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- Base Isolation -
Gestern, Heute und Morgen
Referat im Rahmen der Vorlesung “Einführung in das Erdbebeningenieurwesen”
Dozent: Prof. Dr.-Ing. Uwe E. Dorka
Referent: Christophe Poeckes
Kassel, 14.02.2013
Gliederung :
Base isolation – Was ist das?
Die ältesten Funde
Die ersten Schritte der Forschung
Heutiger Stand der Technik
Anwendungsbeispiele
Ziele für die Weiterentwicklung
Schlusswort
Base Isolation – Was ist das?
Grundprinzip:
◦ Steigert die Eigenfrequenz des Bauwerks durch flexible Lagerung
◦ Dämpfung der Beschleunigung und der Verschiebung durch Erdbeben
◦ Steifigkeit bei leichter Beanspruchung (z.B. Wind)
Hauptarten
◦ Lead Rubber Bearing (LRB)
◦ High Damping Rubber Bearing (HDR)
◦ Flat Sliding Bearings => Teflon
◦ Friction Pendelum Bearings
Die ältesten Funde
Mausoleum von Kyros II. in Pasargade (Iran)
Base Isolation bestehend aus 6 Steinplatten
Äussere Abmessungen 13x12m
Datiert auf 6. Jahrhundert v. Chr.
Quelle: [5]
Die ersten Schritte der Forschung
Neu Seeland
◦ 1929 : - Soft First Story Concept
- Stärkere und starrere Strukturen
◦ 1935 : Eigenfrequenz der Struktur und Frequenz des Bebens dürfen
nicht übereinstimmen
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◦ 1965 : Base isolation in Form von Rollen, dazu Hochgeschwindigkeits-
hydraulikzylinder
◦ 1974 : William Robinson entwickelt
Lead Rubber Bearing (LRB)
Quelle: [5,6]
Die ersten Schritte der Forschung
EERC, heute PEER (Pacific Earthquake Engineering Research Center, USA)
an der University of California, Berkley
◦ 1976 : erste Tests mit Rollen und Flat Sliding Bearings
Abminderung der Beschleunigungen bis zu einem Faktor von 10, auf Grund
von unrealistischem Model jedoch nicht representativ
◦ 1978 : realistischeres Model : 5-story, 3-bay, 40 Tonnen
Komponenten zur Erhöhung der Dämpfung bringen einen Abfall der
Beschleunigungsabminderung mit sich
optimierte Dämpfung durch optimierte Base Isolation
◦ 1985 : Weiterentwicklung des Gummiwerkstoffes der Rubber Bearings
Schubsteifigkeit: hoch bei niedriger Belastung (Wind)
niedrig bei hoher Belastung
Belastung > 100% nimmt Steifigkeit zu
Quelle: [2]
Heutiger Stand der Technik
LRB:
◦ Über die letzten 30 Jahre weltweit angewendet worden und
auch heute noch die meistangewendete Art der Base Isolation
◦ Der Bleikern ist in der Lage eine Dämpfung von 15 bis 30%
aufzubringen (belastungsabhängig)
Quelle: [3]
Heutiger Stand der Technik
HDR
◦ Höhere Dämpfungswerte als Elastomerische Bearings, 10 bis
20% bei 100% Scherbelastung
◦ Ansonsten gleicher Aufbau wie Elastomerische Bearings
Quelle: [3]
Heutiger Stand der Technik
Flat Sliding Bearings
◦ Oberfläche aus Teflon und Stahl
◦ Versetzt die Struktur nach Erschütterung nicht in die
Ausgangslage zurück
◦ Meistens als Hybridsystem in Kombination mit (nicht) linearen
Federn oder LRB => Wiederherstellung der Ausgangslage
Quelle: [3]
Heutiger Stand der Technik
Friction Pendulum Bearing
◦ Gleiche Eigenschaften wie Flat Sliding Bearings
◦ Potential Struktur in Ausgangsposition zurückzubringen
◦ Radius der konkaven Oberfläche beeinflusst die Steifigkeit
◦ Großes Spektrum an möglichen Steifigkeiten und
Dämpfungswerten, genau wie LRB
Quelle: [3,4]
Heutiger Stand der Technik
Mud layer below the structure
Resilient – friction base isolation system
Electric de-France system
Sliding resilient- friction system
Spring type systems
Sleeved pile isolation system
Rocking systems
Base isolation using Geo- Synthetic materials
Quelle: [1]
Anwendungsbeispiele
1994, Uni. of South. California
36km vom Epicenter, Magnitude 6,8 =>LRB
gemessene Geschw. außerhalb des Gebäudes: 0,49*g
gemessene Geschw. im Gebäude: 0,10-0,13*g
1995 Hyogoken Nanbu (Kobe) Erdbeben
Tohoku Electric Power Company, Japan => elastomerische bearings
gemessene Geschw. außerhalb des Gebäudes: 0,41*g
gemessene Geschw. im Gebäude, 6. Stockwerk: 0,13*g
Quelle: [2]
Ziele für die Weiterentwicklung
◦ Erweiterung der Slider-Hybridsysteme
◦ Feuerschutz
◦ Materialien die keine regelmäßige Erneuerung benötigen
◦ Lebenserwartung soll der zu erwartenden Gebrauchsdauer des
Bauwerks entsprechen
◦ Unberührtheit durch Umgebungeinflüsse
Möglicher Ansatz: Erde als Material für Base Isolation
Quelle: [1]
Schlusswort
Base Isolation ist nur begrenzt geeignet:
◦ nur für festen Untergrund (niedrig frequente Erschütterungen)
◦ für Leichtbauten (z.B. Holzhäuser) nicht geeignet
=> Alternative: Ro-Glider (Quelle [7])
◦ Ungeeignet für Hochbauten
Die bestmögliche Base Isolation ist jeweils nur durch simultane Anwendung unterschiedlicher Systeme möglich
Laterale Beanspruchungen aus Wind unter 10% des Eigengewichts
Standort ermöglicht horizontale Verschiebungen im Bereich der Strukturlagerung von ca. 200mm oder mehr
Base Isolation steigert die Eigenfrequenz des Bauwerks
Quellen 1. State Of Art Review - Base Isolation Systems For Structures S.J.Patil, G.R.Reddy
http://www.ijetae.com/files/Volume2Issue7/IJETAE_0712_77.pdf
2. National Information Service for Earthquake Engineering (NISEE)
http://nisee.berkeley.edu/lessons/kelly.html
3. http://www.scribd.com/doc/122338134/Literature-Review-Of-Base-Isolation
4. Development of a Friction Pendulum Bearing Base Isolation System for Earthquake
Engineering Education
http://www.asee.org/documents/sections/pacific-
southwest/2008/Porbaha_Ali_et_al%20Base%20isolation.pdf
5. Wikipedia
http://en.wikipedia.org/wiki/Earthquake_engineering
http://en.wikipedia.org/wiki/William_Robinson_(scientist)
6. New Zealand Society for Earthquake Engineering Inc.
http://www.nzsee.org.nz/db/Bulletin/Archive/11(4)0219.pdf
7. http://www.sciencelearn.org.nz/Contexts/Earthquakes/Sci-Media/Video/The-Ro-Glider
Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit
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