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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schutz von Gebäuden vor einem Erdbeben gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 8.
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Derartige Gebäudegründungen bzw. Erdbebenschutzsysteme sind in ganz unterschiedlichen Ausführungen bekannt. Sie dienen zum Schutz von Gebäuden aller Art wie Wohnhäusern, Fabrikgebäuden, Kraftwerken, insbesondere Kernkraftwerken vor den Auswirkungen von Erdbeben. Mit einem Erdbeben sind horizontale und vertikale Bodenschwingungen verbunden. Da die vertikalen Bodenschwingungen mit steigendem Abstand von dem Epizentrum eines Erdbebens stärker als die horizontalen Bodenschwingungen abnehmen, sind durch horizontale Beschleunigungskräfte hervorgerufene Schäden an Gebäuden in der Regel größer.
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Aufgabe der eingesetzten Erdbebenschutzsysteme ist es, die mit einem Erdbeben verbundenen horizontalen und vertikalen Bodenschwingungen zu dämpfen oder die Gebäude sogar von den Bodenschwingungen zu entkoppeln. Dabei wird u. a. versucht, die Bodenschwingungen mithilfe von Federsystemen aufzufangen. Weiter werden Gleit- oder Wälzlager eingesetzt, um ein Gleiten bzw. Abrollen des Gebäudes auf dessen Bodenfundamenten zu ermöglichen.
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Im Einzelnen beschreibt die
DE 601 10 919 T2 einen für den Einsatz in Gebäuden und ähnlichen Bauten zu verwendenden modularen Erdbebenschutz, dessen Zweck darin besteht, zwischen Erdboden und Fundament- oder Bodenplatte des Gebäudes eine elastisch verformbare Schicht herzustellen. Die Schicht zeichnet sich dadurch aus, dass sie aus einer Anzahl von Modulen in gleicher Ebene besteht, die sich zueinander auf einer Tangente befinden. Dabei ist jedes dieser Module aus zwei gleichen Teilen eines steifen Kunststoffmaterials hergestellt, die gegenseitig in deren Mitte durch einen Silentblock gesichert sind. Ein mit gekörnten Kunststoffelementen gefüllter Autoreifen wird umfangsseitig zwischen die Teile gelegt, wodurch eine verformbare elastische Kammer entsteht. Der Installationsaufwand des Erdbebenschutzes ist hoch.
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Aus der
DE 10 2005 022 734 A1 ist weiter ein Basisisolierungssystem zur Verhinderung einer Übertragung von bei Erdbeben auftretenden horizontalen Schwingungen auf ein Gebäude bekannt. Das Gebäude ruht dabei auf zwei formschlüssig vollständig getrennten Platten, der Fundamentplatte und der Gebäudegrundplatte. Zwischen den beiden Platten sind Wälzkörper in Kugel- oder Rollenform eingebracht, die beim Auftreten horizontaler Schwingungen des Bodens und damit der Fundamentplatte ein fast reibungsfreies Abrollen der Gebäudegrundplatte in alle Richtungen ermöglichen. Um eine Rückkehr in die Ausgangslage sicherzustellen, ist eine absolute Formstabilität notwendig. Dies dürfte insbesondere bei vertikalen Lageverschiebungen nicht gegeben sein. Weiter ist der Aufbau des Basisisolierungssystems einerseits nicht einfach und andererseits gestaltet sich eine Bestandsaufnahme bzw. Schadensbehebung nach einem Erdbebenereignis schwierig.
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Außerdem offenbart die
WO 2015/140214 A1 eine Vorrichtung zur Schwingungsisolation von Bauwerken, Maschinen oder deren Komponenten, die einen rotationssymmetrischen Abrollkörper aufweist, welcher sich zwischen einer oberen Lagerschale und einer unteren Lagerschale befindet. Dabei sind die Lagerschalen eben oder abgerundet ausgestaltet und die obere Lagerschale und/oder die untere Lagerschale sind/ist vertikal gefedert und horizontal jeweils unverschieblich gelagert. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Abrollflächen des Abrollkörpers mit einem Radius ausgebildet sind, der größer als die halbe Höhe des Abrollkörpers ist und dass die vertikale Federung der unteren Lagerschale und/oder der oberen Lagerschale einen nicht-linearen S-förmigen Verlauf aufweist. Abrollflächen des Abrollkörpers und der Lagerschalen sind mit form- und/oder kraftschlüssigen Elementen versehen, die ein Verspringen oder Verrutschen des Abrollkörpers in den Lagerschalen verhindern. Zur Planung, Bemessung und auch zur Installation sind versierte Spezialisten erforderlich, die in Erdbebengebieten nicht ausreichend zur Verfügung stehen.
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In der deutschen Offenlegungsschrift
DE 38 19 591 A1 ist weiter eine Pendellagerung offenbart, bei der ein kugelförmiger Stützkörper zwischen zwei Pfannen eingeschlossen ist, die in einem Bett eingefügt sind. Eine horizontale Verschiebungskraft ist bei der gewählten Stützkörperhöhe kleiner als die Trägheitskraft bei der niedrigsten Eigenfrequenz des Gebäudes. Für den Fall einer Auswechslung des Stützkörpers weist das Bett seitwärts eine waagerechte Abgrenzung zum Anbringen von Hebezeugen auf.
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Darüber hinaus beschreibt die
US 6,321,492 B1 ein System zur seismischen Isolierung von Bauwerken oder Lagerung zur Dämpfung von äußeren auf Bauwerke einwirkenden Kräften, das oder die einfach aufgebaut sowie relativ kostengünstig ist und somit leicht für kleinere Bauwerke verwendet werden kann. Bei dem System bzw. der Lagerung werden Lager mit einer Kugel und Kugelsitzen verwendet, die zwischen dem Bauwerk und seinem Fundament angeordnet sind. Entweder ist die Kugel selbst oder eine Sitzfläche, auf der die Kugel abrollt, komprimierbar, wobei der Widerstand gegen die Kompression eine Reibungsbremskraft erzeugt, die das Rollen der Kugel verhindert. Das dient dazu, eine Relativbewegung zwischen der Struktur und ihrem Fundament zu dämpfen. Es werden unterschiedliche Konstruktionen der Reibungs-Kugel als bevorzugtes zentrales Element in dem System bzw. der Lagerung beschrieben. Es kann auch eine Vielzahl von Kugeln und entsprechenden Kugelsitzen eingesetzt werden.
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Zur Lösung der Aufgabe einer Bereitstellung eines Fertighauses, bei dem die Anordnung nicht nur eines Grundrisses einer Etage, sondern auch des Grundrisses eines Öffnungsabschnitts wie einer Tür oder eines Fensters flexibel geändert werden kann, und bei dem ein Fundament oder ein Dachabschnitt, der erdbebensicher ist, schnell konstruiert werden kann, schlägt die
US 2017/0260737 A1 ein Fertighaus vor. Dieses umfasst ein Stahlrahmenfundament, bei dem H-förmige Stähle in einer rechteckigen Kontur verbunden sind, einen vertikalen und einen horizontalen Rahmen, geneigte, an vier Ecken der rechteckigen Kontur angebrachte Rahmen zur Verstärkung, ein seismisches Isolationsgummi, das das Stahlrahmenfundament auf einem Fundament des Fertighauses mit einem Stützrahmen stützt, der an einer geeigneten Stelle auf dem Stahlrahmenfundament vorgesehen ist. Weiter umfasst das Fertighaus ein rechteckiges, auf dem Stahlrahmenfundament befestigtes Bodenelement, äußere Wandelemente, die von vier Begrenzungsflächen des Bodenelements als ein Paar langer Wandelemente und als ein Paar kurzer Wandelemente errichtet sind, ein inneres Wandelement, das an einer Position angebracht ist, die das Bodenelement unterteilt, und ein Dachelement mit einem bergförmigen Abschnitt, das über einen Kletterbalken an den äußeren Wandelementen angebracht ist.
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Im Stand der Technik werden die horizontalen Verschiebungen aufgrund eines Erdbebens durch geeignete Lagerungen des Gebäudefundaments zwar häufig bewältigt, aber es besteht die Gefahr einer Rissbildung in einer auf die entsprechenden Lagerungen aufgesetzten großflächigen Platten wie etwa Gebäudegrundplatten.
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Der Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine Vorrichtung zum Schutz von Gebäuden vor einem Erdbeben zu schaffen, die eine ausreichende Flexibilität aufweist, um eine Übertragung von Kräften bzw. Spannungen, die von einem Erdbebenereignis hervorgerufen werden, auf eine Gebäudegrundplatte zu vermeiden, zumindest aber deutlich zu verringern.
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Die Aufgabe wird in Verbindung mit den in dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 8 angegebenen Merkmale mit den kennzeichnenden Merkmalen der jeweiligen Ansprüche gelöst.
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In einem ersten Aspekt sieht die Erfindung dazu eine Vorrichtung zum Schutz eines Gebäudes vor einem Erdbeben mit wenigstens zwei, in einen Boden einzulassenden Fundamenten und mit einem einer Aufnahme einer Gebäudegrundplatte dienenden Tragwerk, das auf den wenigstens zwei Fundamenten jeweils mit Hilfe eines Abrollkörpers aufliegt, vor. Dabei ist jeder Abrollkörper zwischen einer unteren, auf den wenigstens zwei Fundamenten aufgebrachten Lagerschale und einer oberen, gegenüberliegend zu der unteren Lagerschale unterseitig am Tragwerk vorgesehenen Lagerschale eingebracht, um bei einer horizontalen Bewegung des Bodens und damit der Fundamente eine Bewegung, vorzugsweise ein Abrollen des Tragwerks gegenüber den wenigstens zwei Fundamenten zu ermöglichen. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Tragwerk von mithilfe von Verbindungselementen miteinander verbundenen Balken gebildet wird und dass die Verbindungselemente und die Balken des Tragwerks durch Klauengelenke miteinander verbunden sind.
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Gemäß dem ersten Aspekt sind die das Tragwerk bildenden Verbindungselemente und Balken bevorzugt gelenkig miteinander verbunden. Ein rasterartiges Tragwerk wird an dessen Verknüpfungspunkten auf Abrollkörper, die auf in den Boden eingelassenen Einzelfundamenten gelagert sind, aufgesetzt. Durch einen Eintritt eines Erdbebens hervorgerufene, auf die Einzelfundamente einwirkende zumindest horizontale Bewegungen werden mithilfe der Abrollkörper in ein Abrollen des mehrgliedrig aufgebauten, einer Aufnahme eines Gebäudes dienenden Tragwerks gegenüber den Einzelfundamenten umgesetzt.
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In einem zweiten Aspekt sieht die Erfindung dazu eine Vorrichtung zum Schutz eines Gebäudes vor einem Erdbeben mit wenigstens zwei, in einen Boden einzulassenden Fundamenten und mit einem einer Aufnahme einer Gebäudegrundplatte dienenden Tragwerk, das auf den wenigstens zwei Fundamenten jeweils mit Hilfe eines Abrollkörpers aufliegt, wobei jeder Abrollkörper zwischen einer unteren, auf den wenigstens zwei Fundamenten aufgebrachten Lagerschale und einer oberen, gegenüberliegend zu der unteren Lagerschale unterseitig am Tragwerk vorgesehenen Lagerschale eingebracht ist, um bei einer horizontalen Bewegung des Bodens eine Bewegung des Tragwerks gegenüber den wenigstens zwei Fundamenten zu ermöglichen, wobei die Abrollkörper rotationssymmetrisch sind und von einem gummielastischen Material gebildet werden. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Tragwerk von mithilfe von Verbindungselementen miteinander verbundenen Balken gebildet wird und dass die obere Lagerschale in die Verbindungselemente integriert ist.
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Gemäß dem zweiten Aspekt werden durch einen Eintritt eines Erdbebens hervorgerufene horizontale und vertikale Bewegungen mithilfe der elastischen Abrollkörper in ein Abrollen des einer Aufnahme eines Gebäudes dienenden Tragwerks gegenüber den Einzelfundamenten umgesetzt.
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Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, von Wind auf ein Gebäude, das von der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgenommen wird, ausgeübte Kräfte oder Momente aufzunehmen. Die Erfindung bringt gemäß dem ersten Aspekt den Vorteil mit sich, einen Zugang zu der unter der Gebäudegrundplatte liegenden Vorrichtung zu ermöglichen, um insbesondere nach einem Erdbebenereignis Kontroll- und/oder Restrukturierungsmaßnahmen durchführen zu können. Die Erfindung bringt den weiteren Vorteil einer einfachen Installation der Vorrichtung vor Ort aus weitestgehend vorgefertigten Einzelteilen ohne großen Montageaufwand mit sich. Gemäß dem zweiten Aspekt bringt die Erfindung den Vorteil mit sich, dass hohe Punkt- oder Linienbelastungen an den Abrollkörpern vermieden werden.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt sind die Balken und/oder die Verbindungselemente zur Sicherstellung einer räumlichen Steifigkeit des Tragwerks gegeneinander verspannt. Dazu dienen Stangen und/oder Stahlseile mit entsprechenden Spann- und Sicherungseinrichtungen.
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In bevorzugter Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt ist mindestens ein mit den Balken und/oder den Verbindungselementen verbundener Ankerblock vorgesehen. Da von der Lagerung des Tragwerks mithilfe der Abrollkörper vertikale Bewegungen bzw. Vertikalkräfte nur in geringem Maß aufgenommen werden können, ist der mindestens eine Ankerblock zur Stabilisierung eines von dem Tragwerk aufgenommenen Gebäudes vorteilhaft. Der mindestens eine Ankerblock kann vorzugsweise in den Boden eingelassen werden. Größe und Masse des einen bzw. der mehreren Ankerblöcke sind gemäß den statischen Erfordernissen festzulegen. Der mindestens eine Ankerblock wird in weiter bevorzugter Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit dem Tragwerk, d. h. den Verbindungselementen und/oder den Balken verbunden vorzugsweise verspannt. Der mindestens eine Ankerblock dient als Kräftewiderlager bei einer relativen Bewegung der Einzelfundamente und des Tragwerks.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt greifen an Balkenenden angebrachte Klauen in entsprechend gestaltete Klauentaschen an den Verbindungselementen ein. Die Klauen und die Klauentaschen werden bevorzugt von einem metallenen Material, vorzugsweise Stahl, weiter bevorzugt von verformungsfähigem Stahl gebildet.
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Bei der Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt sind die Abrollkörper in bevorzugter Ausführung als rotationssymmetrische Körper ausgeführt. Besonders bevorzugt sind die Abrollkörper im Wesentlichen kugel- oder zylinderförmig ausgeführt. Sie können von einem harten Material wie Beton oder Metall, insbesondere Stahl aber auch von einem gummielastischen Material gebildet werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die Verbindungselemente zu einer vorteilhaften Integration der oberen Lagerschale in die Verbindungselemente aus Stahlbeton gebildet.
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Die untere Lagerschale wird bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung von einer auf die wenigstens zwei Fundamente aufgebrachten Auflagerplatte gebildet. Bevorzugt werden die Auflagerplatten in fein nivellierten Mörtelfugen auf die Fundamente aufgesetzt.
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Als gummielastisches Material eignen sich im Rahmen der Erfindung recycelbare Gummi- und/oder Kunststoffmaterialien oder -produkte. Abrollkörper aus einem gummielastischen Material können sich bei der Abrollbewegung zur mechanischen Entkopplung des Tragwerks gegenüber den Fundamenten in Abhängigkeit der Auflagerlast und/oder der Größe der horizontalen, erdbebenbedingten Verschiebung zumindest elastisch verformen. Sie können dabei auch Walkarbeit leisten. Ebenso können Abrollkörper aus einem gummielastischen Material auch vertikale Bodenbewegungen, die von einem Erdbeben hervorgerufen werden, aufnehmen.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen die Abrollkörper eine auswechselbare Ausgleichsscheibe auf. Dazu sind die Abrollkörper zweiteilig ausgeführt, um die Ausgleichsscheibe zwischen den zwei Teilen aufzunehmen. Die Ausgleichsscheibe ist dem Material der Abrollkörper angepasst und wird vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die Abrollkörper gebildet.
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Weiter bevorzugt sind die Ausgleichsscheiben durch einander gegenüberliegende Verriegelungstraversen, die in Ausnehmungen an den Abrollkörperteilen vorgesehen sind, positioniert bzw. platziert oder zentriert.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit begleitenden, teilweise stark vereinfachten und in unterschiedlichen Maßstäben gehaltenen Zeichnungen näher erläutert. Von den Figuren, in denen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind, zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in 1 der in einen Boden eingelassenen Vorrichtung,
- 3 eine dreidimensionale perspektivische Detailansicht der 1,
- 4 eine Draufsicht auf die erste Ausführungsform,
- 5(a) eine Unteransicht eines Eckverbindungselements nach 5(a),
- 5(b) eine Schnittansicht eines Eckverbindungselements der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- 6(a) eine perspektivische Ansicht auf einen Knotenverbindungselements der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- 6(b) eine Unteransicht auf den Knotenverbindungselements nach 6(a),
- 7 ein Ausschnitt aus der 3,
- 8 - 10 jeweils eine Detailansicht der 8,
- 11 eine perspektivische Teilansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
- 12 eine Schnittdarstellung entlang der Linie XII-XII in 11.
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Eine in 1 insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 versehene erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung weist ein aus Balken 2, kreuz- und T-förmig ausgeführten Knotenverbindungselementen 3, 33 und Eckverbindungselementen 4 gebildetes Tragwerk 5 auf. Wie in 2 gezeigt, liegt das Tragwerk 5 auf im Bereich der Knoten- und Eckverbindungselemente 3, 4 vorgesehenen kugelförmigen Abrollkörpern 6 auf in einen Boden 7 eingelassenen Einzelfundamenten 8 auf. An Oberseiten der nach der Höhe ausgerichteten Einzelfundamente 8 sind als untere Lagerschalen für die Abrollkörper 6 dienende Auflagerplatten 9 vorgesehen. Die eine Tellermulde 11 - siehe 5(b), 6(a) - aufweisenden Auflagerplatten 9 sind wie in 3 gezeigt mit Hilfe einer Mörtelfuge 12 auf die Einzelfundamente 8 aufgesetzt. Den quadratischen Einzelfundamenten 8 und Auflagerplatten 9 gegenüberliegend sind die Knoten- bzw. Eckverbindungselemente 3, 33, 4 auf den kugelförmigen Abrollkörpern 6 mit an diese angepassten Tellermulden 13 aufgesetzt.
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In 4 sind die kreuz- oder T-förmig ausgeführten Knotenverbindungselemente 3, 33 sowie die Eckverbindungselemente 4 des Tragwerks 5 mit entsprechenden Großbuchstaben versehen. Die Tellermulden 13 der Knotenverbindungselemente 3, 33 der Eckverbindungselemente 4 und der Auflagerplatten 9 sind der Kugelform der Abrollkörper 6 angepasst und in Form eines entsprechenden Kugelkalotte ausgeführt. Die Knoten- und Eckverbindungselemente 3, 33, 4 sind aus Beton, vorzugsweise Stahlbeton, hergestellt. Die aus Beton hergestellten Einzelfundamente 8 sind bis auf einen tragfähigen Grund im Boden 7 abgesenkt und gegebenenfalls als Kopfaufbauwerk für eine Tiefgründung wie Rammpfähle, Bohrpfähle oder Spundkästen ausgeführt. Es ist ebenso vorgesehen, an den Auflagerplatten 9 in den Fign. nicht gezeigte Zylinderöffnungen vorzusehen, welche nach einem schadhaften Erdbebenereignis mit einer Art Zementmilch gefüllt werden können, um die Auflagerplatten 9 nachzupressen.
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Auf das Tragwerk 5 wird eine Beton- bzw. Stahlbetonplatte eines Gebäudes (nicht gezeigt) aufgesetzt. Durch die zwischen dem Boden 7 und dem Gebäude vermittelnde erfindungsgemäße Vorrichtung 1 wird eine seismographische Entkopplung des Gebäudes von in dem Boden 7 wie etwa bei einem Erdbeben möglichen Bewegungen erreicht. Um eine Übertragung von vertikalen Kräften auf das auf dem Tragwerk 5 ruhende Gebäude zu begrenzen, ist in dem Tragwerk 5 ein Ankerblock 14 vorgesehen. Der Ankerblock 14, der als monolithischer Betonblock oder auch als Hohlblock mit einer Sand- oder Steinschüttung ausgeführt sein kann, ist mit den aus Stahl oder Fertigbeton hergestellten Balken 2 und den Knotenverbindungselementen 3 wie in den 1, 4 gezeigt verbunden.
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Zur Verbindung des Ankerblocks 14, der zur weiteren Stabilisierung des Gebäudes unter anderem auch gegenüber großen Windlasten wie in 2 gezeigt in den Boden 7 eingelassen werden kann, mit den Balken 2 und je nach Positionierung auch den Knoten- und Eckverbindungselementen 3, 33, 4 werden im Rahmen der Erfindung anhand der 7 bis 10 näher veranschaulichte Stahlseile 15, 16 oder Stahlstangen verwendet. Des Weiteren wird eine Stabilisierung des Tragwerks 5 durch Diagonalabspannungen 17 zwischen den Knotenverbindungselementen 3, 33 und Eckverbindungselementen 4 und Diagonalabspannungen 18 zwischen den Knotenverbindungselementen 3, 33 erreicht. Die Diagonalabspannungen 17, 18 sind ebenfalls als Stahlseile oder Stahlstangen ausgeführt.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 wird eine Entkopplung von erdbebeninduzierten Bewegungen des Bodens 7 und damit auch der Einzelfundamente 8 über die Lagerung des Tragwerks 5 mithilfe der etwa aus Beton oder Metall, vorzugsweise Stahl gebildeten Abrollkörper 6 erreicht. Darüber hinaus trägt die Flexibilität des Tragwerks 5 dazu bei. Diese wird durch eine Verbindung der mithilfe von Tellermulden 13 nach 5(a) bis 6(b) auf den Abrollkörpern 6 gelagerten Eck- und Knotenverbindungselemente 4, 3, 33 durch Klauengelenke 21 mit den Balken 2 erreicht. Die durch die Klauengelenke 21 zwischen den Balken 2 und den Knoten- und Eckverbindungselementen 3, 33, 4 bereitgestellte gelenkige Verbindung kann insbesondere vertikale Bewegungen oder Schwingungen des Bodens 7 aufnehmen.
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Wie in 5(b) dargestellt, sind an Längsenden 2a der Balken 2 Stahlplatten 22 angebracht, von denen eine Klaue 23 hakenartig vorsteht. Gegenüberliegend zu der vorzugsweise aus Stahl gebildeten Klaue 23 ist nach 5(b) an dem Eckverbindungselement 4 eine Stahlplatte 24 angebracht, auf die nach außen eine Klauentasche 25 angesetzt ist. Zur Verbindung des Balkens 2 mit dem Eckverbindungselement 4 wird die Klaue 23 des Balkens 2 in die Klauentasche 25 eingesetzt. Durch derartige, anhand eines kreuzförmigen Knotenverbindungselements 3 in 6(a) veranschaulichte gelenkige Verbindungen von Balken 2 und Knotenverbindungselementen 3, 33 sowie Eckverbindungselementen 4 wird eine hohe Flexibilität des Tragwerks 5 erzeugt.
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Die gelenkige Verbindung wird einerseits durch einen spielbehafteten Sitz der Klauen 23 in den aus Stahl gebildeten Klauentaschen 25 bereitgestellt. Andererseits trägt die Verformbarkeit der Klauen 23 und der Klauentaschen 25 zu der gelenkigen Verbindung bei. Mit der Gelenkfunktion der an sich formschlüssigen Verbindungen des Tragwerks 5 ist es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 möglich, vertikale und horizontale Bewegungen in ausreichendem Maße aufzunehmen.
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Eine Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 wird vereinfacht anhand der 5(b) dargestellt. Aufgrund einer durch den Pfeil h1 veranschaulichten Bewegung des Bodens 7 und der Einzelfundamente 8 rollt der die Funktion eines Wälzkörpers übernehmende Abrollkörper 6 entlang der Tellermulde 11 der Auflagerplatte 9 wie durch den Pfeil k veranschaulicht ab. Dadurch wird das mit der Tellermulde 13 auf dem Abrollkörper 6 aufliegende Eckverbindungselement 4 in eine entgegengesetzte, durch den Pfeil h2 veranschaulichte Richtung bewegt.
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Durch eine derartige Abrollbewegung des Abrollkörpers 6 zwischen der Auflagerplatte 9 bzw. dem Einzelfundament 8 und dem Eckverbindungselement 4 werden bei einem Erdbeben hervorgerufene horizontale Beschleunigungskräfte durch eine Relativbewegung des Tragwerks 5 gegenüber den Einzelfundamenten 8 aufgefangen. Auflagekräfte auf den Abrollkörper 6 an den Auflagelinien der Tellermulde 11 der Auflagerplatte 9 und der Tellermulde 13 des Eckverbindungselements 4 bilden mit einem Abstand der Auflagelinien ein Rückstellmoment, das den Abrollkörper 6 wieder in dessen ursprüngliche Lage zu bewegen versucht.
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Anhand der 7 ist die Abspannung des Ankerblocks 14 an den diesen umgebenden Balken 2 und Knotenverbindungselementen 3 des Tragwerks 5 dargelegt. Der Ankerblock 14 wird nach 7 mithilfe von Stahlseilen 15, die zwischen in 8 gezeigten Ankerrollen 26 entlang einer Zickzack-Linie an den Balken 2 und dem Ankerblock 14 geführt werden, an den Tragbalken 2 abgespannt. An Kanten des Ankerblocks 14 kommen dabei in 9 gezeigte Ankerdoppelrollen 27 zum Einsatz. Mithilfe von in 10 dargestellten Verankerungs- und Spannvorrichtungen 29 wird eine Abspannung des Ankerblocks 14 über dessen vier Kanten an den diesem gegenüberliegenden Balken 2 einstellbar erreicht. An eine mit einer Druckscheibe 30 mit angesetztem Ankerkopf 31 in dem Balken 2 eingesetzte Gewindestange 32 ist eine Klemmplatte 34 angesetzt. In der Klemmplatte 34 ist das Stahlseil 16 mit Klemmschrauben 35 festgelegt.
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Mit den Verankerungs- und Spannvorrichtungen 29 kann die Abspannung des Ankerblocks 14 auf die Balken 2 und damit auf die Verbindungselemente 3, 4 derart eingestellt werden, dass die zur Aufnahme von horizontalen, erdbebenbedingten Beschleunigungen möglichen Verschiebungen der unteren und oberen Lagerschalen 9, 13 eingestellt bzw. begrenzt werden können. Entsprechend bewegen sich die Abrollkörper 6 zwischen der Auflagerplatte 9 und der Tellermulde 13 der Knoten- und/ oder Eckverbindungselemente 3, 4 soweit wie es der Ankerblock 14 aufgrund seiner Abspannung zulässt. Dabei wird über die Abspannung des Ankerblocks 14 mithilfe der Stahlseile 15, 16 eine auf die Knoten- und Eckverbindungselemente 3, 4 wirkende Vorspannung derart erzeugt, dass die Verschiebung der Auflagerplatte 9 gegenüber der Tellermulde 13 begrenzt ist. Eine Begrenzung der relativen Bewegung der Einzelfundamente 8 gegenüber dem Tragwerk 5 wird so bemessen, dass der Abrollkörper 6 die Auflagerplatte 9 bzw. die Tellermulde 13 nicht verlässt.
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Bei einer zweiten, anhand der 12, 13 veranschaulichten Ausführungsform 11 der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Abrollkörper 60 in zwei Kugelsegmente 61, 62 unterteilt, zwischen denen eine Ausgleichsscheibe 63 aufgenommen wird. Die Ausgleichsscheibe 63 ist aus dem gleichen gummielastischen Material wie der Abrollkörper 60 gebildet und wird mithilfe von Arretierungstraversen 64 zwischen den Kugelsegmenten 61 und 62 zentriert. Die Arretierungstraversen 64 stützen sich mit Schenkelelementen 65 auf dem Boden 7 ab. Die Arretierungstraversen 64 weisen die Querschnittsform eines Doppel-T-Trägers auf. Oberhalb und unterhalb eines Stegabschnitts 67 vorgesehene Flanschabschnitte 68 fassen die Arretierungsscheiben in paarweise gegenüberliegenden Ausnehmungen 69 der Kugelsegmente 61, 62 ein.
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Neben den bei der Verwendung eines Abrollkörpers 6 aus Beton oder Stahl auftretenden Kräften bzw. sich ineinander umwandelnden Energien treten bei dem aus einem gummielastischen Material gebildeten Abrollkörper 60 Verformungskräfte bzw. Verformungsenergien bei einer erdbebeninduzierten Relativbewegung von Tragwerk 5 und Einzelfundamenten 8 auf. Denn bei einer dadurch ausgelösten Belastung des Abrollkörpers 60 erfährt dieser eine Verformung von der Kugelform in einen längsovale Form. Je nach Größe der durch das Erdbeben hervorgerufenen Beschleunigungskräfte kann eine solche Verformung bereits zu einer Entkopplung des auf dem Tragwerk 5 ruhenden Gebäudes von den auf die Einzelfundamente 8 ausgeübten Beschleunigungskräften führen.
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Ein Durchmesser der kugelförmigen Abrollkörper 6, 60, eine Dicke der Auflagerplatte 9 und eine Höhe der aus dem Boden 7 erhaben herausragenden Teile der Einzelfundamente 8 bestimmen den Umfang einer Zugänglichkeit des Tragwerks 5 von unten. Bei einem Durchmesser der kugelförmigen Abrollkörper 60 von etwa 60 cm, der Dicke der Auflagerplatte 9 von etwa 20 cm und der Höhe der aus dem Boden vorstehenden Teile der Einzelfundamente 8 von ebenfalls etwa 20 cm ist ausreichender Raum zur Begutachtung der Vorrichtung 10 nach dem Eintritt eines Erdbebenereignisses gegeben. Hinzuzurechnen ist dazu ggf. auch die Dicke der Balken 2 des Tragwerks 5 von etwa 60 cm.
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Nach 12 erlauben die Ausnehmungen 69 gegenüber den Arretierungstraversen 64 einen Höhenausgleich. Sofern ein Erdbebenereignis eine vertikale Verschiebung eines Einzelfundaments 8 in dem Maße verursacht hat, das den Höhenausgleich innerhalb der Ausnehmungen 69 überschreitet, kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 ein Austausch einer Ausgleichsscheibe 63 erfolgen, um die vertikale Verschiebung des Einzelfundaments 8 auszugleichen. Dazu werden die Kugelsegmente 61, 62 mit Hilfe von Hydraulikstützen vertikal geringfügig gegeneinander bewegt. Nach einem Entfernen der Arretierungstraversen 64 wird die Ausgleichsscheibe 63 aus dem Abrollkörper 60 entnommen und durch eine Ausgleichsscheibe 63 mit einer anderen Dicke, die an die vertikale Verschiebung des Einzelfundaments 8 angepasst ist, ersetzt. Auf diese Weise kann im Rahmen der Erfindung nach einem Erdbebenereignis wieder eine höhenmäßige Ausrichtung der Einzelfundamente 8 erreicht bzw. deren Fehlausrichtung kompensiert werden.
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Die anhand der 1 bis 12 beschriebenen Vorrichtungen 1, 11 werden aus vorgefertigten Elementen gebildet, die in einem Erdbebengebiet ohne aufwendige Vor-Ortmontage auf einfache Art und Weise zusammengebaut werden können.