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MAURER Erdbebenschutz

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Inhalt

1. Einleitung 1.1. Allgemein 1.2. Grundkonzepte der Erdbebensicherung 1.2.1. Schutz durch Energieverteilung 1.2.2. Schutz durch Basisisolation und Dissipation 2. Lagerungselemente für eine Basisisolation 2.1. Elastomerisolatoren 2.1.1. Normaldämpfende Elastomerisolatoren (LDRB) 2.1.2. Hochdämpfende Elastomerisolatoren (HDRB) 2.1.3. Elastomerisolatoren mit Bleikern (LRB) 2.2. Gleitisolatoren 2.2.1. Gleitisolator ohne Rückzentrierung (SI) 2.2.2. Gleitpendelisolator mit Rückzentrierung (SIP) 2.2.3. Doppel-Gleitpendelisolator mit Rückzentrierung (SIP-D)

3. Hydraulische Koppelungs- und Dämpfungselemente 3.1. Schock-Transmitter (MSTU) 3.2. Schock-Transmitter mit Überlastschutz (MSTL) 3.3. Dämpfer (MHD) 4. Bauwerksdehnfugen für Erdbeben (DS & DS-F)

5. Nicht-lineare Bauwerksanalyse

Maurer Söhne Stammhaus Frankfurter Ring 193, 80807 München Telefon (089) 3 23 94-0 Telefax (0 89) 3 23 94-3 06 ba@maurer-soehne.de www.maurer-soehne.de

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1. Einleitung Der heutige Stand der Technik erlaubt es Bauwerke aller Art an die unterschiedlichsten Lastfälle wie beispielsweise Verkehr, Wind, Erdbeben etc. optimal anzupassen. Daher werden die auftretenden Spannungen gleichmäßig proportioniert auf die gesamte Bauwerksstruktur verteilt oder diese werden von Beginn an mittels Isolierungstechniken und zusätzlicher Dämpfung sogar wesentlich abgemindert. Es existieren keine allgemeinen festen Konzepte für den Bauwerksschutz bei Erdbeben, nachdem jedes Bauwerk für sich einzigartig ist und individuelle Überlegungen erfordert. Deshalb ist eine projektbezogene Auswahl der notwendigen mechanischen Komponenten erforderlich, um das Bauwerk optimal auf das Designerdbeben abzustimmen. Ein speziell angepasstes Erdbeben-schutzsystem gewährleistet effektiven Personenschutz, sowie die volle Funktionstüchtigkeit nach einem Designerdbeben. Zudem werden jegliche Bauwerksschäden vermieden. Daher ist das Bauwerk stets servicebereit und kann Nachbeben ohne Schäden aufnehmen. Es sind keine Instandsetzungsmaßnahmen der Bauteile oder des Bauwerks notwendig, was verdeutlicht, dass ein derartiges Schutzsystem nicht nur technisch, sondern auch wirtschaftlich sehr effizient ist. Die nachfolgend aufgeführten MAURER Komponenten für Erdbebenschutzsysteme wurden bereits in vielen Bauwerken erfolgreich eingesetzt. In Abhängigkeit von den Anforderungen für die einzelnen Komponenten können unterschiedliche Standards wie beispielsweise EURO NORM, AASHTO, BRITISH STANDARD, DIN oder andere herangezogen werden. Trotz der Tatsache, dass in den vergangenen Jahren einige grundlegende Richtlinien für das Erdbebeningenieurwesen eingeführt wurden, stellt sich immer wieder heraus, dass jedes Bauwerk auf seine Art einzigartig ist und daher individuell bemessen werden muss. Dies führt zwangsläufig auch zu maßgeschneiderten Erdbebenschutzkomponenten, wie Isolatoren und Dämpfern.

Fig. 1: Tejo-Brücke in Lissabon mit Gleitisolatoren und DS-Schwenktraversen

Fig. 2: Neues Akropolis Museum in Athen mit SIP-Basisisolierung

Fig. 3: Brücke Rion-Antirion/ Griechenland mit Schwenktraversen Typ DS mit Fuse Box

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1.2. Grundkonzepte der Erdbebensicherung 1.2.1 Schutz durch Energieverteilung Energieverteilung bedeutet, dass die Energie aus dem Erdbeben, die von dem Untergrund ausgeht, an möglichst viele Bauwerksstellen verteilt wird. Hierdurch werden signifikante Energieanhäufungen an vereinzelten Bauwerksstellen vermieden. Hierfür werden spezielle Komponenten, sogenannte Schock-Transmitter oder auch Shock Transmission Units (MSTUs) genannt, eingesetzt, die Relativbewegungen aufgrund von Temperaturdifferenzen und Schwinden/Kriechen während dem normalen Servicelastfall erlauben (Fig.4 ). Nur während dem Erdbebenlastfall oder anderen plötzlich auftretenden Einwirkungen aus Verkehr oder ähnlichem, verhalten sich dies MSTUs wie Festhaltungen (Fig.5 ). Dabei verteilen diese die horizontal angreifenden Antwortkräfte aus Erdbeben oder Verkehr auf mehrere Bauwerksstellen. Auf diese Weise wird die Fähigkeit des Bauwerks, elastische und auch kinetische Energie zu speichern, erhöht. Gleichzeitig werden die Bauwerksbewegungen im Vergleich zu der Version ohne die MSTUs geringer. Die auftretenden Horizontalkräfte werden mehr oder weniger gleichmäßig über die Bauwerksstruktur verteilt und Spannungsspitzen aus unterschiedlichen Bauwerksbelastung werden vermieden. Entgegen der obigen Annahme, sind die während eines Erdbebens auftretenden Kräfte und Verschiebungen nicht die Ursache, vielmehr sind diese die Auswirkung des kurzweiligen, dynamischen Auftretens von enormen, gespeicherten Energiemengen aus dem Erdboden. Damit das Schutzsystem effizienter wirkt, muss das Schutzkonzept auch den Charakter des Erdbebens berücksichtigen. So ist die einfache Umverteilung der eingebrachten Erdbebenenergie auf mehrere Bauwerks-stellen meist nicht ausreichend, um das Bauwerk adäquat zu schützen. Bisher hat sich dieses Prinzip für die Übertragung von Verkehrslasten und Erdbeben bei maximal 0,15g bis 0,2g Bodenbeschleunigung bewährt. Die Erdbebenenergie kann immer noch in vollem Umfang, ohne dabei abgeschwächt zu werden, das Bauwerk erreichen und durchdringen, da für den Erdbebenlastfall jede

Achse mit einem MSTU zu einer Festachse wird (Fig. 6). Damit wird der komplette Überbau mitgerissen und beschleunigt.

Fig. 4: Lagerungssystem mit MSTUs

Brückenlängsrichtung

Fig. 5: Brücke während Servicelastfall mit inaktiven MSTUs

MSTU

Fig. 6: Brücke mit aktiven MSTUs während dem Erdbeben oder anderen Schockeinwirkungen

Bauwerks-deformation

Erdbebenanregung

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1.2.2. Schutz durch Basisisolation und Dissipation

Basisisolation und Dissipation bewirkt eine Abschwächung der in das System eingetragenen Energiemengen und die Umwandlung von Energie in Wärme. Dies wird auch das Konzept nach dem Energieansatz genannt, welches insbesondere den Energiecharakter des Erdbebens berücksichtigt. Durch diesen Ansatz werden kostenintensive Bauwerksversteifungs-maßnahmen vermieden und es wird ein Höchstmaß an Personen und Bauwerksschutz erzielt. Dabei werden zwei Ansätze gleichzeitig angewendet: 1. Erdbebenisolation: Der Überbau bzw. das Bauwerk wird von dem Untergrund entgekoppelt. Diese, auch als Erdbebenisolierung bezeichnete Methode begrenzt automatisch die in das Bauwerk eintretende Energiemenge bzw. schwächt diese erheblich ab. Dies resultiert in einer Anhebung der natürlichen Bauwerksperiode (Periodenverschiebung), was zu einer erheblichen Reduktion der spektralen Bauwerksbeschleunigungen während des Erdbebens führt (Fig.7 ). In Abhängigkeit von dem eingesetzten Isolatortyp, gewährleisten die Isolatoren nicht nur die vertikale Auflastübertragung, sondern erbringen auch die notwendige Rückstellkapazität während und nach einem Erdbeben. Die Rückstellung bedeutet, dass die während des Erdbebens verschobene Bauwerksstruktur automatisch wieder in die Ausgangsposition zurück-gezogen wird, wodurch aufkumulierte Bauwerksverschiebungen in eine Richtung verhindert werden! 2. Energiedissipation: Mittels Energiedissipation (= Energieumwand-lung in Wärme) wird die Restenergie, die durch die Isolatoren in das Bauwerk gelangt ist, mit zusätzlichen Dämpfern dissipiert, wobei hierdurch die maximalen Bewe-gungsausschläge des Bauwerks relativ zum Untergrund effektiv begrenzt werden (Fig.8). Im Vergleich zu dem Konzept der Energieverteilung bietet das Konzept der Erdbebenisolierung verbunden mit der Energiedissipation einen besseren Erdbebenschutz.

Zusammenfassend werden folgende Forderungen an eine Basisisolation gestellt: ● Abtragung von Vertikallasten, ● freie Bewegung in alle Richtungen, ● Dämpfung der Bauwerksschwingungen, ● Rückstellung in Mittelposition.

Fig. 7: Charakteristisches Antwortspektrum einer Brücke

Periode [s]

Spektrale Beschleunigung [a]

2 1

Beschleunigung einer nicht isolierten Struktur

Beschl. einer isolierten Struktur

Periodenverschiebung

Reduktion von a

Fig. 9: Beispiel für die Anordnung von Dämpfern

Keine Schäden

Erdbebenanregung

Keine Bauwerks-deformationen

Dämpfer

Isolatoren

Fig. 8: Beispiel einer möglichen Anordnung von Isolatoren mit Dämpfern

= Erdbebenisolator allseits beweglich mit Rückstellkraft = Dämpfer

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Für den Fall, dass flexible Pfeiler vorhanden sind – z.B. hohe Pfeiler in Brückenmitte – kann die Rückstellkraft für das Erdbebenschutzsystem und das Deck aufgrund der Flexibilität der Pfeiler gewährleistet werden, welche wie Stabfedern wirken. Dabei werden auf den flexiblen Pfeilern längsfeste Lager (Fig. 10) vor-gesehen. Diese festen bzw. querbeweglichen Lager erlauben in der Längsrichtung keine Relativbewegungen zwischen Pfeiler und Deck. Während eines Erdbebens biegen sich diese flexiblen Pfeiler elastisch, wobei eine Rückstellkraft entsteht. Gleichzeitig isoliert dieses System das Deck zumindest großteils vom Untergrund. Ein kleiner Nachteil dieses Systems ist die fehlende Isolation in Brückenquerrichtung, wodurch die entstehen-den Querkräfte von den Brückenlagern übertragen werden müssen. Insbesondere bei großen Bauwerken (Brücken mit mehr als 1.000 m Länge) ist aus der Designvorgabe heraus eine komplette Isolierung (Fig.11) oftmals nicht mehr möglich. Somit bietet dieser Lösungsansatz zwar nicht die volle Erdbebenisolierung, jedoch gewährleistet er eine erhebliche Energieabschwächung und eine gute Kräfteverteilung innerhalb des Bauwerks. Zudem ist dieser Ansatz sehr gut für Nachrüstungen von bestehenden Brücken geeignet. Das Konzept der Energieabschwächung nutzt die Vorteile der Isolierung und der Energiedissipation, wodurch diese Methode die technisch effektivste Lösung mit großen Sicherheitsreserven bei extrem hoher Wirtschaftlichkeit darstellt. Die Bauwerksstruktur ist mit diesem Konzept derart geschützt, dass auch bei Nachbeben das Schutzsystem voll einsatzfähig ist und bleibt. Zum Ausgleich von Überbaubewegungen an den Widerlagern und um den Fugenspalt zu überbrücken, werden spezielle, erdbeben-taugliche Dehnfugenkonstruktionen vorge-sehen (Fig. 12). Diese Dehnfugen müssen schnell auftretende, alternierende Relativ-bewegungen in alle Richtungen (x, y und z), ohne dabei beschädigt zu werden oder das Bauwerk zu beschädigen, aufnehmen.

Fig. 12: Bewegungen an der Dehnfugenkonstruktion

Fig. 10: Beispiel für ein Lagerungssystem mit Dämpfern und flexiblen Pfeilern

Fig. 11: Brücke mit Schutzsystem aus Fig. 10

Erdbebenanregung

Gleitlager Flexible Pfeiler mit längsfesten Lagern

Dehnfuge

DeckWider-lager

Lager

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2. Lagerungselemente für eine Basisisolation 2.1. Elastomerisolatoren 2.1.1. Elastomerisolatoren mit niedriger Dämpfung (LDRB) Elastomerisolatoren mit niedriger Dämpfung bestehen aus mehreren übereinander-liegenden Schichten von Stahlblechen, die durch ein spezielles Elastomer verbunden sind (Fig. 13). Die Isolatoren übertragen die Vertikallasten aus dem Bauwerk bei gleichzeitiger Verdrehbarkeit und automatischer Rückstellung, die abhängig von der Höhe des Elastomeres und dessen Schubmodul ist. Der Schubmodul liegt, je nach Anforderung zwischen 0,6 und 1,2 N/mm². Die Dämpfung der niedrig dämpfenden Elastomerisolatoren beträgt ca. 6 %. In vielen Fällen kann jedoch mit dem alleinigen Einsatz keine ausreichende Energiedissipation im Erdbebenfall erreicht werden. Hier ist der Einsatz von HDRBs und LRBs (siehe unten) mit höhere Dämpfung oder eine Kombination mit Dämpfern (MHD) technisch, sowie wirtschaftlich sinnvoll. Je nach Anforderung an das System, wie beispielsweise schwimmende Lagerung, teilweise schwimmende Lagerung oder Festhaltung über flexible Pfeiler, werden neben den allseitig beweglichen Isolatoren auch Festlager eingesetzt, um eine bestimmte Funktionseigenschaft für die unterschiedlichen Lastfälle aus Service- und Erdbebenbelastung zu gewährleisten. Somit hängt die Wahl der richtigen Lager- bzw. Isolatorentypen von der Bewegungsanforderung, der Auflast, den horizontalen Steifigkeitsanforderungen und der nötigen Energiedissipation ab. 2.1.2. Elastomerisolatoren mit hoher Dämpfung (HDRB) Elastomerisolatoren mit hoher Dämpfung besitzen ein Elastomer mit hochdämpfenden Eigenschaften. Diese High Damping Rubber (HDR) besitzen eine gesteigerte Berührungsfläche zwischen Elastomermolekül und Füllstoff, was zu höheren Dämpfungsraten von 10% bis 20% führt und damit eine deutlich fülligere Hysterese ergibt (Fig. 15).

Fig. 13: Elastomerisolator vom Typ LDRB und HDRB mit Verankerungsbeispiel

Fig. 15: Hystereseschleife eines Elastomerisolators mit und ohne Bleikern

Fig. 14: Elastomerisolator mit Bleikern und Verankerungsbeispiel

Ohne Bleikern

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2.1.3. Elastomerisolator mit Bleikern (LRB) Bei einem Elastomerisolator (LRB = Lead Rubber Bearing) mit Bleikern wird wie bei üblichen Elastomerisolatoren die Vertikalkraft über das Elastomer abgetragen. Zur Erhöhung der Dämpfung auf bis zu ca. 40% werden zusätzlich ein oder mehrere Bleironden vertikal im Elastomer eingesetzt (Fig. 14 & 16). Kommt es zu horizontalen Verschiebungen, wird durch den Bleikern ein deutlich höherer Widerstand entgegensetzt. Das Ergebnis ist eine wesentlich fülligere Hysterese mit höherer Dämpfung (Fig. 15). 2.2. Gleitisolatoren Gleitisolatoren bestehen aus einer unteren und oberen Lagerplatte und einem zwischen-geschalteten, spherischen MSM-Gleitschuh. Diese Lager übertragen vertikale Lasten bei horizontaler Verschieblichkeit auf einer Gleitfläche. Der Reibungskoeffizient zwischen Gleitschuh und Lagerplatte bestimmt die Dissipation, welche bei Relativverschiebungen des Bauwerks zum Untergrund auftritt (Fig. 17, 18 und 19). Die Dämpfung der Gleitisolatoren kann, je nach Anforderung, zwischen 5% und 35% betragen. Um eine höhere Dämpfung zu erreichen, ohne die Reibung zu groß werden zu lassen und somit die Isolationsfähigkeit zu gefährden, können diese zusätzlich mit viskosen Dämpfer kombiniert werden. Um die individuellen Anforderungen verschiedener Bauwerke an die Dissipation zu erfüllen, werden die Reibbeiwerte je nach Anforderung individuell an die Bauwerke angepasst. Untersuchungen und Kontrollen von unabhängigen Instituten wie der Universität von Kalifornien in San Diego/U.S.A., der Universität der Bundeswehr in München und anderen bestätigten bereits die Leistungs-fähigkeit und die Funktionscharakteristika. Generell wird zwischen zwei unterschiedlichen Typen von Gleitisolatoren unterschieden: - Typ SI: Isolator ohne Rückzentrierung. - Typ SIP und SIP-D: Isolator mit Rück-

zentrierung.

Fig.19: Gleitpendelisolator (SIP) in Gebäude

Fig. 18: Gleitisolator ohne Rückzentrierung (SI)

Fig. 17: Gleitpendelisolator (SIP) mit Rückzentrierung

Fig. 16: Elastomerisolatoren mit Bleikern (LRB)

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2.2.1 Gleitisolator ohne Rückzentrierung (SI) Die Gleitisolatoren vom Typ SI (= Sliding Isolator) ohne Rückzentrierung besitzen eine horizontale Gleitplatte, die eine Verschiebung erlaubt und dabei mittels definierter Reibung zwischen den Gleitpartnern (MSM® gegen Edelstahlblech) Energie dissipiert wird (Fig. 20 & 21). Die Hysteresekurve in Fig. 22 zeigt den typischen Verlauf der Reibkraft in Abhängigkeit des Verschiebungsweges im Vergleich zum Gleitpendelisolator mit Rückzentrierung. Nachdem, wie aus der Hystereseschleife erkennbar ist, keine elastische Energie entsteht, ist auch keine Rückstellkraft im System vorhanden. Um dennoch eine Rückstellung zu erreichen, müssen elastische Komponenten eingebaut werden, die der jeweiligen Verschiebung genau die Kraft entgegensetzen, die zur Rückführung notwendig wird. Je nach Aufbau des Über- und Unterbaus ist auch eine um 180° gedreht („upside down“) Anordnung des Isolators möglich.

Fig. 20: Gleitisolator vom Typ SI

Fig. 21: SI-Gleitisolator für 130.000 kN Auslast (SLS)

s

F

SI

SIP und SIP-D

Fig. 22: Hystereseschleifen von Gleitisolatoren und Gleitpendelisolatoren

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2.2.2 Gleitpendelisolator mit Rück- zentrierung (SIP) Gleitpendelisolator mit Rückzentrierung oder auch SIP (Sliding Isolation Pendulum) genannt, besitzen im Gegensatz zu den Gleitisolatoren eine konkave Gleitplatte (Fig. 24). Bedingt durch die Geometrie hat jede horizontale Verschiebung auch eine vertikale Isolatorbewegung zur Folge. Dadurch wird ein Teil der einwirkenden kinetischen Energie in potentielle Energie umgewandelt. Der Ausgleich der potentiellen Energie, welche durch die nach oben gedrückte Überbaustruktur gespeichert wurde, bewirkt automatisch eine Rückführung bzw. Rückzentrierung des Lagers in die Mittelposition. Diese Rückstellkraft ist auch in der Hystereseschleife für den SIP- und SIP-D-Typen erkennbar (Fig. 23). Die Gleitpendelisolatoren eignen sich somit besonders gut zum Entkoppeln von Bauwerken vom Untergrund, wobei sie horizontal flexibel sind, die Energie dissipieren und zudem den Überbau in die ursprüngliche Lager rückzentrieren. 2.2.3 Doppel-Gleitpendelisolator mit Rück- zentrierung (SIP-D) Bei Doppel-Gleitpendelisolatoren (SIP-D) mit Rückzentrierung bewegt sich der Gleitschuh zwischen zwei symmetrischen konkaven Lagerplatten (Fig. 23). Dadurch können diese Isolatoren gegenüber den einfachen Gleitpendelisolatoren (SIP) bei gleichem Durchmesser den doppelten Verschiebeweg leisten. Somit ist mit den SIP-D-Typen bei Bewegungs-anforderungen ab +/-300mm oftmals eine wirtschaftlichere Lösung zu erzielen, wobei auch die Grundrissfläche des Isolators kleiner wird, sowie die Exzentrizitäten auf Über- und Unterbau aufgeteilt werden.

Fig. 23: Charakteristische Hystereseschleife eines Gleitpendelisolators (SIP)

Fig. 22: Prinzip eines Gleitpendelisolators (SIP)

Fig. 23: Doppel-Gleitpendelisolator (SIP-D)

D

W

F

W

F

Keff = effektive Steifigkeit

Verschiebung

Kraft

KSI = Isolatorsteifigkeit µ W = Reibkraft

Ki = initiale Steifigkeit

D

F

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3. Hydraulische Koppelungs- und Dämpfungselemente 3.1 Schock-Transmitter (MSTU) Die Schock Transmitter (MSTU) – auch Shock Transmission Units genannt - sind wartungsfreie hydraulische Vorrichtungen, um Strukturen, welche im Servicelastfall ohne merklichem Kraftaufwand relativ zueinander verschieblich sind, bei schlagartig auftretenden dynamischen Schockbe-lastungen, wie z.B. Erdbeben, Bremslasten usw. starr zu verbinden. Die MSTUs werden einzeln oder in Kombination mit Brückenlagern in das Bauwerk eingebaut. In der einschlägigen Fachliteratur sind auch alternative Namensgebungen wie z.B. Lock-Up Device (LUD), Rigid Connection Device (RCD), Seismic Connectors, Buffers oder ähnliches für diese Komponenten zu finden. Der Schock-Transmitter gibt abhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit eine ent-sprechende Kraftantwort (Fig. 25, links). Sehr langsame Bewegungen z.B. aus Temperatur, Schwinden/Kriechen usw. rufen keine signifikanten Kraftantworten hervor. Das hydraulische Fluid im Inneren des MSTU kann von einer Kolbenseite zur anderen gelangen ohne dabei nennenswerte Antwortkräfte zu erzeugen. Treten zwischen den verbundenen Bauwerksteilen schlagartige Beschleuni-gungen, z.B. aufgrund von Erdbeben oder Bremskräften usw. auf, welche zu Bewegungsgeschwindigkeiten über 0,1 mm/s führen, reagiert der Schock-Transmitter mit einer Kraftantwort (Fig. 25, rechts), d.h. er lässt nun keinerlei Bewegungen zwischen den verbundenen Bauwerksteilen zu. Es entsteht eine rigide Verbindung. Das hydraulische Fluid im MSTU kann bei diesen schnellen bzw. schlagartigen Bewegungen nicht von einer Kolbenseite zur anderen strömen, wodurch der MSTU Bewegungen blockiert.

Die beiden Funktionscharakteristika sind: A) Keine nennenswerte Antwortkraft (max. 10% der Designkraft) für Bewegungen aus Schwinden/Kriechen u. Temperatur-änderungen. B) Schlagartige Blockade bzw. Aufbau einer Widerstandskraft (= Designkraft = Fn) für plötzliche Bewegungen aus Verkehr, Erdbeben oder ähnlichem.

Fig. 27: Shock-Transmitter (MSTU)

Fig. 26: Kraft [F] - Weg [s] – Diagramm für MSTU

Fig. 24: Shock-Transmitter (MSTU)

Seal-system Fluid chamber Orifice

piston

[F]

[v]

A) Service- B) Erdbeben lastfall

0,1 mm/s

Fig. 25: Kraft [F] - Geschwindigkeit [v] – Diagramm für einen MSTU

Fn

[F]

[s]

[F]

[s]

A) Servicelastfall B) Erdbeben

Fn

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3.2. Schock-Transmitter mit Überlastschutz (MSTL) Schock-Transmitter können zusätzlich mit einem Kraftbegrenzer bzw. Überlastschutz ausgestattet werden. Dieser begrenzt die maximale Limit-Kraftantwort (Fl) auf einen individuell einstellbaren Maximalwert. Dieser wird in der Regel geringfügig über der nominellen Schock-Kraft (Fn) festgelegt oder kann individuell beliebig gewählt werden. Diese Schock-Transmitter mit Kraftbegrenzer (Fig. 30) werden MSTL (Shock Transmission Load Limiter) genannt. Wird der Maximalwert der Antwortkraft aufgrund übermäßiger Energiezufuhr erreicht, ermöglicht ein „intelligenter“ Kontroll-mechanismus eine Bewegungen des MSTL (Fig. 28 & 29). Die Antwortkraft wird dabei stets konstant auf dem, zuvor festgelegten Maximalniveau gehalten, wobei die Bewegungsgeschwindigkeit keine Rolle spielt. Sinkt die Energiezufuhr unter ein bestimmtes Level zurück, kommt die Bewegung wieder zum Stillstand. Diese Lastbegrenzungsfunktion bringt für den Planer den großen Vorteil, dass die maximale Kraftantwort des MSTLs, gegenüber eines MSTUs, genau bekannt ist. Somit kann der Planer die Bauwerksstruktur exakt für diese Kraft bemessen. Hieraus resultieren erheblich geringere Bauwerkskosten und beträchtlich höhere Bauwerkssicherheiten. Der MSTL stellt sicher, dass im Gegensatz zum MSTU alle Schock-Transmitter gleichmäßig und gleichzeitig belastet werden, bzw. weder das Bauwerk noch das Bauteil aufgrund von unterschiedlichem Ansprech-verhalten von Schock-Transmittern an unterschiedlichen Bauwerksstellen beschädigt wird. Während der „Überbelastung“ über dem Maximalwert bewegt sich der MSTL und dissipiert dabei Energie. Diese Energiemenge ist jedoch geringer als bei reinen Dämpfern (MHD), da der MSTL nicht zur Energiedissipation, sondern primär zur Lastbegrenzung ausgelegt ist. Ist also zudem eine optimale Energiedissipation erwünscht, müssen Dämpfer vom Typ MHD verwendet werden.

Die drei Funktionscharakteristika sind: A) Keine nennenswerte Antwortkraft (max. 10% der Designkraft) für Bewegungen aus Schwinden/Kriechen u. Temperatur-änderungen. B) Schlagartige Blockade bzw. Aufbau einer Widerstandskraft (= Designkraft = Fn) für plötzliche Bewegungen aus Verkehr, Erdbeben oder ähnlichem. C) Begrenzung der maximalen Antwortkraft (= Limitkraft = Fl) im Falle einer zu großen Energiezufuhr, welche eine undefiniert hohe Antwortkraft zur Folge hätte.

Fig. 30: Schock-Transmitter mit Last- begrenzer (MSTL)

Fig. 28: Kraft [F] - Geschwindigkeit [v] – Diagramm

[v]

[F]

A) Service- B) C) Erdbeben lastfall

0,1 mm/s 1 mm/s

Fl Fn

A) Servicelastfall B+C) Erdbeben

[F]

[s]

[F]

[s]

Fl Fn

Fl Fn

Fig. 29: Kraft [F] - Weg [s] - Diagramm

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3.3. Dämpfer (MHD) Zusätzlich zu den Isolatoren bzw. Bauwerkslagern ist es oftmals notwendig Dämpfer vom Typ MHD zur effektiven Energiedissipation einzusetzen. Die MHDs gewährleisten eine maximale Dämpfung bzw. Energiedissipation an den entsprechenden Bauwerkspunkten. MHDs sind Komponenten (Fig.31), die Bewegungen (aus Temperaturänderungen, Kriechen, Schwinden etc.) im Servicelastfall des Bauwerks zulassen, ohne dabei signifikante Antwortkräfte zu erzeugen. Treten jedoch schnelle Bewegungen auf, werden größtmögliche Energiemengen dissipiert, d.h. die Bewegungsenergie wird im Dämpfer in Wärme umgewandelt. Sehr langsame Bewegungen aus Temperaturdifferenzen oder ähnlichem erzeugen keine nennenswerten Antwortkräfte innerhalb des MHD. Das hydraulische Fluid kann im Inneren des MHD von einer Kolbenseite zur anderen strömen. Während des Lastfalls Erdbeben, Verkehr oder ähnlich, ermöglicht ein intelligentes Steuerungssystem Relativbewegungen zwischen den verbundenen Bauwerksteilen, wobei die Antwortkraft stets auf einem konstanten Niveau gehalten wird. Dieser einzigartige Mechanismus gewährleistet, dass die Antwortkraft unabhängig von dem Energieeintrag, d.h. unabhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit ist (Fig. 32). Die Antwortkraft wird immer auf einem konstantem Niveau gehalten. Einerseits kann somit der Planer sicher sein, dass ein Maximum an eingebrachter Energie dissipiert wird und andererseits ist die maximale, auf die Bauwerksstruktur einwirkende Antwortkraft des MHD unabhängig von dem auftretenden Erdbeben oder ähnlichen Energieflüssen genau bekannt. Die drei Funktionscharakteristika sind: A) Keine nennenswerte Antwortkraft (max. 10% der Designkraft) für Bewegungen aus Schwinden/Kriechen und Temperatur-änderungen. B) Schlagartige Blockage bzw. Aufbau einer Widerstandskraft (= Designkraft = Fn) für plötzliche Bewegungen aus Verkehr, Erdbeben oder ähnlichem.

C) Begrenzung der maximalen Antwortkraft (= Limitkraft = Fl) im Falle einer zu großen Energiezufuhr, welche eine undefiniert hohe Antwortkraft zur Folge hätte und Dissipation enormer Energiemengen.

Fig. 31: Dämpfer (MHD) in Brücke

Fig. 33: Kraft –Verschiebungs-Diagramm

Fig. 32: Kraft –Geschwindigkeits-Diagramm

[F]

[s]

[F]

[s]

Fl

Fl

A) Servicelastfall C+B) Erdbeben

FN

FN

[F]

A) Service- B) C) Erdbeben lastfall

0,1 mm/s 1 mm/s

Fl Fn

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4. Bauwerksdehnfugen für Erdbeben Erdbeben können Bauwerksbewegungen hervorrufen, die erheblich größer, um ein Vielfaches schneller und bezüglich ihrer Richtung wesentlich komplexer sind als jene unter normalen Bedingungen. Deshalb ist für derartige Anwendungen eine spezielle Anpassung der Dehnfugenkonstruktion erforderlich. Die Schwenktraversendehnfuge vom Typ DS (Fig. 34) wurde speziell für den Einsatz in Erdbebengebiete konzipiert. Während eines Erdbebens sind die konventionellen Anforderungen des Gebrauchszustandes nicht relevant. Wesentlich wird jedoch ● die Aufrechterhaltung der Bauwerks-nutzbarkeit nach dem Beben zumindest für Notfahrzeuge, ● der Schutz des Bauwerks vor Anprall-schäden durch schließende Bewegungen während des Bebens, sowie ● die Vermeidung eines offenen Bauwerks-spaltes aufgrund zu großer Öffnungs-bewegungen. Da herkömmliche Dehnfugen diesen Anforderungen nicht genügen, wurde die Schwenktraversendehnfuge derart weiter-entwickelt, dass sie auch den komplexen horizontalen bzw. vertikalen Erdbeben-bewegungen und den hohen Beschleunigungen standhält. Schließt sich die Dehnfuge oder der Bauwerksspalt zu stark, kommt es zu Schäden oder zum Versagen des Bauwerks. Für diesen Fall wurde zusätzlich eine sogenannte Fuse Box entwickelt (Fig. 35). Die daran befindliche Sollbruchstelle ermöglicht einen kontrollierten Bruch der Verankerungskonstruktion bei einer definierten Versagenslast. Nach dem Beben begibt sich die Fuge entlang der Rampe in ihre ursprüngliche Lage zurück. Die Sollbruchstelle kann schnell und mit geringen Aufwand repariert werden.

Fig. 35: Funktionsprinzip einer Fuse Box an einer DS-Schwenktraverse

Fig. 34: DS-Schwenktraverse

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5. Nicht-lineare Bauwerksanalyse Auf Wunsch führt MAURER eine nicht-lineare Bauwerksanalyse für jede Art von Bauwerksstruktur durch und schlägt das am besten geeignete Bauwerksschutzsystem vor, welches die individuellen Bauwerks- anforderungen in Bezug auf Schutz und Wirtschaftlichkeit an besten erfüllt. Für eine nicht-lineare Bauwerksanalyse werden nachfolgende Eingabedaten benötigt: • Bauwerkszeichnungen, • Daten zu signifikanten Querschnitten

(Deck, Widerlager, Pfeiler), • Trägheitsmomente, Torsionskonstanten,

Querschubsteifigkeiten, • Materialien (Young-Modul, Schubmodul,

Dichte, etc.) • Gründungen (Abmaße und Winkler-Modul,

Längs- und Rotationssteifigkeiten der Ersatzfedern).

• Erdbebendaten: Antwortspektren und repräsentative Beschleunigungs-diagramme.

• Lasten (permanente Lasten, max. Verkehrslasten, Verkehrslasten während Erdbeben, etc.).

• Zulässige Spannungen in den wichtigsten Bauwerkspunkten wie Pfeiler, Widerlager, etc. (zulässige Biegemomente, zulässige Schub- und Axialkräfte, Bewegungen).

• Sonstige Anforderungen des Designers. Vorteile einer nicht-linearen Bauwerksanalyse: ● Exakte Bestimmung der Bauwerks-

bewegungen. • Exakte Berechnung der Antwortkräfte, die

auf die Bauteile und das Bauwerk einwirken.

• Optimierte Anpassung des Erdbeben-schutzsystems in Bezug auf Wirkungsgrad und Wirtschaftlichkeit.

• Nachweis des Erdbebenschutzes. • Exakte Bestimmung der real vorhandenen

Bauwerkssicherheitsfaktoren. • Der Designer kann seine eigenen

Berechnungen mit denen von MAURER vergleichen und hierdurch seine Ergebnisse bestätigen.

• Es besteht die Möglichkeit zu erheblichen Bauwerkskosteneinsparungen, aufgrund von weniger Bewehrung oder ähnlichem.

Fig. 36: Schritte einer nicht-linearen Bauwerksanalyse

Lineare Bauwerksanalyse

Ermittlung der Bauerksmodi und derenzugehörige Frequenzen

FE-Modellierung der Bauwerkstruktur mit Schutzsystem

Zeitverlaufanalyse

Ermittlung des Bauwerkverhaltens unter Berücksichtigung des nicht-linearen Verhaltens

der Schutzkomponenten

Bauwerksantwort