Gefährdung und Ertüchtigung von Baukonstruktionen hinsichtlich eines progressiven Kollapses des Gesamttragwerks nach einem auslösenden lokalen Versagen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Versagen eines Tragwerkelementes kann zum Versagen eines anderen Elementes desselben Tragwerks führen. Auf diese Weise kann sich das Versagen in Form eines progressiven Kollapses durch große Teile oder die Gesamtheit des Tragwerks fortpflanzen. Ein progressiver Kollaps ist charakterisiert über die Unverhältnismäßigkeit zwischen dem auslösenden Ereignis und dem darauf folgenden ausgedehnten Kollaps. Ziel des Forschungsvorhabens war die Anfälligkeit verschiedener Tragwerke für progressiven Kollaps zu identifizieren und die Grundlagen für eine künftig regelhafte Gewährleistung von Resistenz gegen progressiven Kollaps zu erarbeiten. Zunächst wurden Definitionen für die bisher nicht eindeutig verwendeten Begriffe Robustheit und Kollapsresistenz erarbeitet. Des Weiteren wurde die Herangehensweise zur Herstellung eines kollapsresistenten Tragwerks systematisch beschrieben. Es wurden Aussagen zum Kollapsverhalten drei verschiedener Tragwerke getroffen. Der Focus lag hierbei im letzten Abschnitt des Projekts auf Schrägseilbrücken. Zur Vermeidung eines unverhältnismäßigen Kollapses muss gemäß den Empfehlungen des amerikanischen Post Tensioning Institute (PTI 2007) der Ausfall eines Seils untersucht werden. Das PTI empfiehlt hierzu den Seilausfall in quasi-statischer statischer Rechnung unter Verwendung eines dynamischen Vergrößerungsfaktors zu untersuchen anstelle nichtlinearer dynamischer Zeitverlaufsrechnungen. Der dynamische Vergrößerungsfaktor kann entweder zu 2,0 gewählt werden oder in nichtlinearer dynamischer Rechnung ermittelt werden. Wie eine derartige Ermittlung durchzuführen ist oder welche Annahmen für die dynamische Rechnung zu wählen sind, bleibt jedoch offen. Im Zuge dieses Projekts wurden verschiedene Effekte auf die dynamische Systemantwort nach einem Versagen von Seilen untersucht (vgl. Zwischenbericht). Desweiteren wurden die Grundlagen zur Ermittlung des dynamischen Vergrößerungsfaktors hergeleitet, für eine typische Schrägseilbrücke dynamische Vergrößerungsfaktoren ermittelt und die Grenzen der quasistatischen Methode herausgestellt. Es zeigte sich, dass die Wahl eines Faktors kleiner 2,0 bestenfalls für die Biegemomente des Brückenträgers zulässig ist. Die hohen dynamischen Biegemomente in den Pylonen können mit der vereinfachten quasi-statischen Berechnungsmethode nicht erfasst werden. In einem weitern Schritt wurde das Kollapsverhalten der Schrägseilbrücke untersucht. Hierzu wurden zunächst die kritischen Elemente identifiziert. Es zeigte sich, dass der Ausfall kurzer Seile zu wesentlich geringeren Traglasten führt, als der Ausfall langer Seile. Bei einem Versagen von drei benachbarten kurzen Seilen kommt es zu einer nicht mehr zu stoppenden Kollapsprogression. Ursächlich hierfür sind die hohen Druckkräfte im Brückenträger. Mit dem Ausfall von Seilen erhöht sich die ungestützte Spannweite des Brückendecks. Die Biegebeanspruchungen aus Vertikallasten vergrößern sich durch die Druckkräfte und es kommt schließlich zu einem Spannungsversagen des Brückenträgers. Hohe unausgeglichene Seilkräfte führen schließlich zu einem Biegeversagen der Pylone, was das Totalversagen des Systems bedeutet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2005). "Progressiver Kollaps von Bauwerken.“ Beton- und Stahlbetonbau,
Vol. 100, No. 4, pp. 305-317.
Starossek, U.
- (2005a). “Progressive Collapse: Design Strategies.” IABSE,
IABSE Symposium: Structures and Extreme Events, Lissabon, September 2005
Starossek, U., Wolff, M.
- (2005b). „Design of collapse resistant structures.“ Workshop
paper, JCSS and IABSE Workshop on Robustness of Structures, Building Research
Establishment, Garston, Watford, UK, November 28-29, 2005.
Starossek, U., Wolff, M.
- "Progressive collapse of structures: Nomenclature and procedures."
IABSE, Structural Engineering International, Vol. 16, No. 2, May 2006, 113-117
Starossek, U.
- (2006). „Strategie per il conseguimento della robustezza strutturale:
connessione e compartimentazione (Strategien zur Erzielung von struktureller Robustheit:
Kontinuität und Segmentierung).“ Crolli e Affidabilità delle Stutture Cicili, CRASC’06,
Messina, April 2006
Giuliani, L., Wolff, M.
- (2006a). “Progressive Collapse of Bridges – Aspects of Analysis and
Design.” Invited Lecture, Proceedings, International Symposium on Sea-Crossing Long-
Span Bridges, Korea, Februar 2006
Starossek, U.
- "Typology of progressive collapse." Engineering Structures, Vol. 29,
No. 9, pp. 2302-2307, September 2007.
Starossek, U.
- (2007b). "Progressiver Kollaps von Bauwerken." Betonkalender 2008, Part
VIII, Wiley-VCH, Berlin, November 2007.
Starossek, U.
- (2008). "Measures of structural robustness – Requirements &
applications." Proceedings, ASCE SEI 2008 Structures Congress – Crossing Borders,
Vancouver, Canada, April 24-26, 2008.
Starossek, U.; Haberland, M.
