EP2287414A1 - Vorrichtung zur Aufnahme von Verformungsenergie - Google Patents

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EP2287414A1
EP2287414A1 EP09165632A EP09165632A EP2287414A1 EP 2287414 A1 EP2287414 A1 EP 2287414A1 EP 09165632 A EP09165632 A EP 09165632A EP 09165632 A EP09165632 A EP 09165632A EP 2287414 A1 EP2287414 A1 EP 2287414A1
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energy
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Wittfeld GmbH
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Zingelmann, Jochen
Glasner, Gerd
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    • E01C3/00—Foundations for pavings
    • E01C3/06—Methods or arrangements for protecting foundations from destructive influences of moisture, frost or vibration
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D31/00—Protective arrangements for foundations or foundation structures; Ground foundation measures for protecting the soil or the subsoil water, e.g. preventing or counteracting oil pollution
    • E02D31/08—Protective arrangements for foundations or foundation structures; Ground foundation measures for protecting the soil or the subsoil water, e.g. preventing or counteracting oil pollution against transmission of vibrations or movements in the foundation soil
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04F—FINISHING WORK ON BUILDINGS, e.g. STAIRS, FLOORS
    • E04F19/00—Other details of constructional parts for finishing work on buildings
    • E04F19/02—Borders; Finishing strips, e.g. beadings; Light coves
    • E04F19/026—Borders; Finishing strips, e.g. beadings; Light coves specially adapted for cushioning impacts
    • E04F19/028—Borders; Finishing strips, e.g. beadings; Light coves specially adapted for cushioning impacts used at protruding corners
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D11/00—Lining tunnels, galleries or other underground cavities, e.g. large underground chambers; Linings therefor; Making such linings in situ, e.g. by assembling
    • E21D11/04—Lining with building materials
    • E21D11/05—Lining with building materials using compressible insertions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F42—AMMUNITION; BLASTING
    • F42D—BLASTING
    • F42D5/00—Safety arrangements
    • F42D5/04—Rendering explosive charges harmless, e.g. destroying ammunition; Rendering detonation of explosive charges harmless
    • F42D5/045—Detonation-wave absorbing or damping means

Definitions

  • the invention relates to a device for receiving deformation energy for the protection of particular structures or vehicles from destruction.
  • the device is used for arrangement under load-bearing components of a building.
  • deformation body Devices for receiving deformation energy, in particular kinetic energy are known as deformation body, or energy absorption body.
  • energy absorption bodies are plastically deformable and thus absorb kinetic energy, as transmitted by a mechanical impulse.
  • they serve the protection of buildings to be protected against destruction or in vehicle construction.
  • the object of the invention is to provide a device for receiving deformation energy that works reliably and is permanently functional.
  • a deformable energy absorption body which has a (preferably elastomeric) foam in the porous embedded mineral particles.
  • the term “particles” is not intended to define the size of the mineral material pieces or parts within the scope of this invention. Basically, the size of the porous mineral particles depends on the total size of the energy absorption body, which has several layers of particles arranged in the thickness extension of the body, between which there is elastomeric foam.
  • the energy absorption body Upon the action of kinetic energy or deformation energy on the energy absorption body, for example, it is locally compressed, the energy being dissipated by destroying the porous mineral particles.
  • pressure when pressure is applied to the energy absorption body, it comes to a reduction of its volume, without (appreciable) increase in pressure within the energy absorption body.
  • the elastomeric foam is also deformed, in principle, a foam is used, which does not necessarily have to be elastomer. In either case, due to its ability to be compressed, the foam takes up deformation energy or kinetic energy.
  • the device according to the invention can be arranged in particular under load-bearing components of a structure, such as, for example, under the sole of a building or the sole of a traffic route, in particular the sole of a traffic tunnel.
  • a further advantage of the device according to the invention is the fact that the energy absorption body can carry high loads due to the interaction of the porous mineral particles and the foam.
  • the device according to the invention can already be used in the production of a building sole, which is usually made of concrete, in order to support the concrete sole until it hardens. This applies in particular to building soles or traffic route soles, which span a cavity.
  • the tunnel sole, or the traffic route sole in the tunnel tube is arranged such that it spans the underlying area of the inside of the tunnel tube. If now in this area inserts the previously shaped energy absorption body to cast on this energy absorption body then the tunnel sole, so the energy absorption body initially fulfills the function of load absorption of the cast concrete (with possibly existing reinforcement) to after curing of the tunnel sole a kind of crumple zone (Energy absorption body 18) between the tunnel sole and the area of the tunnel tube below the tunnel sole to form.
  • This crumple zone absorbs deformation energy that can act on the energy absorption body via the tunnel tube when the tunnel tube is subjected to pressure due to geogenic changes in the subsurface (mostly rock). If one were to arrange a rigid body between tunnel bottom and tunnel tube, then deformations of the tunnel tube could directly affect the tunnel sole, so that one would have no energy absorption in this area, which would inevitably lead to the destruction of the tunnel sole.
  • the production of the energy absorption body is possible directly on site at the installation site, namely by introducing the mineral fraction as a porous mineral particles and subsequent foaming with a foam, in particular polyurethane or other elastomeric foam possible.
  • a foam in particular polyurethane or other elastomeric foam possible.
  • the energy absorption body 20-50% before foam that is 50-80 vol% of porous mineral material.
  • the porous mineral particles or the porous mineral material itself expediently has a solids content of 60-15% before, that is, a pore content of 40-85% before. Expanded clay, bulking slag, pumice, aerated concrete, foam glass or mineral foams come into question in particular as a porous mineral material.
  • the degree of deformation and the energy absorption can be changed
  • the particular elastic foam used which is in particular PUR foam
  • the energy absorption body is positively and form-fitting connected to the environment.
  • the filled spaces are liquid-tight against the environment. This is particularly advantageous in tunneling, where the inventive energy absorption body below the Tunnelsohle can be arranged, While the load absorption of the energy absorption body after casting the concrete base to the curing of the energy absorption body is mechanically biased and remains after curing of the concrete base in this state, whereby it presses against the inside of the tunnel wall, thus preventing the ingress of water.
  • the invention also relates to the use of an energy absorption body of the type mentioned above for preventing damage from kinetic energy of buildings in civil engineering, in particular by relining concrete floor slabs of buildings, road ways of traffic tunneling for road or rail construction, in vehicle as Crumple zone, for protection of double wall structures by filling them and / or for the armor of vehicles and buildings.
  • the drawing is located in an example in rocky soil 10 introduced excavation pit 12 a concrete floor plate 14, below which a device 16 is arranged for receiving deformation energy.
  • the device 16 has an energy absorption body 18 which comprises porous mineral particles 20 of, for example, expanded clay, which are embedded in an elastomer foam 22, in particular PUR foam.
  • the energy absorption body is introduced into the construction pit 12 prior to casting the concrete floor plate 14, whereby the energy absorption body 18 may be made on site. Subsequently, the material for the concrete bottom plate 14 is introduced. Until the setting of the concrete and also afterwards the energy absorption body carries 18 the concrete floor slab. In this case, the energy absorption body 18 is mechanically biased, which is made possible by the elasticity of the foam 22. This bias is utilized to complete the concrete bottom plate 14 liquid-tight against the soil 10.
  • the concrete floor slab can also be supported by supports, so that the energy absorption body 18 no longer performs any support function after the concrete has hardened.
  • the energy absorption body of the recording of deformations can come under pressure from geogenic changes in the subsurface, which can destroy or damage them.
  • a "crumple zone" is inserted under the load-bearing layer of the building. This carries during the manufacturing phase of the layer, the load of the not-yet-bearing sub-layer of the structure and can then absorb deformations of the ground by their own deformation without the building is charged.
  • the energy absorbing body 18 at the same time seals the structure from penetrating water from the ground and prevents the penetration of stratum water into the underlying geogenic material. Emerging swelling pressures, for example, from the humidification of anhydride in the ground is thus degraded by deformation of the crumple zone (energy absorption body 18),
  • the previously described energy absorption body 18 is best suited, for example, for installation under tunnel soles.

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Abstract

Die Vorrichtung zur Aufnahme von Verformungsenergie, insbesondere zur Anordnung unter lasttragenden Bauteilen eines Bauwerks ist versehen mit einem verformbaren Energieabsorptionskörper (18), der poröse mineralische Partikel (20) und einen Schaum (22) aufweist, in den die mineralischen Partikel (20) eingebettet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme von Verformungsenergie zum Schutz von insbesondere Bauwerken oder Fahrzeugen vor Zerstörungen. Insbesondere dient die Vorrichtung zur Anordnung unter lasttragenden Bauteilen einer Bauwerks.
  • Vorrichtungen zur Aufnahme von Verformungsenergie, insbesondere kinetischer Energie sind als Verformungskörper, beziehungsweise Energieabsorptionskörper bekannt. Diese Energieabsorptionskörper sind plastisch verformbar und nehmen somit kinetische Energie, wie sie von einem mechanischen Impuls übermittelt wird, auf. Sie dienen unter anderem dem Schutz von vor Zerstörungen zu schützenden Bauwerken oder im Fahrzeugbau.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Aufnahme von Verformungsenergie zu schaffen, die zuverlässig arbeitet und dauerhaft funktionsfähig ist.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Vorrichtung zur Aufnahme von Verformungsenergie, insbesondere zur Anordnung unter lasttragenden Bauteilen eines Bauwerks vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung versehen ist mit
    • einem verformbaren Energieabsorptionskörper, der poröse mineralische Partikel und einen insbesondere elastomeren Schaum aufweist, in den die mineralischen Partikel eingebettet sind.
  • Mit der Erfindung wird also ein verformbarer Energieabsorptionskörper vorgeschlagen, der einen (vorzugsweise Elastomer-) Schaum aufweist, in den poröse mineralische Partikel eingebettet sind. Mit dem Wort "Partikel" soll im Rahmen dieser Erfindung nicht die Größe der mineralischen Materialstücke, beziehungsweise -teile definiert werden. Grundsätzlich richtet sich die Größe der porösen mineralischen Partikel nach der Gesamtgröße des Energieabsorptionskörpers, der mehrere Lagen von in Dickenerstreckung des Körpers angeordneten Partikel aufweist, zwischen denen sich Elastomer-Schaum befindet,
  • Bei Einwirkung von kinetischer Energie, beziehungsweise Verformungsenergie auf den Energieabsorptionskörper wird dieser, beispielsweise lokal komprimiert, wobei die Energie durch Zerstören der porösen mineralischen Partikel abgebaut wird. Damit kommt es also beim Ausüben von Druck auf den Energieabsorptionskörper zu einer Reduktion von dessen Volumen, ohne dass innerhalb des Energieabsorptionskörpers ein (nennenswerter) Druckanstieg zu verzeichnen ist. Auf diese Art und Weise erfolgt also die Aufnahme kinetischer Energie, Der Elastomerschaum verformt sich ebenfalls, wobei grundsätzlich auch ein Schaum einsetzbar ist, der nicht notwendigerweise Elastomer sein muss. In beiden Fällen nimmt der Schaum aufgrund seiner Fähigkeit, komprimiert zu werden, Verformungsenergie beziehungsweise kinetische Energie auf.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich insbesondere unter lasttragenden Bauteilen eines Bauwerks, wie beispielsweise unter der Sohle eines Gebäudes oder der Sohle eines Verkehrsweges, insbesondere der Sohle eines Verkehrswegetunnels, anordnen. Hierbei ist ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung darin zu sehen, dass der Energieabsorptionskörper aufgrund des Zusammenspiels der porösen mineralischen Partikel und des Schaums hohe Lasten tragen kann. So ist es insbesondere von Vorteil, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung bereits bei der Herstellung einer Bauwerkssohle, die zumeist aus Beton besteht, eingesetzt werden kann, um die Betonsohle bis zu ihrer Aushärtung zu stützen. Dies gilt insbesondere bei Bauwerkssohlen oder Verkehrswegesohlen, die einen Hohlraum überspannen. Gleichermaßen gilt dies allgemein bei Bauwerksteilen, die einen Hohlraum überspannen, und vor Ort gegossen werden müssen, Ein Anwendungsfall ist beispielsweise beim Tunnelbau gegeben. Dort wird die Tunnelsohle, beziehungsweise die Verkehrswegesohle in der Tunnelröhre derart angeordnet, dass sie den unten liegenden Bereich der Innenseite der Tunnelröhre überspannt. Wenn man nun in diesem Bereich den zuvor geformten Energieabsorptionskörper einlegt, um auf diesem Energieabsorptionskörper dann die Tunnelsohle zu gießen, so erfüllt der Energieabsorptionskörper zunächst die Funktion der Lastaufnahme des gegossenen Betons (mit gegebenenfalls vorhandener Armierung), um nach der Aushärtung der Tunnelsohle eine Art Knautschzone (Energieabsorptionskörper 18) zwischen der Tunnelsohle und dem Bereich der Tunnelröhre unterhalb der Tunnelsohle zu bilden. Diese Knautschzone nimmt Verformungsenergie auf, die über die Tunnelröhre auf den Energieabsorptionskörper einwirken kann, wenn die Tunnelröhre durch geogene Veränderungen im Untergrund (zumeist Fels) unter Druck gerät. Würde man zwischen Tunnelsohle und Tunnelröhre einen starren Körper anordnen, so könnten Verformungen der Tunnelröhre sich direkt auf die Tunnelsohle auswirken, so dass man keinerlei Energieabsorption in diesem Bereich hätte, was unweigerlich zur Zerstörung der Tunnelsohle führen würde.
  • Die Herstellung des Energieabsorptionskörpers ist vor Ort direkt an der Einbaustelle möglich, und zwar durch Einbringen der Mineralfraktion als poröse mineralische Partikel und anschließende Verschäumung mit einem Schaum, insbesondere Polyurethan- oder anderem Elastomerschaum möglich. Das Verfullen jeglicher Geometrien ist damit realisierbar.
  • Neben dem Einsatzbereich bei Bauwerken lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise auch in den folgenden Anwendungsfällen nutzen:
    • Im Fahrzeugbau können aus dem Material in die Karosserie eingebaute Knautschzonenkörper verwendet werden, um die Unfallfolgen zu minimieren.
    • Im Schiffbau können die Hohlräume bei doppelwandigen Bauten damit verfüllt werden, um die Leckagegefahr bei Zusammenstößen zu vermindern, die Beschädigungsgefahr für die innere Wand zu vermeiden und den Hohlraum im Fall einer Leckage abzudichten.
    • Zur Panzerung von Militärfahrzeugen, als weiche Panzerung besonders in Hohlräumen gegen schneidende Geschosse.
    • Im Hochbau können Oberflächen von aufprallgefährdeten Gebäuden, mit allen gewünschten Geometrien des Knautschzonenmaterials beschichtet oder verkleidet werden. Im Falle eines Fremdkörperaufpralls kann das Gebäude zusätzlich geschützt werden, z.B. Häuserecken zum Schutz gegen das Auffahren von Fahrzeugen oder Außenhüllen von Kernkraftwerken.
  • In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Energieabsorptionskörper 20-50 vor% an Schaum, dass heißt 50-80 vol% an porösem mineralischen Material aufweist. Die porösen mineralischen Partikel beziehungsweise das poröse mineralische Material selbst weist zweckmäßigerweise einen Feststoffanteil von 60-15 vor%, dass heißt einen Porenanteil von 40-85 vor% auf. Als poröses mineralisches Material kommt insbesondere Blähton, Blähschlacke, Bims, Porenbeton, Schaumglas oder mineralische Schäume in Frage.
  • Durch den Einsatz unterschiedlicher Mineralien und/oder Mineralgemische kann der Deformationsgrad und die Energieaufnahme verändert werden, Durch den verwendeten insbesondere elastischen Schaum, bei dem es sich insbesondere um PUR-Schaum handelt, wird der Energieabsorptionskörper formschlüssig und formfüllend mit der Umgebung verbunden. Durch die Verwendung elastischer Schäume werden die ausgefüllten Räume flüssigkeitsdicht gegen die Umgebung abgeschossen. Dies ist insbesondere von Vorteil im Tunnelbau, wo der erfindungsgemäße Energieabsorptionskörper unterhalb der Tunnelsohle angeordnet werden kann, Während der Lastaufnahme des Energieabsorptionskörpers nach dem Gießen der Betonsohle bis zu deren Aushärtung wird der Energieabsorptionskörper mechanisch vorgespannt und verbleibt nach Aushärtung der Betonsohle in diesem Zustand, womit er von innen gegen die Tunnelwandung drückt und somit das Eindringen von Wasser verhindert. Schließlich ist als Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung anzumerken, dass bei einem Rückbau des Energieabsorptionskörpers dessen Material vollständig recycelt werden kann.
  • Die Erfindung betrifft darüber hinaus auch die Verwendung eines Energieabsorptionskörpers der vorstehend genannten Art zur Verhinderung von Beschädigungen durch kinetische Energie von Bauwerken im Hoch- und Tiefbau, insbesondere durch Unterfütterung von Betonbodenplatten von Gebäuden, Fahrwegsohlen von Verkehrswegetunneln für den Straßen- oder Eisenbahnbau, im Fahrzeugbau als Knautschzone, zum Schutz von Doppelwandstrukturen durch Ausfüllen derselben und/oder für die Panzerung von Fahrzeugen und Gebäuden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung, in der ein Schnitt durch eine Betonbodenplatte eines Gebäudes mit angrenzendem Erdreich gezeigt ist, näher erläutert,
  • Gemäß der Zeichnung befindet sich in einer in beispielsweise felsiges Erdreich 10 eingebrachten Baugrube 12 eine Betonbodenplatte 14, unterhalb derer eine Vorrichtung 16 zur Aufnahme von Verformungsenergie angeordnet ist. Die Vorrichtung 16 weist einen Energieabsorptionskörper 18 auf, der poröse mineralische Partikel 20 aus beispielsweise Blähton umfasst, die in einen Elastomer-Schaum 22, insbesondere PUR-Schaum eingebettet sind. Der Energieabsorptionskörper wird vor dem Gießen der Betonbodenplatte 14 in die Bausgrube 12 eingebracht, wobei der Energieabsorptionskörper 18 vor Ort hergestellt sein kann. Anschließend wird das Material für die Betonbodenplatte 14 eingebracht. Bis zum Abbinden des Betons und auch danach trägt der Energieabsorptionskörper 18 die Betonbodenplatte. Dabei wird der Energieabsorptionskörper 18 mechanisch vorgespannt, was durch die Elastizität des Schaums 22 ermöglicht wird. Diese Vorspannung wird ausgenutzt, um die Betonbodenplatte 14 flussigkeitsdicht gegenüber dem Erdreich 10 abzuschliessen. Alternativ kann die Betonbodenplatte auch über Auflagen gestützt sein, so dass der Energieabsorptionskörper 18 nach dem Aushärten des Betons keine stutzfunktion mehr wahrnimmt.
  • In der Folgezeit dient der Energieabsorptionskörper der Aufnahme von Verformungen, wie sie durch Verwerfungen im Untergrund hervorgerufen werden können. Bauwerke können nämlich durch geogene Veränderungen im Untergrund unter Druck geraten, der sie zerstören, beziehungsweise beschädigen kann. Um dem entgegenzuwirken, wird erfindungsgemäß eine "Knautschzone" unter die tragende Schicht des Bauwerks eingefügt. Diese trägt während der Herstellungsphase der Schicht die Auflast der noch nicht tragenden Unterschicht des Bauwerks und kann danach Verformungen des Untergrunds durch eigene Verformung aufnehmen ohne dass das Bauwerk belastet wird. Wenn der Schaum Elastomereigenschaften aufweist, dichtet der Energieabsorptionskörpers 18 gleichzeitig das Bauwerk gegen eindringendes Wasser aus dem Untergrund ab und verhindert das Eindringen von Schichtenwasser in das darunterliegende geogene Material. Entstehende Quelldrücke, zum Beispiel aus der Befeuchtung von Anhydrid im Untergrund wird so durch Verformung der Knautschzone (Energieabsorptionskörper 18) abgebaut, Der zuvor beschriebene Energieabsorptionskörper 18 ist bestens zum Beispiel für den Einbau unter Tunnelsohlen geeignet.

Claims (6)

  1. Vorrichtung zur Aufnahme von Verformungsenergie, insbesondere zur Anordnung unter lasttragenden Bauteilen eines Bauwerks, mit
    - einem verformbaren Energieabsorptionskörper (18), der poröse mineralische Partikel (20) und einen Schaum (22) aufweist, in den die mineralischen Partikel (20) eingebettet sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieabsorptionskörper (18) 50-80 vol% an porösem mineralischem Partikel aufweist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die porösen mineralischen Partikel einen Feststoffanteil von maximal 60-15 vor% aufweisen.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die porösen mineralischen Partikel Blähton, Blähschlacke, Bims, Porenbeton, Schaumglas oder mineralische Schäume aufweisen.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaum (22) ein Elastomerschaum, insbesondere PUR-Schaum ist.
  6. Verwendung eines Energieabsorptionskörpers einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verhinderung von Beschädigungen durch kinetische Energie bei Bauwerken im Hoch- und Tiefbau, insbesondere durch Unterfütterung von Betonbodenplatten (14) von Gebäuden, Fahrwegsohlen von Verkehrswegetunneln für den Straßen- oder Eisenbahnbau, im Fahrzeugbau als Knautschzone, zum Schutz von Doppelwandstrukturen, insbesondere im Schiffsbau durch Ausfüllen derselben und/oder für die Panzerung von Fahrzeugen und Gebäuden.
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