Verbesserung des Widerstandes von Baukonstruktionen gegen hochdynamische Beanspruchung aus Explosion durch die Verwendung von Vanadiumstahl-Verbundstützen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Es lagen erste Ergebnisse über die höhere Explosionsresistenz von Verbundwänden im Vergleich von Stahlbetonwänden von Astaneh-Asl vor. Zudem berichteten Crawford et al., dass die Widerstandsfähigkeit der Stahlbetonstütze gegen Explosion durch die Ummantelung mit kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff gesteigert werden kann. Es lagen zum Zeitpunkt der Antragstellung weder Ergebnisse über das Verhalten von Stahlstützen und Stahl-Beton-Verbundstützen unter Expolosionsbeanspruchung vor, noch wurden Verstärkungsmassnahmen für die explosionsbeanspruchte Stütze hinsichtlich Querschnittsaufbau, Auflagerbedingung und die Ausbildung von Anschlüssen diskutiert. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden verschiedene Querschnitte, einzellige und mehrzellige Stahl- und Verbundquerschnitte, in Vergleichsanalysen untersucht: Die Veränderung des einzelligen Stahlquerschnitts zum mehrzelligen Stahlquerschnitt verbesserte zwar das Tragverhalten, jedoch halten beide Stützentypen nur vergleichsweise geringer Explosionslast stand. Als maßgebende Versagensmechanismen von Stahlstützen zeigten sich das lokale Aufreissen der Anströmfläche, die sukzessive Reduzierung der intakten Querschnittsfläche, die Exzentrizität der Last aus Eigengewicht und der Einfluss aus geometrisch nichtlinearem Verhalten. Um eine größere Explosionsresistenz zu erreichen, waren weitere Veränderungen des Querschnitts erforderlich. Der ein- und mehrzellige Stahlquerschnitt wurde mit Beton zum Teil oder vollständig verfüllt. Die Explosionsresistenz konnte dadurch um ein Mehrfaches gesteigert werden. Ein wesentlicher Grund hierfür ist die erhöhte Steifigkeit der Anströmfläche, die eine bessere Lastverteilung des Explosionsdrucks ermöglicht. Der vollständig betonierte Verbundquerschnitt zeigte sich als geeigneter als ein Verbundhohlquerschnitt. Bei einem zu großen inneren Hohlraum besteht die Gefahr, dass die Explosionsdruckwelle die Stützenfront durchschlägt. Als hauptsächliche Versagensmechanismen der Verbundstütze wurden definiert: 1. Die Schubspannungskonzentrationen am Fuß der Seitenbleche und der Innensteifen direkt über der Geländeoberkante (GOK), 2. die Spannungskonzentrationen am Fuß der Anströmfläche direkt über der GOK und 3. die geometrische Nichtlinearität Konstruktive Lösungen wurden entwickelt, um diese Überbeanspruchungen und Versagensmechanismen zu verhindern. Ein oktogonaler Verbundquerschnitt wurde als stromlinienfigurierter Querschnitt eingeführt. Dadurch konnte der laterale Lasteintrag deutlich reduziert werden. Eine Erhöhung der Dicke der Stahlbleche im unteren Teil der Stütze brachte eine vergrößerte Schubspannungskapazität. Duktile Auflager und Anschlusskonstruktionen erwiesen sich als sehr effektiv bei der Reduzierung der lateralen Kräfte. In der Studie wurde die Stütze nicht als isoliertes Bauteil betrachtet, sondern in eine Nachbarkonstruktion eingebunden. Zwei konstruktive Lösungen von Stützen mit duktiler Auflagerbedingung wurden vorgestellt. Die vertieft starr angeschlossene Stütze reagierte auf Höhe der GOK, der Position eines hohen reflektierten Drucks, flexibel infolge der Starrkörperverschiebung. Durch Dissipation von elastischer und plastischer Verformungsenergie führte diese Auflagersituation zu wesentlich geringeren Schubspannungen in den Seitenblechen und Innensteifen in Höhe der GOK verglichen mit der auf GOK starr eingespannten Stütze. Als alternative Auflagerung wurde die federgelagerte horizontal verschiebliche Stütze eingeführt. Eine Auswertung der plastischen Dehnungsverteilung zeigte eine deutliche Reduzierung der Schubspannungen in den Seitenblechen und Innensteifen. Die Anwendung von duktilen Auflagern bleibt Neubauten vorbehalten. Das Aufreißen der Anströmfläche direkt über der GOK konnte durch die duktile Auflagerung nicht unterbunden werden. Die Verwendung einer Opferkonstruktion, die vor den lasttragenden Stützenquerschnitt installiert wurde, verhinderte das Aufreissen der Anströmfläche bis zu vergleichsweise hohen Explosionslasten. Als Querschnitt für die Opferkonstruktion dieser Studie wurde ein Stahl-Beton-Verbundquerschnitt gewählt. Die energieabsorbierenden Zellen erwiesen sich als effektiver Schutz der Anströmfläche. Duktile Auflagersituation und Anschlusskonstruktion: Eine nachgiebige Auflagersituation und Anschlusssituation erwies sich in dem Forschungsvorhaben als vielversprechende Idee zur Entwicklung einer Schutztechnologie. Weitergehende numerische und experimentelle Studien sind durchzuführen, um das Potential der duktilen Auflagerung und Anschlußkonstruktion der Stütze an die benachbarte Konstruktion auszunutzen. Weiterführende Forschungen sollten sich mit der Entwicklung und Ausbildung der Auflager und Anschlüsse befassen. Es ist zu empfehlen, auch die Industrie in das Forschungsvorhaben einzubinden, die ihr Know How in der Produktion und in der experimentellen Forschung einbringen könnte, eine ausreichende Anzahl von Prüfkörpern, Stützenlager und Anschlußkonstruktionen für die experimentelle Forschung zur Verfügung stellt, um die numerischen Ergebnisse zu bestätigen. Feuerschutz: Die Explosion eines Sprengstoffs in nächster Nähe kann unter Umständen ein Feuer entfachen. Nach der mechanischen Einwirkung durch die Druckwelle gefährdet das Feuer die vorgeschwächte Konstruktion. Bei hohen Temperaturen reduziert sich die Festigkeit des Stahls, die Axialkapazität der lasttragenden Stützen wird aufgezehrt und der Lastfall Eigengewicht allein kann zum Einsturz führen. Die Untersuchung des Feuerwiderstands von durch die Explosion vorgeschädigten lasttragenden Stützen stellt ein wichtiges und wenig erforschtes Aufgabengebiet dar.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2005) Blast Resistance of Steel and Composite Bridge Piers and Decks. The 76th Shock & Vibration Symposium (SAVIAC), Destin, Florida, October 30-November 3, 2005
Astaneh-Asl, A., Son, J., Rutner, M.
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(2005) Performance of Bridge Decks Subjected to Blast Loads. Tagungsband des 6th - Japanese - German - Bridge - Symposium, 29. August-1. September 2005, München
Son, J., A. Astaneh-Asl and M. Rutner
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(2005) Protection of Bridge Piers Against Blast. Tagungsband des 6th - Japanese - German - Bridge - Symposium, 29. August-1. September 2005, München
Rutner, M., Astaneh-Asl, A., Son, J.
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(2006) Blast Performance of Long Span Cable-Supported Bridge Decks. Tagungsband des IABSE 2006 Symposium, Seite 264-265, 13.-15. September 2006, Budapest
Son, J., Astaneh-Asl, A., Rutner, M.
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(2006) Blast Resistant Performance of Steel and Composite Bridge Piers. Tagungsband des IABSE 2006 Symposium, Seite 264-265, 13.-15. September 2006, Budapest
Rutner, M., Astaneh-Asl, A., Son, J.
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(2006) Der Widerstand von Stahl- und Verbundbrückenpfeilern gegen hochdynamische Beanspruchung bei Explosion. Stahlbau, 75. Jahrgang, Heft 12, Seite 976-982, Ernst und Sohn Verlag, Berlin
Rutner, M.
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(2007) Blast Resistance of Structural Members. Tagungsband des IABSE 2007 Symposium, 19.-21. September 2007, Weimar
Rutner, M.
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(2007) The effect of ductile boundary connection to blast resistance of gravity-bearing columns. Tagungsband des 7th - Japanese - German - Bridge - Symposium, Seite 80-81, 30. Juli- 2. August 2007, Osaka, Japan
Rutner, M., Albrecht, G., Mensinger, M.
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(2008) Stahlkonstruktionen unter Explosionsbeanspruchung. Stahlbaukalender 2008, Hrsg.: Univ.-Prof.-Dr.-Ing. U. Kuhlmann, Kapitel 6, Seite 549-646, Ernst und Sohn Verlag, Berlin
Rutner, M., Gebbeken N., Mangerig, I., Zapfe, O., Müller, R., Wagner, M., Pietzsch, A., Mensinger, M.
