direction.
  • the inert masses tend to stay in place, i. they resist acceleration.
  • the invention provides a remedy by the elastic bearing elements 7 occurring To absorb burdens and thus save the building 8 from destruction.
  • the building 8 symbolizes a building with comparatively rigid floors 9-12.
  • Vertical, dash-dotted lines 18 mark the rest position of the building 8 in the normal state.
  • the floors 9-12 are completely rigid, i.e. are inelastic.
  • the building 8 behaves ideally when in an earthquake with a predetermined strength (for example, a predetermined strength on the Richter scale), which is referred to as the worst case, the foundation 15 the displacement of the soil 14 join in, while the attic 16 remains in place and no significant shift experiences. So if the ground 14 in Fig.
  • Each elastic bearing element 7 thus absorbs about 20% of the total seismic load, the acting on a vertical support axle of the building 8, and transfers the rest to the overlying Floor.
  • none of the floors 9-12 of the building 8 is 100% of the seismic load but the load is evenly distributed on all floors 9 - 12.
  • the lowest Bearing element 7 is exposed to 100% of the load, but transmits it only gradually, as each above floor also absorbs part of the load.
  • the Self-elasticity of the elements of the space cells 1 amplifies or compensates for the deformation of the elastic bearing elements 7.
  • the elastic bearing elements 7 are designed to have a absorb a comparatively large proportion of the seismic energy or stress, which is the elements the room cells 1 protects against overload. Part of the absorbed energy is due to friction converted into heat, while the rest is stored elastically in the manner of a spring.
  • Fig. 3 shows a side view and in cross section of a first embodiment of an elastic Bearing element 7 in a simple design in the deformed state.
  • the bearing element 7 is made of a body 19 of elastically deformable material, preferably of neoprene, with parallel to the horizontal plane extending metal plates 20 is reinforced. Strengthen the metal plates 20 the dimensional stability of the body 19, so that the body 19 after assembly of the building under the weight of the overlying floors not or only slightly deformed.
  • the bottom and the top of the bearing element 7 will be preferred during assembly of the building 8 ( Figure 2) glued to the end member 5 and the bottom plate 2.
  • Fig. 4 shows a side view and in cross section of a second embodiment of the elastic Bearing member 7 in the state of maximum deformation, the between an end member 5 of a first Room cell 1 and the bottom plate 2 of an overlying second room cell 1 is inserted.
  • the Room cells 1 are provided with limiting means, the deformation or deflection of the Limit bearing element 7 in the horizontal direction to a predetermined value, and the Bearing element 7 is designed to cooperate with the limiting means.
  • the bearing element 7 has a in the vertical direction 21, and thus perpendicular to the metal plates 20 extending Run 22 on.
  • the room cells 1 have a metal plate 23 with a passage or Recess or cavity 24, with existing in the bottom plate 2 reinforcing iron is welded.
  • a mandrel 25 is anchored.
  • the elastic bearing element 7 placed on the mandrel 25, which thus projects into its passage 22, and then the upper room cell 1 placed on the lower room cell 1.
  • the mandrel 25 protrudes through the Passage 22 of the bearing element 7 and into the cavity 24 of the metal plate 23 of the Base plate 2 of the upper room cell 1 into it.
  • the passage 22 in the bearing element 7 is preferred cylindrical and the mandrel 25 is preferably conical. If the bearing element 7 in consequence of various, acting on the bottom 26 and the top 27 forces in the horizontal direction deformed or deflected, then comes first the lowest, then the second lowest, etc. metal plate 20 on the mandrel 25 to stop.
  • the mandrel 25 itself comes in the extreme case, i. at the maximum permissible deformation of the bearing element 7, at the edge of the cavity 24 to the stop. According to the As described above, the mandrel 25 comes to the edge of the cavity 24 to stop when the bottom 26 has shifted from the top 27 of the bearing element 7 by 2 cm. The Bottom 26 can thus opposite the top 27 of the bearing element 7 at most by one move the predetermined distance D. As shown in Fig. 5, it is alternatively possible, the mandrel 25th cylindrical and the implementation in the body 19 conical form. Also in this case comes first the bottom, then the second bottom, etc. metal plate 20 on the mandrel 25 to stop. Both solutions ensure that in the allowed extreme case, the deformation of the body 19 evenly distributed over his height takes place.
  • the body 19 is therefore preferred with a chemical powder or crystals that undergo heat under mechanical stress absorb chemical reaction or partial melting and thus remove heat from the body 19 and reduce the temperature increase.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gebäude (8) mit mehreren Stockwerken (9-12), das aus vorfabrizierten Raumzellen (1) gebildet ist. Jede Raumzelle (1) weist eine Bodenplatte (2) und mindestens zwei senkrecht zur Bodenplatte (2) verlaufende Endelemente (5) auf. Zwischen den Endelementen (5) einer Raumzelle (1) und der darüberliegenden Bodenplatte einer benachbarten Raumzelle ist ein elastisches Lagerelement (7) platziert, das in horizontaler Richtung deformierbar ist und eine Auslenkung des Endelements gegenüber der darüberliegenden Bodenplatte von mindestens 1 Zentimeter erlaubt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Gebäude aus vorfabrizierten Raumzellen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
Gebäude aus vorfabrizierten Raumzellen sind seit Jahrzehnten bekannt, verwiesen wird insbesondere auf die Patente der Firma Elcon AG. Eine solche Raumzelle besteht aus einer Bodenplatte und aufrecht stehenden lasttragenden Endelementen. Aus der CH 415011 ist es bekannt, die aufeinander gestellten Raumzellen durch geeignete Zapfen in der richtigen Lage zu halten. Aus der CH 503854 ist es bekannt, für den Ausgleich von kleinen Höhenunterschieden und um eine gleichmässige Lastverteilung zu erhalten einerseits Lagerplatten und andererseits Zwischenstücke, die geringfügig kompressibel sind, zwischen den Endelementen und der Bodenplatte der darüberliegenden Raumzelle anzuordnen. Die Zwischenstücke sind statisch derart ausgelegt, dass sie zwar die Vertikallasten untereinander ausgleichen, aber da sie in horizontaler Richtung nicht deformierbar sind, allfällige Horizontalkräfte unvermindert von Stockwerk zu Stockwerk übertragen.
Der Erdbebensicherheit mittelgrosser Gebäude wie z. B. Wohnbauten mit typischerweise vier bis zehn Stockwerken wurde bisher keine oder wenig Beachtung geschenkt. Als der amerikanische Architekt Frank Lloyd Wright in den 1930er Jahren das Imperial Hotel in Tokio baute, lagerte er das ganze Gebäude auf Gleitschuhen, die ihrerseits auf einem starken Fundament ruhten. Das Gebäude wies teilweise zwei und teilweise drei Stockwerke auf und war als starres Gebäude konzipiert. Das Gebäude überlebte 1937 ein stärkeres Erdbeben.
Wolkenkratzer werden traditionellerweise als starre Gebäude konzipiert. Diese Konzeption wurde nach einem schweren Erdbeben in San Francisco in den frühen 1970er Jahren in der Fachliteratur zwar in Frage gestellt, aber weiterhin beibehalten, da die Meinung vorherrschte, dass flexible Punkte mit reduzierter Starrheit im Gebäudeskelett zwar genügend stark wären, um das Gebäude zu tragen, dass sie aber ein Erdbeben nicht unbeschädigt überleben würden.
In der WO 9624735 sind mehrere Methoden beschrieben, um vorgefertigte Raumeinheiten, die einen U-förmigen Querschnitt aufweisen, miteinander zu verbinden. Für die Verbindung werden spezielle Verbindungselemente eingesetzt, die aus metallischen Bauteilen und einem Neopren-Gummiblock bestehen. Die Raumeinheiten werden starr miteinander verschraubt, so dass allfällige Horizontalkräfte direkt von Raumeinheit zu Raumeinheit übertragen werden. Übersteigt die Horizontalkraft jedoch einen vorbestimmten Wert, dann scheren die Schrauben ab und die Kraftübertragung wird vom Neopren-Gummiblock übernommen. Diese Lösung hat verschiedene Nachteile. Bei einem Erdbeben werden die Horizontalkräfte unverändert von Raumeinheit zu Raumeinheit übertragen, solange die Schrauben intakt bleiben. Erst wenn die Schrauben den Kräften nicht mehr standzuhalten vermögen, sollen die Kräfte durch den Neopren-Gummiblock aufgefangen werden. Dies bedeutet jedoch, dass die Neopren-Gummiblöcke plötzlich und schockartig belastet werden. Dies führt zu einer unkontrollierten Deformation und verursacht Überspannungen und Resonanzen. Nach einem Erdbeben, das so stark ist, dass die Schrauben zerstört werden, müssen die Verbindungselemente repariert werden. Die Schraubenstümmel sowie die Reibung zwischen den Raumeinheiten verhindern eine Rückkehr der Raumeinheiten in ihre Ausgangslage. Deshalb muss das Gebäude auseinandergenommen und neu aufgestellt werden. Die Verbindungselemente benötigen zudem viel Platz und fmden in vernünftig ausgebildeten Raumzellen nicht genügend Platz. Um genügend Halt zu geben, müssten sie in den Innenraum der Raumzellen hineinragen, was inakzeptabel ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gebäude aus vorfabrizierten Raumzellen zu konstruieren, das Erdbeben, die eine vorbestimmte Stärke nicht übersteigen, ohne Beschädigung überlebt.
Die Erfindung besteht in den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung betrifft ein Gebäude mit mehreren Stockwerken, das aus vorfabrizierten Raumzellen gebildet ist. Jede Raumzelle weist eine Bodenplatte und mindestens zwei senkrecht zur Bodenplatte verlaufende Endelemente auf. Erfmdungsgemäss ist zwischen den Endelementen einer Raumzelle und der darüberliegenden Bodenplatte einer benachbarten Raumzelle ein elastisches Lagerelement platziert, das in horizontaler Richtung elastisch deformierbar ist und eine Auslenkung des Endelements gegenüber der darüberliegenden Bodenplatte von mindestens 1 Zentimeter erlaubt. Der Ausdruck "in horizontaler Richtung deformierbar" bedeutet, dass die Unterseite und die Oberseite des elastischen Lagerelementes relativ zueinander auslenkbar sind. Die Stockwerke sind vergleichsweise starre Strukturelemente, die durch eine Vielzahl von elastischen Lagerelementen getrennt sind. Die Lagerelemente nehmen einen gewissen Anteil der bei einem Erdbeben auftretenden mechanischen Belastung auf. Im Idealfall verteilt sich die Belastung auf die verschiedenen Stockwerke, so dass jedes Stockwerk nur einen Bruchteil der gesamten mechanischen Belastung aufnehmen muss.
Das elastische Lagerelement ist vorzugsweise ein Körper aus elastisch deformierbarem Material, das durch in der horizontalen Ebene sich erstreckende Metallplatten verstärkt ist, damit das elastische Lagerelement unter dem Gewicht der darüberliegenden Stockwerke nur wenig verformt wird und nicht oder nur wenig ausbuchtet.
Bevorzugt sind zudem bei jeder Raumzelle Begrenzungsmittel vorhanden, die die Auslenkung des Lagerelements in horizontaler Richtung auf einen vorbestimmten Wert begrenzen, damit die Belastung durch das Erdbeben tatsächlich auf die verschiedenen Stockwerke verteilt wird. Die Begrenzungsmittel weisen beispielsweise einen am Endelement verankerten Dorn und eine mit der Armierung der Bodenplatte verbundene Metallplatte auf. Die Metallplatte und das elastische Lagerelement enthalten zudem eine Durchführung. Wenn das Gebäude zusammengebaut ist, ragt der Dorn durch die Durchführung des elastischen Lagerelements und die Durchführung der Metallplatte. Wenn sich das elastische Lagerelement bei einem Erdbebenstoss deformiert, dann verschiebt sich die Spitze des Doms relativ zur Durchführung in der Metallplatte und kommt, wenn die Deformation ein vorbestimmtes Mass übersteigt, am Rand der Durchführung zum Anschlag. Eine weitere Deformation des elastischen Lagerelementes ist nun nicht mehr möglich.
Der Dorn ist vorzugsweise konisch ausgebildet und die Durchführung im elastischen Lagerelement zylindrisch. Wenn das elastische Lagerelement deformiert wird, dann kommt, beginnend mit der untersten, eine Metallplatte nach der ändern am Dorn zum Anschlag. Dies bewirkt bei relativ starken Erdbeben eine gleichmässig über seine Höhe verteilte Belastung des elastischen Lagerelements.
Bevorzugt wird bei einem Gebäude nur ein einziger Typ von Lagerelementen verwendet, das für eine bestimmte maximale Deformation ausgelegt ist. Es ist aber auch möglich, verschiedene Typen von Lagerelementen zu verwenden, die für verschieden grosse Belastungen und/oder Deformationen ausgelegt sind, um der Tatsache Rechnung zu tragen, dass die Belastung der Lagerelemente durch das Gewicht der weiter oben liegenden Stockwerke und das Dach von Stockwerk zu Stockwerk abnimmt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1
eine vorfabrizierte Raumzelle,
Fig. 2
ein aus vorfabrizierten Raumzellen zusammengesetztes Gebäude,
Fig. 3
ein elastisches Lagerelement im deformierten Zustand,
Fig. 4, 5
eine Verbindung zwischen einem Endelement einer Raumzelle und einer Bodenplatte einer darüberliegenden Raumzelle, und
Fig. 6
ein weiteres aus vorfabrizierten Raumzellen zusammengesetztes Gebäude.
Die Fig. 1 zeigt in perspektivischer Ansicht eine vorfabrizierte Raumzelle 1, wie sie im Stand der Technik bekannt ist. Die Raumzelle 1 wird in einer Fabrik hergestellt und an den Ort transportiert, an dem das Gebäude errichtet wird. Die Raumzelle 1 weist eine Bodenplatte 2 und mindestens zwei, auf gegenüberliegenden Schmalseiten 3, 4 der Bodenplatte 2 angeordnete, senkrecht zur Bodenplatte 2 verlaufende, lasttragende Endelemente 5 auf. Bei der in der Fig. 1 dargestellten Raumzelle 1 besteht jedes Endelement 5 aus zwei Trägern 6. Die insgesamt vier Träger 6 befmden sich an den vier Ecken der Bodenplatte 2. Die Endelemente 5 und die Bodenplatte 2 sind starr, d.h. biegefest, miteinander verbunden. Eine solche Raumzelle 1 kann zusätzliche, mit gestrichelter Linie gezeichnete, an den Längsseiten angeordnete Träger 6' enthalten. Solche Raumzellen sind in der Fachwelt als E-förmige Raumzellen bekannt.
Die Fig. 1 zeigt weiter schematisch elastische Lagerelemente 7, die wie nachfolgend beschrieben beim Zusammensetzen mehrerer Raumzellen 1 zu einem Gebäude zwischen je einem Endelement 5 bzw.
Träger 6 und der Bodenplatte 2 der darüberliegenden Raumzelle 1 platziert wird. Die elastischen Lagerelemente 7 haben die Aufgabe, bei einem Erdbeben eine seitliche Verschiebung von übereinander liegenden Raumzellen zu ermöglichen, d.h. eine Verschiebung in horizontaler Richtung der einen Raumzelle in Bezug auf die darüberliegende Raumzelle. Bei einer E-förmigen Raumzelle sind auch zwischen die an den Längsseiten angeordneten Träger und die Bodenplatte der darüberliegende Raumzelle elastische Lagerelemente 7 eingebaut.
Die Fig. 2 zeigt in seitlicher Ansicht die Struktur eines aus vorfabrizierten Raumzellen 1 zusammengesetzten Gebäudes 8 während eines Erdbebenstosses. In dem dargestellten Schnitt sind acht Raumzellen 1 sichtbar, die vier Stockwerke 9 - 12 bilden, wobei das Erdgeschoss als erstes Stockwerk gezählt ist. Die Bodenplatten 2 der nebeneinander platzierten Raumzellen 1 sind durch eine starre, an sich bekannte Verbindung 13 miteinander verbunden. Die Verbindung 13 besteht beispielsweise aus einer Metallplatte, die mit den Armierungseisen der benachbarten Bodenplatten 2 verschweisst ist. Benachbarte Endelemente 5 sind in der Regel nicht oder nur durch einen kleinen Abstand getrennt, in der Zeichnung sind sie aus Gründen der Klarheit mit einem Abstand dargestellt.
Die Raumzellen 1 des Erdgeschosses bzw. ersten Stockwerks 9 sind über ein elastisches Lagerelement 7 auf einem auf dem oder im Erdboden 14 angebrachten Fundament 15 gelagert. Das Fundament 15 bildet die Basis des Gebäudes 8 und stützt das Gebäude 8. Jede Raumzelle 1 ist über elastische Lagerelemente 7 auf der darunterliegenden Raumzelle 1 gelagert. Auch ein Dach oder Dachboden 16 ist über elastische Lagerelemente 7 auf den darunterliegenden Raumzellen 1 gelagert. Jedes Stockwerk 9, 10, 11, 12 und auch der Dachboden 16 sind starre Strukturelemente, die mittels der elastischen Lagerelemente 7 bezüglich aller drei Raumrichtungen, d.h. in beiden horizontalen Richtungen und auch in vertikaler Richtung, federnd gelagert sind. Obwohl die Fig. 2 das Gebäude 8 nur in zwei Dimensionen zeigt, von denen nur die eine horizontal ist, sind die elastischen Lagerelemente 7 elastisch bezüglich beider horizontalen Raumrichtungen, bzw. sie sind elastisch bezüglich jeder beliebigen Richtung in der zweidimensionalen horizontalen Ebene. Das Fundament 15 überträgt nicht nur das Gewicht des Gebäudes 8 auf die Erde 14, sondern überträgt auch in umgekehrter Richtung Stösse eines Erdbebens von der Erde 14 auf das Gebäude 8. Ein Erdbeben bewirkt typischerweise, dass der Erdboden 14 primär in horizontaler Richtung und nur sekundär in vertikaler Richtung bewegt wird. Lässt man die vertikale Komponente des Erdbebens vorerst ausser Acht, dann erfolgt die seismische Bewegung oder Beschleunigung, die in der Fig. 2 durch einen Doppelpfeil 17 im Erdboden 14 symbolisiert ist, in einer bestimmten, nicht vorhersagbaren horizontalen Richtung, die Bewegungskomponenten aufweist, die entlang den beiden horizontalen Hauptachsen des Gebäudes 8 gerichtet sind. Jedes der Stockwerke 9 und der Dachboden 16 besitzt eine beträchtliche träge Masse. Die seismische Bewegung des Erdbodens 14 neigt dazu, das Gebäude 8 mitzunehmen, d.h. sie beschleunigt das Gebäude 8 in horizontaler Richtung. Die trägen Massen neigen dazu, an Ort zu bleiben, d.h. sie widersetzen sich der Beschleunigung. Der Widerstand der trägen Massen gegen die auferlegte Beschleunigung führt bei der bisher angewandten Bauweise, d.h. wenn keine besonderen Massnahmen vorgesehen sind, zu mechanischen Belastungen innerhalb der Stockwerke 9 - 12 des Gebäudes 8, die schnell ein zerstörerisches Niveau erreichen können. Die Erfindung schafft hier Abhilfe, indem die elastischen Lagerelemente 7 die auftretenden Belastungen aufnehmen und so das Gebäude 8 vor der Zerstörung bewahren.
Das Gebäude 8 gemäss Fig. 2 symbolisiert ein Gebäude mit vergleichsweise starren Stockwerken 9 - 12. Vertikale, strichpunktierte Linien 18 markieren die Ruhelage des Gebäudes 8 im Normalzustand. Aus Gründen der Einfachheit und Klarheit soll angenommen werden, dass die Stockwerke 9 - 12 völlig starr, d.h. inelastisch sind. In einem solchen Fall verhält sich das Gebäude 8 ideal, wenn bei einem Erdbeben mit einer vorbestimmten Stärke (beispielsweise einer vorbestimmten Stärke auf der Richterskala), die als schlimmster Fall in Betracht gezogen wird, das Fundament 15 die Verschiebung des Erdbodens 14 mitmacht, während der Dachboden 16 an seinem Ort bleibt und keine nennenswerte Verschiebung erfährt. Wenn sich also der Erdboden 14 in der Fig. 2 infolge einer als maximal zulässig angenommen Stärke des Erdbebens entsprechenden Erdbebenstosses plötzlich um beispielsweise 10 cm nach rechts verschiebt, was der maximal erlaubten Verschiebung entspricht, dann muss sich jedes elastische Lagerelement 7 elastisch um 2 cm deformieren. Dies bedeutet, dass sich die Unterseite eines elastischen Lagerelementes 7 zusammen mit dem unteren Stockwerk verschiebt, während die Oberseite des elastischen Lagerelementes 7 einen entsprechend reduzierten Verschiebungsanteil auf das obere Stockwerk überträgt. Im Beispiel wird also das Fundament 15 mit dem Erdboden 14 um 10 cm, das erste Stockwerk 9 um 8 cm, das zweite Stockwerk 10 um 6 cm, das dritte Stockwerk 11 um 4 cm und das vierte Stockwerk 12 um 2 cm gegenüber der Ruhelage ausgelenkt, während der Dachboden 16 an Ort bleibt. Jedes elastische Lagerelement 7 nimmt somit etwa 20% der totalen seismischen Belastung auf, die auf eine vertikale Tragachse des Gebäudes 8 einwirkt, und überträgt den Rest auf das darüberliegende Stockwerk. Somit ist keines der Stockwerke 9 - 12 des Gebäudes 8 zu 100% der seismischen Belastung ausgesetzt, sondern die Belastung ist gleichmässig auf alle Stockwerke 9 - 12 verteilt. Das unterste Lagerelement 7 ist 100% der Belastung ausgesetzt, überträgt sie aber nur graduell, da jedes darüberliegende Stockwerk ebenfalls einen Teil der Belastung aufnimmt.
Wenn der Erdboden 14 die angenommene Verschiebung von 10 cm erreicht, kommt er entweder in der neuen Position zur Ruhe oder führt eine Schwingung zurück zur Anfangsposition aus. Da dabei eine stark reduzierte Kraft auf den Dachboden 16 ausgeübt wird, wird sich der Dachboden 16 nur wenig bewegen. Ob der Erdboden bereits vor der Ausgangsposition oder wieder bei der Ausgangsposition zur Ruhe kommt oder gar auf die andere Seite der Ausgangsposition hinüberschwingt, der Dachboden 16 bleibt nahezu stationär. Sogar im Falle einer vollständigen Hin und her Bewegung des Erdbodens 14 ist das erste Stockwerk 9 nur 80% davon ausgesetzt, das zweite Stockwerk 10 nur 60% davon, usw. Dieser Effekt kann angesehen werden als eine von unten nach oben durch das Gebäude 8 verlaufende Schwingung bzw. stufenweise Verschiebung der einzelnen Stockwerke. Wenn das Erdbeben vorbei ist, dann bildet sich die Deformation der elastischen Lagerelemente 7 selbsttätig zurück. Im Idealfall ist die Rückbildung vollständig und das Gebäude 8 erreicht wieder seinen Normalzustand, den es vor dem Erdbeben hatte. Falls die elastischen Lagerelemente 7 beim Erdbeben beschädigt werden, dann können sie zu wesentlich geringeren Kosten ersetzt werden als ein Neubau des Gebäudes kosten würde.
Bei einem aus Raumzellen 1 zusammengesetzten Gebäude 8 ist die Voraussetzung völliger Starrheit nicht ganz realistisch, da sich die Bodenplatten 2 wie auch die Endelemente 5 verbiegen können. Trotzdem bringt die Erfindung eine markante Verbesserung bezüglich der Erdbebensicherheit. Die Eigen-Elastizität der Elemente der Raumzellen 1 verstärkt oder kompensiert die Deformation der elastischen Lagerelemente 7. Die elastischen Lagerelemente 7 sind dafür ausgelegt, dass sie einen vergleichsweise grossen Anteil der seismischen Energie bzw. Belastung aufnehmen, was die Elemente der Raumzellen 1 vor Überlastung schützt. Ein Teil der absorbierten Energie wird infolge Reibung umgesetzt in Wärme, während der Rest elastisch gespeichert wird in der Art einer Feder.
Die Fig. 3 zeigt in seitlicher Ansicht und im Querschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel eines elastischen Lagerelements 7 in einer einfachen Ausführung im deformierten Zustand. Das Lagerelement 7 besteht aus einem Körper 19 aus elastisch deformierbarem Material, vorzugsweise aus Neopren, der mit parallel zur horizontalen Ebene sich erstreckenden Metallplatten 20 verstärkt ist. Die Metallplatten 20 verstärken die Formstabilität des Körpers 19, so dass sich der Körper 19 nach dem Zusammenbau des Gebäudes unter dem Gewicht der darüberliegenden Stockwerke nicht oder nur wenig verformt. Die Unterseite und die Oberseite des Lagerelementes 7 werden beim Zusammenbau des Gebäudes 8 (Fig. 2) vorzugsweise mit dem Endelement 5 bzw. der Bodenplatte 2 verklebt.
Die Fig. 4 zeigt in seitlicher Ansicht und im Querschnitt ein zweites Ausführungsbeispiel des elastischen Lagerelements 7 im Zustand maximaler Deformation, das zwischen einem Endelement 5 einer ersten Raumzelle 1 und der Bodenplatte 2 einer darüberliegenden, zweiten Raumzelle 1 eingesetzt ist. Die Raumzellen 1 sind mit Begrenzungsmitteln versehen, die die Deformation bzw. Auslenkung des Lagerelements 7 in horizontaler Richtung auf einen vorbestimmten Wert beschränken, und das Lagerelement 7 ist zum Zusammenwirken mit den Begrenzungsmitteln ausgebildet. Das Lagerelement 7 weist eine in vertikaler Richtung 21, und somit senkrecht zu den Metallplatten 20 verlaufende Durchführung 22 auf. Die Raumzellen 1 weisen eine Metallplatte 23 mit einer Durchführung oder Ausnehmung oder Kavität 24 auf, die mit in der Bodenplatte 2 vorhandenen Armierungseisen verschweisst ist. Im Endelement 5 ist ein Dorn 25 verankert. Beim Zusammenbau der Raumzellen 1 wird das elastische Lagerelement 7 auf den Dorn 25 aufgesetzt, der also in seine Durchführung 22 ragt, und dann die obere Raumzelle 1 auf die untere Raumzelle 1 aufgesetzt. Der Dorn 25 ragt durch die Durchführung 22 des Lagerelementes 7 hindurch und in die Kavität 24 der Metallplatte 23 der Bodenplatte 2 der oberen Raumzelle 1 hinein. Die Durchführung 22 im Lagerelement 7 ist bevorzugt zylindrisch und der Dorn 25 ist bevorzugt konisch ausgebildet. Wenn das Lagerelement 7 in Folge der verschiedenen, auf die Unterseite 26 und die Oberseite 27 einwirkenden Kräfte in horizontaler Richtung deformiert bzw. ausgelenkt wird, dann kommt zunächst die unterste, dann die zweitunterste, usw. Metallplatte 20 am Dorn 25 zum Anschlag. Der Dorn 25 selbst kommt im Extremfall, d.h. bei der maximal zulässigen Deformation des Lagerelementes 7, am Rand der Kavität 24 zum Anschlag. Gemäss dem oben beschriebenen Zahlenbeispiel kommt der Dorn 25 am Rand der Kavität 24 zum Anschlag, wenn sich die Unterseite 26 gegenüber der Oberseite 27 des Lagerelementes 7 um 2 cm verschoben hat. Die Unterseite 26 kann sich somit gegenüber der Oberseite 27 des Lagerelementes 7 höchstens um eine vorbestimmte Distanz D verschieben. Wie die Fig. 5 zeigt, ist es alternativ möglich, den Dorn 25 zylindrisch und die Durchführung im Körper 19 konisch auszubilden. Auch in diesem Fall kommt zuerst die unterste, dann die zweitunterste, usw. Metallplatte 20 am Dorn 25 zum Anschlag. Beide Lösungen gewährleisten, dass im erlaubten Extremfall die Deformation des Körpers 19 gleichmässig verteilt über seine Höhe erfolgt.
Da Erdbebenstösse dazu neigen, ziemlich abrupt und heftig zu erfolgen, hat die vom elastischen Lagerelement 7 absorbierte Energie wenig Zeit, als Wärme abzufliessen und die Temperatur des Lagerelements 7 bzw. insbesondere des Körpers 19 könnte daher schnell ansteigen. Ein zu grosser Temperaturanstieg könnte die elastischen Eigenschaften des Materials beeinträchtigen, insbesondere könnte das Material weich werden oder sogar lokal schmelzen. Der Körper 19 ist deshalb bevorzugt mit einem chemischen Pulver oder Kristallen versehen, die bei mechanischer Belastung Wärme durch chemische Reaktion oder teilweises Schmelzen absorbieren und so Wärme vom Körper 19 abziehen und den Temperaturanstieg reduzieren.
Bei dem in der Fig. 2 dargestellten Gebäude 8 sind die Raumzellen 1 eines jeden Stockwerks 9 bzw. 10 bzw. 11 bzw. 12 durch eine starre, an sich bekannte Verbindung 13 miteinander verbunden. Alternativ könnte die Verbindung 13 ersetzt werden durch ein elastisch deformierbares Verbindungselement 28, das zwischen den Bodenplatten 2 von je zwei Raumzellen eingeklemmt und, fakultativ, klebend befestigt ist. Diese in der Fig. 6 dargestellte Lösung ermöglicht, wellenartig auftretende seismische Belastungen aufzunehmen, die sich manifestieren in einer unterschiedlichen horizontalen Verschiebung der Raumzellen 1 eines Stockwerks, insbesondere des untersten Stockwerks 9.
Die oben erläuterte Erfmdung ermöglicht den Bau von Gebäuden aus vorfabrizierten Raumzellen, dessen lasttragende Strukturelemente Erdbeben, die eine vorbestimmte Stärke nicht übersteigen, beschädigungslos überstehen. Damit auch stockwerkübergreifende Einrichtungen wie Treppen, Lifte, sanitäre Installationen aller Art wie z. B. Wasserleitungen, Heizungsrohre, usw. das Erdbeben schadlos überstehen, sind diese Einrichtungen entsprechend flexibel auszubilden. Ein oberes Treppenende ist zum Beispiel gegenüber der Bodenplatte der oberen Raumzelle gleitend einzubauen, so dass sich das Treppenende gegenüber der Bodenplatte in allen horizontalen Richtungen im gewünschten Ausmass verschieben kann.

Claims (5)

  1. Gebäude (8) mit mehreren Stockwerken (9-12), wobei das Gebäude (8) aus vorfabrizierten Raumzellen (1) gebildet ist, wobei jede Raumzelle (1) eine Bodenplatte (2) und mindestens zwei senkrecht zur Bodenplatte (2) verlaufende Endelemente (5) aufweist und wobei zwischen den Endelementen (5) einer Raumzelle (1) und der darüberliegenden Bodenplatte (2) einer benachbarten Raumzelle (1) ein elastisches Lagerelement (7) platziert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Lagerelement (7) in horizontaler Richtung deformierbar ist und eine Auslenkung des Endelements (5) gegenüber der darüberliegenden Bodenplatte (2) in horizontaler Richtung von mindestens 1 Zentimeter erlaubt.
  2. Gebäude (8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Begrenzungsmittel vorhanden sind, die die Auslenkung des Lagerelements (7) in horizontaler Richtung auf einen vorbestimmten Wert begrenzen.
  3. Gebäude (8) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungsmittel einen am Endelement (5) befestigten Dorn (25) und eine mit der Armierung der Bodenplatte (2) verbundene Metallplatte (23) aufweisen, dass die Metallplatte (23) und das elastische Lagerelement (7) eine Durchführung (22, 24) aufweisen und dass der Dorn (25) durch die Durchführung (22) des elastischen Lagerelements (7) und die Durchführung (24) der Metallplatte (23) ragt.
  4. Gebäude (8) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Lagerelement (7) in horizontaler Ebene sich erstreckende Metallplatten (20) aufweist und dass entweder die Durchführung (22) im elastischen Lagerelement (7) konisch und der Dorn (25) zylinderförmig oder die Durchführung (22) im elastischen Lagerelement (7) zylinderförmig und der Dorn (25) konisch ist.
  5. Gebäude (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbarten Raumzellen (1), die zum gleichen Stockwerk gehören, mindestens ein elastisch deformierbares Verbindungselement (28) eingebaut ist.
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