DE3027605A1

DE3027605A1 - Vorrichtung zur uebertragung grosser kraefte

Info

Publication number: DE3027605A1
Application number: DE19803027605
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Phys. Ing.(grad.) 8520 Erlangen Elsel
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1980-07-21
Filing date: 1980-07-21
Publication date: 1982-02-11
Also published as: US4379275A; DE3027605C2

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT ^3- Unser Zeichen Berlin und München VPA 80 P 7 5 5 0 DE

Vorrichtung zur Übertragung großer Kräfte

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Übertragung großer Kräfte zwischen einer tiefstgekühlten, supraleitenden Magnetwicklung und einem auf höherem Temperaturniveau liegenden, kraftaufnehmenden Abstützungskörper, insbesondere einer Energiespeichereinrichtung, deren Stützen mehrere in Kraftübertragungsrichtung hintereinander angeordnete, zumindest teilweise durch ein als Wärmeschild dienendes Blech thermisch unterteilte Stützkörper enthalten. Eine entsprechende Kraftübertragungsvorrichtung ist z.B. aus der US-Patentschrift 3,980,981 bekannt.

Derartige Kraftübertragungsvorrichtungen werden insbesondere für induktive, supraleitende Energiespeichereinrichtungen benötigt. Der große Vorteil solcher Speichereinrichtungen ist darin zu sehen, daß mit ihnen

12 Energien in Größenordnungen von 10 Joule oder höher in einem verhältnismäßig kleinen Raum zu speichern sind, wobei Energiedichten von etwa 10 Joule/cnr bei magnetischen Flußdichten von etwa 5 Tesla oder mehr erreicht werden. Solch hohe Flußdichten können in Magnetwicklungen wirtschaftlich nur mit Hilfe von sogenannten technischen Typ II-Supraleitern wie Niob-Titan (Nb-Ti), Niob-Zinn (Nb,Sn) oder Vanadium-Gallium (V,Ga) erzeugt werden. Entsprechende Energiespeichereinrichtungen enthalten im allgemeinen eine Anzahl koaxialer Solenoide aus diesen Leitern, in die während Niederlastzeiten von vielen Stunden die elektrische Energie über Wechselrichter aus einem angeschlossenen Stromverteilungsnetz

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eingespeist wird. In Spitzenlastzeiten kann dann die benötigte Energie in Minuten oder Stunden in das Netz wieder abgegeben werden.

Gemäß einem Vorschlag einer entsprechenden supraleitenden Energiespeichereinrichtung, mit der mehrere Gigawattstunden gespeichert werden können sollen, sind drei Magnetwicklungen aus stabilisierten Niob-Titan-Supraleitern vorgesehen. Die Wicklungen sollen jeweils einen Durchmesser zwischen 120 bis 15Om haben, 4 bis 5 m breit und 8 bis 10 m hoch sein. Sie sollen an Ort und Stelle in Tunnelstollen erstellt werden, die in Felsgestein getrieben sind ("IEEE Transactions on Magnetics» , Vol. MAG-11, Nr. 2, März 1975, Seiten 475 bis 488).

Die von der supraleitenden Wicklung eines solchen Gigawattmagnetspeichers ausgehenden Kräfte wie z.B. Lorentz-Kräfte liegen beispielsweise in der Größenordnung von

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10 Newton. Diese sehr hohen Kräfte müssen von einer Kraftübertragungsvorrichtung zwischen der supraleitenden Magnetwicklung und einem äußeren, kraftaufnehmenden Abstützungskörper, für den insbesondere aus Kostengründen natürliches Felsgestein vorgesehen wird, sicher zu übertragen sein. Darüber hinaus besteht eine Hauptforderung an eine entsprechende Kraftübertragungsvorrichtung, daß die thermischen Verluste durch Festkörperwärmeeinleitung über sie in die tiefstgekühlten Wicklungen so klein wie möglich zu halten sind. Die Wirtschaftlichkeit eines supraleitenden Energiespeichers ist nämlich insbesondere auch durch diese thermischen Verluste bestimmt.

Diese Anforderungen soll auch die aus der US-Patentschrift 3,980,981 bekannte Kraftübertragungsvorrichtung erfüllen. Diese Vorrichtung enthält gemäß einer Ausführungsform

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säulenartige Stützen, die sich radial bezüglich der Achse einer ihr zugeordneten supraleitenden Magnetwicklung nach außen etwa in Kraftübertragungsvorrichtung erstrecken. Diese Stützen sind außerdem durch Drähte gegenseitig verspannt, um so eine ausreichende Stabilität zu gewährleisten (Fig. 1). Auch können jeweils zwei Stützen an ihrem der Magnetwicklung zugewandten Ende an einem gemeinsamen Stützpunkt angreifen, so daß sie die beiden Schenkel einer A-förmigen Stützanordnung darstellen. Diese Stützen sind außerdem noch durch quer zur Abstützungsrichtung verlaufende Versteifungselemente in einer festen gegenseitigen Lage gehalten (Fig. 3)· Außerdem sind bei den bekannten Kraftübertragungsvorrichtungen etwa konzentrisch um die Magnetwicklung verlaufende, flächenhafte thermische Strahlungsschilde vorgesehen, welche aus metallischen Flächen und Superisolation bestehen. Durch diese Schilde sind die Stützen in Kraftübertragungsrichtung thermisch unterteilt.

Es wurde jedoch festgestellt, daß diese bekannten Kraftübertragungsvorrichtungen, insbesondere auch die mit A-förmigen Stützen, nur eine verhältnismäßig geringe Knickfestigkeit aufweisen. Um ein Ausknicken der belasteten Stützen zu verhindern, müssen folglich die Stützen der bekannten Kraftübertragungsvorrichtungen einen ausreichend großen Materialquerschnitt haben. Dies führt jedoch zu entsprechend hohen Verlusten durch Wärmeeinleitung auf die tiefstgekühlten Teile der Speichereinrichtung und somit zu einer Verminderung ihrer Wirtschaftlichkeit.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Kraftübertragungsvorrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß mit ihr die in einer supraleitenden Energiespeichereinrichtung auftretenden hohen

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Kräfte sicher nach außen zu übertragen sind und dennoch die thermischen Verluste durch Festkörperwärmeeinleitung über ihren Stützenquerschnitt verhältnismäßig gering sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Stützkörper jeweils mindestens ein kastenförmiges, hohles Stützelement vorgesehen ist und daß das Blech des Wärmeschildes in bekannter Weise mittels eines durch mindestens ein mit ihm thermisch verbundenes Kühlrohr geleiteten Kühlmittels auf einer vorbestimmten Zwischentemperatur gehalten ist.

Die Vorteile dieser Gestaltung der Stützen sind insbesondere darin zu sehen, daß ihre Stützelemente ohne weiteres, beispielsweise auf numerisch gesteuerten Wickel maschinen,vorgefertigt und dann zusammen mit den KühltCachen der Wärmeschilde auf einfache Weise zu der gesamten Stütze zusammengesetzt werden können. Ihr wärmeleitender, im Hinblick auf die zulässigen Druck-, Zug- und Schubspannungen dimensionierter Stützenquerschnitt ist dabei verhältnismäßig klein. Außerdem kann an der oder den Wärmeschilden ein Großteil des über die Stütze übertragenen Wärmestromes von einem entsprechenden Kühlmittel abgeführt werden. Die thermischen Verluste durch Festkörperwärmeeinleitung lassen sich somit auf ein verhältnismäßig geringes Maß begrenzen. Da ferner zwischen den einzelnen Teilen der Stützen großflächige Verbindungen, beispielsweise durch Kleben, geschaffen werden können, sind auch große Schubkräfte über die Stützen zu übertragen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Stützen der Kraftübertragungsvorrichtung nach der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung verwiesen, in deren Fig. 1 ein Ausführungsbespiel einer Stütze einer Kraftübertragungsvorrichtung nach der Erfindung schematisch dargestellt ist. In den Fig. 2 und 3 sind Teile dieser Stütze näher veranschaulicht. In Fig. 4 ist eine typische Kraftbelastung einer solchen Stütze angedeutet. Die Fig. 5 und 6 zeigen weitere Ausbildungsmöglichkeiten von Stützen einer Kraftübertragungsvorrichtung nach der Erfindung bzw. von deren Stützelementen.

Die in Fig. 1 in Schrägansicht gezeigte, allgemein mit 2 bezeichnete Stütze soll zur Kraftübertragung zwisehen einer in der Figur nicht ausgeführten, tiefstzukühlenden supraleitenden Magnetwicklung einer Energiespeichereinrichtung und einem nicht dargestellten, etwa auf Raumtemperatur liegenden, kraftaufnehmenden Abstützungskörper dienen. Dieser kraftaufnehmende Ab-Stützungskörper kann insbesondere Felsgestein sein. Die Kraftübertragungsrichtung ist dabei zumindest annähernd radial bezüglich einer der Magnetwicklung zuzuordnenden Achse. In einer Energiespeichereinrichtung wird jedoch die Stütze nicht nur durch in dieser Richtung verlaufende, somit radiale Kraftkomponenten belastet; sondern es treten noch weitere Kraftkomponenten auf. Die im Betriebsfall auf die Stütze einwirkende, durch einen Pfeil 3 veranschaulichte Gesamtkraft wirkt somit nicht unbedingt in der radialen Kraftübertragungsrichtung, sondern kann auch einen Winkel mit dieser Richtung bilden. Die an der Magnetwicklung anliegende Seite der Stütze ist mit 4 bezeichnet und befindet sich somit auf Tiefsttemperatur von beispielsweise 1,8 K, während ihre gegenüberliegende Seite 5 an dem Abstützungskörper anliegt und sich somit etwa auf Raumtemperatur von beispiels-

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weise 300 K befindet. Die Stütze 2 der Kraftübertragungsvorrichtung hat bei einem Schnitt parallel zur Kraftübertragungsrichtung eine trapezförmige Gestalt, wobei die Grundseite des Trapezes von der Seite 5 und die gegenüberliegende Deckseite von der Seite 4 gebildet werden. Sie ist aus drei in Kraftübertragungsrichtung hintereinander angeordneten Stützkörpern zusammengesetzt, die von Paaren von Stützelementen 6, 7 bzw. 8, 9 bzw. 10, 11 mit entsprechenden Querschnittsformen gebildet sind und von denen ein Element, beispielsweise das Element 7, in Fig. 2 näher veranschaulicht ist. Als Stützelemente sind erfindungsgemäß kastenförmige Hohlprofilkörper vorgesehen, deren durchgehenden Hohlräume 12 sich senkrecht zur Kraftübertragungsrichtung erstrecken. Die Breite b^ der trapezförmigen Querschnitte ist dabei auf der dem kraftaufnehmenden Abstützungskörper zugewandten Seite größer als die Breite bp auf der kalten, der Magnetspule zugewandten Seite. Die Ausdehnung h der Stützelemente senkrecht zur Kraftübertragungsrichtung und senkrecht bezüglich der trapezförmigen Querschnittsflächen ist wesentlich größer als die Breiten b₁ und b₂ oder auch als die Ausdehnung a der die Schenkel des Trapezes bildenden Seiten. Wie aus der Darstellung der Fig. 2 ferner hervorgeht, können die einzelnen hohlen, kastenförmigen Stützelemente vorteilhaft noch mit mehreren ebenfalls trapezförmigen Versteifungsrippen 13 versehen sein, die rahmenartig an den Innenwänden der die Stützelemente bildenden Hohlprofilkörper formschlüssig befestigt sind. Mit diesen Versteifungsrippen wird ein Ausbeulen der Hohlprofilkörper bei Druckbelastung verhindert.

Als Material für die Stützelemente 6 bis 11 sowie die Versteifungsrippen 13 wird vorteilhaft ein glasfaserverstärkter Kunststoff, insbesondere eine Epoxidmatrix

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mit eingelagerten Glasfasersträngen vorgesehen. Gegebenenfalls kann auch eine Matrix aus einem Polyester verwendet werden.

Innerhalb der Stütze 2 sind jeweils zwei gleiche Stützelemente 6, 7 bzw. 8, 9 bzw. 10, 11 formschlüssig an einer ihrer Breitseiten zu einem festen Stützkörper zusammengefügt. So sind beispielsweise die Stützelemente

6 und 7 an ihrer einen Schenkel des Trapezes darstellenden Seite 14 miteinander flächig verbunden. Die Verbindung zwischen den Stützelementen kann vorteilhaft durch Kleben erfolgen.

Ferner enthält die Stütze 2 der Kraftübertragungsvorrichtung vorteilhaft einzelne Wärmeschilde, die in bekannter Weise auf vorbestimmten, konstanten Temperaturniveaus gehalten werden. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind zwei Wärmeschilde 15 und 16 vorgesehen, die beispielsweise von einem oder auch mehreren Kühlmitteln auf etwa 10 K bzw. 70 K gehalten werden. Diese Wärmeschilde sind zwischen den Stützelementpaaren 6,

7 und 8, 9 und 10, 11 angeordnet. Die Gestaltungsform dieser Wärmeschilde, z.B. des Wärmeschildes 15, geht aus Fig. 3 näher hervor. Der Schild besteht beispielsweise aus einem gefalzten, flachen Doppelblech 17 aus einem thermisch gut leitenden Material wie Kupfer, das längs seiner Mittellinie ein Kühlrohr 18 umschließt, durch das ein Kühlmittel vorbestimmter Temperatur hindurchgeführt werden kann. Die durch das Kühlrohr 18 gebildete Wulst 19 längs der Mittellinie des Wärmeschildes 15 füllt innerhalb der Stütze 2 gerade den zwischen den Längskanten benachbarter Stützelemente ausgebildeten, zwickelartigen Hohlraum aus, so daß benachbarte Paare von Stützelementen großflächig an den WärmeSchilden anliegen können. Die beiden äußeren Wülste 20 und 21 der

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Wärmeschilde müssen deshalb außerhalb der Verbindungsflächen 22 und 23 zwischen den Wärmeschilden und den Stützelementen liegen. Die Kühlbleche der Wärmeschilde können vorteilhaft mit glasfaserverstärktem Kunststoff umwickelt sein, so daß bei der Montage der Stütze 2 aus den einzelnen Stützelementpaaren und den Wärmeschilden die Kühlbleche leicht und mit ausreichender Haftung mit den Schmalseiten der Stützelementpaare zu verkleben sind.

Gemäß einem konkreten Ausführungsbeispiel der in Fig. 1 gezeigten Stütze 2 aus mit Glasfasern verstärktem Epoxid hat die gesamte Stütze in Richtung senkrecht zur Kraftübertragungsrichtung eine Höhe h von etwa 3,8 m. Sie ist auf 4er Raumtemperaturseite 5 etwa 40 cm breit, d.h. die Breite b₁ der Stützelemente 6 und 7 beträgt jeweils etwa 20 cm. Auf der Tieftemperaturseite 4 hingegen ist die Stütze nur etwa 20 cm breit, d.h. die entsprechenden Schmalseiten der Stützelemente 10, 11 haben jeweils eine Breite b₂ von etwa 10 cm. Die Länge in Kraftübertragungsrichtung beträgt etwa 1,2 m, wobei die Ausdehnung a der Breitseiten 14 der einzelnen Stützelemente in Kraftübertragungsrichtung etwa 40 cm beträgt. Mit einer solchen Stütze lassen sich die in Fig. 4 angedeuteten Kräfte übertragen, ohne daß ein Ausknicken der Stütze zu befürchten ist. Die in der Figur auf die in Seitenansicht angedeutete Stütze 2 einwirkenden, durch Pfeile 25 veranschaulichten Kräfte sind für eine Energiespeichereinrichtung mit supraleitenden Magnetwicklungen der eingangs genannten Größenordnung typisch. Die durch einen Pfeil 3 wie in Fig. 1 angedeutete Gesamtkraft kann beispielsweise etwa 2 · 10' Newton betragen, während ihre einzelnen, durch Pfeile 25 veranschaulichten Kraftkomponenten etwa zwi-

sehen 5 · 10⁵ und 1,5 · 1Q⁶ Newton groß sind.

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Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wurde angenommen, daß die Stützen der Kraftübertragungsvorrichtung nach der Erfindung jeweils Paare, durch Wärmeschilde voneinander getrennte Stützelemente enthält. Gemäß dem in Fig. 5 in Schrägansicht dargestellten Ausführungsbeispiel einer Stütze 2£ können jedoch ihre Stützkörper auch nur einzelne, in Kraftübertragungsrichtung hintereinander angeordnete Stützelemente 28, 29 und 30 sein. Diese Stützelemente bestehen jeweils aus kastenförmigen Hohlprofilkörpern mit trapezförmigem oder auch rechteckigem Querschnitt und sind durch Wäimeschilde 31 und 32 voneinander getrennt. Bei dieser Ausführungsform verlaufen vorteilhaft die mit den Blechen 33 und 34 dieser Wärmeschilde verbundenen Kühlrohre und 36 außerhalb der Stütze 27_, um so ein flächiges Anliegen und Verkleben der einzelnen Stützelemente und der Kühlbleche gewährleisten können. Gemäß dem in dieser Figur dargestellten Ausführungsbeispiel sind jeweils zwei Kühlrohre 35 und 36 vorgesehen, wobei durch die Rohre 35 ein Kühlmittel mit einer Temperatur von beispielsweise 10 K und durch die Kühlrohre 36 ein Kühlmittel mit einer Temperatur von beispielsweise 70 K hindurchgeleitet wird.

Aufgrund des Zusammensetzens der Stützen der Kraftübertragung svorrichtung nach der Erfindung aus einzelnen Stützelementen läßt sich eine weitgehende Anpassung der Stützen an die auf sie einwirkenden Kräfte vornehmen. Diese Kräfte sind nicht nur Druckkräfte, sondem auch Zug- und Schubkräfte. So kann beispielsweise gemäß dem in Fig. 6 in Schrägansicht dargestellten Ausführungsbeispiel ein Stützelement 38 der Stütze einer Kraftübertragungsvorrichtung nach der Erfindung auch an eine Schubbelastung angepaßt sein. Die dabei auftretenden Schubkraftkomponenten sind durch einzelne

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Pfeile 39 angedeutet. Bei einer solchen Belastung der Stützelemente wird ihr kastenförmiger Hohlprofilkörper zweckmäßig mit Versteifungsrippen 40 versehen, die schräg bezüglich der Richtung der Kräfte an den Innenwänden des Hohlprofilkörpers angebracht sind. Wie ferner der Figur zu entnehmen ist, können vorteilhaft auch die das Matrixmaterial, beispielsweise das Epoxid- oder Polyester-Material, versteifenden Glasfaserstränge 41 entsprechend schräg in den Wänden des Hohlprofilkörpes angeordnet sein.

8 Patentansprüche
6 Figuren

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Zusammenfassung Vorrichtung zur Übertragung großer Kräfte

Eine Vorrichtung zur Übertragung großer Kräfte zwischen einer tiefstgekühlten, supraleitenden Magnetwicklung und einem auf höherem Temperatürniveau liegenden, kraftaufnehmenden Abstützungskörper, insbesondere einer Energiespeichereinrichtung, enthält Stützen mit mehreren in Kraftübertragungsrichtung hintereinander angeordneten, zumindest teilweise durch ein als Wärmeschild dienendes Blech thermisch unterteilten Stützkörpern. Diese Kraftübertragungsvorrichtung soll eine hohe Knicksteifigkeit aufweisen und dennoch geringe thermische Verluste durch Wärmeübertragung bewirken. Die Erfindung sieht hierzu vor, daß als Stützkörper jeweils mindestens ein kastenförmiges, hohles Stützelement (6 bis 11) vorgesehen ist und daß das Blech (17) des Wärmeschildes (15, 16) in bekannter Weise mittels eines durch mindestens ein mit ihm thermisch verbundenes Kühlrohr (18) geleiteten Kühlmittels auf einer vorbestimmten Zwischentemperatur gehalten ist. Vorteilhaft können die Einzelteilte der Stützen (2) großflächig miteinander verklebt sein.

FIG 1

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

MJ Vorrichtung zur Übertragung großer Kräfte zwischen einer tiefstgekühlten, supraleitenden Magnetwicklung und einem auf höherem Temperaturniveau liegenden, kraftaufnehmenden Abstützungskörper, insbesondere einer Energiespeichereinrichtung, deren Stützen mehrere in Kraftübertragungsrichtung hintereinander angeordnete, zumindest teilweise durch ein als Wärmeschild dienendes Blech thermisch unterteilte Stützkörper enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß als Stützkörper jeweils mindestens ein kastenförmiges, hohles Stützelement (6 bis 11; 28 bis 30; 38) vorgesehen ist und daß das Blech (17; 33, 34) des Wärmeschildes (15, 16; 31, 32) in bekannter Weise mittels eines durch mindestens ein mit ihm thermisch verbundenes Kühlrohr (18; 35, 36) geleiteten Kühlmittels auf einer vorbestimmten Zwischentemperatur gehalten ist.
2. Kraftübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dur^h Stützelemente (6 bis 11; 28 bis 30; 38), die senkrecht zur Kraftübertragungsrichtung langgestreckt gestaltet sind und deren Hohlräume (12) sich in dieser Richtung erstrecken.
3. Kraftübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützelemente (6 bis 11; 28 bis 30; 38) eine rechteckige oder trapezförmige Querschnittsfläche bei einem Schnitt parallel zur Kraftübertragungsrichtung haben.
4. Kraftübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der hohlen Stützelemente (7; 38) Versteifungselemente (13; 40) angebracht sind (Fig. 2 und 6;

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5. Kraftübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Stützelemente (6 bis 11; 28 bis 30; 38) und gegebenenfalls Versteifungselemente (13; 40) aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff.
6. Kraftübertragungsvorrichtung nach Anspruch 5» gekennzeichnet durch Stützelemente (6 bis 11; 28 bis 30; 38) und gegebenenfalls Versteifungselemente (13; 40) aus mit Glasfasern verstärktem Epoxid.
7. Kreftübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch mit Glasfasar verstärkern Kunststoff umwickelte Kühlbleche (17; 33, 34) als ¥ärm&Schilde (15, 16; 31, 32).

^Q= Kraftübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelteile der Stützen großflächig miteinander verklebt sind.

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