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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schutz eines stationären Objekts
gegen Explosions- und/oder Beschusslasten.
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Es
besteht ein erhöhtes
Bedürfnis
zum Schutz von Objekten, wie Gebäuden
aber auch technischen Anlagen gegen Explosions- und/oder Beschusslasten,
wobei solche durch sogenannte unkonventionelle Spreng- und Brandvorrichtungen
(USBV), selbstgebaute Schutzvorrichtungen, professionelle Spreng-
und Waffentechnik, wie gewerbliche oder militärische Spreng- und Zündmittel,
Munition oder Rohrwaffen verursacht sein können.
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Beim
Schutz von mobilen Objekten, wie Panzern oder sonstigen Fahrzeugen
gegen Beschuss- und Explosionslasten finden Schutzvorrichtungen
in Form mehrschichtiger Module ihren Einsatz, wobei die Schutzvorrichtung
je nach Ort am mobilen Objekt (Seitenwände, Boden, Kanten) in spezifischer
Weise auf spezifisch zu erwartende Explosions- bzw. Schutzlasten
ausgelegt sind, so am Boden beispielsweise gegen Mienen.
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Die
bei mobilen Objekten bekannten Schutzmodule sind für den Einsatz
im stationären
Gebäude- und
Anlagenschutz nicht geeignet, unter anderem weil sie speziell für einen
kleinen Teil möglicher
Angriffsspektren optimiert sind, nicht aber für die o.g. Explosions- und
Beschusslasten in ihrer vollen Breite, teilweise haben derartige
Schutzmodule für
den Einsatz an Gebäuden
oder technischen Anlagen auch ein zu hohes spezifisches Gewicht,
sind damit zu schwer. Beim Personenschutz in schutzhemmenden Westen
eingesetzte Materialen weisen keine für einen Gebäude- und Anlagenschutz ausreichende Schutzwirkung
auf.
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Bei
Explosivstoffen (Sprengstoffen, Bomben) ist zwischen sogenannten
Abstandsladungen und Kontaktladungen zu unterscheiden. Bei ersteren wirkt
auf das Objekt des Angriffs im wesentlichen eine Stoßwelle,
zusätzlich
ist bei ummantelten Ladungen, wie Rohrbomben oder Autobomben, mit
Einschlag von Splittern und Wurfstücken zu rechnen. Bei Kontaktladungen
koppelt die Stoßwelle
des detonierenden Sprengstoffs direkt über Körperschallwellen in das Zielobjekt
ein und belastet die Zielstruktur mit einem wesentlichen höheren Energielevel.
Darüber hinaus
kommt es aufgrund der Anregungsgeschwindigkeit, die zum Teil im Überschallbereich
liegen kann, zu Materialversagen durch Sprödbruch. Darüber hinaus wirkt auf die Zielstruktur
der Gasdruck (Schwadendruck) der bei der Explosion gebildeten Gase.
Diese Drücke
sind wesentlich höher
als im Fall der Abstandsladung, bei der sich der hohe Druck der primär gebildeten
Explosionsgase erst durch die Umgebungsluft fortpflanzen muss und
dabei sehr schnell mit seiner Anregungsgeschwindigkeit den Überschallbereich
verlässt.
Die direkt auf das Zielobjekt einwirkenden Schwaden werden nicht
nur mit ihrem hohen Druck, son dern auch mit durch die hohe Strömungsgeschwindigkeiten
zusätzlich
abrassiv. Darüber
hinaus gibt es abhängig
vom Abstand der Explosion kontinuierliche Spektren mit unterschiedlichen Anteilen
der jeweiligen spezifischen Lasten.
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Beim
Beschuss treffen hochbeschleunigte Geschosse auf das Zielobjekt.
Der Geschwindigkeitsbereich erstreckt sich von wenige Meter/Sekunde
bis zu ca. 1200m/Sekunde. Die Geschosse wirken abhängig von
ihrer Masse und ihrer Geschwindigkeit zertrümmernd oder eindringend. Für den Angriff
mit Rohrwaffen stellt das stärkste
Bedrohungsszenario der Beschuss mit Hartkernprojektilen dar, da
diese gegenüber
Weichkernprojektilen ein bedeutend höheres Durchschlagsvermögen aufweisen.
Bei sogenannten Hohl- oder Schneidladungen wird mittels Detonation
einer Sprengladung aus einer kegel- oder dachförmigen Metalleinlage ein stachel-
oder schneidenförmiges
Projektil (Jet) erzeugt, dessen Aufschlagsgeschwindigkeit bis 10.000
m/s betragen kann und die damit höchste Durchschlagsleistungen aufweisen.
Sie werden in panzerbrechenden Waffen (Hohlladungen) oder zum Durchtrennen
von massiven Stahlträgern
bei Gebäudeabbruchsprengungen (Schneidladungen)
eingesetzt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Schutz
von stationären
Objekten gegen Explosions- und Beschusslasten der vorstehend genannten
Arten zu schaffen.
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Erfindungsgemäß wird die
genannte Aufgabe mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, welche
gekennzeichnet ist durch eine der Explosions- oder Beschusslast
entgegengerichtete Stoßwellenschicht
aus mit Abstand zueinander angeordneten dachförmigen Strukturen.
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In
bevorzugter Ausgestaltung kann dabei insbesondere vorgesehen sein,
dass dachförmige Strukturen
spitzwinklig ausge bildet sind und/oder dass dachförmige Strukturen
bogenförmig
gewölbt ausgebildet
sind. Durch diese dachförmigen
Strukturen wird eine Stoßwelle
aufgebrochen, die im weiteren Verlauf in den aufgrund der mit Abstand
angeordneten dachförmigen
Strukturen sich verengenden Bereich zwischen den dachförmigen Strukturen
einläuft,
wodurch sich Interferenzen mit reflektierten Stoßwellen und damit eine Schwächung der
Stoßwellen
ergeben.
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Soweit
in weiterer bevorzugter Ausgestaltung vorgesehen ist, dass die dachförmigen Strukturen
auf ihrer dem zu schützenden
Objekt entgegengerichteten Seite hinterschnitten sind, ergibt sich
aus den dachförmigen
Strukturen ein sich wieder erweiternder Raum hinter den dem First
abgewandten freien Kanten der dachförmigen Strukturen, die eine Engstelle
bilden. In diesem sich erweiternden Raum unterhalb der Dachschrägen ergeben
sich turbulente Störungen
der Stoßwelle,
wodurch die Wirkungsintensität
derselben weiter reduziert wird. Die Explosion wird weiter durch
energieverzehrende Verformungen des Stoßwellenbrecherprofils reduziert,
wodurch auf das zu schützende
Objekt oder zwischen der Stoßwellenbrecherschicht
und eventuell weitere vorhandene nachfolgende Schichten der Schutzvorrichtung
eine reduzierte Explosionslast einwirkt.
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In
weiterer bevorzugter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann vorgesehen sein, dass dachförmige
Strukturen reihenförmig
ausgebildet sind und/oder dachförmige
Strukturen punktförmig
ausgebildet sind.
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In
materialmäßiger Hinsicht
sieht die Erfindung weiterhin vor, dass dachförmige Strukturen im wesentlichen
aus Metall, vorzugsweise Stahl besteht, dass dachförmige Strukturen
aus Kunststoff bestehen, dass dachförmige Strukturen aus faserverstärktem Kunststoff
bestehen und/oder dachför mige Strukturen
aus Metall-Kunststoffverbund, ggf. faserverstärkt, bestehen.
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In
weiterer bevorzugter Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass auf
der dem zu schützenden Objekt
zugewandten Seite der Stoßwellen-Brecherschicht
eine Hart-Plattenschicht angeordnet ist, wobei entweder Hart-Platten
der Hart-Plattenschicht im wesentlichen parallel zur Oberfläche des
zu schützenden
Objekts gerichtet sind oder aber Hart-Platten unter einem endlichen
Winkel zur Oberfläche
des zu schützenden
Objekts ausgerichtet sind. In materialmäßiger Hinsicht kann vorgesehen
sein, dass die Hart-Plattenschicht aus Metall, Kunststoff, ggf.
faserverstärkt,
Keramik oder einem Verbund der vorgenannten Werkstoffe besteht.
Durch solche Hartplatten, vorzugsweise in Form von Hartstahlblechen, wird
insbesondere ein ballistischer Schutz erreicht, wobei eine schräge Positionierung
in Bezug auf die Beschussbahn die zu durchschlagende Zieldicke erhöht und außerdem zur
Ablenkung, Kippung und/oder Abbremsung des Geschosses führt, so dass
sich der Geschossimpuls auf eine größere Querschnittsfläche verteilt,
was das Durchschlagsvermögen
reduziert. Darüber
hinaus kann die Ablenkung eines Geschosses hohe innere Spannungen, insbesondere
in Hartkerngeschosskörpern,
erzeugen, so dass der Bruch des Geschosses verursacht wird und damit
dessen Durchschlagsvermögen
erheblich reduziert wird, weil sich der Geschossimpuls dann auf
mehrere Bruchstücke
verteilt.
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In
weiterer äußerst bevorzugter
Ausgestaltung sieht die erfindungsgemäße Vorrichtung vor, dass auf
der dem zu schützenden
Objekt zugewandten Seite der Stoßwellen-Brecherschicht und
ggf. der Hart-Plattenschicht eine Hohlräume aufweisende Stoßdämpfer-Schicht
vorgesehen ist. In einer solchen erfindungsgemäß vorgesehenen Hohlräume aufweisenden
Stoßdämpfer-Schicht
wird ein großer Teil
der Restenergie, sei es der Explosions-, sei es der Geschosslasten,
absorbiert und für
Verformungsvorgänge
aufgebraucht.
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Die
Stoßdämpfer-Schicht
kann dabei in unterschiedlicher Weise ausgebildet sein. In einer
bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Stoßdämpfer-Schicht
zumindest eine Lage aus Wellplatten aufweist, wobei insbesondere
die Stoßdämpfer-Schicht
mindestens zwei Lagen aus Wellplatten aufweist, die in Well-Richtung
um π zueinander
versetzt angeordnet und über
die Wellentäler
der einen Lage mit den Wellenbergen der anderen Lage miteinander
verbunden sind und darüber
hinaus die Wellrichtung von übereinanderliegenden
Wellplatten unter einem endlichen Winkel zueinander, vorzugsweise
unter einem Winkel vom 90° zueinander,
ausgerichtet ist.
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Alternative
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sehen vor,
dass die Stoßdämpfer-Schicht
eine oder mehrere Lagen Hohlprofile aufweist, wobei Hohlprofile
der Stoßdämpfer-Schicht
einen kreisförmigen
Querschnitt haben und/oder hohlförmige
Profile der Stoßdämpfer-Schicht
einen rechteckigen, quadratischen Querschnitt haben, wobei im letzteren
Falle insbesondere vorgesehen ist, dass die Hohlprofile mit Kanten
dem zu schützenden
Objekt zugewandt sind. In alternativer Ausgestaltung kann die Stoßdämpfer-Schicht eine geschäumte, poröse oder
gesinterte Schicht sein.
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In
bevorzugter Ausgestaltung ist dabei weiterhin vorgesehen, dass das
Material der Stoßdämpfer-Schicht
Metall, Keramik, Kunststoffwerkstoffe, vorzugsweise faserverstärkt, oder
ein Verbundwerkstoff der vorgenannten Materialien ist.
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Insbesondere
im Fall von keramischen Schichten erfolgt der Energieverzehr insbesondere durch
Zerkleinerung der Schicht selbst.
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Im
Falle einer Kontaktladung wirkt die erfindungsgemäße Vorrichtung
neben ihrer energieverzehrenden Eigenschaft zusätzlich als Abstandshalter zwischen
Ladung und zu schützender
Wand.
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Kombinationen
aus bevorzugt bezeichneten alternativen Ausgestaltungen im Rahmen
einer Vorrichtung für
ein zu schützendes
stationäres
Objekt, wie beispielsweise Kombinationen von spitzwinkligen oder
gewölbten,
reihenförmigen
oder punktförmigen Stoßdämpferschicht-Elementen
und unterschiedlichen Materialien, können insbesondere auch bei gleicher
Schutzwirkung zur designerischen und optischen Auflockerung und
Vermeidung einer Uniformität
des sichtbaren, durch die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung gebildeten
vorgehängten
oder angeschraubten Fassade des Objekts, wie eines Gebäudes oder
einer technischen Anlage, führen.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und
aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im einzelnen erläutert sind.
Dabei zeigt:
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1 eine Gesamtdarstellung
einer bevorzugten Ausgestaltung einer Vorrichtung zum Schutz eines
Objekts gegen Explosions- und/oder Beschusslasten;
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2a–c verschiedene Ausgestaltungen
der Stoßwellenbrecher-Schicht
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
und
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3a–c verschiedene Ausgestaltungen
einer Stoßdämpfer-Schicht
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Schutz von Objekten, wie Gebäuden
oder technischen Anlagen, weist zunächst eine der Anlage A abgewandten,
der Explosions- bzw. Beschusslast B zugewandte Stoßwellenbrecher-Schicht 1 auf.
Die Stoßwellenbrecher-Schicht 1 weist
nebeneinander mit Abstand zueinander angeordnete, der Explosions-
oder Beschusslast B entgegengerichtete dachförmige Strukturen 2 auf,
zwischen denen ein Zwischenraum 3 gegeben ist.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
bestehen die dachförmigen
Strukturen 2 aus von dem Gebäude oder der Anlage A im wesentlichen
senkrecht fortgerichteten Platten 2.1, von deren dem Gebäude oder
der Anlage A fortgerichteten Kante 2.2 sich schräg zum Gebäude bzw,
der Anlage A zurückgerichtete
Dachflächen 2.3, 2.4 erstrecken.
Die Platte 2.1 und die Dachflächen 2.3, 2.4 schließen im dargestellten
Ausführungsbeispiel
einen Winkel von 45° ein.
Die der Kante 2.2 der Platte 2.1 abgewandten freien
Kanten 2.5 der Dachflächen 2.3, 2.4 zweier
nebeneinander angeordneter Stoßwellenbrecher 2 weisen
ebenfalls einen Relativabstand zueinander auf.
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Die
Stoßwellenbrecher 2 können vorzugsweise
aus Metall, ggf. aber auch aus Metall-Kunststoffverbunden, oder
auch aus Kunststoff sowie aus faserverstärkten, wie glas- oder kohlenstofffaserverstärkten Verbundmaterialien
bestehen.
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Zwischen
den den Kanten 2.2 abgewandten Enden der Platten 2.1 sind
sich im wesentlichen senkrecht zu den Platten 2.1 erstreckende,
d.h. parallel zu den zu schützenden
Gebäude- oder Anlagenflächen erstreckende
Hartplatten 4 vorgesehen, die vorzugsweise aus Stahl bestehen.
Sie können
aber auch aus Hochleistungsfaserverbundwerkstoffen oder keramischen
Werkstoffen oder solchen Werkstoffen in Verbindung mit Stahl gebildet
sein.
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Unterhalb
der Hartplatten 4, d.h. der dem Gebäude bzw. der Anlage A zugewandten
Fläche, findet
sich beim Ausführungsbeispiel
der 1 eine Stoßdämpfer-Schicht 5 aus
gewellten Blechen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die
Stoßdämpfer-Schicht 5 aus
zwei übereinander
angeordneten Teilschichten 5.1, 5.2. Jede der
Teilflächen 5.2 ist
aus zwei gewellten Platten 5.1a, 5.1b bzw. 5.2a, 5.2b gebildet,
wobei die einzelnen Platten 5.1a und 5.1b bzw. 5.2a und 5.2b um
die π ihrer
Wellung zueinander versetzt angeordnet sind, so dass Wellentäler der
oberen gewellten Platte 5.1a bzw. 5.2a mit Wellenbergen
der unteren gewellten Platte 5.1b bzw. 5.2b gehalten
und derart die beiden gewellten Platten 5.1a und 5.1b bzw. 5.2a und 5.2b in
diesem Bereich miteinander verbunden sein können, wie beispielsweise, wenn
es sich bei den Platten um Metallplatten handelt, durch Verschweißen. Die
gewellten Platten 5.1a und 5.1b einerseits und 5.2a sowie 5.2b andererseits
sind senkrecht zueinander angeordnet.
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Das
Material der gewellten Platten der Stoßdämpfer-Schicht der 1 ist vorzugsweise wiederum
Metall. Es kommen aber auch andere genannte Materialien, wie Faserverbundwerkstoffe
oder dergleichen in Frage.
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Die
gesamte in der 1 dargestellte Schutzvorrichtung
ist im Bereich des untersten gewellten, der dem Gebäude bzw.
der Anlage zugewandten gewellten Platte 5.2b mit dem Gebäude bzw.
der Anlage A verbunden, beispielsweise als vorgehängte Fassade
oder durch Verschraubung.
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Die 2a bis c zeigen weitere
Ausführungsbeispiele
für Stoßwellenbrecher,
die statt den Stoßwellenbrechern 2 der 1 eingesetzt werden können. Bei
der Ausgestaltung der 2a sind
auf den dreien nach außen
gerichteten Kanten 2.2 der Platten 2.1 konkav
nach außen
zur Explosions- bzw. Beschusslast B konvex gebogene Platten 2.6 vorgesehen.
Auch hier findet sich wieder sowohl zwischen den freien Rändern der
gebogenen Platten 2.6 als auch zwischen den Platten 2.1 ein
Zwischenraum 3. Bei der Ausgestaltung der 2b besteht die Stoßdämpfer-Schicht 2 ebenfalls
wiederum aus spitzwinklig aufeinander zulaufenden Dachflächen 2.3, 2.4,
die aber nun an ihren einander abgewandten Kanten 2.5 durch
zwei Tragplatten 2.7, 2.8 auf einem Tragboden 2.9 getragen
werden. Auch hier finden sich wieder zwischen den Dachstrukturen
Freiräume 3.
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Gleiches
gilt für
die Ausgestaltung der 2c,
bei denen die spitzwinklig in eine Kante 2.2 aufeinander
zulaufenden Dachflächen 2.3, 2.4 durch ebenfalls
spitzwinklig aufeinander zulaufende Tragflächen 2.7, 2.8 getragen
sind, so dass die einzelnen Stoßwellenbrecher
der Ausgestaltung der 2c durch
auf einer Kante stehende quadratische Profilrohre gebildet sind.
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Weitere
Ausgestaltungen der Stoßdämpfer-Schicht
sind in den 3a bis 3c dargestellt.
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Bei
der Ausgestaltung der 3a besteht die
Stoßdämpfer-Schicht 5 aus
rohrförmigen
Hohlprofilen, wobei zwei Einzelschichten dargestellt sind. Stattdessen
können
auch mehrere Schichten vorgesehen sein, wobei die Erstreckung der
Rohre verschiedener Schichten unter endlichen Winkeln zueinander erfolgen
kann, vorzugsweise die Rohre verschiedener Schichten sich unter
90° zueinander
erstrecken.
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Die
Stoßdämpfer-Schicht
der 3b besteht aus Hohlprofilen
mit quadratischem Querschnitt, die mit einer Kante dem zu schützenden
Gebäude
bzw. der Anlage zugewandt sind. Auch hier können mehrere Schichten übereinander
vorgesehen sein, wobei die Hohlprofilrohre winklig zueinander gerichtet
sein können.
Die Hohlprofile sind ein- oder beidseitig durch ebene Platten abgedeckt.
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Bei
der Ausgestaltung der 3c besteht
die Stoßdämpfer-Schicht aus einer
oder mehreren geschäumten,
porösen
oder gesinterten Schichten.
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Ebenso
wie die in den 2a bis 2c dargestellten Stoßwellenbrecher-Schichten
die Stoßwellenbrecher-Schicht
der 1 ersetzen können, können die
Stoßdämpfer-Schichten
der
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3a bis 3c die Stoßdämpfer-Schicht der 1 ersetzen.
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- 1
- Stoßwellenbrecher-Schicht
- 2
- dachförmige Strukturen
- 2.1
- Platten
- 2.2
- Kante
- 2.3
- Dachfläche
- 2.4
- Dachfläche
- 2.5
- Kante
- 3
- Zwischenraum
- 4
- Hartplatten
- 5
- Stoßdämpfer-Schicht
- 5.1
- Teilschicht
- 5.1a
- Platten
- 5.1b
- Platten
- 5.2
- Teilschicht
- 5.2a
- Platten
- 5.2b
- Platten
- A
- Anlagen
- B
- Explosions-
bzw. Beschusslast