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Was jeder Bauingenieur und Tragwerksplaner über Erdbeben-Isolationslösungen wissen sollte.
Ihre Brücke, Ihr Gebäude oder sonst ein Bauwerk soll durch eine seismische Isolation vor den Folgen eines Erdbebens geschützt werden. Doch welche Lösungen stehen zur Verfügung?
Hauptanforderungen
Erdbebenisolatoren
Seismische Isolatoren sind speziell konzipierte Bauwerkslager, die wie andere Lager auch, die erforderliche Verbindung zwischen dem Oberbau und dem Unterbau eines Bauwerks herstellen. Dabei übertragen sie in der Regel Lastkräfte, während sie gleichzeitig anderen Kräften standhalten und Bewegungen und Rotationen entsprechend der Konstruktion des Bauwerks zulassen.
Erdbebenisolatoren sind jedoch zusätzlich so ausgelegt, dass sie bei einem Erdbeben ein ganz bestimmtes Verhalten zeigen und die Hauptstruktur und ihre Nutzer schützen. Um eine optimale Wirkung zu erzielen, sollte ein seismischer Isolator die folgenden Eigenschaften aufweisen:
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Isolation/Isolierung des Überbaus von heftigen und potenziell schädlichen Bodenschwingungen – dadurch werden Scher- und Biegekräfte in den Bauteilen wesentlich reduziert.
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Rückführung – damit der Überbau nach dem Erdbeben in seine ursprüngliche, zentrierte Position zurückkehren kann.
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Energiedissipation – damit wird die seismische Energie auf sichere und kontrollierte Weise abgeleitet, wodurch auch sekundäre Strukturelemente vor unerwünschten Verformungen geschützt werden.
Die wichtigsten Typen von Erdbebenisolatoren
Erdbebenisolationslösungen
Elastomerlager mit hoher Dämpfung
Elastomerlager mit hoher Dämpfung, wie z.B. LASTO®HDRB, sind vergleichbar mit verankerten Elastomerlagern ohne Gleitflächen, jedoch unter Verwendung spezieller hochdämpfender Elastomermischungen, die einen hohen Widerstand gegen horizontale (Schub-)Verformungen bieten und für hohe Energiedissipation bei seismischen Bewegungen sorgen.
Ein rundes hochdämpfendes Elastomerlager vom Typ LASTO®HDRB, eingebaut mit Ankerplatten in ein Betonbauwerk
1. | Befestigungsplatte |
2. | Verbindungselemente |
3. | Elastomerblock mit Stahlbewehrungsblechen |
4. | Befestigungsplatte |
Elastomerlager mit Bleikern
Elastomerlager mit Bleikern, wie z.B. LASTO®LRB, sind ebenfalls vergleichbar mit verankerten Elastomerlagern ohne Gleitflächen, aber mit einem vertikalen Bleikern, der die Steifigkeit und die Dämpfung (Energiedissipation) bei seismischen Ereignissen verstärkt. So kann die Grösse der Vorrichtung optimiert und ein Schwellenwert, zwischen dem zu erwartenden Verhalten bei Ereignissen von geringer und hoher Intensität, definiert werden.
Ein Bleikern-Gummilager (Lead Rubber Bearing) des Typs LASTO®LRB, mit Ankerplatten oben und unten
1. | Befestigungsplatte |
2. | Verbindungselemente |
3. | Elastomerblock mit Stahlbewehrungsblechen |
4. | Bleikern |
5. | Befestigungsplatte |
Seismische Isolation/Isolierung – Entkopplung von Bauwerken von Erdbewegungen
Pendelgleitlager
Pendelgleitlager, wie z.B. RESTON®PENDULUM, die bei einem seismischen Ereignis durch harmonische pendelartige Relativverschiebungen eine Entkopplung des Tragwerks von Bodenbewegungen bewirken. Durch die horizontale Verschiebung des Bauwerks wird die seismische Energie dank der Reibung an der/den Gleitfläche(n) des Isolators mit seinem speziellen Gleitmaterial mit hoher Reibung abgebaut. Während den Schwingungen führt die Krümmung der Gleitfläche zu einem leichten (fast nicht wahrnehmbaren) Anheben des Aufbaus. Nach dem Erdbeben führt dieselbe Krümmung dazu, dass die gestützte Struktur durch die Schwerkraft in ihre ursprüngliche Position zurückkehrt.
Abbildung des Querschnitts eines Pendelgleitlagers des Typs RESTON®PENDULUM MONO – mit EINER gekrümmten Gleitfläche (oben) zur Aufnahme von Verschiebungen
Querschnittsansicht eines seismischen Isolators des Typs RESTON®PENDULUM DUPLO – mit ZWEI gekrümmten Gleitflächen (oben und unten) zur Aufnahme von Verschiebungen
Strategie zum Schutz vor Erdbeben
Die Wahl und Umsetzung der optimalen Erdbebenschutzstrategie
Die Elastomer-Isolatoren ("Hochdämpfende Elastomerlager" und "Elastomerlager mit Bleikern") sind in vielerlei Hinsicht sehr ähnlich. So sind LASTO®LRB und LASTO®HDRB Erdbebenisolatoren typischerweise für Anwendungen mit vertikalen Lasten von bis zu 30.000 kN und horizontalen seismischen Verschiebungen von bis zu 150% - 200% der gesamten Gummihöhe des Erdbebenlagers geeignet. Die Dämpfung von LASTO®LRB Isolatoren ist mit bis zu 30% jedoch deutlich höher als die von LASTO®HDRB Isolatoren (bis zu ca. 20%).
Gleitlager mit gekrümmter Oberfläche hingegen eignen sich im Allgemeinen für Anwendungen mit wesentlich höheren Belastungen und Verschiebungen. RESTON®PENDULUM Pendelgleitlager können für Lasten von bis zu 150.000 kN und horizontalen seismischen Verschiebungen von bis zu +/- 1000 mm ausgelegt werden und erreichen dabei Dämpfungsfaktoren von über 30%.
Wenn Pendelgleitlager zur Abstützung und zum Schutz eines Bauwerks eingesetzt werden, ist darauf zu achten, dass bei der Verwendung verschiedener Grössen/Designs für denselben Aufbau, alle für die gleiche Schwingungsdauer ausgelegt sein müssen. Ebenso ist zu beachten, dass gekrümmte Pendelgleitlager nicht mit Elastomer-Isolatoren kombiniert werden sollen. Grund dafür ist das leichte Anheben des Aufbaus während der Schwingungen an den Stellen der Pendelgleitlager – nicht aber an der Position der Elastomer-Isolatoren.
Unabhängig davon, welche Art von seismischen Isolatoren zur Abstützung eines Bauwerks gewählt werden, sollte die Leistungsfähigkeit des Isolators durch erdbebenspezifische Tests erhoben werden. Dazu werden stichprobenartig ausgewählte Exemplare in einer akkreditierten Prüfeinrichtung getestet, die die seismischen Belastungen simulieren kann, für die der Isolator ausgelegt wurde.
Eine Prüfung soll prinzipiell unabhängig von der Grösse oder Spezifikation des Isolators und von früheren Tests mit vergleichbaren Vorrichtungen durchgeführt werden. Denn die Einzigartigkeit jeder Anwendung rechtfertigt die Durchführung von zweckbestimmten Tests.
Die Wahl und Umsetzung der optimalen Erdbebenschutzstrategie für einen bestimmten Einsatzbereich – z. B. unter Berücksichtigung der Bauweise, der Nutzungsart und des Standorts – erfordert Fachwissen und Erfahrung.
Wenn Sie eine Lösung für die seismische Isolation (oder eine andere Art des Erdbebenschutzes) für Ihr Bauwerk benötigen, wenden Sie sich an uns – wir helfen Ihnen gerne weiter.
Haben Sie Fragen?
Erdbebenschutz ist ein Bekenntnis – wir entwickeln Lösungen, die Infrastruktur und Gebäude sicherer machen.
