EP0058970B1 - Bewehrtes Elastomer-Lager für Bauwerke, insbesondere Brücken - Google Patents

Bewehrtes Elastomer-Lager für Bauwerke, insbesondere Brücken Download PDF

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EP0058970B1
EP0058970B1 EP82101301A EP82101301A EP0058970B1 EP 0058970 B1 EP0058970 B1 EP 0058970B1 EP 82101301 A EP82101301 A EP 82101301A EP 82101301 A EP82101301 A EP 82101301A EP 0058970 B1 EP0058970 B1 EP 0058970B1
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EP
European Patent Office
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elastomer
bearing
elastomer layer
edge
layer
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EP82101301A
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EP0058970A3 (en
EP0058970A2 (de
Inventor
Boris Dr.Ing. Topaloff
Peter Dip.-Ing. Poier
Karl-Otto Hinz
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Vorspann Technik GmbH
Original Assignee
Vorspann Technik GmbH
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01D—CONSTRUCTION OF BRIDGES, ELEVATED ROADWAYS OR VIADUCTS; ASSEMBLY OF BRIDGES
    • E01D19/00—Structural or constructional details of bridges
    • E01D19/04—Bearings; Hinges
    • E01D19/041—Elastomeric bearings
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04B—GENERAL BUILDING CONSTRUCTIONS; WALLS, e.g. PARTITIONS; ROOFS; FLOORS; CEILINGS; INSULATION OR OTHER PROTECTION OF BUILDINGS
    • E04B1/00—Constructions in general; Structures which are not restricted either to walls, e.g. partitions, or floors or ceilings or roofs
    • E04B1/36—Bearings or like supports allowing movement

Definitions

  • the invention relates to a reinforced elastomeric bearing, which is intended for buildings, in particular bridges, and consists of at least one elastomer layer, which is connected on both sides to a steel plate by vulcanization, the circumferential end faces of which are concave and the steel plates on both sides over the edge adjacent to them protrude from the elastomer layer.
  • reinforced elastomeric bearings which usually consist of several elastomer layers between steel plates and can only be used in exceptional cases with an elastomer layer coated on both sides with steel plates, the elastomer layers and steel plates are bonded to one another by means of special vulcanization so that they are resistant to shear and abrasion .
  • elastomer bearings In previously known elastomer bearings (DE-GM 1 755 437) they have vertical boundary surfaces on all sides, in which the freely circulating end faces of the elastomer layer and the circumferential edge of the bearing are in alignment. When such a bearing is loaded, the elastomer first tries to swell out laterally between the steel plates, but is prevented from doing so by the shear bond between the elastomer and the steel plates, so that the circumferential end faces of the elastomer layer bulge convexly, with high shear stresses in the elastomer composite joint in the edge area Steel are created. This creates a stress state in the elastomer similar to that of an enclosed liquid.
  • the lateral free end faces of the elastomer layer which run vertically in the unloaded state of the bearing, bulge outwards when the bearing is loaded, and the shear stress between the elastomer and the steel plate reaches its greatest value at the edge of the bearing.
  • the load-bearing capacity of such an elastomer bearing is essentially determined by the strong bulging of the end faces of the elastomer layer and the high shear stresses in the edge area between the elastomer and the steel plate. This edge area is the most stressed and therefore the most dangerous area of the bearing when the bearing is loaded, especially the edge on the steel plates. A break when the bearing is overloaded is initiated from its edge.
  • the stiffness and thus the spring characteristic of a reinforced elastomer bearing not only depends on the elastic modulus of the elastomer, but mainly on the geometric data of the bearing.
  • An elastomer layer that is thick in relation to the base area results in a soft bearing, a thinner layer a stiff bearing. Accordingly, the shear stresses and thus the risk of tearing at the edge of the bearing increase with increasing thickness of the elastomer layers. This places narrow limits on a desired design of the bearing for soft storage.
  • a reinforced elastomeric bearing for buildings with an elastomer layer, which is connected on both sides with a steel plate by vulcanization is known (FR-A-1 529 808), the freely rotating end faces of which are concave, so that their bulging out when the bearing is loaded at least small limits are kept, since at least part of the bulge is absorbed by the predetermined concave shape.
  • the edge of the elastomer layer borders on the circumferential edge of the steel plate adjacent to it, but this makes the edge region of the elastomer layer critical by tearing it off from the steel plate reinforcing it.
  • a reinforced elastomer bearing for buildings, in particular bridges, with at least one elastomer layer connected on both sides to a steel plate (FR-A-1 600 397) is known, in which the elastomer layers are prestressed by a press so to withstand the lifting forces of the superstructure and to work alternately on tension and pressure in accordance with the load conditions of the structure, namely to act as a prestressed spring, so that a concave formation of the end faces of the elastomer layers and an overhanging of the steel plates are of no importance.
  • a pot bearing with the features of an elastomer bearing of the type mentioned at the outset is already known (DE-A-2262816), in which, however, a connection of the elastomer layer to the adjacent steel plates by vulcanization need not necessarily be provided and in which the circumferential end faces of the elastomer layer are enclosed on all sides, namely are delimited on all sides by inwardly convexly curved, multi-layer metal strips which are arch-like against the steel plates extended on the outside over the end face of the elastomer layer.
  • the invention has for its object to design a reinforced elastomeric bearing of the type mentioned so that the danger the tearing of the elastomer from the steel plate edge is avoided and the safety of such a bearing and its resilience is significantly increased.
  • the elastomer layer of the bearing according to the invention when loaded, is able to deform radially outward from the concavity originally existing in the unloaded state, possibly even to curve convexly outward, without the elastomer being bulged by such a bulge - Tear off the layer from the edges of the steel plates and cut it.
  • the steel plate edge does not come into contact with the elastomer due to the projection of the steel plates over the edge of the elastomer layer adjacent to them. The singularity point with the dangerous concentration of stresses and deformations is avoided.
  • a reinforced elastomer bearing is already known (DE-GM 1 861 230), the steel plates of which can protrude beyond the edge of the elastomer layer.
  • this bearing it is not necessary to vulcanize steel plates and the elastomer layer together; rather, the surface of the reinforcement plates is roughened in order to properly introduce the horizontal explosive forces that occur when the elastic layer is loaded vertically to the horizontal reinforcement plates.
  • the possibly overhanging edge area of the steel plates is only intended to guarantee separation of the elastomer layer even when the bearing is loaded.
  • the freely rotating end faces of the elastomer layer are flat.
  • the layer thickness of the elastomer in turn influences the stiffness of the bearing under vertical load. Thick layers of elastomer result in a soft bearing Roma This type of bearing is therefore very well suited for resilient, shock-resistant bearings.
  • the bearings of the type according to the invention can have different cross sections, for example rectangular or round.
  • the concave end face of the elastomer layer of the bearing can with a constant curvature, for. B. circular or parabolic or as a polygon (z. B. as a trapezoid).
  • the free peripheral end faces 1 of the elastomer layers 2 are concave, and their steel plates 3 on both sides protrude beyond the edge 4 of the elastomer layer 2 adjacent to them.
  • a single-layer round bearing according to the invention is shown in an unloaded state in a vertical section.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein bewehrtes Elastomer-Lager, das für Bauwerke, insbesondere Brücken bestimmt ist und aus mindestens einer beidseitig mit je einer Stahlplatte durch Vulkanisation verbundenen Elastomer-Schicht besteht, deren umlaufenden Stirnflächen konkav ausgebildet sind und deren beidseitigen Stahlplatten über den an sie angrenzenden Rand der Elastomer-Schicht hinausragen. Bei solchen bewehrten Elastomer-Lagern, die meist aus mehreren zwischen Stahlplatten liegenden Elastomer-Schichten bestehen und nur in Ausnahmefällen sich mit einer beidseitig mit Stahlplatten belegten Elastomer-Schicht begnügen können, werden die Elastomer-Schichten und Stahlplatten durch Spezialvulkanisation schub- und abriBfest miteinander verbunden.
  • Bei bisher bekannten Elastomer-Lagern (DE-GM 1 755 437) besitzen diese allseits senkrechte Begrenzungsflächen, in denen die frei umlaufenden Stirnflächen der Elastomer-Schicht und der umlaufende Rand des Lagers in Flucht liegen. Bei Belastung eines solchen Lagers versucht zunächst das Elastomer seitlich zwischen den Stahlplatten herauszuquellen, wird aber über den Schubverbund zwischen Elastomer und den Stahlplatten daran gehindert, so daß die umlaufenden Stirnflächen der Elastomer-Schicht sich konvex wölben, wobei im Randbereich hohe Schubspannungen in der Verbundfuge Elastomer-Stahl entstehen. Hierbei entsteht im Elastomer ein Spannungszustand ähnlich wie bei einer eingeschlossenen Flüssigkeit. Die seitlichen freien Stirnflächen der Elastomer-Schicht, die im unbelasteten Zustand des Lagers senkrecht verlaufen, wölben sich also bei Belastung des Lagers nach außen, und die Schubspannung zwischen Elastomer und Stahlplatte erreicht ihren größten Wert am Rande des Lagers. Die Tragfähigkeit eines solchen Elastomer-Lagers ist im wesentlichen bestimmt durch die starke Auswölbung der Stirnflächen der Elastomer-Schicht und die hohen Schubspannungen im Randbereich zwischen Elastomer und Stahlplatte. Dieser Randbereich ist bei Belastung des Lagers der am stärksten beanspruchte und damit gefährdeste Bereich des Lagers, besonders der Rand an den Stahlplatten. Ein Bruch bei Überbelastung des Lagers wird von seinem Rand her eingeleitet. Zu der Schubbeanspruchung des Randes entstehen zusätzlich Abri- ßkräfte, die sich an der Stahlplattenkante konzentrieren, an der dann meist bei höherer Belastung des Lagers das Elastomer von der Stahlplatte abreißt. Zuvor quillt bei höherer Belastung des Lagers das Elastomer zusätzlich über die Stahlkante nach oben bzw. nach unten, so daß die Stahlkante in das Elastomer einschneidet und den Abriß beschleunigt. Derartige Punkte sind aus der Elastizitätstheorie als Singularitätspunkte bekannt ; sie bedeuten einen unkontrollierbaren, auf engem Raum konzentrierten Anstieg der Spannungen und Verformungen und sind Ursache eines frühzeitigen Materialbruches. Ähnlich ist das Verhalten des Lagers bei der Aufnahme von Verdrehungen. Bei Beanspruchung durch die Verschiebungen der Brücke stellt sich das Lager schräg, wobei die Stahlplatten keinen Widerstand leisten.
  • Die Steifigkeit und damit die Federkennlinie eines bewehrten Elastomer-Lagers hängt nicht nur von dem Elastizitätsmodul des Elastomers ab, sondern vorwiegend von den geometrischen Daten des Lagers. Eine im Verhältnis der Grundri- ßfläche dicke Elastomer-Schicht bewirkt eine weiche Lagerung, eine dünnere Schicht eine steife Lagerung. Entsprechend wachsen die Schubspannungen und damit die Gefahr des Abrisses am Lagerrand bei zunehmender Dicke der Elastomer-Schichten. Hierdurch sind einer gewünschten Gestaltung des Lagers für eine weiche Lagerung enge Grenzen gesetzt.
  • Ferner ist ein bewehrtes Elastomer-Lager für Bauwerke mit einer beidseitig mit je einer Stahlplatte durch Vulkanisation verbundenen Elastomer-Schicht bekannt (FR-A-1 529 808), deren frei umlaufenden Stirnflächen konkav ausgebildet sind, so daß deren Auswölben bei Belastung des Lagers in zumindest geringen Grenzen gehalten wird, da jedenfalls ein Teil der Auswölbung durch die vorgegebene konkave Form aufgefangen wird. Bei diesem bekannten Elastomer-Lager grenzt jedoch der Rand der Elastomer-Schicht an die umlaufende Kante der ihm benachbarten Stahlplatte, wodurch aber der Randbereich der Elastomer-Schicht durch Abriß derselben von der sie bewehrenden Stahlplatte kritisch ist.
  • Darüber hinaus ist ein bewehrtes Elastomer-Lager für Bauwerke, insbesondere Brücken, mit mindestens einer beidseitig mit je einer Stahlplatte verbundenen Elastomer-Schicht bekannt (FR-A-1 600 397), bei dem durch eine Presse die Elastomer-Schichten eine Vorspannung erfahren um so den Abhebekräften des Überbaus zu widerstehen und abwechselnd auf Zug und Druck gemäß den Belastungsbedingungen des Bauwerks zu arbeiten, nämlich wie eine vorgespannte Feder zu wirken, so daß eine konkave Ausbildung der Stirnflächen der Elastomer-Schichten und ein Überkragen der Stahlplatten keine Bedeutung haben.
  • Schließlich ist auch schon ein Topflager mit den einleitend genannten Merkmalen eines Elastomer Lagers der eingangs genannten Art bekannt (DE-A-2262816), bei dem jedoch eine Verbindung der Elastomer-Schicht mit den ihr benachbarten Stahlplatten durch Vulkanisation nicht unbedingt vorgesehen zu sein braucht und bei dem die umlaufenden Stirnflächen der Elastomer-Schicht allseitig umschlossen, nämlich durch nach innen konvex gekrümmte, mehrlagige Blechbänder allseitig begrenzt sind, die sich bogenartig gegen die über die Stirnfläche der Elastomer-Schicht nach außen verlängerten beiderseitigen Stahlplatten abstützen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein bewehrtes Elastomer-Lager der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die Gefahr des Abrisses des Elastomers vom Stahlplattenrand vermieden und so die Sicherheit eines solchen Lagers und dessen Belastbarkeit wesentlich gesteigert wird.
  • Diese Aufgabe ist bei einem bewehrten Elastomer-Lager der einleitend definierten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die konkaven Stirnflächen der Elastomer-Schicht unabgedeckt frei nach außen liegen.
  • Aufgrund dieser Ausbildung ist die Elastomer-Schicht des erfindungsgemäßen Lagers bei Belastung desselben in der Lage, aus der ursprünglich in unbelastetem Zustand bestehenden Konkavität sich radial nach außen zu verformen, gegebenenfalls sich sogar konvex nach außen zu wölben, ohne daß durch eine solche Auswölbung die Elastomer-Schicht von den Kanten der Stahlplatten abreißen und eingeschnitten werden kann. Durch die Auskragung der Stahlplatten über den an sie angrenzenden Rand der Elastomer-Schicht kommt die Stahlplattenkante mit dem Elastomer nicht in Berührung. Der Singularitätspunkt mit der gefährlichen Konzentration von Spannungen und Verformungen wird vermieden. Auch bei hoher Belastung eines solchen Lagers ist die Auswölbung der Elastomer-Schicht gegenüber der bisherigen Lagerausführung relativ gering, und ein Abriß des Elastomers von dem Stahlplattenrand tritt nicht auf. Ein solches Lager hat damit eine größere Bruchsicherheit und damit auch höhere Belastbarkeit.
  • Es ist zwar bereits ein bewehrtes Elastomer-Lager bekannt (DE-GM 1 861 230), dessen Stahlplatten über den Rand der Elastomer-Schicht hinausragen können. Bei diesem Lager ist es jedoch nicht erforderlich, Stahlplatten und Elastomer-Schicht miteinander zu vulkanisieren ; vielmehr ist die Oberfläche der Bewehrungsplatten aufgerauht, um die bei Vertikalbelastung der elastischen Schicht auftretenden Horizontalsprengkräfte einwandfrei an die Horizontalbewehrungsbleche einzuleiten. Hierbei soll der gegebenenfalls überragende Randbereich der Stahlplatten lediglich eine Trennung der Elastomer-Schicht auch bei Belastung des Lagers garantieren. Die frei umlaufenden Stirnflächen der Elastomer-Schicht sind dabei eben ausgebildet..
  • Andererseits ist es bei Gummilagern anderer Art ebenfalls bekannt (DE-OS 2 200 315), bei denen Kehlungen des Gummilagerkörpers zwischen dessen ringförmigen Bewehrungen die Spannungsverhältnisse in den Randzonen beim Belasten des Lagers verbessern sollen. Das Problem des Abreißens der Elastomer-Schicht in dessen Randzone besteht dabei jedoch nicht, weil dort die als Bandage wirkenden Stahlringe von ihrer nach innen gerichteten Stirnfläche über Druckkräfte auf die Elastomer-Schicht einwirken, während bei dem Elastomer-Lager gemäß der Erfindung infolge des Schichtaufbaus von Elastomer-Körper und Stahlplatte diese durch Schubspannungen aufeinander einwirken, was erst das Problem des Abreißens des Elastomers von der Stahlplatte auftreten läßt.
  • Schließlich ist auch schon ein bewehrtes Elastomer-Lager anderer Bauweise bekannt, bei dem die beidseitigen Gummischichten nicht mit bewehrenden Metallplatten außen belegt sind, sondern unmittelbar am Bauwerk anliegen (DE-OS 2324195). Zwar sind auch dort die umlaufenden Stirnflächen der Gummiplatten konkav ausgebildet, um Randspannungen herabzumindern. Mit dieser Maßnahme allein ist jedoch die hier gestellte Aufgabe nicht zu lösen. Hierbei ist nämlich zu berücksichtigen, daß der Randbereich der Elastomer-Schicht kritisch ist durch Abriß der Elastomer-Schicht von der sie bewehrenden Stahlplatte. Dieses Abreißen ist nun aber bedingt einerseits durch hohe Schubspannungen zwischen Stahlplatte und Elastomer-Schicht infolge der durch Belastung eintretenden Auswölbung der mit der Stahlplatte vulkanisierten Elastomer-Schicht und andererseits' durch Einschneiden der Kante der Stahlplatte in die sich auswölbende Elastomer-Schicht. Um diesen beiden zwar voneinander unabhängigen, aber in ihrer Auswirkung gleichwirkenden Gefahren zu begegnen, ist es notwendig, daß erfindungsgemäß das durch Auswölbung eintretende Abreißen der Elastomer Schicht durch konkave Ausbildung deren umlaufenden Stirnflächen und das Einschneiden der Elastomer-Schicht durch Hinausragen der Bewehrungsstahlplatten vermieden wird. Erst beide Maßnahmen lassen das Abreißen der Elastomer-Schicht von den Stahlplatten des beanspruchten Lagers sicher vermeiden und damit dessen Belastbarkeit ganz erheblich steigern.
  • Durch die hier vorgeschlagene Formgebung eines solchen Elastomer Lagers ist auch dessen Ausführung mit relativ dicken Elastomer-Schichten und somit Lager für eine weichere Lagerung möglich. Da nämlich die Auswölbung der Stirnflächen der Elastomer-Schicht unmittelbar mit deren Dicke zusammenhängt, kann man mit dieser Lagerform dickere Elastomer-Schichten verwenden.
  • Die Schichtdicke des Elastomers beeinflußt wiederum die Steifigkeit des Lagers bei senkrechter Belastung. Dicke Elastomer-Schichten ergeben ein w weiches Lager ». Damit eignet sich diese Lagerform sehr gut für federnde, stoß-unempfindliche Lagerungen.
  • Die Lager der erfindungsgemäßen Art können verschiedenen Querschnitts, beispielsweise rechteckig oder rund ausgeführt sein. Die konkave Stirnfläche der Elastomer-Schicht des Lagers kann mit stetiger Krümmung, z. B. kreisrund oder parabelförmig oder aber auch als Polygonzug (z. B. als Trapez) ausgeführt werden.
  • In den Zeichnungen sind bewehrte Elastomer-Lager der erfindungsgemäßen Art in beispielsweise gewählten Ausführungsformen schematisch veranschaulicht. Es zeigen :
    • Figur 1a ein Lager gemäß der Erfindung in unbelastetem Zustand ;
    • Figur 1b das Lager gemäß Fig. 1a in belastetem Zustand und
    • Figur 2 ein Lager gemäß der Erfindung im Schnitt in einer weiteren Ausführungsform.
  • Bei dem unbelasteten Lager gemäß der Erfindung entsprechend Fig. 1a sind die frei umlaufenden Stirnflächen 1 der Elastomer-Schichten 2 konkav ausgebildet, und deren beidseitigen Stahlplatten 3 ragen über den an sie angrenzenden Rand 4 der Elastomer-Schicht 2 hinaus.
  • Wird ein solches erfindungsgemäßes Lager - entsprechend der Darstellung der Fig. 1b - belastet, so erfahren die umlaufenden Stirnflächen 1 der Elastomer-Schichten 2 allenfalls eine geringe Auswölbung, und der Rand 4 zwischen Elastomer und Stahlplatten bleibt ohne Abrißgefahr.
  • In Fig. 2 ist in einem senkrechten Schnitt ein einschichtiges rundes Lager gemäß der Erfindung in unbelastetem Zustand wiedergegeben.

Claims (1)

  1. Bewehrtes Elastomer-Lager für Bauwerke, insbesondere Brücken, mit mindestens einer beidseitig mit je einer Stahlplatte (3) durch Vulkanisation verbundenen Elastomer-Schicht (2), deren umlaufenden Stirnflächen (1) konkav ausgebildet sind und deren beidseitigen Stahlplatten (3) über den an sie angrenzenden Rand (4) der Elastomer-Schicht (2) hinausragen, dadurch gekennzeichnet, daß die konkaven Stirnflächen (1) der Elastomer-Schicht (2) unabgedeckt frei nach außen liegen.
EP82101301A 1981-02-20 1982-02-19 Bewehrtes Elastomer-Lager für Bauwerke, insbesondere Brücken Expired EP0058970B1 (de)

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DE3106401 1981-02-20

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EP0058970A2 EP0058970A2 (de) 1982-09-01
EP0058970A3 EP0058970A3 (en) 1983-08-03
EP0058970B1 true EP0058970B1 (de) 1986-10-01

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EP0058970A3 (en) 1983-08-03
DE3273504D1 (en) 1986-11-06
EP0058970A2 (de) 1982-09-01

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