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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Schwingungsisolationsvorrichtung
insbesondere für
den Erdbebenschutz von Gebäuden
mit einem ersten Isolationsteil, der zumindest überwiegend in vertikaler Richtung
wirksam ist und eine Kombination aus einer elastischen und dämpfenden
Isolierpaketanordnung mit einer Metallfederanordnung aufweist.
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Eine
derartige Schwingungsisolationsvorrichtung ist in der nicht vorveröffentlichten
DE 102 33 804 A1 und ähnlich auch
in der
DE 102 33 023
A1 angegeben. Hierbei sind als Isolierpakete Elastomerkörper auf
einer Basiseinheit angeordnet und seitlich an umgebenden Stützkörpern mit
schrägen,
nach oben auseinanderstrebenden Stützflächen abgestützt. Zusätzlich kann die Isolierelementanordnung Stahlfedern
aufweisen. Mittels einer derartigen Schwingungsisolationsvorrichtung
können
vorzugsweise in vertikaler Richtung Lasten gegen Schwingungen, die
beispielsweise vom Boden her übertragen
werden, isoliert werden, wobei die Lasten durch die Kombination
der elastomeren Isolierpakete mit der oder den Stahlfedern insbesondere
auch bei niedrigen Frequenzen unter z.B. 5 Hz bis hin zu Frequenzen
von z.B. 0,5 Hz wirkungsvoll isoliert werden. Dabei besitzen die
Isolierpakete eine hohe Elastizität und Dämpfungswirkung, während die
Stahlfedern in allen Raumrichtungen elastisch sind, jedoch lediglich eine
geringe Materialdämpfung
besitzen. Durch die schräge
Abstützung
der Isolierpakete wird bei diesem Aufbau auch eine im Vergleich
zu einer lediglich horizontal gerichteten Abstützung des Isolierpakets auch
eine relativ wirkungsvolle Isolierung horizontaler Schwingungen
erreicht, die aber z.B. für
einen zuverlässigen
Erdbebenschutz von Gebäuden
nicht ausreichend ist.
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Erdbeben
bewirken in Gebäuden
Belastungen räumlicher
Natur, die in horizontalen Richtungen stärker als in vertikaler Richtung
ausgeprägt
sind. Richtlinien zum Erdbebenschutz berücksichtigen meistens nur die
horizontalen Erdbebenerregungen bei quaderförmigen Hochhäusern. Beim
Nachweis der Standsicherheit von Gebäuden sind jedoch auch die vertikalen,
d.h. insgesamt die räumlichen
Einwirkungen von Erdbeben zu berücksichtigen.
Der Frequenzinhalt und die Amplitudenverteilung der Erdbeben sind
zudem regional verschieden, so dass für einen zuverlässigen und
insbesondere auch wirtschaftlichen Erdbebenschutz auch die regionalen
Eigenschaften der Erdbeben zu berücksichtigen sind.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schwingungsisolationsvorrichtung
der eingangs genannten Art bereit zu stellen, mit der durch räumliche Erregung
verursachte Schwingungen, wie sie bei Erdbebenerregungen auftreten,
möglichst
wirksam isoliert werden.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Hierbei
ist vorgesehen, dass der erste Isolationsteil mit einem zumindest überwiegend
in horizontaler Richtung wirksamen zweiten Isolationsteil kombiniert
ist, der als kinematisches Isolationsteil ausgebildet ist.
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Durch
die Kombination des vor allem in vertikaler Richtung wirksamen ersten
Isolationsteils mit dem genannten Aufbau und dem vor allem in horizontaler
Richtung wirksamen kinematischen Isolationsteil wird eine wirkungsvolle
Isolation räumlicher Schwingungen
erreicht, wobei insbesondere auch größere horizontale Schwingungsamplituden
mit Frequenzinhalten isoliert werden, wie sie bei Erdbeben auftreten.
Der Aufbau ermöglicht
auch eine relativ einfache Auslegung für Erdbeben in verschiedenen Regionen.
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Die
Funktionsfähigkeit
der Schwingungsisolationsvorrichtung wird dadurch begünstigt,
dass die Isolierpaketanordnung mindestens einen Elastomerkörper aufweist
und seitlich von einer starren Abstützvorrichtung zumindest weitgehend
eingefasst ist.
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Der
erste Isolationsteil besitzt neben einer wirkungsvollen vertikalen
Isolationsfähigkeit
auch bereits eine vorteilhafte horizontale Isolationsfähigkeit, wenn
vorgesehen ist, dass die Abstützvorrichtung
an den oder die Elastomerkörper
angrenzende schräge oder
gekrümmte
Stützflächen aufweist,
die nach oben auseinanderlaufen. Eine Optimierung kann dabei durch
Auslegung der Steilheit der Stützflächen vorgenommen
werden.
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Ein
für einen
stabilen Aufbau und eine sichere Funktion vorteilhafte Ausbildung
besteht ferner darin, dass zumindest teilweise die Isolierpaketanordnung
und die Metallfederanordnung zwischen einer horizontalen Basis und
einer beabstandet darüber angeordneten
Halteplatte aufgenommen sind.
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Die
Wirkungsweise zur Gebäudeisolierung wird
auch durch die Maßnahmen
unterstützt,
dass die Basis und die Halteplatte mittels mindestens eines, die
Schwingungsamplitude in vertikaler Richtung begrenzenden Verspannmittels
zusammengehalten sind.
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Ist
vorgesehen, dass der erste Isolationsteil äußere Isolierpakete aufweist,
die an vertikale Innenseiten von umgebenden äußeren Abstützungen angrenzen, werden die
Stabilität
der Anordnung und der Schwingungsisolierung unterstützt.
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Zu
einer vorteilhaften Funktionsfähigkeit
bei kompaktem Aufbau tragen die Maßnahmen bei, dass die Metallfederanordnung
als mindestens eine mit ihrer Achse vertikal gerichtete Schraubfeder
oder mindestens eine Blattfeder ausgebildet ist, die z.B. nach unten
oder oben konvex gekrümmt
ist. Mehrere Blattfedern können
dabei z.B. gekreuzt angeordnet sein und von einem starren oder elastischen
Kern unterstützt
sein.
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Die
horizontalen Schwingungsanteile werden wirkungsvoll dadurch isoliert,
dass der zweite Isolationsteil zwei horizontal relativ zueinander
bewegbare starre Körper
und mindestens einen zwischengefügten
Rollkörper
oder Gleitkörper
aufweist. Eine Dämpfung
wird dabeineben der Dämpfung
aus Elastomeren durch die Reibung des Rollkörpers bzw. Gleitkörpers erreicht.
Die Dämpfung
wirkt sich bei einem System global aus.
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Die
Funktionsfähigkeit
des kinematischen Isolationsteils wird dadurch begünstigt,
dass zumindest einer der Körper
auf seiner dem jeweils anderen Körper
zugekehrten Seite mit einer kalottenförmigen Einmuldung versehen
ist und dass der Rollkörper
kugelförmig
ausgebildet ist und im Ruhezustand zentral in der oder den Einmuldungen
angeordnet sind. Die Eigenfrequenz kann dabei durch den Krümmungsradius
der kalottenförmigen
Einmuldung(en) beeinflusst werden.
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Ein
stabiler, kompakter Aufbau wird dadurch erhalten, dass die beiden
Körper
plattenförmig
als Grundplatte und als Kopfplatte ausgebildet sind, wobei die Grundplatte
mit dem ersten Isolationsteil fest verbunden und die Kopfplatte
zum verbinden mit dem Gebäude
oder – bei
einer umgekehrten Anordnung – mit
einem Untergrund ausgebildet sind.
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Die
Stabilität
und eine horizontale Begrenzung der Auslenkung werden dabei dadurch
erreicht bzw. begünstigt,
dass die beiden Körper
mittels gelenkig miteinander verbundener Koppelglieder aneinander
gekoppelt sind.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
auf mehreren Schwingungsisolatoren aufgestelltes Gebäude,
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2 ein
erstes Ausführungsbeispiel
für einen
Schwingungsisolator im Querschnitt und
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3 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
für einen
Schwingungsisolator im Querschnitt.
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Wie 1 zeigt,
wird ein Gebäude 1,
z.B. ein einstöckiges
oder mehrstöckiges
Haus, auf mehreren Schwingungsisolatoren 10 aufgestellt,
die auf einem stabilen Untergrund bzw. Fundament 2 verankert
sind.
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Wie
aus 2 ersichtlich, besteht der Schwingungsisolator 10 aus
zwei Hauptteilen, nämlich
einem zumindest überwiegend
in vertikaler Richtung wirksamen ersten Isolationsteil 20 und
einem in horizontaler Richtung wirksamen kinematischen zweiten Isolationsteil 40.
Der erste Isolationsteil 20 weist zwischen einer plattenartigen
Basis 21, die mittels Verankerungselemente 21.1 im
Untergrund verankerbar ist, und einer darüber parallel beabstandeten
Halteplatte 30 eine Isolieranordnung aus einem Innen-Isolierpaket 27 und
umgebenden weiteren Isolierstücken 25 aus
elastomerem Material sowie eine Stahlfederanordnung mit vorliegend
einer zentralen, mit ihrer Achse vertikal ausgerichteten Schraubenfeder
auf. Das elastomere Innen-Isolierpaket 27 ist auf seiner
Außenseite
mittels einer Innenabstützung 26 mit
an das Isolierpaket 27 angrenzenden schrägen, nach
oben auseinanderlaufenden Stützflächen 26.1 abgestützt, die
ihrerseits auf der Basis 21 gelagert sind. Die zumindest
abschnittsweise umlaufende Innenabstützung 26 bildet eine
Art Innenwanne, die in Draufsicht z.B. quadratisch, rechteckig oder
rund ausgebildet ist. Außerhalb
der Innenwanne sind die Basis 21 und die Halteplatte 30,
zwischen denen das Innen-Isolierpaket 27 und die Spiralfeder 28 eingespannt
sind, über
Verspannmittel 24 z.B. in Form von Stäben mit ineinandergreifenden
Ringen miteinander gekoppelt, so dass durch die Ringe die vertikale Schwingung
begrenzt ist. Der obere Rand der Innenabstützung 26 ist von der
Unterseite der Halteplatte 30 beabstandet, so dass die
erforderliche Auslenkung in vertikaler Richtung nicht behindert
wird. Die weiteren, vertikal angeordneten Isolierstücke 25 außerhalb
der Innenwanne unterstützen
die Halteplatte 30 ebenfalls elastisch und sind auf ihrer
Außenseite durch
weitere vertikal angeordnete Außen-Isolierpakete 23 ebenfalls
aus elastomerem Material umgeben, die an vertikale Innenflächen einer
umgebenden, eine Außenwanne
bildenden Außenstütze 22 angrenzen.
Die Außenstütze 22 ist
z.B. mittels Schrauben mit der Basis 21 verbunden und mit schrägen Stützelementen
auf ihrer Außenseite
versehen. Die Isolierstücke
des Außen-Isolierpakets 23 umgeben
die Halteplatte 30 sowie Seitenabschnitte 32 einer
auf der Halteplatte 30 angeordneten Grundplatte 31 des
zweiten Isolierteils 40, so dass die Halteplatte 30 und
die Grundplatte 31 auch in horizontaler Richtung elastisch
abgestützt
sind. Die Außenwanne
ist ebenfalls in Draufsicht z.B. rund, quadratisch oder rechteckförmig ausgebildet.
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Der
zweite Isolationsteil 40 weist eine oberhalb der Grundplatte 31 beabstandet
von dieser angeordnete Kopfplatte 41 mit Seitenteilen 42 auf.
Zwischen der Kopfplatte 41 und der Halteplatte 30 ist
ein Rollkörper 50 in
Form einer Kugel angeordnet. Seitlich sind die Halteplatte 30 und
die Kopfplatte 41 im Bereich der Seitenabschnitte 32 und
Seitenteile 42 mittels Koppelglieder 51 in Form
von gelenkig miteinander verbundenen Stäben aneinander gekoppelt. Die
Stäbe sind
in den Seitenabschnitten 32 und Seitenteilen 42 jeweils
mit Kugeln drehbar gelagert. Die einander zugekehrten Seiten der
Grundplatte 31 und der Kopfplatte 41 sind mit
kalottenförmigen
Einmuldungen 31.1 bzw. 41.1 versehen, wobei der
Rollkörper 50 im
Ruhezustand zentral zwischen den gebildeten Hohlflächen 31.1 und 41.1 aufgenommen
ist. Bei horizontalen Schwingungen kann sich die Kopfplatte 41 relativ
zu der Grundplatte 31 bewegen, wobei der Roll körper 50 auf
den zugekehrten Hohlflächen 31.1, 41.1 abrollt
und durch die Reibung auch eine Dämpfung bewirkt wird. Die Eigenfrequenz
des so gebildeten kinematischen Isolationsteils 40 kann durch
den Krümmungsradius
der kalottenförmigen Hohlflächen 31.1, 41.1 bestimmt
werden, der vorliegend bei beiden deckungsgleich übereinander
angeordneten Hohlflächen
gleich ist. In Draufsicht ist auch der zweite Isolationsteil 40 rund,
quadratisch oder rechteckig ausgelegt.
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Bei
dem in 3 gezeigten weiteren Ausführungsbeispiel ist gegenüber der
vorhergehenden Ausgestaltung die Schraubenfeder 28 durch
eine nach unten konvexe Blattfederanordnung 28' ersetzt, die
aus mehreren sich kreuzenden Blattfedern gebildet sein kann und
im Zentrum auf der Basis 21 mittels eines Kernelementes 29 abgestützt ist.
Bei der Blattfederanordnung wird die Isolationsanordnung nicht zwischen
der Basis 21 und der Halteplatte 30 vorgespannt.
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Der
zweite Hauptteil bzw. Isolationsteil 40 mit dem zwischen
der Grundplatte 31 und der Kopfplatte 41 gelagerten
Rollkörper 50 in
Form einer Kugel und mit den z.B. vier Überlaststäben in Form der Koppelglieder 51 weist
bei zunehmender horizontaler Verschiebung einen immer größeren Widerstand
auf. Der Überlastschutz
kann anstelle der Stäbe
auch durch z.B. vier Stahlketten erreicht werden, die beispielsweise
um 30% länger
als der Abstand zwischen der Grundplatte 31 und der Kopfplatte 41 bei
der Nulllage der Kugel 50 sind. Dabei werden die Stäbe, die an
der Grundplatte 31 und der Kopfplatte 41 kugelig gelagert
sind, durch hydraulische Dämpfer
bzw. Reibdämpfer
ersetzt. Die Abmessungen, insbesondere auch der Durchmesser der
Kugel 50 und die Krümmungsradien
der Hohlflächen 31.1, 41.1 werden
den regionalen Erdbebeneigenschaf ten angepasst. Durch diesen kinematisch
wirkenden Isolationsteil 40 werden die gefährlichen
horizontalen Erdbebeneinwirkungen reduziert.
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Mittels
des ersten Isolationsteils 20 werden Erdbebeneinwirkungen
insbesondere in der vertikalen Richtung isoliert und gedämpft, wobei
die Stahlfedern 28 bzw. 28' und die hochelastischen und hochgedämpften Isolierpakete
aus dem elastomeren Material mit oder ohne Stahlbewehrung in Kombination miteinander
wirksam sind. Durch den ersten Isolationsteil 20 werden
aber auch horizontale Schwingungen reduziert, wie sie z.B. bei den
Erregungen durch Straßenverkehr,
Schienenfahrzeuge oder den Betrieb von Maschinen und bei schwachen
Erdbeben auftreten. Die über
die Verspannmittel 24 in Form von Stäben mit Ringen miteinander
verbundene und gegebenenfalls gegeneinander vorgespannte Basis 21 und
Halteplatte 30 sind so voneinander beabstandet, dass die
ineinandergreifenden Ringe der jeweiligen Spannmittel 24 bei
einer statischen Belastung frei sind, so dass eine dynamische Amplitude
aufgenommen werden kann, die maximal dem Radius eines Ringes entspricht.
Bei der vorliegenden statischen Belastung ist die maximale statische
Durchsenkung so groß wie
der Radius eines Ringes. Mit dem Isolationsteil 20 ist
es möglich,
eine relativ tiefe Abstimmung der Eigenfrequenz und einen hohen
Dämpfungsgrad
bei geringen Auflageflächen
zu realisieren, wobei das Gebäude 1 auf
den elastischen und dämpfenden
Lagerungen zur Reduzierung der Bodenschwingungen aufgestellt wird.
Diese Art der Schwingungsreduzierung wird als Empfängerisolation
bezeichnet.
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Da
Stahlfedern, insbesondere die Schraubenfedern 28 in allen
Raumrichtungen elastisch sind, können
sie mit Vorteil zur Schwingungsisolation bei schwachen Erregungen
verwendet werden. Die Längs-
und Quersteifigkeit einer Schrauben feder lässt sich mit den Materialeigenschaften
und ihren Abmessungen relativ einfach ermitteln. Sie sind für die Schwingungsisolation
mit einer relativ tiefen Eigenfrequenz von z.B. zwischen 0,5 Hz
bis 8 Hz geeignet. Jedoch besitzen Stahlfedern eine geringe Materialdämpfung,
die jedoch durch die Dämpfung der
Isolierpakete aus dem elastomeren Material erreicht wird. Auch werden
durch den in der beschriebenen Weise aufgebauten ersten Isolationsteil 20 gefährliche
Kippbewegungen des Gebäudes 1 vermieden,
die an sich durch die Verwendung von Stahlfedern entstehen können, da
die Stahlfedern, insbesondere Schraubenfedern, sehr tiefe horizontale
Eigenfrequenzen besitzen, die durch Erdbeben resonanzartig angeregt
werden. Auch wird durch den Aufbau des ersten Isolationsteils 20 eine
an sich bei Stahlfedern vorkommende Blockierung vermieden, die bei
Stahlfedern während
starker Erdbeben auftritt, weil die Relativbewegungen zwischen dem
Gebäude 1 und
dem Untergrund größer sind
als die bei Stahlfedern zulässigen
Relativbewegungen.
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Abgesehen
von den horizontalen Instabilitäten
bei Stahlfedern kann ein Gebäude 1 auf
Stahlfedern in vertikaler Richtung bis zu einer Eigenfrequenz von
1,5 Hz und in horizontaler Richtung bis zu 0,5 Hz elastisch gelagert
werden, was mit Elastomerlagen nicht möglich ist. Nachteilig gegenüber Elastomerlagen
ist die geringere Materialdämpfung
von z.B. 0,2%. Ein anderer Nachteil von Stahlfedern bzw. Schraubenfedern
ist, dass diese eine horizontale Amplitude von etwa 1000 mm benötigen, um
eine horizontale Eigenfrequenz von 0,5 Hz zu erreichen. Bei einer
solchen großen
Amplitude werden die Windungen einer Schraubenfeder ausgestreckt.
Somit ist ein auf solchen Elementen gelagertes Gebäude nicht stabil.
Diese Nachteile werden bei dem vorliegenden Aufbau durch die elastomeren
Isolierpakete und in horizontaler Richtung durch den zweiten Iso lationsteil 40 vermieden.
Auch bei einem Bruch der Stahlfedern bleibt das Gebäude 1 auf
den Schwingungsisolatoren 10 stehen.
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Die
Verwendung von Elastomeren an sich ergibt ebenfalls eine schwingungsisolierte
Lagerung von Gebäuden,
wobei die erreichbare vertikale Lagerungseigenfrequenz im Allgemeinen
jedoch mehr als 10 Hz beträgt.
Durch Isolierpakete, die durch Schichtung von Elastomeren gebildet
werden, kann eine vertikale Eigenfrequenz von 5 Hz erreicht werden, wodurch
die elastische Lagerung einer Last, beispielsweise eines Gebäudes erheblich
verbessert wird. Jedoch können
solche weichen Elastomere lediglich mit relativ geringen Lasten
(bis maximal z.B. 0,5 N/mm2) beansprucht
werden. Dadurch wären
für die
Aufnahme großer
statischer Lasten große
Auflageflächen
erforderlich. Ferner sind bei gewünschter großer Dämpfung der Elastomere, die
z.B. bis zu 40% betragen kann, die Kriecheigenschaften nachteilig.
Bei der Kombination mit den Stahlfedern gemäß dem oben beschriebenen Aufbau
des ersten Isolationsteils 20 werden derartige Nachteile
vermieden und eine Erhöhung
der Tragfähigkeit
des Schwingungsisolators sowie tiefe vertikale Eigenfrequenzen erreicht,
die für
einen Erdbebenschutz wesentlich sind. Mit dem ersten Isolationsteil 20 kann eine
tiefe vertikale Eigenfrequenz von z.B. 1,5 bis 3 Hz bei relativ
hoher Dämpfung
von z.B. bis zu 30% bei einer Lagerung für Gebäude erreicht werden. Dabei
können
große
Lasten mit geringen Auflageflächen
aufgenommen werden.
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Bei
der Verwendung der Blattfedern 28' wird als Kernelement 29 ein
Stahlklotz auf der Basisplatte 21 fest angebracht, auf
dem die gekreuzten Blattfedern 28' abgestützt sind. In den freien Räumen unterhalb
und oberhalb der Blattfedern 28' sind hochgedämpfte elastische Elastomere
platziert.
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Durch
die schrägen
Stützflächen 26.1 in
Verbindung mit den angrenzenden elastomeren Isolierpaketen 27 können ähnliche
Eigenfrequenzen in vertikaler und horizontaler Richtung des ersten
Isolationsteils 20 erreicht werden, wobei über die
Neigungswinkel die Eigenfrequenzen in vertikaler und horizontaler
Richtung je nach Anforderung eingestellt werden können. Die
mit dem ersten Isolationsteil 20 erreichbaren relativ tiefen
vertikalen Eigenfrequenzen von z.B. 1,5 Hz bis 4 Hz ergeben einen
wirksamen Erdbebenschutz. Die dabei noch niedriger liegenden erforderlichen
horizontalen Eigenfrequenzen werden mittels des zweiten Isolationsteils 40 gewährleistet,
wobei horizontale Verschiebungen z.B. maximal 250 mm betragen. Dabei
bleibt der Erdbebenschutz stabil.
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Der
Erdbebenschutz in Form der Schwingungsisolationsvorrichtung ist
vorteilhaft so ausgelegt, dass er in jeder horizontalen Richtung
gleiche dynamische Eigenschaften besitzt. Auch werden auftretende
Zugspannungen und Kippmomente aufgenommen und vertikale und horizontale
Rückstellkräfte durch
die elastischen und rollenden Elemente gewährleistet. Die Dämpfungs- und Federungseigenschaften
bleiben auch bei den zyklischen Belastungen gleich. Die Stahlfedern
bzw. Blattfedern ergeben zudem eine zu fordernde Feinwiderstandsfähigkeit. Auch
wird eine hohe Widerstandsfähigkeit
gegen Umwelteinflüsse
erreicht, wozu die Metallteile vorteilhaft aus rostfreiem Stahl
hergestellt oder verkleidet sind.
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Messungen
des Erfinders haben gezeigt, dass sich mit der Schwingungsisolationsvorrichtung gemäß dem beschriebenen
Aufbau ein erheblicher Erdbebenschutz bei unterschiedlichen regionalen Erdbebenerregungen
erreichen lässt.