EP1801322B1

EP1801322B1 - Bauelement zur Reduktion der Erdbebenbeanspruchung von Gebäuden

Info

Publication number: EP1801322B1
Application number: EP05027833A
Authority: EP
Inventors: Walter Endrizzi; Peter Curiger; Ernst Gisin
Original assignee: Stahlton Bauteile AG
Current assignee: Stahlton Bauteile AG
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2005-12-20
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2025-12-20
Also published as: DE502005007585D1; ATE434696T1; EP1801322A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Gebäude, ein Bauteil und eine Verwendung eines Bauteils gemäss Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche. Durch die spezifischen Eigenschaften des Bauteils wird die Erdbebenbeanspruchung von Gebäuden reduziert.
Nach dem heutigen Stand der Technik erstellte Gebäude, insbesondere Gebäude aus Mauerwerk, sind nur bedingt in der Lage, einer Erdbebenbeanspruchung standzuhalten. Eine bekannte Art, Bauwerke erdbebensicher auszuführen, besteht darin, das Gebäude flexibel auf dem Untergrund zu lagern. Diese bekannte Konstruktionsweise bedingt eine aufwändige statische Struktur des Gebäudes und wird daher lediglich in Sonderfällen in seismisch gefährdeten Gebieten angewandt. Neue Bemessungsnormen tragen dem Umstand Rechnung, dass die Erdbebenbeanspruchung bisher unterschätzt wurde. Insbesondere Gebäude aus Mauerwerk sind aus diesem Grund in der heute üblichen Art oft nicht mehr normenkonform ausführbar.
Aus der Patentschrift US-A-5 054 251 ist ein Bauteil zur Isolation eines strukturellen Schocks bekannt, das in Gebäuden eingesetzt werden kann. Das Bauteil weist Lamellen auf, zwischen denen Körper angeordnet sind, die elastischer als die Lamellen sind und die in Vertiefungen der Lamellenoberflächen eingreifen.
Aus der Offenlegungsschrift DE 103 01 122 A1 ist ein Bauteil in Form eines Schwingungsdämpfungselement bekannt, das Lamellen in Form von Stahlplatten aufweist, die obere und untere Trägerelemente bilden. Zwischen den Lamellen ist ein elastischer Körper in Form eines Polyurethans angeordnet. Die Lamellen können halbrohrschalenartig ausgebildet sein.
Die Patentanmeldung GB 891 238 A offenbart ein Bauteil in Form einer Druckfeder, die eine Reihe elastischer Körper in Form von Gummiringen aufweist, die zwischen starren Metallplatten angeordnet sind.
In der Patentschrift US-A-5 330 165 ist ein Vibrationselement beschrieben, das elastomere Körper umfasst, die zwischen ebenfalls elastomeren Platten angeordnet sind. Die Platten weisen eine grössere Härte als die Körper auf. Die elastomeren Körper sind im Wesentlichen kugelförmig und werden von in den Platten vorgesehen Vertiefungen aufgenommen.
Aus der Patentschrift US-A-2 713 485 ist ein Bauteil zur Schockabsorbierung bekannt, das eine Anzahl von metallischen Plattenpaaren aufweist, zwischen denen Gummikörper angeordnet sind. Die Gummikörper weisen Ausbuchtungen auf, die in entsprechende Vertiefungen der Metallplatten passen. Auf der den Ausbuchtungen gegenüberliegenden Seite weisen die Gummikörper Vertiefungen auf, die entsprechende Ausbuchtungen der Metallplatten aufnehmen.
Es stellt sich die Aufgabe, ein Gebäude bzw. ein Bauteil bereitzustellen, welche eine einfachere Lösung für eine die Erdbebenbeanspruchung reduzierende Lagerung erlauben.
Diese Aufgabe wird von den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Beim anspruchsgemässen Gebäude sind die anspruchsgemässen Bauteile also zwischen der Kellerwand und der Kellerdecke angeordnet und bilden eine linienförmige Lagerung der Decke. Der statisch tragende Teil des Bauteils besteht aus mehreren starren Lamellen und weist zwischen den starren Lamellen angeordnete elastische Körper auf. Ein solches Bauteil ist in der Lage, durch Deformation der elastischen Körper seitliche Deformationen aufzunehmen, so dass die Kellerdecke und die darauf ruhenden Teile des Gebäudes horizontal auslenkbar sind.
Durch die Anordnung des Bauteils unter der Kellerdecke wirkt diese als aussteifende Scheibe. Dadurch treten keine unterschiedlichen lokalen Verschiebungen auf der Kellerdecke auf und das Gebäude verhält sich bei Erdbebenbeanspruchung ähnlich wie ein Einmassenschwinger.
Vorzugsweise ist die Kellerdecke eine Stahlbetondecke, auf welcher die über der Kellerdecke angeordneten Wände des Gebäudes ruhen. Dies erlaubt es insbesondere, die über der Kellerdecke angeordneten Wände , insbesondere als aus Backsteinen oder anderen Mauersteinen aufgebautem Mauerwerk, auszugestalten.
Beim anspruchsgemässen Bauteil greifen die elastischen Körper in, vorzugsweise makroskopische, Vertiefungen der Lamellen ein. Dadurch werden die erforderlichen Auslenkungen unter Erzeugung der erforderlichen Rückstellkräfte ermöglicht.
Vorzugsweise sind die elastischen Körper in den Vertiefungen der starren Lamellen eingekapselt, so dass sie sich ähnlich einer newtonschen Flüssigkeit verhalten können.
Die starren Lamellen bestehen vorzugsweise aus einem Beton, insbesondere Feinbeton, der bewehrt sein kann.
Die Konstruktion des Bauteils erlaubt die Aufnahme von horizontalen Verschiebungen, wie sie bei Erdbeben auftreten. Durch die Dämpfungseigenschaften des Bauteils wird die dynamische Beanspruchung auf das Gebäude massgeblich reduziert.
Die Breite des Elementes ist vorzugsweise auf die übliche Kellerwandbreite abgestimmt und beträgt üblicherweise 20 cm.
Im vertikalen Aufbau besteht das Bauteil in einer bevorzugten Ausführung aus einer Sandwichkonstruktion, wodurch die horizontale Auslenkung ermöglicht wird. Die zu ermöglichenden Auslenkungen betragen vorzugsweise 4 - 6 cm.
Die elastischen Körper bestehen vorzugsweise aus Elastomer, da dieses Material gute elastische Eigenschaften und gute Dämpfungseigenschaften besitzt und hohen Druckbelastungen standhält.
Durch die entsprechende Härte des elastischen Körpers und dessen geometrischer Ausbildung wird die Rückstellkraft bei Auslenkung erzeugt. Vorzugsweise weisen die elastischen Körper einen kreisförmigen Grundriss auf mit einem ellipsen- oder linsenförmigen vertikalen Querschnitt. Es können aber auch ein oder mehrere Kreisringförmige Körper mit toroidaler Form eingesetzt werden.
Um Reibungskräfte bei horizontalen Auslenkungen zu vermeiden, sind die Bauteile, insbesondere die elastischen Körper, vorzugsweise so ausgebildet, dass sich die starren Lamellen nicht berühren. Auf diese Weise werden die Vertikalkräfte lediglich über die elastischen Körper übertragen und durch diese die Dämpfung und Rückstellkraft erzeugt.
Die Ausbildung des statisch wirksamen Teils des Bauelementes ist vorzugsweise quadratisch.
Angrenzend an den statisch wirksamen Teil des Bauteils, der einen ersten Abschnitt bildet, sind statisch nicht wirksame Ergänzungsteile bzw. zweite Abschnitte angeordnet , sodass das Bauelement einen länglichen Grundriss aufweist. Um für verschiedene Laststufen den identischen statisch wirksamen Teil verwenden zu können, wird der statisch nicht wirksame Ergänzungsteil in der entsprechenden Länge ausgebildet. Die theoretisch linienförmige Lagerung der Kellerdecke wird dadurch punktförmig. Der Abstand der statisch wirksamen Teile des Elementes wird vorzugsweise nicht grösser gewählt, als die Kellerdecke ohne spezielle Aussteifung zulässt. Dieser Abstand der Punktlager bedingt damit keine speziellen Massnahmen für die Randausbildung der Kellerdecke und kann allenfalls in einer geeigneten Ausbildung der Bewehrung des Deckenrandes bestehen.
Die Oberflächen des tragenden Teils des Bauelementes sind so ausgebildet, dass die aus dynamischer Erdbebenbeanspruchung entstehenden Horizontalkräfte übertragen werden können. Dies kann vorzugsweise durch eine entsprechende geometrische Ausbildung erfolgen oder alternativ durch die Möglichkeit eines Bewehrungsanschlusses.
Weitere bevorzugte Ausführungen und Anwendungen werden in den abhängigen Ansprüchen und der nun folgenden Beschreibung anhand der Figuren genannt. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch ein Gebäude mit einer möglichen Anordnung des erfindungsgemässen Bauteils,
Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch eine Ausführung des erfindungsgemässen Bauteils und
Fig. 3 eine dreidimensionale Ansicht einer Anordnung mit einem Bauteil.

Die bevorzugte Anordnung des Bauteils ist in Fig. 1 und Fig. 3 dargestellt. Das Bauteil 1 ist auf der Kellerwand 8 und unter der Kellerdecke 9 angeordnet.
Eine erste bevorzugte Ausführung des erfindungsgemässen Bauteils 1 ist in Fig. 2 dargestellt. Das Bauteil weist eine Sandwichstruktur auf mit mehreren starren Lamellen 2 und einzelnen elastischen Körpern 3. Die Bezeichnung "starre Lamellen" drückt dabei aus, dass die Lamellen starrer als die elastischen Körper sind, während die Bezeichnung "elastische Körper" ausdrückt, dass die Körper 3 stärker elastisch deformierbar sind als dieLamellen.
Vorzugsweise weisen die elastischen Körper 3 Elastomer auf oder bestehen vollständig aus Elastomer.
In den einander gegenüber liegenden Oberflächen der Lamellen 2 sind Vertiefungen 2a angeordnet, in welche die elastischen Körper 3 eingreifen.
In der gezeigten Ausführung sind pro Lamelle 2 vier elastische Körper 3 vorgesehen. Die Anzahl der elastischen Körper kann auch geringer oder allenfalls grösser gewählt werden. Die elastischen Körper 3 sind vorzugsweise so gross ausgebildet, dass sich die Oberflächen 4 der starren Lamellen 2 nicht berühren und Zwischenräume 5 entstehen, welche verhindern, dass aus Vertikallasten Reibungskräfte zwischen den starren Lamellen 2 entstehen. In einer bevorzugten Ausführung kann in den Zwischenräumen 5 expandiertes Polystyrol (EPS) angeordnet sein, das bei Horizontalverschiebungen lediglich vernachlässigbare Kräfte erzeugt.
In den Zwischenräumen 5 können auch feurerbeständige bzw. schwer entflammbare Materialien, wie beispielsweise Steinwolle, angeordnet sein. Diese Materialien sollten weicher sein als die Lamellen 2 und die Körper 3, damit sie keine wesentliche statische Funktion haben und die relative Beweglichkeit der Lamellen 2 gewährleistet bleibt.
Die Elementoberflächen 6 und 7 sind so ausgebildet, dass die aus dynamischer Erdbebenbeanspruchung entstehenden Horizontalkräfte in die Kellerwand 8 und in die Kellerdecke 9 übertragen werden können. Hierzu sind die Elementoberflächen 6, 7 mit Anschlussmitteln zur Übertragung von horizontalen Scherkräften versehen. Hierbei kann es sich z.B. um Erhöhungen oder Vertiefungen 6a, 7a, aber beispielsweise auch um entsprechende Stege oder Armierungsanschlüsse handeln.
Die Kellerdecke 9 ist vorzugsweise als über den ganzen Gehäusegrundriss zusammenhängende Stahlbetondecke ausgestaltet, auf welcher die über der Kellerdecke angeordneten Wände 14 ruhen.
Eine bevorzugte Gestaltung des Bauteils 1 zeigt Fig. 3. Die starren Lamellen 2 und die elastischen Körper 3 bilden einen ersten Abschnitt 10 des Bauteils. Seitlich an den ersten Abschnitt 10, d.h. stirnseitig an die Lamellen 2, schliesst sich mindestens ein zweiter Abschnitt 11 an - im Beispiel nach Fig. 3 sind beidseits des ersten Abschnitts 10 derartige zweite Abschnitte 11 angeordnet. Der erste Abschnitt 10 hat dabei für Druckkräfte senkrecht zu den Lamellen eine wesentlich höhere Drucksteifigkeit als die beiden zweiten Abschnitte 11. Unter Drucksteifigkeit ist dabei die Kraft zu verstehen, die notwendig ist, um einen Körper um eine vorgegebene (kleine) Höhe zu komprimieren. Die zweiten Abschnitte bilden angrenzend an den ersten Teil u.a. einen Puffer, der die unter Erdbeben auftretenden Auslenkungen ermöglicht.
Indem der erste Abschnitt 10 eine wesentlich höhere Drucksteifigkeit als die beiden zweiten Abschnitte 11 besitzt, nimmt der erste Abschnitt 10 den weitgehend grössten Teil der Kräfte auf, während die Abschnitte 11 statisch nicht wirksam sind. Die Abschnitte 11 definieren lediglich die Abstände der ersten Abschnitte 10 benachbarter Bauteile 1. Durch Variation der Länge der zweiten Abschnitte 11 kann für unterschiedliche Vertikallasten die statische Beanspruchung des statisch wirksamen Abschnitts 10 beeinflusst werden. Die Kellerdecke 8 ist also im Wesentlichen nur auf den ersten Abschnitten 10 gelagert. Die Abstände der ersten Abschnitte 10 bzw. die Länge der zweiten Abschnitte 11 sind so zu bemessen, dass die Kellerdecke die Kraft auf die ersten Abschnitte 10 abzuleiten vermag.
Die zweiten Abschnitte 11 sind aus EPS gefertigt und gegenbenfalls mit einer Schutzbeschichtung versehen. Sie können auch bauseitig auf die jeweils richtige Länge abgelängt werden und können hierzu mit entsprechenden Markierungen 16 versehen sein.
Denkbar ist jedoch auch, dass das Bauteil nur als Abschnitt 10 ohne die Abschnitte 11 (resp. mit für die Pufferfunktion notwendigen kurzen Abschnitten 11) an die Baustelle geliefert wird. In diesem Fall geschieht die richtige Abstandssetzung bauseits, z.B. durch Füllen der Zwischenräume zwischen den Bauteilen. Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass die freie Auslenkbarkeit der Kellerdecke gewährleistet bleibt. Wird z.B. zwischen den Bauteilen Beton eingefüllt, so ist darauf zu achten, dass der Beton nicht bis zur Decke geht und ein (z.B. mit EPS gefüllter) Abstand zwischen Wandbeton und Decke bestehen bleibt.
Um Anforderungen an den Brandschutz zu genügen, kann auf der Elementaussenseite 12 und Elementinnenseite 13 eine Brandschutzverkleidung aufgebracht werden, oder der Zwischenraum 5 kann, wie erwähnt, mit einer feuerbeständigen weichen Folie gebildet werden.

Claims

Bauteil zur Verwendung als tragendes Element in einem Gebäude, welches Bauteil mehrere Lamellen (2) und zwischen den Lamellen (2) angeordnete Körper (3) aufweist, wobei die Körper (3) elastischer als die Lamellen (2) und die Lamellen (2) starrer als die Körper (3) sind, und wobei die Körper in Vertiefungen (2a) der Lamellenoberflächen (7) eingreifen, dadurch gekennzeichnet, dass die starren Lamellen (2) und die elastischen Körper (3) einen ersten Abschnitt (10) des Bauteils bilden, an welchen sich seitlich mindestens ein zweiter Abschnitt (11) des Bauteils anschliesst, der aus expandiertem Polystyrol (EPS) besteht, wobei der erste Abschnitt (10) für Druckkräfte senkrecht zu den Lamellen (2) eine wesentlich grössere Drucksteifigkeit aufweist als der zweite Abschnitt (11).
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Körper (3) in den Vertiefungen (2a) der starren Lamellen (2) eingekapselt sind.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es an mindestens einer Oberfläche (6, 7) Anschlussmittel (6a, 7a) zur Übertragung von horizontalen Scherkräften, insbesondere Vertiefungen, Erhöhungen, Stege oder Armierungsanschlüsse, aufweist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die starren Lamellen (2) nicht berühren.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die elastischen Körper (3) Elastomer aufweisen, und insbesondere dass die elastischen Körper (3) aus Elastomer bestehen.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die starren Lamellen (2) aus einem Beton, insbesondere Feinbeton, sind.
Bauteil nach Anspruch 6, wobei die Lamellen aus bewehrtem Beton bestehen.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zwischen den Lamellen (2) Zwischenräume (5) vorgesehen sind, wobei in den Zwischenräumen (5) expandiertes Polystyrol angeordnet ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei zwischen den Lamellen (2) Zwischenräume (5) vorgesehen sind und in den Zwischenräumen feuerbeständige bzw. schwer entflammbare Materialien angeordnet werden, wobei die Materialien weicher sind als die Lamellen (2) und die Körper (3).
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Bauteil auf die Breite der Kellerwand abgestimmt ist, insbesondere eine Breite von 20 cm aufweist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei pro Lamelle (2) ein oder mehrere elastische Körper (3) vorgesehen sind, und insbesondere wobei pro Lamelle (2) mehrere elastischen Körper (3) vorgesehen sind.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Körper (3) die Geometrie eines Kreisringes aufweisen.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei auf dem Bauteil eine Brandschutzverkleidung angeordnet ist.
Gebäude mit mindestens einer Kellerwand (8) und einer über dem Keller angeordneten Kellerdecke (9), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Kellerwand (8) und der Kellerdecke (9) mindestens ein Bauteil gemäss einem der Ansprüche 1 bis 13 angeordnet ist.
Gebäude nach Anspruch 14, wobei die Kellerdecke (9) eine Stahlbetondecke ist, auf welcher die über der Kellerdecke (9) angeordneten Wände des Gebäudes ruhen, und insbesondere dass die über der Kellerdecke (9) angeordneten Wände, vorzugsweise aus Mauerwerk sind.
Verwendung eines Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Herstellung eines Gebäudes nach einem der Ansprüche 14 oder 15.
Verwendung nach Anspruch 16, wobei die Bauteile in Abständen voneinander angeordnet werden und die Abstände bauseits erzeugt werden.