Substanzen für den Einbau in das Erdreich

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme, Speicherung und Abgabe von fließ- oder schüttfähigen Substanzen, insbesondere von Flüssigkeiten, wie zum Beispiel Wasser oder Regenwasser, für den Einbau in das Erdreich, welche aus wenigstens zwei Wandungselementen zur Bildung eines Hohlraumes besteht.

Es ist bekannt, dass zur Aufnahme, Speicherung und Abgabe von Flüssigkeiten, wie zum Beispiel Wasser, Tanks eingesetzt werden, die in das Erdreich eingebracht, d.h. unterirdisch montiert sind. In diesem Zusammenhang werden Tanks eingesetzt, die beispielsweise zylindrisch, kugelförmig, quadratisch oder in einer rautenförmigen Grundfläche ausgestaltet sind. Diese im Stand der Technik bekannten Vorrichtungen sind häufig aus Kunststoff, Metall oder einem Kompositwerkstoff hergestellt.

BESTÄTIGUNGSKOPIE Infolge des Einbaus dieser Vorrichtungen in das Erdreich werden diese Tanks durch das sie umgebende Erdreich druckbeaufschlagt. Das bedeutet, dass unterirdisch eingebaute Tanks wenigstens zwei Belastungen ausgesetzt sind. Zum einen werden diese Tanks mechanisch belastet durch die Substanz die sich im Inneren des Tanks befindet. Die daraus resultierende Belastung ist eine innen wirkende Druckbelastung. Zum anderen wirkt auf den Tank eine äußere Druckbelastung infolge des umgebenden Erdreichs. Dabei ergibt sich die unterschiedliche Belastung beispielsweise dadurch, dass die physikalischen Eigenschaften des den Tank umgebenden Erdreiches unterschiedlich sind. Es ist beispielsweise möglich, dass aktiver oder passiver Erddruck vorliegt.

Um die Stabilität derartiger Tanks sicherzustellen, werden Versteifungsrippen, Sicken oder lokale Materialversteifungen realisiert. Die DE 19733589 A1 zeigt eine gattungsgemäße Vorrichtung in Form eines zylindrischen Erdtanks, der aus wenigstens zwei Elementen gebildet ist und Versteifungsrippen bzw. Sicken am Umfang der Zylinderfläche aufweist. Eine zweite bekannte, gattungsgemäße Vorrichtung zeigt die DE 10052324 A1 . Dieser Erdtank ist in einer bevorzugten Ausführungsform ebenfalls mehrteilig ausgeführt, ist durch einen ringförmigen Grundkörper gekennzeichnet und weist zur Belastungserhöhung Versteifungsrippen auf. Der in DE 10052324 A1 offenbarte Tank hat den Vorteil, dass durch die Versteifungsrippen an der Zylinderfläche bzw. Schlauchfläche keine innerhalb des Tankes angeordneten Stützeinrichtungen erforderlich sind.

Diese bekannten Vorrichtungen sind in mehrerer Hinsicht nachteilig. Ungünstig und kostennachteilig ist, dass zur Montage dieses Tanks erhöhter Aufwand erforderlich ist, zusätzlich können Probleme an den Fügeflächen dieser mehrteiligen Tanks auftreten. Es ist möglich, dass an diesen Dichtflächen Undichtigkeiten entstehen. Außerdem bedeutet die Realisierung von Trennflächen bzw. Dichtungsflächen einen erhöhten Materialeinsatz. Weiterhin nachteilig ist, dass auch infolge der Verwendung von Versteifungsrippen ein erhöhter Materialeinsatz vorliegt. Generell ist es jedoch wünschenswert, dass der Materialeinsatz für diese Tanks möglichst minimal ist. Durch Reduzierung des Materialeinsatzes werden die Materialkosten verringert und durch das reduzierte Tankgewicht sinken gleichfalls Transportkosten. Insbesondere bei kleineren Tanks kann die einteilige Ausführungsform Kostenvorteile dadurch bieten, dass Transport, Lagerung und Montage vereinfacht sind. Bei Tankvolumina von ca. unter 4000 I ist eine einteilige Ausführungsform wünschenswert.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Aufnahme, Speicherung und Abgabe von fließ- oder schüttfähigen Substanzen, insbesondere von Flüssigkeiten, wie zum Beispiel Wasser oder Regenwasser, für den Einbau in das Erdreich zu schaffen, welche aus wenigstens zwei Wandungselementen zur Bildung eines Hohlraumes besteht, die eine generelle Verbesserung der Handhabung bei Transport und Montage bietet und eine Minimierung des Materialeinsatzes bei gleichzeitiger Beibehaltung oder Erhöhung der mechanischen Belastung realisiert. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, die eingangs beschriebenen Nachteile hinsichtlich der Dichtflächenproblematik zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung aufweisend wenigstens zwei Wandungselemente zur Bildung eines Hohlraumes gelöst dadurch, dass zur Erhöhung bzw. Sicherstellung der erforderlichen mechanischen Belastbarkeit des Tankes die konstruktive Gestaltung der Wandflächen derart erfolgt, dass sich eine erhöhte Gestaltfestigkeit ergibt.

Die erfindungsgemäße Lehre erkennt, dass durch eine einteilig ausgebildete Tankwandung bestehend aus mehreren gewölbten Wandlungselementen die mechanische Gestaltfestigkeit maximiert werden kann und gleichzeitig der erforderliche Materialeinsatz minimiert wird. Durch die einteilige Ausführungsform werden in Dichtflächenprobleme, die durch einen mehrteiligen Aufbau zwangsläufig auftreten, verhindert.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, dass durch die Ausgestaltung der Tankwandung als wenigstens abschnittsweise realisierte gewölbte Form die Gestaltfestigkeit derart erhöht wird, dass zusätzliche Versteifungselemente in Form von Rippen oder Sicken nicht erforderlich sind. Durch die einteilige Ausführungsform wird eine Konstruktion ohne Dichtflächen oder Fügeflächen unterstützt. Infolge des realisierten verringerten Materialeinsatzes können Tanks auch mit großen Tankvolumina einteilig ausgeführt werden, da der erzielbare reduzierte Materialeinsatz zur Verringerung des Gesamtgewichtes beiträgt.

Der Tank kann aus beliebigen, bekannten Werkstoffen wie zum Beispiel Kunststoff, wie z.B. Polyethylen, glasfaserverstärkter Kunststoff, Metallblech oder einem anderen bekannten Kompositwerkstoff hergestellt sein. Realisiert werden kann der Tank in einem ringförmigen, ideal-ovalförmigen, elliptischen oder einem beliebigen oval- förmigen Aufbau. Den verschiedenen Aufbauten ist gemeinsam, dass sie wenigstens abschnittsweise durch gewölbte Wandungselemente gebildet sind. Die Wandungselemente können bereichsweise oder vollständig konkav oder konvex gewölbt sein. Die Wölbung kann kreisbogenförmig mit konstantem oder variablem Radius ausgebildet sein.

Auch denkbar ist, dass im Sinne eines Korbbogens mehrere sich einander anschließende Kreisbögen mit Radien unterschiedlicher Beträge verwendet werden. In einer weiteren Ausführungsform kann, zum Beispiel belastungsabhängig oder den Herstellungsmöglichkeiten geschuldet, die Wölbung des jeweiligen Wandlungselementes ellipsenförmig ausgestaltet sein. Die Wölbungen können weiterhin durch Freiformflächen gebildet werden. In Abhängigkeit der möglicherweise lokal unterschiedlichen Belastung auf die Tankkonstruktion durch die Flächenpressung des Erdreiches kann der Tank aus unterschiedlichen Wandungselementen gebildet werden, die an den jeweiligen Übergangsstellen von Wandungselement zu Wandungselement einen identischen Querschnitt aufweisen, um die einteilige Ausführung des Tankes zu unterstützen. Diese unterschiedlichen Wölbungen der Wandungselemente können konkav, konvex oder aus einer Kombination von konkaver und konvexer Wölbung realisiert sein, jeweils ist unterschiedliche, auch abschnittsweise veränderliche Form und Radius möglich.

Entscheidend für die Wölbungsform ist, dass die durch das Erdreich aufgebrachten Belastungen auf die Wandung des Tankes je nach Situation und lokal unterschiedlich in einem zur Tankoberfläche schrägen Winkel erfolgen. Dadurch ergibt sich infolge des vorliegenden Kräfteparallelogramms pro Flächenelement sowohl eine (reduzier- te) radiale als auch eine querkrafterzeugende axiale Kraftkomponente in Wandungsrichtung bzw. dessen Ebene. Dadurch wird die radiale Kraftkomponente verringert.

Die jeweils an dem Flächenelement auftretende axiale Kraftkomponente wirkt in Richtung der Tankverwandung und erzeugt eine innerhalb der Wandung wirkende Querkraft, die auch Querkraftschub genannt wird. Wesentlich für die Dimensionierung der Tankwandung ist der Betrag der radialen Kraftkomponente. Infolge der konkaven oder konvexen Ausgestaltung der jeweiligen Wandungselemente und der davon abhängigen Winkelverhältnisse innerhalb der Kräfteparallelogramme werden die lokal wirkenden radialen Kräfte reduziert. Die damit einhergehenden Axialkräfte wirken in Längsrichtung der Tankwandung und können betragsmäßig sehr viel höhere Zug- oder Druckbelastungen erzeugen, welche problemlos von dem Wandungsmaterial aufgenommen werden können.

Aufgrund der durch die gewölbten Wandungselemente erzielten erhöhten Gestaltfestigkeit ist es möglich, sowohl auf Abstützungselemente im inneren des Tanks als auch auf Verstärkungsrippen an der Tankwandung vollständig oder zumindest abschnittsweise zu verzichten. Dadurch wird eine ausreichend stabile Konstruktion bei minimiertem Materialeinsatz unterstützt.

In einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist der Tank torusförmig ausgeführt. Innerhalb der torusförmigen, d.h. ringartigen Ausgestaltung des Tanks ist dieser durch eine Mehrzahl von Wandungselementen gebildet. Dabei weisen die Wandungselemente einen kreisförmigen Querschnitt in axialer Tankrichtung auf. In radialer Richtung sind die Wandungselemente durch konvexe Wölbungen gebildet. Die einzelnen Wandungselemente sind in identischer Größe und Form ausgeführt. Eine weitere Ausführungsform eines ringförmigen Tanks kann durch unterschiedliche Wandungselemente gebildet werden. Sowohl die Verwendung von konkaven und konvexen Wölbungen der Wandungselemente als auch deren Variation der Formgebung der Wölbungen kann vorliegen. Auch ist es möglich, dass unterschiedlich große Wandungselemente einen torusförmigen Tank bilden. In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform ist der Tank quasi-ovalförmig ausgeführt. Diese quasi-ovale Tankform ist durch unterschiedlich ausgestaltete Wandungselemente gebildet. Auch diese Ausführungsform kann aus Wandungselemente mit konkaver oder konvexer oder einer Kombination aus konkaven und konvexen Wandungselemente um aufgebaut sein. Dabei können sowohl die konkaven als auch die konvexen Wandungselementebereichsweise oder vollständig konkav oder konvex gewölbt sein. Die Wölbung kann kreisbogenförmig mit konstantem oder variablem Radius, sich einander anschließende Radien unterschiedlicher Werte oder ellipsenförmig ausgestaltet sein. Auch sind Wandungselemente möglich, die aus Freiformflächen aufgebaut sind.

Es ist weiterhin realisierbar, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Aufnahme, Speicherung und Abgabe von fließ- oder schüttfähigen Substanzen eine von der Kreisform abweichende Ringform, zum Beispiel eine Ellipsenform, aufweist. Weitere Ausgestaltungen im Sinne einer Formgebung als Endlosschlauch sind möglich. Bei allen Ausführungsformen können Anbauteile oder Elemente, beispielsweise Transportösen, Anschlussflächen, Einstiegsöffnungen, Inspektionsöffnungen oder An- schlussbutzen usw. Verwendung finden. Bei besonders großen Tankvolumina kann wenigstens eine Trennstelle an wenigstens einer Übergangsstelle von Wandungselemente zu Wandungselemente vorgesehen sein. In diesem Fall wird jedoch der mit der Einstückigkeit erzielte Vorteil fehlender Trennstellen aufgegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren erläutert. Im Einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Aufnahme, Speicherung und Abgabe von Substanzen für den Einbau in das Erdreich in einer ersten bevorzugten Ausführungsform. Die Vorrichtung ist torusförmig ausgeführt, die Wölbungen der Wandungselemente weisen einen unterschiedlichen Wölbungsradius auf,

Fig. 2 eine Vorrichtung zur Aufnahme, Speicherung und Abgabe von Substanzen für den Einbau in das Erdreich in einer abgewandelten ersten bevorzugten Ausführungsform. Die Vorrichtung ist torusförmig ausgeführt, die Wölbungen der Wandungselemente weisen einen identischen Wölbungsradius auf. Exemplarisch sind Anbauteile dargestellt,

Fig. 3 eine Vorrichtung zur Aufnahme, Speicherung und Abgabe von Substanzen für den Einbau in das Erdreich in einer abgewandelten zweiten bevorzugten Ausführungsform. Die Vorrichtung ist quasi-ovalförmig ausgeführt, die Wölbungen der Wandungselemente weisen unterschiedliche Wölbungsradien auf,

Fig. 4 eine zylinderisch geformte Vorrichtung in einer konstruktiven Realisierung als Erdtank,

Fig. 5 vereinfachte Skizzen zur Veranschaulichung einer Ableitung der vertikalen Gewichtskraft auf den Behälter durch dessen Wandung in das Erdreich,

Fig. 6 eine schematische Darstellung von Wandelementen mit gewölbten

Mantelflächen,

Fig. 7 Skizzen zur Veranschaulichung eines Ineinanderschiebens von Wandelementen,

Fig. 8 Skizzen zur Veranschaulichung von Wandelementen, die aus Prismen mit gewölbten Mantelflächen ausgebildet sind,

Fig. 9 weitere Skizzen zur Veranschaulichung einer Verwendung von Wandelementen aus Prismen mit gewölbten Mantelflächen,

Fig. 10 Skizzen zur Veranschaulichung von unterschiedlich stark gewölbten

Mantelflächen der Wandelementen und

Fig. 1 1 Skizzen zur Veranschaulichung von Grund- und Deckflächen. Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Aufnahme, Speicherung und Abgabe von Substanzen für den Einbau in das Erdreich 1 in einer ersten bevorzugten Ausführungsform. Hier ist der Tank 1 torusförmig ausgeführt, die Wölbungen 5 der Wandungselemente 2 sind unterschiedlich. Zur Verdeutlichung sind die Wölbungsradien mit RWx und RWx+n angegeben. Innerhalb der torusförmigen, d.h. ringförmigen Ausgestaltung 10 des Tanks 1 ist dieser durch eine Mehrzahl von Wandungselementen 2 gebildet. Dabei weisen die Wandungselemente 2 einen kreisförmigen Querschnitt 6 in axialer Richtung 10 auf. Abhängig von der Art und Ausprägung der Wölbung 5 liegt der maximale Wandungsdurchmesser 6 mit seinem Radius Rz in Axialrichtung eines Wandungselementes 2.

Die Wandungselemente 2 sind jeweils segmentartig ausgebildet und ähnlich zu Tortenstücken zu einer ringförmigen Gestaltung des Tanks 1 zusammengefügt. Die Verwendung des Begriffes des Wölbungsradius bedeutet nicht, dass zwangsläufig eine kreisförmige Geometrie der Wölbung vorliegen muss. Die kreisförmige Gestaltung entspricht lediglich einem Ausführungsbeispiel. Grundsätzlich ist jede Geometrie der Wölbung geeignet, die eine Verzweigung der einwirkenden Druckkräfte unterstützt. Der Tank 1 kann relativ zueinander unterschiedliche Wandungselemente 2 enthalten, wobei die einzelnen Wandungselemente 2 insbesondere relativ zueinander unterschiedliche Wölbungsradien aufweisen. Der in Fig. 1 zu erkennende Radius Rz entspricht dem radialen Durchmesser eines Wandungselementes 2. Auch hier muss die Geometrie des Wandungselementes 2 nicht kreisförmig sein.

Die Wandungselemente 2 verfügen in der dargestellten Form im Tankquerschnitt über eine Kreisgeometrie und weisen eine kreisförmige Übergangsstelle 4 mit Kreisquerschnitt auf. Alternativ können die Wandungselemente 2 jeweils aus einem Teilelement eines sphärischen Zweieckes gebildet werden.

Fig. 1 zeigt die Vorrichtung 1 mit gleichmäßig über dem Umfang verteilten Wandungselementen 2, dadurch besitzt jedes Wandungselement 2 über dem Kreisumfang einen gleichgroßen Kreisbogen. Es ist möglich, dass die Wandungselemente 2 in Umfangsrichtung der torusförmigen Vorrichtung in unterschiedlichen Größen aus- geführt sind, d.h. die Wandungselemente 2 sind längs der Tankmittelinie wenigstens teilweise asymmetrisch.

Weiterhin ist es möglich, dass die Wandungselemente 2 aus vollständigen sphärischen Zweiecken gebildet sind, so dass es im Kreismittelpunkt der Vorrichtung 1 eine weitere Verbindungsstelle gibt. In diesem Fall wäre der Innendurchmesser Di des Tanks 1 null. Es möglich, diese Verbindungsstelle im Kreismittelpunkt durch eine Strebe innerhalb des Tanks 1 auszuführen und dadurch die Druckfestigkeit nochmals zu steigern.

Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Aufnahme, Speicherung und Abgabe von Substanzen für den Einbau in das Erdreich in einer abgewandelten ersten bevorzugten Ausführungsform. Die Vorrichtung 1 ist torusförmig ausgeführt, die Wölbungen 5 der Wandungselemente 2 weisen einen identischen Wölbungsradius RWx auf. Exemplarisch sind Anbauteile in Form von Inspektionsöffnung 7, Transportösen 8 und Anlageflächen 9 dargestellt.

Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Aufnahme, Speicherung und Abgabe von Substanzen für den Einbau in das Erdreich in einer abgewandelten zweiten bevorzugten Ausführungsform. Die Vorrichtung 1 ist quasi-ovalförmig ausgeführt, die Wölbungen 5 der Wandungselemente 2,3 weisen unterschiedliche Wölbungsradien RWx, RWx+n auf. Innerhalb der längsseitigen Ovalform des Tankes 1 sind Wandungselemente 3, 3' mit zylindrischer und, oder kegelstumpfförmiger Grundgeometrie und gleichen oder ungleichen Wölbungen 5 über dem Umfang des Wandungselementes 3, 3' angeordnet. Neben der dargestellten zweiten bevorzugten Ausführungsform in Quasi-Ovalform sind auch Ellipsenformen mit verschiedenen Längs- und Querradien oder geometrisch ähnlichen Formen möglich.

Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung 1 in einer zylindrischen Grundkonstruktion. Der Radius Rst bezeichnet eine projektzierte Geometrie der Stirnfläche bei einem länglichen Tank 1 , insbesondere beim dargestellten zylindrischen Tank 1. Der Radius Rst ist typischerweise von einer Gestaltung der Wandungselemente 2 unabhängig. Die Illustration in Fig. 5 zeigt in grober Vereinfachung die Ableitung der vertikalen Gewichtskraft (FEV) auf dem Behälter durch dessen Wandung in das Erdreich. Die linke Abbildung zeigt, dass die volle Gewichtskraft (Fiw) auf die in axialer Richtung gerade Mantelfläche wirkt und deshalb von einer entsprechend großen radialen Kraftkomponente aufgefangen werden muss. Bei der rechten Abbildung ist zu erkennen, dass die Mantelfläche auch in axialer Richtung gewölbt ist und einen Teil der Gewichtskraft (Fwia) aufnimmt und Fiw damit verkleinert.

Das in Fig. 5 beschriebene Konstruktionsprinzip wird gemäß Fig. 6 technisch umgesetzt durch Wandelemente, die einem Prisma mit konvex oder konkav gewölbter Mantelfläche (Rw) entsprechen, wobei die Gestaltung von Grundfläche (G) und Deckfläche (D) beliebig ist, solange der technische Zweck erfüllt wird.

Für die Konstruktion eines Behälters werden gemäß Fig. 7 mehrere Wandelemente in einander geschoben, auch verdreht.

Die Konstruktionsweise mit Wandelementen aus Prismen mit gewölbten Mantelflächen gemäß Fig. 8 erlaubt vielfältige Behälterformen mit hohen Stabilitätswerten.

Die Konstruktionsweise mit Wandelementen aus Prismen mit gewölbten Mantelflächen ist gemäß Fig. 9 auch mit„klassischen" Behälterformen kombinierbar. Die verwendeten Abkürzungen haben die folgenden Bedeutungen:

Sk: Stirnfläche kugelförmig,

Wk: Wandelement konvex,

Vs: Versteifungssicke,

Vr: Versteifungsrippe,

Wz: Wandelement zylindrisch und

Sks: Stirnseite Kugelsegment.

Die Mantelflächen der Wandelemente können auch gemäß Fig. 10 unterschiedlich stark gewölbt sein. Die verwendeten Abbildungen haben die folgenden Bedeutungen: Rw: Wölbungsradius und

Rw-x: kleinerer Wölbungsradius.

Grund- und Deckfläche können gemäß Fig. 1 1 auch nicht parallel sein. Die verwendeten Abkürzungen haben die folgenden Bedeutungen:

Rw: Wölbungsradius und

Rw-x: kleinerer Wölbungsradius.