Numerische Simulation und Bemessung praxisrelevanter Sprengvorgänge unter Berücksichtigung von Datenunschärfe
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Ergebnisse des Transferteilprojekts stützen sich auf die Arbeiten der DFG Forschergruppe 500 (FOR500), die 2008 abgeschlossen wurde. Im Rahmen der Forschungsaktivitäten des Teilprojekts wurden Methoden der numerischen Sprengsimulation sowohl auf Basis der Finite Elemente Methode als auch mit Anwendung eines speziellen Mehrkörpersystems und Berücksichtigung der Datenunschärfe entwickelt. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass bei der Sprengplanung fast ausnahmslos ein Informationsdefizit besteht, das als Datenunschärfe mathematisch beschrieben werden kann. Der Gutachterempfehlung folgend, wurden die bereits erarbeiteten Methoden den Partnern aus der Sprengpraxis vorgestellt, um ihre Gebrauchstauglichkeit zu überprüfen. Daraus wurden Erkenntnisse zur Weiterentwicklung der Methoden im Hinsicht auf die Anforderungen der Sprengpraxis sowie Hinweise zur Lösung noch offener Fragestellungen gewonnen. Darüber hinaus war eine benutzerfreundliche Aufbereitung der Methoden, die ihre Nutzung in der alltäglichen Ingenieurtätigkeit ermöglichen würde, eine zentrale Aufgabe. Die o.g. Themen konnten im Rahmen drei Kooperationstreffen mit den Praxispartnern diskutiert werden. Das Hauptaugenmerk des Projekts lag in der Weiterentwicklung und Vermittlung der Methoden der Datenanalyse an die Praxispartner. Dabei wurden im Rahmen der Treffen Vorgehensweisen für die Auswertung der bei einer Sprengung jeweils vorhandenen Datenbasis sowie die Ursachen der Datenunschärfe diskutiert. Anschließend wurden die Methoden für die Modellierung der unscharfen Daten und ihre Berücksichtigung bei der Planung einer Sprengstrategie erklärt und an praxisrelevanten Beispielen vorgestellt. Das Ziel war es, ein erweitertes und realitätsnäheres Konzept für die Sprengplanung zu vermitteln, das eine Alternative zu dem in der Sprengpraxis bisher üblichen deterministischen Vorgehen bietet. Für eine direkte Überführung der entwickelten Methoden in die Ingenieurtätigkeit wurde den Praxispartner ein Tool zur Datenanalyse in Form einer Webseite zur Verfügung gestellt, mit deren Hilfe eine vollständige Modellierung der unscharfen Größen erfolgen kann. Die auf diese Art modellierten unscharfen Größen können dann direkt in einer Fuzzy- bzw. fuzzy-stochastischen Analyse angewendet werden. Um auch die beiden Vorgehen der Strukturanalyse einen externen Nutzer zugänglich machen zu können, wurde in Kooperation mit dem TFT5 ein Konzept eines Web-Services mit graphischer Benutzeroberfläche erarbeitet, auf der die Fuzzy-Analyse mit der deterministischen Grundlösung der Mehrkörperdynamik verfügbar ist. Die in das in Bochum entwickelte Programm CADCE integrierte Benutzeroberfläche ist so gestaltet, dass dem Anwender das Definieren der Fuzzy-Eingangsgrößen der Simulation, das Durchführen der Simulation und das Betrachten der Fuzzy-Ergebnisgrößen (z.B. der Trümmerlage) ermöglicht wird. Neben der numerischen Simulation des Sprengablaufes ist die Sprengbemessung von großer praktischer Relevanz. Diese liefert Aussagen zu konstruktiven und sprengtechnischen Festlegungen, bei deren Einhaltung das gesprengte Bauwerk vorgegebene Bedingungen, wie z.B. Größe des Trümmerberges, erfüllt. Die Methoden der Sprengbemessung und zusätzlich der Sprengbemessung im Zeitbereich wurden entwickelt und ihre Anwendbarkeit an Beispielen demonstriert. Diese Vorgehen wurden den Praxispartnern vorgestellt und daraufhin gemeinsam weitere Bemessungsziele definiert. Um weitere Aussagen zur Eignung der beiden Modellierungsansätze: der Finite Elemente Methode und des speziellen Mehrkörpersystems für die Sprengsimulationen treffen zu können, wurde ein Vergleich anhand der Sprengung eines dreigeschossigen Stahlbetontragwerk (Referenzmodell 1) vorgenommen. Dem Vergleich deterministischer Simulationen folgte ein Vergleich der beiden Methoden (FEM und MKS) mit Berücksichtigung der Unschärfe. Dabei wurde die Auswirkung der unscharfen Eingangsparameter der Simulation auf die Unschärfe der Ergebnisse bei jeweiligen Modellierungsansatz untersucht. Die Erfassung der Unschärfe bei einer Sprengplanung ermöglicht insbesondere die Prognose des Gefährdungspotenzials. Hierzu gehört auch eine Methode für die Ermittlung möglicher Formen des Trümmerfeldes bei Unschärfe, die auf ein vereinfachtes Modell des gesprengten Hochhauses in Hagen (’Small Hagen’) angewendet wurde. In Rahmen des Transferprojekts werden die entwickelten Methoden den Praxispartnern der Sprengbranche zur Verfügung gestellt. Eine korrekte Nutzung der Programme erfordert eine systematische Einarbeitung. Von der Seite der Projektbearbeiter wird eine Beratung und Betreuung bei dem Einstieg in die entwickelte Methodik sowie bei der künftigen Nutzung angeboten. Das betrifft insbesondere die Nutzung des entwickelten Web-Services für numerische Sprengsimulationen mit Berücksichtigung der Unschärfe. Dem Bedarf der Sprengpraxis entsprechend, können auch die Fähigkeiten des Web-Services erweitert werden. Erste Tests der Webseite wurden für die Sprengsimulation des Referenzmodells 1 durchgeführt. Die Weiterentwicklung des Web-Services und dessen Anpassung für die Simulation anderer, für die Planung neuer Sprengprojekte nötiger Modelle ist möglich. Auch das Einführen neuer unscharfen Eingangsgrößen der Simulation sowie neuer unscharfen Ergebnisgrößen könnte vorgenommen werden. Weitere anschauliche Methoden zur Beurteilung der Sprengstrategie anhand der unscharfen Ergebnisse, z.B. im Bezug auf die Robustheit können im Rahmen der Webseite zur Verfügung gestellt werden. Die visuelle Darstellung der unscharfen Ergebnisse der Simulation könnte weiter verbessert werden, mit dem Ziel: die Aussagekraft der Ergebnisse zu steigern und einem Sprengstrategieplaner deren Interpretation zu erleichtern. Künftig können die entwickelten Methoden der Sprengbemessung für neue Sprengprojekten angewendet werden. Sie ermöglichen die Festlegung spezifischer Bedingungen, z.B. bezüglich der Betonfestigkeit oder des Bewehrungsgrades, die eingehalten werden müssen, damit eine bestimmte Kollapssequenz auftritt. Die Nutzung des Vorgehens für kommende Sprengprojekte sollte in einer engen Zusammenarbeit und Konsultation mit dem ISD erfolgen. Die Anwendung der aus den Methoden der explorativen Datenanalyse stammenden Clusterverfahren, auf dem sich dieses Bemessungskonzept stützt, erfordert Vorkenntnisse in Umgang mit Datensätzen. Eine weitere Entwicklung der Bemessungsmethoden, insbesondere deren Anpassung für neue projektspezifische Bemessungsziele sowie die Nutzung bei anderer industriellen Anwendungen, z.B. bei den Projekten aus der Automobilindustrie ist vorgesehen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Computersimulation für Bauwerkssprengungen! Wo stehen wir heute, was können wir noch erwarten? Informationstagung Sprengtechnik, Siegen, 2009
Schweizerhof, K.; Hartmann, D.; Stangenberg, F; Graf, W.; Blankenhorn, G.; Michaloudis, G.; Piotrow, A.; Sikiwat, T.; Breidt, M.
- Grouping detection of uncertain structural process by means of cluster analysis. Proceedings of the 7th European LS-DYNA Conference, Salzburg, 2009
Piotrow, A.; Liebscher, M.; Pannier, S.; Graf, W.
- On a fundamental Concept of Structural Collapse Simulation taking into Account Uncertainty Phenomena. In: Ibrahimbegovic, A.; Ziatar, M. (eds.): Damage Assessment and Reconstruction after War or Natural Disaster, pp. 169-191, Springer 2009
Hartmann, D.; Breidt, M.; Nguyen, V. V.; Stangenberg, F.; Höhler, S.; Schweizerhof, K.; Mattern, S.; Blankenhorn, G.; Möller, B.; Liebscher, M.
- Computersimulation für Bauwerkssprengungen – ein Einblick in laufende Arbeiten. SprengInfo, Vol. 32 (2010), S. 27-35
Hartmann, D.; Breidt, M.; Sikiwat, T.; Blankenhorn, G.; Michaloudis, G.; Schweizerhof, K.; Möller, B.; Graf, W.; Piotrow, A.
- Numerical Simulations of Controlled Collapse Considering Uncertainty. Proceedings of the 10th International Conference on Computational Structures Technology, Valencia, 2010
Piotrow, A.; Graf, W.
- Robust design with uncertain data and response surface approximation. Proceedings of 4th International Workshop Reliable Engineering Computing (REC), Singapore, 2010, Research Publ., pp. 554-574
Graf, W.; Sickert, J.-U.; Pannier, S.; Kaliske, M.
- An inverse solution of the lifetime-oriented design problem. Structure and Infrastructure Engineering, Vol. 7 (2011) 5, pp. 325-340
Möller, B.; Graf, W.; Liebscher, M.; Sickert, J.-U.; Pannier, S.
