Grundlegende Beurteilung der Anschlussausbildung von optimierten Verbundstützenkonstruktionen bei hochdynamischer Einwirkung durch Nahdetonationen
Final Report Abstract
Die im Forschungsantrag formulierten Ziele konnten alle erreicht werden. Wie an einem repräsentativen Beispiel einer Stützenkonstruktion unter Nahdetonationseinwirkungen mit variabler Intensität exemplarisch dargestellt, gelingt es nicht nur, die Hypothesen aus den vorangegangenen Untersuchungen für standardisierte Verbundstützenkonstruktionen unter realitätsnahen Axialbelastungen zu bestätigen; vielmehr erlauben die Ergebnisse der Optimierungsuntersuchungen eine differenzierte Bewertung der Einflüsse aus den einzelnen Variationsparametern und damit eine zielgerichtete Steigerung der Widerstandsfähigkeit des Bauteils bei gleichzeitiger Reduktion der Beanspruchungen für angrenzende Konstruktionsteile. Den deutlichsten positiven Effekt auf den Bauteilwiderstand gegen Nahdetonationseinwirkungen konnte durch die Variation der Anschlussnachgiebigkeiten erzielt werden. Zudem konnte eine klare Verbindung zwischen dominanten Einwirkungsanteilen und Beanspruchungskonzentrationen hergestellt werden. Die sich als zielführend herausgestellte gelenkige Stützenanbindung am Fußpunkt ist über bekannte Lagerkonstruktionen wie Kalottenlager konstruktiv umsetzbar. Es zeigte sich, dass eine gezielte horizontale Nachgiebigkeit am Fußpunkt für den betrachteten Fall durch eine zu große Umlagerung der Beanspruchungskonzentrationen in den Stützenkopf nicht zielführend ist. Hierbei wurden Nachgiebigkeiten gängiger Lagerkonstruktionen über die Abbildung eines horizontalen Feder-Dämpfer-Systems im Parametermodell analysiert. Das beschriebene Verfahren zur Optimierung ermöglicht den Umgang mit multidimensionalen Parameterräumen von rechenintensiven Modellen, die ein dynamisches und stark nichtlineares Bauteilverhalten aufweisen. Die entstandenen Lösungsstrategien können als wegweisend für andere Optimierungsfragestellungen in Bezug auf komplexe und rechenintensive numerische Modelle gelten. Die Effektivität des gewählten Verbundquerschnitts zeigt sich am deutlichsten bei der Ausbildung der Schubbeanspruchungskonzentration im Bereich des Fußpunktes. Über die Druckeinwirkung auf die Oberfläche des Stahlrohres wird der gesamte Querschnitt aktiviert und bildet über den gesamten Querschnitt plastische Dehnungsanteile aus, die wie zu erwarten in den Flankenbereichen dominant sind. Dieses positive Verhalten ist für Verbundquerschnitte mit üblichen Einstellprofilen in vergleichbarem Maß zu erwarten. Bezüglich der Identifikation konstruktiver Regeln kann u. a. die Wahl eines Verbundquerschnitts mit einer robusten Rohrdicke und die Leistungsfähigkeit üblicher Materialfestigkeiten genannt werden. Bezüglich der Analysestrategie wird deutlich, dass vor allem für die betrachteten Nahdetonationsszenarien mit hohen Einwirkungsintensitäten die Anwendung von detaillierten dreidimensionalen Modellen geboten ist. Für die Überführung der Ergebnisse in Bemessungsansätze wurden zentrale Grundlagen erarbeitet. Es gilt aber weitere noch ungeklärte Fragestellungen wie den Umgang mit Überfestigkeiten des Baustahls zu beantworten. Auch eine deutliche Begrenzung von zulässigen plastischen Dehnungen des Stahls für das hergestellte Bauteil sollte ihm Rahmen einer Bemessung diskutiert werden.
Publications
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(2012): Dynamische Systemantwort des Timoshenko-Balkens unter Impulseinwirkung aus Detonation. In: Stahlbau 81 (5), S. 366–372
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(2012): Dynamische Systemantwort von Balkenmodellen unter impulsartiger Einwirkung aus Detonation. 23. SOFiSTiK-Anwenderseminar 2012. Köln, 2012
Mensinger, M.; Trometer, S.
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(2013): Explosionssimulation - Stahl- und Stahlverbundkonstruktionen in urbaner Umgebung. Münchner Stahlbautage 2013. Hochschule München. München, 2013
Trometer, S.
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(2014): Optimization of Steel-Concrete Composite Columns under Impact from Close-Range Detonations. Eurosteel 2014. Naples, Italy, September 10-12, 2014
Mensinger, M.; Trometer, S.
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(2014): Parameteroptimierung von Verbundstützenkonstruktionen unter Nahdetonationseinwirkung. 19. DASt-Forschungs-kolloquium. Institut für Stahlbau. Leibnitz Universität Hannover. 2014
Trometer, S.; Mensinger, M.
