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Die Erfindung betrifft ein Schutzsystem zum Schutz eines Gebäudes vor Flugzeugabstürzen und ähnlichen hochenergetischen Einschlägen großvolumiger Objekte gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein derartiges Schutzsystem ist aus der Patentschrift
DE 10 2010 037 202 B4 der HOCHTIEF Construction AG bekannt. Dort ist zum Schutz eines Bauwerks vor aufprallenden Flugobjekten ein Schutzmantel mit einem Abstand vor der äußeren Hülle des Bauwerks vorgesehen, wobei der Schutzmantel als Gittermantel ausgebildet ist, wobei die Gitterstäbe des Gittermantels zumindest teilweise aus Stahl bestehen, wobei der Schutzmantel als selbsttragendes Tragwerk ausgebildet ist, und wobei der Schutzmantel nicht bzw. nicht über abstützende Elemente mit der äußeren Hülle des Bauwerks verbunden ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schutzsystem der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass auch ein Aufprall schwerer vierstrahliger Flugzeuge, etwa vom Typ Boeing 747 oder Airbus A380, die Integrität des von ihm geschützten Gebäudes nicht zerstört.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Schutzsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Erfindungswesentlich ist demnach, dass das Schutzgitter sich über eine Mehrzahl von plastisch deformierbaren, energieabsorbierenden Elementen - und bevorzugt ausschließlich über derartige Elemente - an der Gebäudewand abstützt. Zusätzlich ist vorteilhafterweise eine Abstützung am Boden vorgesehen.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass in Abkehr der in
DE 10 2010 037 202 B4 offenbarten technischen Lehre eine Abstützung des Schutzgitters an der Gebäudewand durchaus wünschenswert ist, um die Aufpralllasten besser zu verteilen. Ein Teil dieser Lasten kann und sollte nämlich, wie im Rahmen der vorliegenden Erfindung erkannt wurde, durchaus durch das zu schützende Gebäude selber aufgenommen werden, und zwar in dem Maß, wie seine Struktur es aushält oder toleriert, ohne katastrophal beschädigt zu werden. Zu diesem Zweck erfolgt der Übertrag von Kraft, Druck und Verformungsenergie in die Gebäudewand in gedämpfter Weise mit Hilfe von energie- und schwingungsabsorbierenden (Dämpfungs-) Elementen.
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Vorteilhafterweise umfasst das jeweilige energieabsorbierende Element ein Rohr aus Stahl, welches derart zwischen dem Schutzgitter und der Gebäudewand angeordnet ist, dass die beim Aufprall eines Flugzeuges auf das Schutzgitter übertragene Kraft zumindest überwiegend in Radialrichtung auf das Rohr einwirkt und es im Querschnitt betrachtet zusammenquetscht. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Stoßdämpfern von zylindrischer Gestalt, die so eingebaut sind, dass sie im Belastungsfall in Längsrichtung federnd zusammengestaucht werden, erfolgt hier also eine überwiegend plastische, nichtlineare Deformation durch eine in Radialrichtung auf den Umfang des Rohrs wirkende Kraft. Zur Erhöhung der Energiedissipation kann das Rohr im Rohrinneren einen Kern oder Einbau aus gekreuzten Stahlplatten aufweisen.
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Es konnte durch numerische Simulationen nachgewiesen werden, dass die genannten energieabsorbierenden Elemente einen entscheidenden Beitrag von bis zu 60% der Gesamt-Energiedissipation durch das erfindungsgemäße Schutzsystem erbringen und die aufprallbedingten Vibrationen im Gebäude erheblich minimieren.
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Vorteilhafterweise umfasst das Schutzgitter eine parallel zur Gebäudewand angeordnete, aus Stahlträgern gebildete innere Gitterebene und eine parallel dazu angeordnete, aus Stahlträgern gebildete äußere Gitterebene, wobei die innere Gitterebene und die äußere Gitterebene durch Stahlträger miteinander verbunden sind.
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In bevorzugter Ausgestaltung umfassen sowohl die innere Gitterebene als auch die äußere Gitterebene ein regelmäßiges Rechteckgitter, deren Elementarzellen dieselben Abmessungen aufweisen, und die zumindest in einer Hauptrichtung des Gitters um eine halbe Gitterkonstante gegeneinander verschoben sind. Dabei ist es bevorzugt, dass die innere Gitterebene und die äußere Gitterebene durch Diagonalträger miteinander verbunden sind, die sich jeweils von einem Knotenpunkt einer Gitterebene zu einem Knotenpunkt der anderen Gitterebene erstrecken.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gehen hervor aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen in schematischer, vereinfachter Darstellung:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines vor einer Gebäudewand installierten Schutzsystems zum Schutz des Gebäudes vor Flugzeugabstürzen,
- 2 eine Draufsicht auf das Schutzsystem von oben gemäß Pfeil I in 1, darunter eine Draufsicht von vorne gemäß Pfeil II in 1, und darunter einen Querschnitt (Seitenansicht) gemäß Linie A-A,
- 3 eine vergrößerte Draufsicht auf das Schutzsystem von oben, und
- 4 einen Querschnitt durch ein Rohr, welches als energieabsorbierende Befestigung für das Schutzsystem an einer Gebäudewand dient, oben für sich genommen, darunter in Einbaulage des Rohrs im Schutzsystem.
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Gleiche oder gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugseichen versehen.
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Das in den Figuren dargestellte Schutzsystem 20 mit einem Schutzgitter 22 ist nach Art einer Schutzabdeckung vor einer Gebäudewand 24 oder einem sonstigen Abschnitt einer Gebäudehülle aufgestellt und schützt diese vor Flugzeugabstürzen oder ähnlich hochenergetischen und großflächigen Einschlägen von Raketen, Bauteilen oder Trümmern infolge von Anschlägen, Explosionen, Wirbelstürmen und dergleichen.
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Das Schutzgitter 22 ist aus miteinander verbundenen, insbesondere verschweißten (Stahl-) Trägern oder Streben oder Gitterstäben gebildet und umfasst eine erste, der Gebäudewand zugewandte Gitterebene, auch als innere Gitterebene E1 bezeichnet, und eine zweite, von der Gebäudewand abgewandte Gitterebene, auch als äußere Gitterebene E2 bezeichnet. Jede der beiden Gitterebenen E1, E2 ist durch miteinander verbundene Längsträger und Querträger gebildet, die ein vorzugsweise regelmäßiges Flächengitter aufspannen. Die beiden Gitterebenen E1, E2 sind miteinander durch zwischen ihnen angeordnete Träger, insbesondere Diagonalträger verbunden, so dass insgesamt ein dreidimensionales Raumgitter verwirklicht ist.
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Im hier gezeigten Beispiel wird davon ausgegangen, dass der zu schützende Abschnitt der Gebäudewand 24 eine vertikale Ebene über dem Boden 26 aufspannt. Die innere Gitterebene E1 ist unter Ausbildung eines Zwischenraumes oder Spaltes 28 mit Spaltbreite (= Abstand) a parallel zur Gebäudewand 24 angeordnet. Die äußere Gitterebene E2 ist ebenfalls parallel zur Gebäudewand 24 und somit auch parallel zur inneren Gitterebene E1 angeordnet. Die beiden Gitterebenen E1, E2 bilden damit voneinander beabstandete vertikale Ebenen mit dem Abstand b.
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Die äußere Gitterebene E2 ist wie bereits erwähnt durch eine Mehrzahl von Längs- und Querträgern verwirklicht, die an den Kreuzungs- oder Knotenpunkten 30 miteinander verbunden sind. Hier im Beispiel handelt es sich um Vertikalträger 1 und Horizontalträger 3. Die Vertikalträger 1 sind in regelmäßigen Abständen d zueinander säulenartig angeordnet und entsprechend ihrer Bezeichnung vertikal ausgerichtet. Die senkrecht zu den Vertikalträgern 1 verlaufenden Horizontalträger 3 sind entsprechend ihrer Bezeichnung horizontal ausgerichtet und in regelmäßigen Abständen h zueinander, also in verschiedenen Höhen übereinander angeordnet. Bevorzugt sind die Horizontalträger 3 und die Vertikalträger 1 an jedem der Kreuzungs- oder Knotenpunkte 30 fest miteinander verbunden, insbesondere verschweißt. Insgesamt ist damit ein regelmäßiges Rechteckgitter verwirklicht, dessen Elementarzelle eine Breite d und eine Höhe h aufweist.
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Die innere Gitterebene E1 ist analog zur äußeren Gitterebene E2 aufgebaut. Sie bildet also ebenfalls ein regelmäßiges Rechteckgitter aus Vertikalträgern 2 und Horizontalträgern 3', dessen Elementarzelle vorzugsweise dieselbe Breite d und dieselbe Höhe h wie die Elementarzelle der äußeren Gitterebene E2 besitzt. Der Abstand zwischen den beiden Gitterebenen, also die Breite oder Tiefe des Schutzgitters 22 ist mit b bezeichnet.
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Die beiden Gitterebenen E1, E2 sind vorteilhafterweise in der Draufsicht von vorne nicht deckungsgleich hintereinander liegend angeordnet, sondern sie sind in horizontaler Richtung, also in Längsrichtung der Horizontalträger 3, 3' bevorzugt um eine halbe Gitterbreite d/2 gegeneinander verschoben oder versetzt. Damit liegen in der Projektion die Knotenpunkte der äußeren Gitterebene E2 in der Mitte zwischen zwei Knotenpunkten der inneren Gitterebene E1. In vertikaler Richtung hingegen sind die beiden Gitterebenen E1, E2 vorzugsweise nicht gegeneinander verschoben, so dass je einem Horizontalträger 3 der äußeren Gitterebene E2 ein auf derselben Höhe liegender Horizontalträger 3' der inneren Gitterebene E1 zugeordnet ist. Diese Ausführungsvariante erschafft horizontale Ebenen zwischen den vertikalen Gitterebenen E1 und E2, die als Etagenflächen nutzbar sind. In einer alternativen Ausführung, wie in 1 dargestellt, werden die Gitterebenen E1, E2 um eine halbe Geschoßhöhe h/2 gegeneinander versetzt und dadurch die vertikale Gitterfläche zusätzlich verdichtet.
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Die beiden Gitterebenen E1, E2 sind wie bereits erwähnt durch zusätzliche Träger miteinander verbunden, die bevorzugt als Diagonalträger 4, 5 verwirklicht sind, und die bevorzugt an den Knotenpunkten der Gitterebenen E1, E2 angeschlossen sind, insbesondere durch Verschweißung.
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Konkret erstecken sich hier im Ausführungsbeispiel von jedem - mit Ausnahme von einigen am Rand der Gitterfläche angeordneten - Knotenpunkt der äußeren Gitterebene E2 vier Diagonalträger 4, 5 zu jeweils zugeordneten Knotenpunkten der inneren Gitterebene E1. Zwei der vier Diagonalträger, nämlich diejenigen mit Bezugszeichen 4, liegen in einer horizontalen Ebene und erstrecken sich zu den beiden nächst gelegenen Knotenpunkten auf gleicher Höhe der inneren Gitterebene E1. Die anderen zwei der vier Diagonalträger, nämlich diejenigen mit Bezugszeichen 5, erstrecken sich räumlich diagonal, nämlich schräg nach unten zu den direkt unterhalb der vorgenannten Knotenpunkte angeordneten Knotenpunkten der inneren Gitterebene E1 (alternativ können sie auch schräg nach oben verlaufen, oder es können zusätzlich zu den vier genannten Diagonalträgern zwei schräg nach oben verlaufende Diagonalträger vorhanden sein). Dadurch fächern sich die vier Diagonalträger 4, 5, entsprechend dem Versatz der beiden Gitterebenen E1, E2 zueinander, vom jeweiligen Knotenpunkt der äußeren Gitterebene E2 ausgehend quasi sternförmig oder pyramidenförmig auf und stellen die Verbindung zur inneren Gitterebene E1 her. Von den Knotenpunkten der inneren Gitterebene aus betrachtet ergibt sich eine spiegelbildliche Anordnung. Von oben betrachtet (3) sieht man eine Dreiecks-Partitionierung. Von den randseitigen Knotenpunkten gehen aufgrund der Randlage unter Umständen weniger als vier Diagonalträger aus.
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Wie aus der Draufsicht auf das Schutzgitter 22 von oben gemäß 3 hervorgeht, sind die Vertikalträger 1 der äußeren Gitterebene E2 vorzugsweise alle auf der derselben Seite der Horizontalträger 3 angeordnet, nämlich vorzugsweise innenliegend, das heißt zur Gebäudewand 24 hin gerichtet. Entsprechendes gilt für die innere Gitterebene E1, bei der die Vertikalträger 2 innenliegend zu den Horizontalträgern 3' angeordnet sind.
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Die Vertikalträger 1, 2 sind bevorzugt integral, also aus einem Stück hergestellt und weisen vorzugsweise einen doppel-T-förmigen Querschnitt, alternativ einen rechteckigen Querschnitt auf. Entsprechendes gilt für die Horizontalträger 3, 3' und die Diagonalträger 4, 5.
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Die Träger sind bezüglich ihrer Querschnittsbreite B und Ihrer Querschnittshöhe H bevorzugt wie folgt dimensioniert:
| 1,2 | Vertikalträger | B/H= 500 - 1000 / 500 - 1000 mm |
| 3, 3' | Horizontalträger | B/H= 500 - 1000 / 500 - 1000 mm |
| 4 | Diagonalträger (horizontal) | B/H= 400 - 800 / 400 - 800 mm |
| 5 | Diagonalträger (diagonal) | B/H= 400 - 800 / 400 - 800+ mm |
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Bevorzugte Materialien für die Träger sind Stahlsorten mit großer Duktilität und plastischem Verformungsvermögen.
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Die strukturelle Dimensionierung des Schutzgitters
22 ist bevorzugt wie folgt:
| Abstand zwischen den Vertikalträgern | d = 10 - 15 m |
| Abstand zwischen den Horizontalträgern | h = 5 - 10 m |
| Breite des Schutzgitters | b = 10 - 15 m |
| Abstand des Schutzgitters von der Gebäudewand | a = 0,3 - 2,0 m |
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Die Gesamthöhe und Gesamtbreite des Schutzgitters 22 ist an die Dimensionen des zu schützenden Gebäudes oder Gebäudeabschnitts angepasst.
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Das Schutzgitter 22 ist bevorzugt selbstragend ausgeführt und stützt sich vorteilhafterweise zumindest mit einigen, bevorzugt mit allen Vertikalträgern 1, 2 am Boden 26 ab. Die Vertikalträger 1, 2 sind dazu in geeigneter Weise am Boden 26 verankert und auf einem Fundament gegründet. Die Vertikalträger 1, 2 können daher auch als Säulen oder Stützen bezeichnet werden.
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Des Weiteren ist das Schutzgitter 22 über eine Mehrzahl von schock- oder energieabsorbierenden Elementen 32 oder Dämpfern mit der Gebäudewand 24 verbunden. Bei diesen energieabsorbierenden Elementen 24 handelt es sich bevorzugt um Rohre 6 oder Hohlzylinder aus Stahl, die derart zwischen dem Schutzgitter 22 und der Gebäudewand 24 angeordnet sind, dass sie beim Aufprall eines Objektes auf das Schutzgitter 22 von vorne (Aufprallrichtung im Wesentlichen in Richtung des Pfeils II in 1) senkrecht zur ihrer Längsachse, also im Querschnitt betrachtet in Radialrichtung 34, zusammengestaucht oder gequetscht und dabei plastisch deformiert werden.
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In einer bevorzugten Einbauvariante ist das jeweilige Rohr 6 zwischen den zur Gebäudewand 24 hin gerichteten Vertikalträgern 2 der inneren Gitterebene E1 und der Gebäudewand 24, also in dem dazwischen liegenden Spalt 28 angeordnet. Der Rohrdurchmesser D ist demgemäß maximal so groß wie die Spaltbreite a. Die Längsachse des Rohres 6 ist bevorzugt vertikal, also parallel zum Vertikalträger 2 angeordnet. Bevorzugt ist das Rohr 6 einerseits am Außenumfang fest mit dem zugehörigen Vertikalträger 2 verbunden, insbesondere verschweißt, und andererseits an der Gebäudewand 24 angelehnt. Das Rohr 6 stellt dann ein energieabsorbierendes (Verbindungs-) Element oder eine Halterung / Befestigung / Aufhängung / Abstützung oder ein Auflager zwischen Schutzgitter 22 und Gebäudewand 24 dar.
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Alternativ kann sich sogar ein Spalt zwischen der Gebäudewand 24 und dem Rohr 6 befinden. Im zuletzt genannt Fall ist es zweckmäßiger, einfach von einem energieabsorbierenden Element anstelle eines energieabsorbierenden Auflagers zu sprechen.
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Es sind aber auch andere Einbauvarianten möglich, bei denen das energieabsorbierende Rohr 6 beispielsweise an einem Horizontalträger 3' der inneren Gitterebene E1 befestigt ist. Weiterhin kann eine Art von Serien- oder Reihenanordnung mit mehreren parallel ausgerichteten, aneinander anliegenden Rohren, die innerhalb des Spaltes 28 zwischen innerer Gitterebene E1 und Gebäudewand 24 angeordnet sind, verwirklicht sein. Die erforderliche Rohrlänge und ihre Anordnung richtet sich nach dem Energieabsorptionsbedarf und ist vom (erwarteten) Aufprallimpuls abhängig.
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Zur Erhöhung der Energieabsorptionskapazität ist in dem jeweiligen Rohr 6 vorteilhafterweise ein plastisch deformierbarer Kern 36 angeordnet, der bevorzugt aus kreuzförmig zusammengeschweißten Stahlplatten besteht. In der Querschnittsdarstellung gemäß 4 bildet der Kern 36 ein Kreuz innerhalb des Rohrumfangs, wobei das Zentrum des Kreuzes mit der Längsachse des Rohres 6 zusammenfällt. Der Kern 36 ist bevorzugt nur in das Rohr 6 eingeklemmt und nicht auf andere Weise an der Rohrinnenwand befestigt.
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Bevorzugte Dimensionen der als energieabsorbierende Elemente eingesetzten Rohre
6 sind wie folgt:
| Rohrdurchmesser | D = 300 - 1000 mm |
| Wanddicke | t = 10 - 25+ mm |
| Dicke der Platten im Kern | T = 10 - 50 mm |
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Die hier und weiter oben genannten Dimensionsangaben sind auf die Anforderungen beim Schutz eines Kernkraftwerksgebäudes vor Flugzeugabstürzen, insbesondere von vierstrahligen Passagiermaschinen, abgestimmt und wurden im Rahmen numerischer Simulationen verifiziert. Die Dimensionierung variiert im Einzelfall mit den Anforderungen.
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Bevorzugte Materialien für die Rohre 6 und Kerne 36 sind Stahlsorten mit großer Duktilität und plastischem Verformungsvermögen
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Durch die Verankerung am Fundament wird ein Teil der bei einem Aufprall oder Einschlag eines Objektes auf/in das Schutzgitter 22 aufgenommenen Energie über das Fußauflager abgeleitet. Ein weiterer Teil der Energie wird durch die plastische Deformation des Schutzgitters 22 selber aufgenommen und auf eine größere Aufprallfläche verteilt. Weiterhin wird ein beträchtlicher Teil der Energie von den beim Aufprall nichtlinear deformierten energieabsorbierenden Elementen 32 aufgenommen und nur zu einem kleinen Teil, in stark reduzierter Form auf das Gebäude übertragen. Dadurch wird die Energieweiterleitung auf das zu schützende Gebäude auf ein akzeptables Niveau verringert. Dadurch wird sichergestellt, dass das Gebäude strukturell nicht überlastet wird und aufprallbedingte Schwingungen und Vibrationen auf ein akzeptables Maß begrenzt bleiben. Schließlich wird ein aufprallendes Objekt durch das Schutzgitter 22 in mehrere kleine Trümmerteile zerlegt, die in verschiedene Richtungen abgelenkt werden und mit abgebremster Geschwindigkeit auf verschiedene Stellen der Gebäudewand 24 treffen.
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Ein besonderer Vorteil der Konstruktion ist schließlich, dass nicht das gesamte Gebäude umbaut werden muss, sondern die Schutzabdeckung sich räumlich auf die besonders schutzbedürftigen oder sensitiven Abschnitte der Gebäudewand 24 oder Gebäudehülle beschränken kann.
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In einer zweckmäßigen Abwandlung der bislang beschriebenen Konstruktion kann die Halterung des Schutzgitters 22 an der Gebäudewand 24 ausschließlich über die energieabsorbierenden Elemente 32 erfolgen, ohne Abstützung am Boden, was beispielsweise beim Schutz von Deckenabschnitten sinnvoll ist. Die Lage und Ausrichtung des Schutzgitters 22 im Raum ist dann natürlich an die Einbausituation anzupassen. Das heißt, die „Vertikalträger“ und „Horizontalträger“ sind dann anders im Raum ausgerichtet, als es bislang beschrieben ist und als es die hier verwendete Bezeichnung suggeriert.
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Schließlich ist es denkbar, dass das Schutzgitter 22 in seiner Formgebung der Außenkontur eines Gebäudes, etwa einem kreisförmigen oder anderweitig gebogenen Außenumfang eines z. B. kuppelförmigen Kraftwerksgebäudes, folgt. Dies wird zweckmäßigerweise durch abschnittsweise geradlinige Abschnitte wie oben beschrieben mit dazwischen liegenden Knickstellen verwirklicht.
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Soweit in der vorstehenden Beschreibung von Stahl die Rede ist, ist damit gemeint, dass die betreffende Komponente zumindest teilweise aus Stahl besteht. Verbundwerkstoffe aus Stahl und anderen Werkstoffen sind damit ausdrücklich eingeschlossen.
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Ein besonders wichtiger Anwendungsbereich liegt im Schutz von Kraftwerksgebäuden oder Gebäudehüllen von Kernkraftwerken oder anderen kerntechnischen Anlagen. Selbstverständlich sind auch viele andere Anwendungen zum Schutz vor Industrieanlagen oder militärischen Objekten von Flugzeugabstürzen und dergleichen möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vertikalträger
- 2
- Vertikalträger
- 3
- Horizontalträger
- 3'
- Horizontalträger
- 4
- Diagonalträger
- 5
- Diagonalträger
- 6
- Rohr
- 20
- Schutzsystem
- 22
- Schutzgitter
- 24
- Gebäudewand
- 26
- Boden
- 28
- Spalt
- 30
- Knotenpunkt
- 32
- energieabsorbierendes Element
- 34
- Radialrichtung
- 36
- Kern
- E1
- innere Gitterebene
- E2
- äußere Gitterebene
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010037202 B4 [0002, 0006]
