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Die Erfindung betrifft ein Gebäude.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2010 037 202 A1 ist ein Schutzsystem zum Schutz einer Gebäudestruktur, insbesondere bei einem Kraftwerksgebäude eines Kernkraftwerks, gegen Flugzeugabstürze bekannt. Im Prinzip handelt es sich dabei um ein Stahlgitter, welcher vor einer zu schützenden Außenwand des Gebäudes installiert wird, und welches ein aufprallendes Flugzeug in kleinere Einzelteile zerlegt, bevor diese dann mit entsprechend geminderter Wucht auf die Außenwand treffen (ohne diese zu durchdringen). Dadurch bleibt die Integrität der Gebäudestruktur bei einem Flugzeugabsturz unangetastet.
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Allerdings können die in einem solchen Fall auf die Gebäudewand prallenden Bruchstücke immer noch vergleichsweise starke und hochfrequente Schwingungen der Gebäudestruktur im Frequenzbereich von 20 Hz bis 100 Hz und darüber hinaus auslösen, die sich auf die im Inneren der Gebäudestruktur befindlichen Einbauten und auf das dort platzierte Inventar übertragen. Das ist insbesondere für empfindliche elektrische oder elektronische Geräte wie Mess- oder Steuervorrichtungen eine starke Belastung, die bislang durch ein entsprechend aufwendiges Gerätedesign kompensiert werden muss. Die für den Nachweis der Funktionstüchtigkeit der Geräte im Lastfall Flugzeugabsturz erforderlichen Prüfungen (Qualifizierung) sind ebenfalls aufwendig.
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Aufgabe der Erfindung ist es, diesbezüglich Abhilfe zu schaffen und ein Gebäude anzugeben, welches durch seine Struktur eine Weiterleitung von hochfrequenten Schwingungen, welche durch einen Flugzeugabsturz induziert werden, in das Gebäudeinnere verhindert oder zumindest abschwächt.
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Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Gebäude mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Demnach ist ein Gebäude vorgesehen, welches zumindest eine Seitenwand aus Stahlbeton und zumindest eine Deckenplatte aus Stahlbeton umfasst, wobei
- • die Deckenplatte auf einer Konsole aufliegt, die von der Seitenwand absteht,
- • die Deckenplatte von der Seitenwand durch einen Spalt beabstandet ist,
- • die Deckenplatte durch zumindest einen Verbindungsanker schubfest mit der Konsole verbunden ist, und
- • der Verbindungsanker derart beschaffen ist, dass er im statischen Lastfall und im Lastfall Erdbeben den zugehörigen Belastungen standhält, und dass er im Lastfall Flugzeugabsturz bricht, so dass die Deckenplatte dann gleitend auf der Konsole aufliegt.
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Der Begriff Gebäude ist in einem weiten Sinne zu verstehen, nämlich im Sinne eines Bauwerks, das Räume einschließt.
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Der statische Lastfall umfasst den gewöhnlichen Betrieb des Gebäudes mit ausschließlich oder zumindest überwiegend (gebäudeinternen) statischen Lasten.
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Der Lastfall Erdbeben umfasst die bei einem Erdbeben auftretenden, vergleichsweise niederfrequenten seismischen Schwingungen.
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Der Lastfall Flugzeugabsturz umfasst sowohl einen direkten Einschlag eines Flugzeuges in das Gebäude als auch den eingangs geschilderten Fall eine Einschlags von Bruchstücken, die durch eine vorgelagerte Schutzkonstruktion erzeugt werden. Hierbei sind vor allem Militärflugzeuge und zivile Verkehrsflugzeuge mit Strahltriebwerken zu nennen, insbesondere mehrstrahlige Passagiermaschinen. Gegenüber dem Lastfall Erdbeben ist dieser Lastfall mit vergleichsweise hochfrequenten Schwingungen oder Vibrationen, die in die Gebäudestruktur eingeleitet werden, verbunden.
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Der Begriff Deckenplatte ist weit zu verstehen und umfasst auch die Begriffe Geschossdecke, Zwischendecke oder Deckenträger (im Englischen auch als slab bezeichnet).
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Der Begriff Konsole bezeichnet einen aus der Seitenwand heraus ragenden tragenden Vorsprung bzw. ein Auflager (im Englischen auch als corbel bezeichnet).
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Der Begriff Seitenwand kann jede beliebige Wand umfassen, auf/an der sich die Deckenplatte mittels einer Konsole abstützt.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich der Lastfall Flugzeugabsturz hinsichtlich der typischen Antwortspektren grundlegend vom Lastfall Erbeben und natürlich auch vom statischen Lastfall unterscheidet. Darüber hinaus wurde erkannt, dass auch die konstruktiven Anforderungen in Bezug auf den Lastfall Flugzeugabsturz anders sind als bei den beiden anderen Fällen.
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Im statischen Lastfall und im Lastfall Erdbeben ist nämlich eine möglichst starre, quasi monolithische Gebäudestruktur wünschenswert, bei der die Deckenplatten der Geschossdecken über die als Auflager dienenden Konsolen starr mit den Seitenwänden verbunden sind. Dadurch wird eine relative hohe strukturelle Steifigkeit des Gebäudes insgesamt erreicht. Die Seitenwände und die Deckenplatten schwingen als eine gemeinsame Einheit, und die dynamische Antwort (Response) des Gebäudes auf seismische Schwingungen wird reduziert.
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Im Lastfall Flugzeugabsturz hingegen ist es wünschenswert, dass eine innerhalb einer kurzen Zeitspanne auftretende vergleichsweise große Deformation der Seitenwand sich möglichst nicht auf die Deckenplatte überträgt, sondern dass diesbezüglich eine mechanische Entkopplung vorliegt.
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Diese gegensätzlichen Auslegungsziele werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung dadurch verwirklicht, dass die auf der jeweiligen Konsole der Seitenwand aufliegende Deckenplatte im normalerweise vorherrschenden statischen Lastfall mit Hilfe eines oder mehrerer Verbindungsanker schubfest mit der Konsole verbunden ist, somit relativ zur Seitenwand unbeweglich ist. Der jeweilige Verbindungsanker ist derart beschaffen, dass er auch den Belastungen im Lastfall Erdbeben standhält, mithin die in diesem Fall gewünschte schubfeste Verbindung zwischen Deckenplatte und Seitenwand erhalten bleibt. Im Lastfall Flugzeugabsturz hingegen schert der Verbindungsanker während der ersten Phase des Einschlags ab, so dass die schubfeste Verbindung auf kontrollierte Weise zerstört wird und die Deckenplatte nur noch gleitend auf der zugehörigen Konsole aufliegt. Durch den ursprünglich vorhandenen Spalt zwischen der Deckenplatte und der Seitenwand kann sich die Seitenwand unter der Aufpralllast deformieren, ohne diese Beanspruchung unmittelbar auf die Deckenplatte zu übertragen. Durch diese Entkopplung wird die Schwingungsübertragung auf die Geschossdecke und das auf ihr platzierte Inventar stark verringert.
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Der Verbindungsanker besitzt gewissermaßen eine Sollbruchstelle mit vorgegebener, funktionell definierter Bruchbedingung.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und damit zusammenhängende Vorteile gehen aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung hervor.
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In vorteilhafter Ausgestaltung ist die die Konsole integral an die Seitenwand angeformt, etwa durch entsprechende Formgebung der Schalung und des Bewehrungskerns beim Gießen der Stahlbetonwand.
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Die Höhe der Konsole liegt bevorzugt im Bereich von 80 cm bis 100 cm, und ihre Breite (Überstand gegenüber der Seitenwand in Richtung zum Rauminneren) liegt bevorzugt im Bereich von 40 cm bis 100 cm. Die Breite des Spalts zwischen der Deckenplatte und der Seitenwand liegt bevorzugt im Bereich von 10 cm bis 60 cm, wobei die Breite der Konsole selbstverständlich größer sein muss als die Spaltbreite, um das Auflager für die Deckenplatte bereit zu stellen.
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Besonders bevorzugt kommt das beschriebene Konzept bei einer Außenwand des Gebäudes zur Anwendung. Es kann sich aber auch um eine innenliegende Wand handeln.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Deckenplatte ausschließlich in der beschriebenen Weise mit den umliegenden Seitenwänden bzw. Außenwänden verbunden ist, so dass eine allseitige Entkopplung von der äußeren Gebäudehülle verwirklicht ist.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist der Verbindungsanker einerseits in die Konsole und andererseits in die Deckenplatte eingegossen bzw. eingebettet.
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Ferner ist es für die gewünschte Funktionalität vorteilhaft, wenn der Verbindungsanker ein längliches Flachstahlprofil aufweist, an dessen beiden flachen Seiten Verbindungsbolzen aus Stahl derart abstehen, dass der Verbindungsanker insgesamt eine kreuzförmige Struktur besitzt. Dabei sind die Verbindungsbolzen bevorzugt vertikal, also senkrecht zur horizontal verlaufenden Deckenplatte ausgerichtet. Das untere Ende des Verbindungsankers greift somit in die Konsole, und das obere Ende greift in die Deckenplatte bzw. den Deckenträger. Dadurch ist eine sowohl stoffschlüssige als auch formschlüssige Verbindung geschaffen. Im statischen Lastfall wirken vorteilhafterweise keine nennenswerten Kräfte auf den Verbindungsanker ein.
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Bevorzugt sind als Verbindungsbolzen Kopfbolzen zu verwenden, die vorteilhafterweise seitlich am Flachstahlprofil verschweißt sind. Genauer gesagt, kontaktiert der in der Einbaulage in der Deckenplatte verankerte obere Kopfbolzen an seinem unteren Ende stirnseitig die flache Oberseite des Flachstahlprofils und ist dort mit ihm verschweißt, und am freien oberen Ende des oberen Kopfbolzens ist der radial nach außen über den Bolzenstift überstehende pilzförmige Kopf ausgebildet. In analoger Weise kontaktiert der in der Einbaulage in der Konsole verankerte untere Kopfbolzen an seinem oberen Ende stirnseitig die flache Unterseite des Flachstahlprofils und ist dort mit ihm verschweißt, und am freien unteren Ende des unteren Kopfbolzens ist der radial nach außen über den Bolzenstift überstehende pilzförmige Kopf ausgebildet. In der Einbaulage ist das Flachstahlprofil vorteilhafterweise horizontal ausgerichtet und bevorzugt nach Art einer oberen Abschlussplatte in die Konsole eingebettet. Das heißt, das Flachstahlprofil ist bevorzugt derart versenkt in der Konsole angeordnet, dass seine flache Oberseite bündig, also ohne Höhenversatz an die umliegende flache Oberseite der Konsole anschließt. Mit anderen Worten liegt die Deckenplatte im Bereich des Flachstahlprofils direkt auf selbigem auf, während sie außerhalb des Flachstahlprofiles direkt auf der Konsole aufliegt.
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Bevorzugt kommen für den Verbindungsanker, also sowohl für das Flachstahlprofil als auch für die Verbindungsbolzen, die Stahlsorten von ST37 bis ST52 zum Einsatz.
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Das gewünschte Versagen des Verbindungsankers im Lastfall Flugzeugabsturz erfolgt durch das Abscheren des Verbindungsankers durch die Beanspruchung aus der horizontalen Verschiebung der Seitenwand.
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Um sicherzustellen, dass das Auseinanderbrechen des Verbindungsankers ausschließlich im Lastfall Flugzeugabsturz erfolgt, nicht jedoch im Lastfall Erdbeben, sind die strukturellen Dimensionen / Abmessungen, insbesondere der Verbindungsbolzen, geeignet zu wählen. Die Auslegung erfolgt bevorzugt im Rahmen eines Finite-Elemente-Modells (Simulation) unter Berücksichtigung linearer und nichtlinearer strukturmechanischer und dynamischer Aspekte. In die Berechnungen gehen zum einen experimentell ermittelte Brucheigenschaften von Verbindungsbolzen ein, etwa in Form von einem Kraft-Weg-Diagramm. Dabei wird der Lastfall Erdbeben typischerweise auf Erdbeben mit einer vorgegebenen maximalen Stärke (Magnitude) beschränkt, und der Lastfall Flugzeugabsturz wird typischerweise auf einen bestimmten Flugzeugtyp mit einer vorgegebenen maximalen Masse und Fluggeschwindigkeit bzw. Einschlagsgeschwindigkeit beschränkt, ggf. unter Berücksichtigung eines vorgelagerten Schutzgitters.
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In einer besonders bevorzugten Variante, die bei derartigen Berechnungen gefunden wurde, besitzt das Flachstahlprofil eine Länge von 100 cm, eine Breite von mindestens 10 cm und eine Dicke im Bereich von 2 cm bis 4 cm. Der jeweilige Verbindungsbolzen besitzt eine bevorzugte Länge im Bereich von 20 cm bis 40 cm und einen Durchmesser im Bereich von 16 mm bis 32 mm.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass mit vergleichsweise einfachen Mitteln durch das kontrollierte Abscheren einer zuvor schubfesten Verbindung zwischen Seitenwand und Deckenplatte (Geschossdecke), die im statischen Lastfall und bei Erdbeben Bestand hat, eine Übertragung von durch einen Flugzeugabsturz induzierten Schwingungen in das Innere eines Gebäudes vermieden oder jedenfalls stark gemindert wird. Dieses Konzept findet bei Gebäuden von Kernkraftwerken, aber auch bei anderen Gebäuden, die gegen unbeabsichtigte und beabsichtigte (Terrorattacke) Flugzeugabstürze geschützt werden müssen, eine bevorzugte Anwendung.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
- 1 zeigt einen Schnitt durch ein Gebäude gemäß der Erfindung (Ausschnitt).
- 2 zeigt einen Vergleich von Antwortspektren für die Lastfälle Erdbeben und Flugzeugabsturz, nämlich zum einen bei einer schubfesten Verbindung von Deckenplatte und Seitenwand eines Gebäudes und zum anderen bei einer im Lastfall Flugzeugabsturz abscherenden konsolenartigen Verbindung.
- 3 zeigt ein der Auslegung zugrunde liegendes Weg-Kraft-Diagramm zur Bewertung des Schubwiderstandes eines Verbindungsbolzens.
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Im Einzelnen:
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1 zeigt einen Schnitt durch ein Gebäude 2 (genauer gesagt einen Ausschnitt oder Teilbereich davon) gemäß der Erfindung, welches hinsichtlich seiner Struktur für eine Minimierung von bei einem Flugzeugabsturz in den Innenraum eingeleiteten Schwingungen ausgelegt ist.
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Im hier gezeigten Ausschnitt ist eine aus Stahlbeton bestehende Seitenwand 4 zu sehen, die eine Außenwand des Gebäudes 2 bildet. Die zur Umgebung gerichtete Außenseite 6 ist hier rechts angeordnet, und die zum Innenraum gerichtete Innenseite 8 ist links zu sehen. An der Innenseite 8 weist die Seitenwand 4 einen in den Innenraum hineinragenden Vorsprung auf, der als Konsole 10 bezeichnet wird. Die im Schnitt trapezförmige Konsole 10 dient als Träger für eine aus Stahlbeton bestehende Deckenplatte 12 einer Geschossdecke, welche auf der Konsole 10 aufliegt. Zwischen dem zur Innenseite 8 der Seitenwand 4 gerichteten Rand der Deckenplatte 12 und der Seitenwand 4 befindet sich ein Spalt 16. Die Konsole 10 besteht ebenfalls aus Stahlbeton und bildet mit der Seitenwand 4 eine Einheit. Durch die schräg verlaufende Unterseite 18 der Konsole 10 wird die Einleitung der Gewichtskraft der Deckenplatte 12 in die Seitenwand 4 in vorteilhafter Weise unterstützt.
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In Normalzustand nach der Fertigstellung ist die Deckenplatte 12 mit Hilfe zumindest eines Verbindungsankers 20 aus Stahl unverschiebbar mit der Konsole 10 und somit mit der Seitenwand 4 verbunden. Der Verbindungsanker 20 weist ein in der Einbaulage horizontal ausgerichtetes Flachstahlprofil 14 auf, von dessen beiden flachen Seiten jeweils Verbindungsbolzen 22, 24 aus Stahl senkrecht nach oben bzw. unten abstehen. Der Verbindungsanker 20 besitzt damit eine kreuzförmige Kontur, wobei das untere Ende mit dem unteren Verbindungsbolzen 22 in den Stahlbeton der Konsole 10 und das obere Ende mit dem oberen Verbindungsbolzen 24 in den Stahlbeton der Deckenplatte 12 eingebettet ist. Die beiden Verbindungsbolzen 22, 24 sind vorteilhafterweise als Kopfbolzen ausgebildet, weisen also am jeweils freien Ende einen Kopf 32 bzw. 34 auf.
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Die gesamte Struktur ist hinsichtlich ihrer Dimensionierung derart ausgelegt, dass die durch den Verbindungsanker 20 bewirkte schubfeste Verbindung zwischen Deckenplatte 12 und Seitenwand 4 einem Erbeben - und natürlich auch dem statischen Lastfall - standhält. Der Verbund aus Seitenwand 4 und Deckenplatte 12 bildet damit im Normalfall eine schubfeste Einheit, die den vergleichsweise niederfrequenten seismischen Schwingungsanregungen standhält.
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Bei einem Flugzeugabsturz auf das Gebäude 2 mit entsprechend hochfrequenter Krafteinwirkung auf die Seitenwand 4 kommt es zu einem Abscheren des Verbindungsankers 20, nämlich gemäß bevorzugter Auslegung an der Verbindungsstelle zwischen dem jeweiligen Verbindungsbolzen 22, 24 mit dem Flachstahlprofil 14. Die Deckenplatte 12 liegt dann nur noch lose und infolge des Spalts 16 auch mit Spiel gegenüber der Seitenwand 4 auf der Konsole 10 auf. Durch den Spalt 16 ist sichergestellt, dass sich die Seitenwand 4 in einem gewissen Bereich verformen kann, ohne an die Deckenplatte 12 anzustoßen. Auf diese Weise ist nach den Bruch des Verbindungsankers 20 die Deckenplatte 12 hinsichtlich ihrer Schwingungsfreiheitsgrade weitgehend von der Seitenwand 4 entkoppelt, und die Übertragung der durch den Flugzeugabsturz auf die Seitenwand 4 induzierten Schwingungen auf die Deckenplatte 12 und das darauf platzierte Gebäudeinventar wird weitgehend verhindert.
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Zweckmäßigerweise ist die Deckenplatte 12 in analoger Weise auch auf den angrenzenden oder gegenüberliegenden Seitenwänden der Gebäudes 2 gelagert, die im hier gezeigten Ausschnitt nicht zu sehen sind.
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Bevorzugte Abmessungen zur Erreichung des oben genannten Auslegungsziels lassen sich exemplarisch wie folgt angeben:
| Breite des Spalts | a = | 10 cm bis 60 cm |
| Höhe des Konsolenabschnitts | h = | 60 cm bis 80 cm |
| Gesamthöhe der Konsole | h1 = | 80 cm bis 100 cm |
| Breite der Konsole | b = | 40 cm bis 100 cm |
| Dicke (Höhe) der Deckenplatte | d = | 50 cm |
| Dicke der Seitenwand | D = | 240 cm |
| Abmessungen des Flachstahlprofils | L × B × H = | 100 cm × 10 cm × 2 cm |
| Durchmesser der Verbindungsbolzen | ø = | 16 mm bis 32 mm |
| Länge der Verbindungsbolzen | I = | 20 cm bis 40 cm |
| Stahlsorte für den Verbindungsanker | ST37 bis ST52 |
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Die Wirksamkeit des Konzepts lässt sich im Rahmen numerischer Simulationen nachweisen. Dies wird in 2 veranschaulicht: Im linken der beiden doppeltlogarithmischen Frequenz (Frequency) [Hz] - Beschleunigung (Acceleration) [m/s2] Diagramme sind einerseits ein typisches Erdbeben-Antwortspektrum (Earthquake Design Spectra) und andererseits mehrere Antwortspektren (APC Spectra) für den Absturz unterschiedlicher Flugzeugtypen für das in 1 gezeigte Gebäude dargestellt, wobei eine dauerhaft starre Verbindung (Rigid Connection) zwischen Deckenplatte (Slab) und Seitenwand (Wall) unterstellt ist. Man erkennt, dass das Erdbeben-Anregungsspektrum im hochfrequenten Bereich (High Frequency) ab ca. 20 Hz in seiner Intensität abklingt und keine nennenswerten Anregungen mehr enthält, während die Antwortspektren für den Lastfall Flugzeugabsturz (Air Plane Crash = APC) in diesem hochfrequenten Bereich ein ausgeprägtes Maximum besitzen, das deutlich über dem Erdbeben-Maximum liegt.
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Das rechte der beiden Diagramme enthält eine entsprechende Darstellung bei Verwendung der erfindungsgemäßen Verbindungsanker zwischen Deckenplatte und Konsole (Corbel Connection). Die Verbindungsanker sind wie oben beschrieben so konstruiert, dass sie dem Lastfall Erdbeben standhalten, im Lastfall Flugzeugabsturz jedoch abscheren, so dass keine überhöhten hochfrequenten Anregungen in das Gebäudeinnere eindringen können, die in ihrer Intensität oberhalb der maximalen Erbebenantwortspektren liegen. Im Vergleich zum vollständig starren Fall wird eine Reduzierung der auf die Geschossdecken übertragenen Schwingungen bei einem Flugzeugabsturz um einen Faktor 5 erzielt.
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Den Berechnungen liegen zum einen experimentelle Resultate in Form von Weg (Displacement) [mm] - Kraft (Force) [kN] Diagrammen gemäß 3 für eine Scherbeanspruchung der verwendeten Ankerbolzen zugrunde, andererseits werden verschiedene nichtlineare Modellrechnungen eingesetzt. Auf diese Weise ist es möglich, den kontrollierten Bruch eines Verbindungsankers bei vorgegebener Geometrie und unter wohldefinierter äußerer Einwirkung zu verifizieren.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Gebäude
- 4
- Seitenwand
- 6
- Außenseite
- 8
- Innenseite
- 10
- Konsole
- 12
- Deckenplatte
- 14
- Flachstahlprofil
- 16
- Spalt
- 18
- Unterseite
- 20
- Verbindungsanker
- 22
- Verbindungsbolzen
- 24
- Verbindungsbolzen
- 32
- Kopf
- 34
- Kopf
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010037202 A1 [0002]
