REINFORCED ELASTOMER BEARING FOR STRUCTURES, IN PARTICULAR FOR BRIDGES

Abstract: 1. A reinforced elastomer bearing for structures, in particular bridges, comprising at least one elastomer layer (2) which is connected by vulcanisation on both sides to respective steel plates (3) and whose peripheral faces (1) are of a concave configuration and in which the steel plates (3) at the two sides thereof project beyond the edge (4) adjoining same of the elastomer layer (2), characterised in that the concave faces (1) of the elastomer layer (2) are exposed and uncovered outwardly.

Description: Bewehrtes Elastomer-Lager für Bauwerke, insbesondere Brücken Die Erfindung betrifft ein bewehrtes Elasto mer-Lager,das -für Bauwerke, insbesondere Brücken bestimmt ist und aus mindestens einer beidseitig mit Je einer Stahlplatte durch Vulkanisation verbundenen Elastomer-Schicht besteht. 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 abrissfest miteinander verbunden. Bei bisher bekannten derartigen 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 ähn lich 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 Abrisskräfte, 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 Grundrissfläche 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. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein bewehrtes Elastomer-Lager der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass die Gefahr des Abrisses des Elastomers vom Stahiplattenrand vermieden und so die Sicherheit eines solchen Lagers und dessen Belastbarkeit wesentlich gesteigert wird. Diese Aufgabe ist bei einem bewehrten Elastomer Lager der eingangs definierten Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die frei umlaufenden Stirnflächen der Elastomer-Schicht konkav ausgebildet sind und deren beidseitigen Stahlplatten über den an sie angrenzenden Rand der Elastomer-Schicht hinausragen. Durch die konkave Ausbildung der umlaufenden Stirnflächen der Elastomer-Schicht wird deren Auswölben bei Belastung des Lagers in zumindest geringen Grenzen gehalten, da Jedenfalls ein Teil der Auswölbung durch die vorgegebene konkave Form aufgefangen wird. 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. Bei diesem Lager ist es Jedoch nicht erforderlich, Stahlplatten und Elastomer Schicht miteinander zu vulkanisieren; vielmehr ist die Oberfläche der Bewehrunsplatten aufgerauht, um die bei Vertikalbelastung der elastischen Schicht auftretenden Horizontalsprengkräfte einwandfrei an die Horizontalbewehrungsbleche einzuleiten. Hierbei soll der 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 SchichtauSbaus 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 2 324 195). 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 weidxre 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 "weiches Lager. Damit eignet sich diese Lagerform sehr gut für federnde, stossunempfindliche Lagerungen. Die Lager der erfindungsgemässen Art können verschiedenen Querschnitts, beispielsweibe 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 sowohl der bekannten als auch der erfindungsgemässen Art in einer Jeweils beispielsweise gewählten Ausführungsform schematisch veranschaulicht. Es zeigen: Fig. la ein solches Lager bisher bekannter Bauweise in unbelastetem Zustand; Fig. Ib das gleiche Lager bekannter Art in belastetem Zustand; Fig. 2a ein Lager gemäss der Erfindung in unbelastetem Zustand; Fig. 2b das Lager gemäss Fig. 2a in belastetem Zustand und Fig. 3 ein Lager gemäss der Erfindung im Schnitt in einer weiteren Ausführungsform. Bei dem in Fig. 1 schaubildlich wiedergegebenen Lager bekannter Bauweise sind die frei umlaufenden Stirnflächen 1 der beiden Elastomer-Schichten 2 flach ausgebildet, stehen also senkrecht, solange das Lager unbelastet ist, und die mit den Elastomer-Schichten durch Vulkanisation verbundenen Stahlplatten 3 haben den gleichen waagerechten Querschnitt wie die Elastomer-Schichten 2, so dass die umlaufenden Stahlplattenränder 4 mit den zugehörigen Stirnflächen 1 der Elastomer-Schichten 2 bei Nichtbelastung des Lagers in Flucht liegen. Wird dieses Lager nun gemäss Fig. Ib belastet, erfahren die frei umlaufenden Stirnflächen 1 der Elastomer-Schichten 2 eine starke Auswölbung, wobei an der umlaufenden Verbindungslinie zwischen Elastomer-Schicht 2 und angrenzender Stahlplatte 3 eine hohe Gefahr des Abrisses des Elastomers vom Stahl besteht, die noch gesteigert wird, wenn das sich auswölbende Material der Elastomer-Schicht 2 über die Ränder der angrenzenden Stahlplatten 3 überquillt. Bei dem unbelasteten Lager gemäss der Erfindung entsprechend Fig. 2a 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. 2b 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. 3 ist in einem senkrechten Schnitt ein einschichtiges rundes Lager gemäss der Erfindung in unbelastetem Zustand wiedergegeben.

Claims: Patentanspruch: Bewehrtes Elastomer-Lager für Bauwerke, insbesondere Brücken, mit mindestens einer beidseitig mit Je einer Stahlplatte durch Vulkanisation verbundenen Elastomer-Schicht, dadurch gekennzeichnet, dass die frei umlaufenden Stirnflächen (1) der Elastomer Schicht (2) konkav ausgebildet sind und deren beidseitigen Stahlplatten (3) über den an sie angrenzenden Rand (4) der Elastomer-Schicht hinausragen.

Inventors: HINZ, KARL-OTTO, POIER, PETER, DIP.-ING., TOPALOFF, BORIS, DR.ING.
Applicants: VORSPANN-TECHNIK GMBH
Application year: 1982
Main classification: E04B1
IPC codes: E04B1, E01D19