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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Trägerbauteil für
eine Stütz- oder Gebäudekonstruktion, das sich
durch eine erhöhte Belastbarkeit insbesondere in Hinblick
auf explosionsbedingte Stoß- und/oder Druckeinwirkungen
gegenüber vergleichbaren konventionellen Tragwerkskonstruktionen
auszeichnet.
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Stand der Technik
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Konventionelle
Tragwerkskonstruktionen setzen sich aus wandartigen Strukturen,
Stützen, Tragpfeilern, Verstrebungen und dergleichen zusammen
und bestehen zumeist aus Stahlbeton oder aus Kombinationen von Beton,
Stahlbeton und Stahl für die Ausbildung so genannter Verbundträgerbauteile. Spröde
Materialien, wie beispielsweise Beton oder Stahlbeton versagen jedoch
sehr schnell unter stoßartigen Belastungen, wie sie beispielsweise
bei Explosionen in Form von Stoßwellen auftreten. Gerade in
Hinblick auf die zunehmende Gefahr terroristischer Angriffe gilt
es zumindest bei strategisch bedeutsamen Gebäuden und Tragwerkkonstruktionen
entsprechende Schutzvorkehrungen zu treffen.
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Untersuchungen
an konventionellen aus Beton oder Stahlbeton bestehenden Trägerbauteilen, die
explosionsbedingten Stoßwellen ausgesetzt worden sind,
zeigen, dass sich die Stoßwellen im Beton ausbreiten und
an jeweiligen Bauteilrückseiten reflektiert werden, wodurch
es zu inneren Spannungen kommt, die die Zugfestigkeit des Werkstoffes
Beton überschreiten und die damit zu irreversiblen Schädigungen
in Form von Rissen und Abplatzungen führen. Derartige Schäden
treten bei Beton äußerst schnell auf, da die Zugfestigkeit
nur etwa ein Zehntel der Druckfestigkeit beträgt und während
einer Rissöffnung nur wenig Energie dissipieren kann. Ferner ist
Beton ein poröser Werkstoff, der beim Durchgang einer Stoßwelle
kompaktiert, d. h. seine innere Struktur bricht zusammen, wodurch
die Tragfähigkeit des jeweiligen Trägerbauteils
nahezu vollständig verloren geht.
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Mit
dem Ziel der Vermeidung derartiger innerer Schädigungen
vor allem in Betonbauteilen ist nach einem Dämpfungsmaterial
gesucht worden, das zwischen dem zu schützenden Trägerbauteil
und dem Explosionsort vorzusehen ist und dessen Aufgabe darin besteht,
den Druck-Zeitverlauf einer auf das Trägerbauteil einwirkenden
explosionsbedingten Stoßwelle zu verlängern und
darüber hinaus die Druckspitze der Stoßwelle zu
reduzieren.
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Aus
der
DE 101 37 720
A1 geht hierzu ein Verguss-Werkstoff hervor, der nach Art
seiner hybriden stofflichen Zusammensetzung als Polymerbeton oder
Biobeton bezeichnet wird und im wesentlichen aus drei Grundkomponenten
besteht, nämlich a) aus porösen organischen Füllstoffen
und/oder organischen Fasern zu Zwecken der Verstärkung,
b) aus Kalkspat, Gips, Quarz und/oder Materialien enthaltende feingemahlene
Mineralstoff-Mischungen, und c) letztlich zu Zwecken der inneren Bindung
und gegebenenfalls Verklebung an technischen Oberflächen
aus Epoxydharz. Ein derart zusammengesetzter Polymerbeton weist
aufgrund der eingesetzten Füllstoffe große Porenvolumen
auf, die zu einer Porosität von bis zu 50% führen
und dadurch ein sehr hohes Energieabsorptionsvermögen ergeben.
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Zwar
tragen die in derartigen Polymerbetonwerkstoffen eingeschlossenen
Porenvolumina zur Kompaktierung des Werkstoffes und damit verbunden
zu einem wünschenswerten Stoßwellenabsorptionspotential
bei, doch reduziert sich mit zunehmendem Porenvolumen die Werkstofffestigkeit
und die damit verbundene Tragfähigkeit von aus diesem Werkstoff
bestehenden Bauteilen.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Trägerbauteil
für eine Stütz- oder Gebäudekonstruktion
unter Verwendung eines als Polymerbeton bekanntgewordenen Hybridwerkstoffes
derart weiterzubilden, dass das Trägerbauteil bei einer
Explosionsbelastung ein gegenüber bisherigen Lösungen verbessertes
Widerstandsverhalten aufweist, das sich insbesondere durch ein hohes
Dämpfungsmaß für auf das Bauträgerteil
einwirkende, explosionsbedingte Stoßwellen, gepaart mit
einer sich trotz der Stoßwelleneinwirkung weitgehend unveränderten Bauteilfestigkeit,
d. h. unveränderter Traglast, auszeichnen soll.
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Die
Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist
im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende
Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren
Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele
zu entnehmen.
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Das
neuartige Trägerbauteil für eine Stütz- oder
Gebäudekonstruktion zeichnet sich durch einen Trägerbauteilkern
aus, der sich vorzugsweise aus einer Stahl- oder Stahlbetonkonstruktion
zusammensetzt, die wenigstens teilweise von einer Materialschicht
aus Hybridwerkstoff umgeben ist, der in Art des vorstehend beschriebenen
Polymerbeton ausgebildet ist und aus drei Grundkomponenten besteht, nämlich
a) Faserreste, Faserschnitzel und/oder Körnerreste und/oder strohartige
Rückstände aus Maiskolben nach Entfernen der Maiskörner,
b) eine Kalkspat, Gips, Quarz und/oder Materialien enthaltende feingemahlene
Mineralstoff-Mischung und c) Kunststoffharz, vorzugsweise ein Expoxydharz, Acrylharz
und/oder Polyurethanharz. Zusätzlich ist eine die aus dem
Hybridwerkstoff bestehende Materialschicht umgebende Außenschale
vorgesehen, die verglichen zum Hybridwerkstoff eine größere
Härte und größere Werkstoffdichte aufweist,
vorzugsweise aus gehärtetem Stahl, Edelstahl besteht.
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Im
Gegensatz zu bisherigen Trägerbauteilen, die zumindest
teilweise den Hybridwerkstoff „Polymerbeton” aufweisen
und diesen Werkstoff zur Stoßwellenabsorption einer auf
das Trägerbauteil einwirkenden, explosionsbedingten Stoßwelle
unmittelbar aussetzen, sieht das lösungsgemäß ausgebildete
Trägerbauteil eine harte, vorzugsweise aus Metall, Stahl,
Edelstahl o. ä. bestehende Außenverschalung vor,
auf die die explosionsbedingte Stoßwelle auftrifft bzw.
einwirkt. Gegenüber dem Bauteilkern ist die harte Außenschale
durch eine Zwischenschicht bestehend aus Polymerbeton beabstandet,
so dass die auf die harte Außenschale auftreffende Stoßwelle und
die damit verbundene Druckwirkung zunächst flächig
verteilt wird und von der unmittelbar darunter befindlichen Zwischenschicht
aus Polymerbeton über einen großen flächigen
Bereich im Wege der Kompaktierung absorbiert wird, so dass letztlich
das auf den Bauteilkern einwirkende, explosionsbedingte Schadenspotenzial
deutlich herabgesetzt werden kann, vorzugsweise in einen Belastungsbereich,
bei dem der Bauteilkern keinerlei irreversible, die Festigkeit des
Trägerbauteils in Frage stellende Schädigungen
erfährt.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht zwischen
der aus Hybridwerkstoff bestehenden Materialschicht sowohl zu Seiten
des Trägerbauteilkerns als auch zu Seiten der Außenschale
ein direkter, unmittelbarer Kontakt ohne jegliche haftvermittelnde
Zwischenschicht. Zur Herstellung einer derartigen sandwichartig
zusammengefügten Dreikomponentenstruktur, bestehend aus dem
Trägerbauteilkern, der aus dem Hybridwerkstoff bestehenden
Materialschicht sowie der Außenschale, wird die aus Hybridwerkstoff
bestehende Materialschicht in Form einer Vergussmasse bereitgestellt und
zwischen Trägerbauteilkern und Außenschale eingebracht,
beispielsweise im Wege eines Gießvorganges. Die selbsterstarrungsfähige
Vergussmasse besteht aus den vorstehend genannten drei Grundkomponenten
a) Faserreste, Faserschnitzel, Körnerreste und/oder strohartige
Rückstände aus Maiskolben nach Entfernen der Maiskörner,
b) eine Kalkspat, Gips, Quarz und/oder Materialien enthaltende feingemahlene
Mineralstoff-Mischung und c) Kunststoffharz, wobei die Grundkomponente
a) ca. 35 bis 40%, die Grundkomponente b) ca. 18 bis 24% und die Grundkomponente
c) 38 bis 43% des Rauminhaltes des Hybridwerkstoffes betragen. In
der Vergussmasse trägt der Anteil des zunächst
in fließfähiger Form vorliegenden Kunststoffharzes
dazu bei, dass die Vergussmasse im Wege eines Auftrags- oder Gießverfahrens
mit den jeweils sich gegenüber liegenden technischen Oberflächen
des Trägerbauteilkerns einerseits und der dem Trägerbauteilkern
zugewandten Oberfläche der Außenschale andererseits
eine flächige, auf Haftkräften beruhende Flächenfügeverbindung
eingeht.
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Im
Wege des Selbsterstarrens des der Vergussmasse beigemischten Kunststoffharzes
verfestigt sich die Materialschicht und führt letztlich
zu einem innigen Schichtverbund. Je nach Ausbildung und Ausprägung
des Trägerbauteilkerns, beispielsweise in Form einer Strebe,
einer Stütze oder einer Wand, gilt es die Außenschale
entsprechend an die Oberflächenkontur des Trägerbauteilkerns
anzupassen. Beispielsweise bei einem wandförmig ausgebildeten
Trägerbauteilkern ist die Außenschale als eine konform
zur Wandoberfläche ausgebildete Metall-, vorzugsweise Stahlplatte
ausgebildet, die vorzugsweise die gesamte Wandoberfläche
des Trägerbauteilkerns, die zumindest einem potentiellen
Explosionsort zugewandt positioniert ist, überdeckt. Entsprechend
gilt es die aus Hybridwerkstoff bestehende Materialschicht zwischen
die Wandoberfläche des Trägerbauteilkerns und
jener der Metallplatte vorzusehen bzw. einzubringen.
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Handelt
es sich um einen als Strebe oder Stütze ausgebildeten Trägerbauteilkern,
beispielsweise in Form einer vollzylinderförmig ausgebildeten Stahlbetonstütze,
so bietet es sich in vorteilhafter Weise an, die gesamte Umfangskontur
des säulenartigen Trägerbauteilkerns vollumfänglich
mit der aus Hybridwerkstoff bestehenden Materialschicht zu ummanteln,
die ihrerseits mit einer in Form und Größe angepassten
Hartmetallaußenverschalung vollständig umgeben
ist.
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Durch
die lösungsgemäße Maßnahme erfährt
der Trägerbauteilkern einen effektiven Schutz gegenüber
explosionsbedingten Stoßwellen, wie dies auch aus der beigefügten
Figur zu entnehmen ist. So weist das in der einzigen Figur dargestellte
Diagramm eine Ordinate auf, längs der ein Maß B
aufgetragen ist, das die Tragfähigkeit eines Trägerbauteilkerns
repräsentiert, die Abszisse entspricht der Verformung des
Trägerbauteilkerns. So sei angenommen, dass die in dem
Diagramm dargestellten Funktionsverläufe a, b, c Messergebnisse
eines Belastungstests an einem säulenartig ausgebildeten Trägerbauteilkern
darstellen. Der Belastungstest vollzog sich statisch mit einer zeitlich
zunehmenden, längs der Stütze einwirkenden Last,
solange bis sich jeweils eine irreversible Schädigung in
dem Trägerbauteilkern einstellte, wodurch die Tragfähigkeit
absinkt. Hierbei stellt der jeweils erreichbare charakteristische
Maximalwert pro Funktionsverlauf die maximale Resttragfähigkeit
des Trägerbauteilkerns dar.
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Der
aus dem Diagramm entnehmbare Funktionsverlauf a repräsentiert
die Belastbarkeit einer nicht vorgeschädigten (durch Explosionsereignis), konventionellen
Stahlbetonstütze, die keinerlei zusätzliche, schichtförmige
Ummantelungen aufweist. Hingegen illustriert der Funktionsverlauf
c die Belastbarkeit einer vorgeschädigten, konventionellen
Stahlbetonstütze, die vor der Belastungstestdurchführung einer
explosionsbedingten Stoßwelle ausgesetzt worden ist, und
hierdurch einen strukturellen Schaden längs der Stahlbetonstütze
erhielt. Es zeigt sich deutlich, dass die geschädigte Stahlbetonstütze,
die ansonsten über keine weiteren Schutzmaßnahmen verfügt,
bereits durch die explosionsbedingte Vorschädigung nahezu
vollständig in Hinblick auf Belastung geschwächt
worden ist.
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Hingegen
zeigt der Funktionsverlauf b, eine im Vergleich zum Fallbeispiel
c deutlich bessere verbleibende Tragfähigkeit einer Stahlbetonstütze,
die ebenfalls einer explosionsbedingten Stoßwelleneinwirkung,
gleichsam dem Fall b, ausgesetzt worden ist, bevor der Belastungstest
durchgeführt worden ist, jedoch wies die Stahlbetonstütze
in diesem Fall die lösungsgemäßen Schichtstrukturen
auf, nämlich die aus Hybridwerkstoff bestehende Materialschicht
mit einer diese umgebenden Stahlummantelung.
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Deutlich
ist anhand des Funktionsverlaufes b zu ersehen, dass die Resttragfähigkeit
weit über jener im ungeschützten Fall c liegt,
so dass bei geeigneter Dimensionierung der lösungsgemäßen Schichtabfolge
Trägerbauteile selbst nach explosionsbedingten Stoßwelleneinwirkungen
eine zu vernachlässigende Beeinträchtigung ihrer
Resttragfähigkeit erfahren, so dass auf diese Weise mit
hohen Kosten verbundene Reparatur- oder Sanierungsaufwendungen an
Stütz- oder Gebäudekonstruktionen nach einem Explosionsfall
vermieden werden können.
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Eine
weitere alternative Ausführungsform zur Herstellung eines
lösungsgemäßen Schichtverbundes für
Trägerbauteilkerne sieht die separate Herstellung der aus
Hybridwerkstoff bestehenden Zwischenschicht vor, die als eigentragfähige
Platte oder Form herstellbar ist und mit Hilfe einer Haftvermittlers
sowohl an die Oberfläche des Trägerbauteilkerns
als auch mit der dem Trägerbauteilkern zugewandten Oberfläche
der Außenschale gefügt werden kann. Auf diese
Weise ist ein nachträgliches Anbringen der lösungsgemäßen
Schutzmassnahme an bereits bestehenden Trägerbauteilkernen
ohne größere zusätzliche Aufwendungen
möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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