- 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