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Infos zum Einfluss von Seiten-, Sturz- und Bruestungsleibungsplatten
auf die Statik und Konstruktion von VHF-Systemen
Allgemeines
Insbesondere bei Bekleidungen aus Naturwerkstein und Betonwerkstein ist es uebliche
Praxis, die Leibungsgplatten an einer Fassadenplatte (Mutterplatte, Verankerungsplatte)
zu befestigen. Eine solche Loesung hat erhebliche Konsequenzen auf die Konstruktion
und die statische Nachweisfuehrung des gesamten VHF-Systems. Der Leibungseinfluss
ist fuer folgende Nachweisbereiche zu untersuchen:
Leibungsplatte + Befestigung
Mutterplatte + Befestigung (z.B. HS-Anker, Agraffen)
Komponenten der UK + Verbindungen
Verankerung Festpunkt und Gleitpunkte
In den VHF-Webservices (Naturwerkstein, Betonwerkstein) sind folgende Leibungsoptionen
integriert:
Seitenleibungsplatte einseitig
Seitenleibungsplatten beidseitig
Sturzleibungsplatte
Bruestungsleibungsplatte
Kombinationen von Sturz/Bruestungs- und Seitenleibungen sind extern zu untersuchen.
Bei Seitenleibungsplatten wird als Hoehe die Hoehe ly der Mutterplatte angesetzt.
Die Laenge einer Sturzleibung ist gleich der Breite lx der Mutterplatte.
Die realitaetsnahe Modellierung des Kraftflusses und der Beanspruchung der Leibungsplatte
und deren Befestigung gehoeren zu den ingenieurtechnisch anspruchvollsten und aufwaendigsten
Aufgaben im VHF-Kontext. Dies ist begruendet in den zu untersuchenden Lastfaellen
(Eigenlast, Windlast, Temperatur bzw. Zwang) und Lastkombinationen, die mit diversen
Exzentrizitaeten fuer den jeweiligen Nachweis auftreten.
Die folgenden Ausfuehrungen vermitteln prinzipielle Grundlagen, Zusammenhaenge und
Loesungsansaetze.
Befestigungsarten von Leibungsplatten
STEIN [01] beschreibt in seinem Fachbuch sehr ausfuehrlich das Thema "Leibungsplatten", sodass
hier nur kurz eine Uebersicht angeboten wird.
Im Wesentlichen sind in der Praxis folgende Befestigungsarten in der Anwendung:
Klammern
Doppelklammern
Knotenbleche, Seitenbleche
Rahmenanker, Rahmenwinkel, Fachwerkanker
Innenwinkel, Einzelwinkel
Innenwinkel, Winkelschienen
Die Winkelbefestigungen koennen mit Steckdornen oder Hinterschnittankern ausgefuehrt werden.
In den ibh VHF-Webservices stehen Einzelwinkel und Winkelschienen mit Hinterschnittduebeln
entsprechend der Zulassungen im Mittelpunkt.
Befestigung von Leibungsplatten mit einzelnen Innenwinkeln
Hier sind prinzipiell zwei Varianten moeglich:
Ungleiche Winkel (Tragwinkel und Haltewinkel)
Gleiche Winkel (schwimmende Lagerung)
Bei der Anwendung von ungleichen Winkeln wird dem Tragwinkel das gesamte Eigengewicht
zugewiesen. Die Windlast wird auf beide Winkel aufgeteilt. Das Problem des Temperaturzwanges
soll durch einen "verformungsweichen" Haltewinkel (siehe Bild, oberer Winkel) umgangen werden.
Dies setzt allerdings die Kenntnis der unterschiedlichen Querzugsteifigkeiten von Halte- bzw.
Tragwinkel voraus. Eine einfache Schenkelverdrehung und Deklaration zum Haltewinkel ist nicht
ausreichend und kann sogar dazu fuehren, dass der Haltewinkel zum Tragwinkel wird.
Aus diesen Gruenden wird in den VHF-Webservices und in der vorliegenden INFO grundsaetzlich
mit gleichen Winkeln (schwimmende Lagerung) gearbeitet.
Fuer die Beherrschung der Zwangschnittgroessen spielt auch hier die Querzugsteifigkeit eine
massgebende Rolle. Allerdings werden dann alle Schnittgroessen in eindeutiger Zuordnung auf
beide Winkel aufgeteilt.
Steifigkeiten von Winkelbefestigungen
Statisch gesehen sind die Leibungsplatten und deren Befestigung mehrfach statisch unbestimmte
raeumliche Systeme. Fuer die Nachweise der Zwangbeanspruchung und letzlich der Interaktion
von Querzug und zentrischem Zug ist die Kenntnis des Formaenderungsverhaltens, also der massgebenden
Steifigkeiten von Bedeutung.
Hier spielen folgende Teilsteifigkeiten eine Rolle:
Querzugsteifigkeit der Winkel
Biegesteifigkeit der Winkel nach innen
Biegesteifigkeit der Winkel nach aussen
Federsteifigkeit des Befestigungsmittels (HS-Anker)
Versuche zu Biegesteifigkeiten von Alu- und Stahlwinkeln werden in [01] zitiert.
Hier wird auch die Federsteifigkeit eines HS-Ankers angegeben mit
CB = 8 MN/m
Fuer die Ermittlung der wirksamen Schenkellaenge (Hebelarm zx der Ankerzugkraft, siehe unten) wird
eine bezogene Federsteifigkeit eingefuehrt:
VC = CB / a [MN/m2]
a = Winkelbreite [m]
Die massgebende Steifigkeit, die direkt in die Ermittlung der Zwangzugkraft eingeht, ist die
Querzugsteifigkeit Cq der Winkel. Die beste Methode fuer die Ermittlung konkreter realer
Werte ist die Durchfuehrung von Versuchen durch zertifizierte Pruefinstitute.
In den Regelwerken (Zulassungen) und der Fachliteratur werden unterschiedliche Naeherungsansaetze
definiert. In ETA-06/0253 darf z..B. angesetzt werden:
Cq = 1.2 MN/m (max. Cq = 2.5 MN/m nach [02, 04])
wenn bestimmte Winkeldicken und Winkelbreiten eingehalten werden.
STEIN [01] gibt folgende Naehungsformeln fuer Alu und Edelstahl an:
Stahl: Cq = (100 + 1.7 * (a -40)) * t
Alu: Cq = (95 + 1.6 * (a -40)) * t
a = Winkelbreite [mm]
t = Winkeldicke [mm]
Um die Beanspruchungen und die Formaenderungen der Leibungswinkel in Grenzen zu halten,
sind in den Zulassungen Kennwerte bzw. Grenzabmessungen festgelegt:
In den VHF-Webservices sind alle Optionen verfuegbar:
Querzugsteifigkeit aus Eingabe (aus Versuchen)
Querzugsteifigkeit Cq = 1.2 MN/m nach [02] (mit Check Winkelabmessungen)
Querzugsteifigkeit aus Naeherungsformeln nach [01]
Bei langen Leibungsplatten und steifen Winkeln koennen grosse Zwangschnittgroessen auftreten, die
zum massgebenden Bemessungsfall werden.
Insofern sind die moeglichst genaue Kenntnis von Cq und evtl. Parameterstudien mit den Webdiensten
von grosser Bedeutung.
Lasten, Kraefte und Momente an einer Leibungsplatte mit Innenwinkelbefestigung
(Einzelwinkel)
Hinweise:
- Die folgenden Zustaende A bis E sind zwingend im Zusammenhang zu sehen.
Es erfolgt eine Entwicklung von den Basislasten bis hin zu den massgeb. Bemessungswerten.
- Momente in Halbkreisdarstellung wirken in der Betrachtungsebene
- Momente in Doppelpfeildarstellung generieren Kraefte senkrecht zur Betrachtungsebene
- in allen Zustaenden wird die Situation in drei Ansichten dargestellt:
==> Ansicht auf die Flaeche der Leibungsplatte
==> Ansicht auf die beiden Stirnseiten der Leibungsplatte
- Kraefte senkrecht zur Betrachtungsebene werden in der jeweiligen Ansicht nicht dargestellt
- Bei den Bemessungswerten wird, durch Komma getrennt, die jeweilige Ursache der Bemessungsgroesse mitgefuehrt
Beispiele:
NSd,FG2 ==> Bemessungswert zentr. Zugkraft infolge des Eigenlastanteils FG2
NSd,MSd ==> Bemessungswert zentr. Zugkraft infolge des resultierenden Momentes MSd
Seitenleibung, Einzelwinkel
Zustand A:
Gesamtlasten (Kraefte) an der Leibungsplatte
Seitenleibung, Einzelwinkel
Zustand B:
Kraefte und Momente am Winkel
Seitenleibung, Einzelwinkel
Zustand C:
Kraefte und Momente am HS-Anker (Nachweispunkt)
Seitenleibung, Einzelwinkel
Zustand D:
Bemessungswerte Lastkombination LK 1 (Wind = Haupteinwirkung)
Seitenleibung, Einzelwinkel
Zustand E:
Bemessungswerte Lastkombination LK 2 (Temperatur = Haupteinwirkung)
Sturzleibung, Einzelwinkel
Zustand A:
Gesamtlasten (Kraefte) an der Leibungsplatte
Sturzleibung, Einzelwinkel
Zustand B:
Kraefte und Momente am Winkel
Sturzleibung, Einzelwinkel
Zustand C:
Kraefte und Momente am HS-Anker (Nachweispunkt)
Sturzleibung, Einzelwinkel
Zustand D:
Bemessungswerte Lastkombination LK 1 (Wind = Haupteinwirkung)
Sturzleibung, Einzelwinkel
Zustand E:
Bemessungswerte Lastkombination LK 2 (Temperatur = Haupteinwirkung)
Ermittlung von Zugkraeften auf die Anker aus Momentenwirkung
Teil 1 Hebelarm zx
Beim Anschluss einer Leibungsplatte an eine Mutterplatte ist jede Last (Eigengewicht, Wind, Temperatur)
mit speziellen Exzentrizitaeten gekoppelt. Diese Exzentrizitaeten generieren Momente und damit Zug- bzw.
Druckkraefte. Die Groesse der Kraefte ist massgebend abhaengig vom inneren Hebelarm. Dieser
wiederum wird beeinflusst von der Steifigkeit und Geometrie des Winkels, von der Federsteifigkeit des
HS-Ankers und vom Ansatz der Druckverteilung (Druckzone).
Auch hier bietet [01] praktikable Naeherungsloesungen fuer den Ansatz einer wirksamen Schenkellaenge.
Bzgl. der Hebelarmlaenge wird in der Praxis der Faktor (5/6) angewendet.
Ermittlung von Zugkraeften auf die Anker aus Momentenwirkung
Teil 2 Biegung, Doppelbiegung
Ein in der vorliegenden Leibungsthematik absolut massgebendes Problem ist der Ansatz von Zugkraeften aus
einer Biegewirkung in zwei Richtungen (Doppelbiegung). Traditionelle Ansaetze betrachten die Biegerichtungen
einzeln und separat, ermitteln die Zugkraefte aus jedem Moment und ueberlagern diese zu einer Gesamtzugkraft
fuer den Nachweis des Befestigungsmittels.
Dieser Ansatz liegt auf der sehr sicheren Seite (ca. Faktor = 2), was bei vielen Leibungsplatten keine
Nachweisfuehrung der zentrischen Zugkraft bzw. der Interaktion moeglich macht !
Der realere Ansatz, der in den VHF-Webservices benutzt wird, ist die geometrische Ueberlagerung der
Momente in jede Richtung. Aus dem resultierenden Moment wird dann die massgeb. Zugkraft fuer
die Nachweisfuehrung ermittelt.
Bei Einzelexzentrizitaeten (Einzelmomente, einfache Biegung) spielt die Wahl des Ansatzes keine Rolle.
Eckabbruch Leibungsplatte und Fassadenplatte
Infolge der Kraefte am Leibungswinkel ist bei der Leibungsplatte und Fassadenplatte der
Nachweis gegen Eckabbruch zu fuehren. Das massgebende Biegemoment MSd kann extern
mit FEM oder mit Naeherungsansaetzen nach den entspr. Zulassungen ermittelt werden.
Nach [02] oder [04] ist z.B. folgende vereinfachte Ermittlung moeglich:
MSd = alpha5 * NSd
alpha5 = 0.575 - (1.5 * br) >= 0.2
br = brH bei Seitenleibung
br = brL bei Sturzleibung
NSd = Bemessungswert der massgeb. Ankerkraft (siehe oben Zustaende D und E)
sigmaSd = 6 * MSd / (d*d)
d = Dicke Leibungsplatte bzw. Fassadenplatte
Nachweis: sigmaSd / sigmaRd <= 1
Der Momentenbeiwert alpha5 wurde empirisch ermittelt und ist quasi als Hebelarm zu interpretieren.
Wie oben dargestellt, hat die aufwaendige Ermittlung von NSd ueber die Doppelbiegungsansaetze
auch direkten Einfluss auf den Eckabbruch. Die Gefahr des Eckabbruchs ist zu untersuchen
fuer die NSd-Werte der massgeb. Lastkombinationen LK1 und LK2.
Vergleichsberechnungen zeigen, dass der klassische Ansatz der Ueberlagerung der Zugkraefte
aus den Einzelmomenten auch beim Eckabbruch in vielen Faellen zu einer unrealen
Ueberschreitung der Biegezugspannungen fuehrt.
Einfluss von Leibungsplatten auf die Biegemomente der Fassadenplatte
Die Basismomentenanteile einer Fassadenplatte entstehen aus den Windlasten und aus
Montagezwaengungen (bei gleichmaessiger Lagerung). Naeherungsformeln hierzu in [02, 04].
Wenn Leibungsplatten an der Fassadenplatte befestigt sind, muessen Zusatzmomente infolge
der Eigenlast der Leibung und der Windlast auf die Leibung beruecksichtigt werden.
Massgebendes Kriterium fuer die Groesse der Zusatzmomente ist die Lagerung der Fassadenplatte:
Gleichmaessige Lagerung
Ungleichmaessige Lagerung
In den entspr. Zulassungen z.B. [02, 04] sind die Lagerungsarten und die Berechnungsansaetze
fuer die Zusatzmomente definiert und in den folgenden Grafiken zitiert.
Ermittlung der Biegemomente der Leibungsplatten
Leibungsplatten sind 2-punktgestuetzte Tragsysteme mit zweiachsiger Tragwirkung.
Realitaetsnahe Momentenwirkungen sind i.d.R. nur mit FEM-Programmen zu ermitteln.
In der Praxis sind Naeherungsansaetze im Gebrauch, die folgende Modelle
zugrunde legen:
Ansatz Biegebalken parallel zur Fassadenebene
Ansatz Kragarm senkrecht zur Fassadenebene
In Abhaengigkeit der Hauptgeometrie der Leibungsplatte und der Lage der
Befestigungspunkte dominiert die Balken- oder Kragwirkung bei der Ermittlung
des massgebenden Biegemomentes. Bei grossen Auskragungen (Breiten) ist gegenueber
stabfoermigen Kragarmen mit bis zu 4- oder 5-fach erhoehten Momenten zu rechnen !
Das max. Biegemoment fuer die Nachweisfuehrung ist massgeblich von folgenden
Parametern abhaengig:
Belastung (Seitenleibung: Windlast, Sturzleibung: Windlast+Eigenlast)
Laenge LL der Leibungsplatte
Breite BL der Leibungsplatte
Abstand der Befestiger (HS-Anker) von den Stirnseiten
Nach [02, 04] sind bei Sturzplatten fuer die Momentenermittlung die Eigengewichtslasten
um den Faktor 1.4 zu erhoehen.
Bei FEM-Berechnungen sind infolge der Sigularitaeten am Auflager die Momente abhaengig
vom Abstand des Bemessungspunktes vom Auflagerpunkt (siehe folgende Bilder).
Fuer duenne Fassadenplatten (z.B. 8 ... 12 mm Faserzement) wird in den Zulassungen
ein Bemessungsabstand = 5 * Plattendicke vorgeschlagen.
Bzgl. der dickeren Natur- und Betonwerksteinplatten existieren hierzu keine Angaben.
Der Autor schlaegt einen Bemessungsabstand = 1.5 ... 2.5 * Plattendicke vor.
Nach diversen FEM-Vergleichsberechnungen wird in den ibh VHF-Webservices mit
folgenden Naeherungsansaetzen gearbeitet (Korrelation mit der Gesamtlast der Leibungsplatte q * BL * L):
Fuer LL/LB >= 4:
max. ML = (q * LA * LA / 8 - (q * br*br / 2) * kML [kNm/m]
q = Flaechenlast Leibungsplatte (Wind, Eigenlast) [kN/m2]
LA = Abstand der Ankerpunkte [m]
br = Randabstand Anker in Richtung Biegebalken [m]
kML = extern ermittelter Anpassungsfaktor als Eingabewert im Webservice
Fuer LL/LB < 4
max. ML = 1.2 * q * BL * BL * LL * kML [kNm/m]
q = Flaechenlast Leibungsplatte (Wind, Eigenlast) [kN/m2]
BL = Breite Leibungsplatte [m]
LL = Laenge (Hoehe) Leibungsplatte [m]
kML = extern ermittelter Anpassungsfaktor als Eingabewert im Webservice
kMl = 1.0 = Standardwert = Nutzung vorgeschlagene Naeherung
(mit kML kann jede genauere Ermittlung des Momentes, z.B. FEM, Versuche) in die VHF-Dienste integriert werden.
Beispiel FEM-Berechnung Leibungsplatte:
q = 1.0 kN/m2
LL = 1000 mm
BL = 500 mm
LL/BL = 2
Randabstand V-Stirn / HS-Anker = 40 mm
Randabstand HZ-Stirn / HS-Anker = 300 mm
dL Plattendicke = 30 mm
FEM-Raster = 20 mm
==> Naeherungsansatz max. M = 1.2 * 1.0 * 1 * 0.5 * 0.5 = 0.3 kNm/m
Traglast der Leibungswinkel
Die Leibungswinkel bzw. Winkelschienen erhalten aufgrund der Exzentrizitaeten der massgeb.
Lasten eine Beanspruchung auf Doppelbiegung.
Es sind demnach Traglasten infolge Biegung, Querzug und Interaktion zu untersuchen. Uebliche
Ansaetze ueber die Widerstandsmomente von Rechteckquerschnitten (Winkelbreite, Winkeldicke)
bilden das reale Tragverhalten nur ungenuegend ab. Dies betrifft insbesondere die oft
benutzten gefalteten bzw. in der Winkelecke fachwerkartig strukturierten Tragwinkel aus
Aluminium oder Edelstahl. Hier ist die experimentelle Ermittlung von Bruchmomenten
und die Eingabe in den Webservice die beste Loesung.
In [01] sind die folgenden empirisch ermittelten Naeherungsformeln angegeben, die optional
auch in den Webservices fuer den Traglastnachweis der Leibungswinkel angewendet
werden koennen.
Traglast infolge Biegung:
MU,B = c * fy,k * a * t * t [kNm]
MU,B = Bruchmoment [kNm]
c = Konstante = 0.335 fuer Edelstahl
c = Konstante = 0.271 fuer Aluminium
t = Winkeldicke
a = Winkelbreite, mitwirk. Breite bei Winkelschienen
fy,k = Streckgrenze = 335.6 N/mm2 fuer Edelstahl (Versuchswerkstoff)
fy,k = Streckgrenze = 171.6 N/mm2 fuer Aluminium (Versuchswerkstoff)
Traglast infolge Querzug:
MU,Q = c * fy,k * a * t * t [kNm]
MU,Q = Bruchmoment [kNm]
c = Konstante = 0.703 fuer Edelstahl und Aluminium
t = Winkeldicke
a = Winkelbreite, mitwirk. Breite bei Winkelschienen
fy,k = Streckgrenze = 335.6 N/mm2 fuer Edelstahl (Versuchswerkstoff)
fy,k = Streckgrenze = 171.6 N/mm2 fuer Aluminium (Versuchswerkstoff)
Interaktion, Bemessungsmodell:
MSd,B / (MU,B/gammaM) + MSd,Q / (MU,B/gammaM) <= 1.0
MSd,B = vorh. Bemessungswert Moment infolge Biegewirkung [kNm]
MSd,Q = vorh. Bemessungswert Moment infolge Querzugwirkung [kNm]
infolge Temperatur deltaT und Eigenlast (abh. von Art der Leibungsplatte)
gammaM = Teilsicherheit Widerstand, i.d.R. gammaM = 1.1
In MSd: Teilsicherheiten gammaQ = 1.5, gammaG = 1.35, gammaT = 1.0
Leibungswinkel und Gebrauchstauglichkeit
Die Leibungswinkel bzw. Winkelschienen werden i.d.R. nach zul. Spannungen oder im Rahmen
des Teilsicherheitskonzeptes mit Bruchmomenten und entspr. Teilsicherheiten bemessen.
Gebrauchstauglichkeitsnachweise (NW GZG), wie Verformungen, Schwingungen, werden auch
nach DIN 18516 nicht gefordert.
Nach [01] sollten in Fassadenbereichen, die fuer Personen zugaenglich sind, Verformungsnachweise
gefuehrt werden. Moegliche Einwirkungen sind z.B.
Anlehnen von Menschen und/oder Leitern
Schwingungsanregungen durch Menschen
Vandalismus
STEIN [01] schlaegt den Ansatz von F = 0.2 kN an beliebiger Stelle einer Leibung vor.
Hieraus ergibt sich folgende Mindestdicke eines Leibungswinkels, die i.d.R. bei
Leibungsbreiten BL >= 200 mm massgebend wird.
In Abstimmung mit dem AG (Bauherr) sollten im EG-Bereich VHF-Nachweise incl. GZG
gefuehrt werden.
Winkelschienen
Neben den Einzelwinkeln fuer die Befestigung der Leibungsplatten koennen unter
bestimmten Bedingungen Winkelschienen von Interesse sein.
Dabei sind folgende Besonderheiten zu beachten:
Bei Seitenleibungen wird die gesamte Eigenlast der Leibung auf einen HS-Anker eingeleitet
Es ist ein Langloch anzuordnen, um die Verformung infolge deltaT = 35 K zu ermoeglichen
Es ist eine mitwirkende Breite am zu definieren bzw. experimentell zu ermitteln
Insbesondere der Wegfall der Zwang-Zugkraft kann bei langen Leibungsplatten guenstig fuer die
Nachweisfuehrung sein. Es ist zwingend dafuer zu sorgen, dass das Langloch die Bewegungsfreiheit
von Mutter- und Leibungsplatte sichert. Fuer den Traglastnachweis der Winkelschiene ist die i.d.R.
groessere mitwirk. Breite am gegenueber der Breite a des Einzelwinkels guenstig.
Die Ansaetze fuer die Kraefte und Versatzmomente infolge Eigenlast und Windlast werden im Webservice
entspr. der Einzelwinkel (Zustaende A bis E) zugrunde gelegt.
Bruestungsleibungsplatten
An der oberen horizontalen Stirnseite einer Fassadenplatte (Mutterplatte) kann mit den
o.g. Einzelwinkeln oder einer Winkelschiene eine Bruestungsleibungsplatte befestigt werden.
Die Beanspruchungen und das Tragverhalten dieses Systems entsprechen der Sturz-
leibungsplatte mit folgenden Besonderheiten:
Zusatzbeanspruchungen infolge Schneelast
Ueberlagerungen der Vertikalwirkungen Eigenlast + Winddruck + Schneelast
Somit ergeben sich drei Lastkombinationen LK 1 bis LK 3 mit der jeweiligen veraenderlichen
Haupteinwirkung und den Kombinationsfaktoren psi0 = 0.5 fuer Schneelast und
psi0 = 0.6 fuer die Windlast.
Bruestungsleibung, Einzelwinkel
Zustand A:
Gesamtlasten (Kraefte) an der Leibungsplatte
Hinweis:
Die Zustaende B bis E der Bruestungsleibungsplatte sind entsprechend der Lastspezifik analog
der Zustaende B bis E der Sturzleibungsplatte anzunehmen.
Literatur
[01] STEIN, A.
Fassaden aus Natur- und Betonwerkstein
Konstruktion und Bemessung nach DIN 18516
Callwey, Muenchen, 2000
[02] Europaeische Technische Zulassung ETA-06/0253
Spezialduebel zur rueckseitigen Befestigung von Fassadenplatten aus
ausgewaehlten Naturwerksteinen nach EN 1469
KEIL Befestigungstechnik
DIBt, Berlin, 05.08.2008
[03] STEIN, A.
Berechnung von Winkelverbindungen mit Steckdornen
Fachbeitrag, Kruft, 2007
[04] Europaeische Technische Zulassung ETA-05/0266
Spezialanker zur rueckseitigen Befestigung von Fassadenplatten aus
ausgewaehlten Naturwerksteinen nach EN 1469
fischerwerke
DIBt, Berlin, 0.12.2009
ibh@windimnet.de