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Verfahren und Vorrichtung zur Verhütung von Erdbebenschäden an Gebäuden.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verhütung von Erdbebenschäden
an Gebäuden, insbesondere an Kernreaktoren, deren Aufgehendes beweglich mit dem
Fundament verbunden ist und die beweglichen Auflager aus einer mit dem Fundament
verbundenen Rollplatte, einem Stützkörper und einer mit dem Aufgehenden verbundenen
Rollplatte bestehen und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Bei der Erstellung von Gebäuden insbesondere von Kernkraftwerken oder
Kernreaktoren gilt die Sicherung gegen Erdbebenschäden als einz der ersten Gebote.
Dementsprechend streng sind daher auch die Sicherheitsbestimmungen, die in den einzelnen
Ländern gefordert werden. An Erdbebensicherungen wird die Forderung gestellt) Schäden
an den Bauwerken und einzelnen-Bauteilen zu verhindern, insbesondere bei Kernkraftwerksanlagen
die nukleare Sicherheit des Reaktors zu gewährleisten.
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Auf Grund von Analysen bekannter registrierter Erdbeben und von Untersuchungen
aufgetretenen Schäden hat sich in der Praxis gezeigt, dass die in horizontaler Richtung
auf das Gebäude einwirkenden Erdbewegungen bzw. die daraus resultierenden Beschleunigungekräfte
den schädlichen Einfluss auf die Struktur des Gebäudes ausüben, während die zudem
in geringerer Grösse auftretenden vertikalen Beschleunigungskräfte ohne Gefahr von
der tragenden Konstruktion des Bauwerkes aufgenommen werden.
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Um eine genügende Sicherheit zu erreichen wurden sog. Referenzbeben
festgelegt, deren Charakteristiken als Grundlage zur statischen und dynamischen
Belastung dienen. Beispielsweise gelten maximale horizontale Erdbodenbeschleunigungen
in irgendeiner Richtung bIJ = 0,12 g, die maximale Erdbodenbeschleunitgung in vertikalen
Richtung bV = 0,08 g als zulässig, wobei der Frequenzbereich mit den grössten auftretenden
Amplituden zwischen 3 und 10 Hz liegt Es sind Einrichtungen zur Sicherung von Gebäuden
gegen Erdbebenschäden bekannt, die davon ausgehen, das Fundament vom auRgehenden
Mauerwerk oder Bauteil eines Gebäudes zu trennen und beide Bauteile durch Gelenke
sde bewegliche Auflager zu verbinden. Es wurden hierzu Vorrichtungen herangezogen,
die aus zwei ebenen Platten und einem Rollkörper (Kugel) bestehen, wobei eine der
Platten im Fundament fest verankert wurde und die zweite Platte edlem zu sehiltzenden
Bauwerk zugeordnet wurde. Um bei dieser Konzu strulftlon unzulässige Auslenkungen
verhindern, bedarf es noch
federnder Abstützungen gegenüber dem
Fundament des Bauwerkes.
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Die Nachteile dieser Bauweise liegen darin, dass einerseits ein grosser
technischer, Aufwand notwendig ist, der neben den Schraubenfedern noch zusätzliche,
die Kugel umfassende Führungselemente aufweist und anderseits durch die Anwendung
der federnden Abstützungen ein schwingungsfähi;ges System entsteht, dessen Verhalten
in Bezug auf die Erdboden-Anregungsschwingung ein in der Praxis unlösbares Problem
darstellt. Als weiterer Nachteil der bei':anflten Einrichtung ist die Abhängigkeit
des-Schwing-ungs- -systems (Fundament-Federn-Masse) von der Masse des Gebändes zu
nennen.
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Auf Grund der vielen zu berücksichtigenden Komponenten ist, ein.
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Resonanzfall im Erdbebenfreguenzbereich der maximal auftretenden Amplituden
nicht ausschliessbar. Ferner ergibt sich ein Nachteil durch die relativ grossen
Reibkräfte, die aus der Mehrteiligkeit der Wälzkörper resultieren welche einen schädlichen
EinRluss auf die Tilgungsfähigkeit des Auflagers ausüben, weil durch Reibung und
Dänipfung bei Erregung störende Kräfte auf den zu schützenden Bauteil übertragen
werden.
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Die vorliegende Erfindung hat nunmehr die Aufgabe, eine Erdbebenw
sicherung zu schaffen, die unter Vermeidung der vorangeffihrten Nachteile eine Resonanzfreiheit
des Gebäudes mit den Erdbebenbewegungen gewährleistet, wobei die Beschleunigungs-
und Stosskräfte auf eine zulässige Grösse in Bezug auf die Beshädigung des GebSudes
reduziert werden d.h. dass die Beschleunigungskräfte
an einem beliebigen
Punkt im Gebäude eine festzulegende Grösse nicht übersteigen.
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Die Lösung der erfindungsgemässen Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet,
dass die bei Erdschwingungen in horizontaler Richtung auftretenden Bewegungen des
Fundamentes'in vertikale und horizontale Bewegungskomponenten zerlegt und durch
Schwingungstilgung die Beschleunigungskräfte am Aufgehenden reduziert angreifen.
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Eine Vorrichtung nach dem erfindungsgemässen Verfahren-ist dadurch
gekennzeichnet, dass der Stützkörper zwei Kugelkalotten aufweist, deren Radien grösser
als die halbe höhe des Stfitzkörpers ist, und der Stützkörper zusammen mit dem aufliegenden
Aufgehenden ein schwingungsfähiges System bildet.
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Nach einer weiteren Ausbildung der erfindungsgemäscr Vorrichtung ist
die Eigenfrequenz des Stützkörpers derart zu bemessen, dass gegenüber dem auftretenden
Erdboden-Erregerschwingungen ein überkritisches Frequenzver'lsltnis besteht.
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Der Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens liegt darin, dass durch
die Trennung des Fundamentes vom Aufgehenden und die Unabhängigkeit der Eigenfrequenz
des Sttltzkörpers von der Masse zu schützenden Gebäudes eine erhebliche Reduktion
der horizontalen Beschleunigungskräfte erfolgt, wobei die verbleibenden horizontalen
Beschleunigungskräfte entgegen dem bisherigen Stand
der Technik
eine gleichmässige Belastung des Aufgehenden ergeben.
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Die bisher auftretenden Zunahmen der Beschleunigungskräfte an den
dem Erdboden gleiter entfernt liegenden Bauteilen wird hiermit ausgeschlossen.
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Wie bereits vorausstehend erwähnt sind die auftretenden Beschleunigungskräfte
in vertikaler Richtung unbedeutend und vernachlässigbar. Sie sind auch auf das Schwingungsverhalten
des Tilgungssystems ohne Einfluss, da die Rfickstellung des StUtzkörpers In die
Ruhelage in vorteilhafter Weise selbsttätig auf Grund der bei der Auslenkung gespeicherten
potentiellen Energie erfolgt.
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Die Meinung der Fachwelt war bisher mit dem Vorurteil behaftet, die
schädlichen Einflüsse der Erdbodenbewegungen auf ein Bauwerk könnten entweder durch
äusserst stabile Konstruktion desselben oder bei Anwendung einer dynamischen Sicherung
durch schwlngungsdämpfende Einrichtungen ausgeschalten werden.
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Die neueste Erkenntnis zeigt Jedoch, dass Reibung bzw. Dämpfung -einen
schädlichen Einfluss ausüben, weil dadurch zusätzliche Xräfte auf das zu schützende
Bauwerk übertragen werden und den Tilgungseffekt mindern. Dieser Nachteil wird durch
den'einfachen Aufbau der vorliegenden Erfindung vermieden. Ausserdem ist die Tilgungsvorrichtung
im Gegensatz zu dem Bekannten von den Einflüsse der Federkonstanten und somit auch
von der schwingenden Masse unabbAngig.* -
Die Erfindung ird anhand
der Zeichnungen näher beschrieben.
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Es zeigen.
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Fig. 1 eine schematische Darstellung des Stützkörpers in ruhender
Lage, Fig. 2 eine schematische Darstellung des Stützkörpers in Bewegungszustand,
Fig. 3 ein Ausffihrungsbeispiel an einem Kernreaktor und, Fig. 4 zeigt die vergrösserte
Darstellung des AusfUhrungsbeispiels gemss Fig. 3.
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In Fig. 1 ist die Tilgungsvorrichtung schematisch dargestellt, wobei
1 die zu schützende Masse, 2 den Doppel-Kagelkalotten-Stützkörper und 3 das Fundament
des Gebäudes kennzeichnet. Der Doppel-Kugelkalotten-Stfitzkörper 2 hat die Eigenschaft
bei einer horlzontalen Auslenkung aus der Ruhelagetclle aufliegende Last anzuheben.
Diese Wirkung ist in Fig. 2 dargestellt, wobei die Bezugszahlen gleich Fig, l zugeordnet
sind. Infolge der Schwerkraft ist die Last bestrebt wieder in die Ruhelage zurückzukehren.
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Das Wechselsplel zwischen potentieller und kinetischer Energie führt
zu einer Wackelbewegung des StUtzkörpers 2. Ein auf diese Weise ausgebildetes Auflager
stellt zusammen mit der zu schützen~ den Masse 1 ein schwingungsfähiges System dar,
dessen Verhalten beim Auftreten von Erdbebenschwingungen in der Praxis als Einmassenschwinger
oder als Zweimassenscher betraehtet werden kann, wenn beim Zweiteren das Schwingverhalten
des Fundamentes im elastischen Erdboden berücksichtigt wird.
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Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Auflagers
an einem Kernreaktor bestehend aus einem Core 4, den Beschickungsrohren 5, Wärmeaustauscheinrichtungen
6, dem Betondruckgefäss 8, welches durch Seile oder Panzerungen 7 gestützt werden
kann. Das, Betondruckgefäss 8 ist auf dem Fundament 9 abgestützt und zwar mittels
einer im Betondruckgefäss 8 untergebrachten Rollplatte 10, einer im Fundament verankerten
Rollplätte 11 und dem dazwischen vorgesehenen zylinderförmigen, beidseitig mit Kugelkalotten
ausgerüsteten Wackelkörper 12. Um eine zusätzliche Sicherung gegen zu weite Auslenkung
des Cores 4 bei 1'atastrop'heirdbeben zu erreichen, werden zwischen dem Mantelkörper
des Druckgefässes 8 und dem unteren Schild 13 stufenförmige Versetzungen vorgesehen.
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In Fig. 4 ist das erfindungsgemässe Auflager gemäss Fig. 3 in grösserem
Massstab und verdeutlichter Darstellung erkennbar.
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Eine obere Rollplatte 10 ist in dem Betondruckgefäss 8 untergebracht
und stützt sich auf dem Wackelkörper 12 ab, der wiederum auf der wlteren Rollplatte
11 aufsteht. Diese untere Rollplatte 11 ist in Fundament 9 untergebracht.
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Bei dieser besonderen Ausführungs-form ist der Wackelkörper 12 zylindrisch
ausgebildet, wobei sein Durchmesser dahingehend ausgelegt-wird, dass die grösste
zulässige Auslenkung massgebend für seine zylindrischen Durchmesser ist. Die grössten
nach dem Referenz beben zu erwartenden Auslenkwinkel liegen ca. bei 0,50, wobei
genügende
Sicherheit gegen Kippen des Wackelkörpers 12 gewährleistet
ist.
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Um bei der Montage eine einwandfreie Funktion des Auflagers zu erreichen
werden Einstellschraubenbolzen 17 vorgesehen, die eine horizontale Einstellung der
Grundplatte 11 ermöglichen. Zur Einstellung der Roliplatten 10 und 11 gegeneinander
werden Spannbolzen 15 vorgesehen, weiche einerseits in der Grundplatte 11 eingeschraubt
werden und andererseits an-der Rollplatte 10 mit Muttern 16 festgehalten werden.
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Da wie voranstehend schon gesagt die Reibkräfte sehr gering gehalten
werden müssen, ist eine Umhüllung 18 vorgesehen, welche die Tilgungsvorrichtung
vor unnötigen Beeinflussungen durch Staub-oder andere Teilchen schützt. Diese Umhüllung
18 ist in verformbarer Weise vorzusehen, so dass sie keinen Einfluss auf die Leichtgängigkeit
und Wirkungsweise des Wackelkörpers 12 ausübt. Die Schraubenbolzen 15 und 17 sind
weiters am Umkreis so anzuordnen, dass sie gleichzeitig neben der Verspannung und
Justierungsmöglichkeit der Platten 10 und 11 eine einfache Montagehilfe für den
Wackelkörper 12 bieten. Zur Abdeckung der Verschraubung 17 sind Kappen 19 selbsklemmend
in der Rollplatte 10 untergebracht.
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Es ist selbstverständlich, dass zusätzlich noch Zentriereinrichtungen
oder Führungseinrichtungen gegen Gleiten am Wälzkörper vorgesehen werden können,
welche Jedoch der Einfachkeit wegen hier nicht dargestellt sind. Dabei ist Jedoch
darauf zu achten, dass diese Einrichtungen das eigentliche Schwingungsverhalten
des Doppelkalottenwälzkörpers nicht beeinflussen oder sogar hemmen.