Stahlbetonplatten unter Impaktbelastung
Inhaltsverzeichnis
Projektdaten
| Titel | Title Experimentelle Untersuchung des Verhaltens von Stahlbetonplatten unter Impaktbelastung | Experimental study of reinforced concrete slabs under impact loading Förderer | Funding Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) / Paketantrag Zeitraum | Period 07/2013 − 06/2016 Leiter | Project manager Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Manfred Curbach Bearbeiter | Contributor Tino Kühn M.Sc. Projektpartner | Project partners Institut für Statik und Dynamik der Tragwerke, TU Dresden | Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik Ernst-Mach-Institut (EMI), Freiburg |
Bericht aus dem Jahrbuch 2016
Fallversuche bis 150 m/s
Bildsequenz des Aufpralls eines beschleunigten Projektils
Neben quasi-statischen und dynamischen Lasten können für Bauwerke auch Anpralllasten entscheidend für das Tragverhalten und die Bemessung werden. Dies betrifft hauptsächlich Infrastrukturen, die von besonderer Wichtigkeit und für die Gesellschaft von entscheidender Bedeutung sind. Dementsprechend ist ein tiefgreifendes Verständnis über das Schädigungs- und Tragverhalten von Strukturen eine Grundvoraussetzung für deren Beurteilung. Die Kurzzeitdynamik erfordert dabei auch Kenntnisse über Phänomene wie dehnratenabhängiges Materialverhalten und Beanspruchungsverteilung innerhalb eines Bauteils.
In der Freifallkonfiguration der Fallanlage im Otto-Mohr-Laboratorium der TU Dresden können größere Proben mit verschiedenen Impaktoren und Massen im Bereich von 500 kg bis 2.500 kg aus bis zu 10 m Höhe experimentell beansprucht werden. Die Geschwindigkeiten ergeben sich aus den Fallhöhen und liegen im Bereich von ca. 0–14 m/s. Die Massen und Impaktorvarianten sind flexibel auf die jeweiligen Belastungsarten anpassbar und können verschiedenste Szenarien im Experiment abbilden. Eine vorgespannte Vierpunktlagerung inkl. Dämpfer zur Absorption überschüssiger Energie mit entsprechender Lagerkraftmessung dient als Auflager. Mit dieser Konfiguration wurden in dem zugrundeliegenden Projekt ca. 20 verschiedene Plattenversuche durchgeführt, um die Geschwindigkeitsabhängigkeit der entstehenden Schädigungen zu untersuchen.
Zusätzlich laufen seit 2016 Versuche mit höheren Geschwindigkeiten. Hierfür wurde eine Druckluftbeschleunigungseinrichtung in die Anlage integriert. Sie ermöglicht mit einer maximalen Speicherenergie von ca. 120 kJ die Beschleunigung von Projektilen mit einer Masse von ca. 5–100 kg auf Geschwindigkeiten im Bereich von ca. 10 m/s bis ca. 150 m/s. Die Beschleunigung erfolgt hierbei geführt über einen Weg von ca. 10 m und kann bis direkt auf die Oberfläche der Probe geführt werden. Letzteres geschieht aus Sicherheitsgründen, was sinnvoll für Versuche ohne Durchschlag durch den Probekörper ist. Ist ein Durchschlag erwünscht, werden die Projektile unterhalb der Probe sicher abgefangen und gedämpft.
Bericht aus dem Jahrbuch 2015
Betonversagen numerisch verstehen wollen
Dehnungszustand für Zug- (links) und Druckbeanspruchung (rechts) in einem Zylinder aus Stahlfaserbeton kurz nach der global gemessenen maximalen Spannung auf einer mesoskopischen Betrachtungsebene bei Stoßbelastung
Die experimentelle und numerische Untersuchung des Verhaltens von Strukturen unter dynamischen Belastungen ist Gegenstand der Forschung am Institut für Massivbau der TU Dresden. Eine Vielzahl von Projekten zu dieser Thematik betrachten sowohl das lokale Materialverhalten unter verschiedenen Belastungszuständen als auch dessen Einfluss auf das globale strukturelle Verhalten bei moderaten Beanspruchungsgeschwindigkeiten. Typische Vertreter für das letztgenannte Belastungsszenarium sind beispielsweise Aufprallbelastungen infolge von Fahrzeuganstößen, Flugzeugabstürzen oder bei Felsrutschen etc.
Die hohe Geschwindigkeit bei dynamischen Experimenten führt wahrscheinlich zu einem Dehnrateneffekt in Form einer entsprechenden Festigkeitssteigerung beim Werkstoff Beton. Dies wurde bereits von mehreren Autoren sowohl für den Druckbereich als auch im Zugbereich postuliert. Unabhängig davon kann dieser Effekt in numerischen Modellen beispielsweise als eine Art Viskosität oder Dämpfung bei niedrigen Dehnraten oder als Rissöffnungsträgheit bei höheren Geschwindigkeiten beschrieben werden. Anhand einer Vielzahl von numerischen Benchmark-Modellen konnte aber auch gezeigt werden, dass der strukturelle und materielle Anteil bei den zugrunde liegenden Experimenten nicht wirklich separiert werden kann und jeder dieser Kennwerte jeweils beide Anteile beinhaltet. Dieser Fakt macht es äußerst schwierig, Kennwerte aus dynamischen Experimenten auf die Realität oder in entsprechend allgemeingültige Berechnungsmodelle zu überführen.
Die numerische Abbildung der der Kennwertermittlung zugrunde liegenden Versuche gibt Aufschluss über die wahren Zustände im Experiment und zeigt, dass die bisherigen Annahmen zum Dehnrateneffekt sehr vereinfacht formuliert sind und so perspektivisch nicht wirklich haltbar sind. Mit der Kenntnis der lokalen Zusammenhänge lassen sich die bisherigen Auswertemethoden kritisch hinterfragen und neue Methoden hierfür entwickeln.
Bericht aus dem Jahrbuch 2014
Simulation von Beton unter hohen Dehnraten
Experiment eines Plattenaufprallversuches mit überlagerten rechnerisch bestimmten Schädigungsbereichen zu verschiedenen Zeitpunkten
Beton verhält sich unter dynamischer Belastung anders als unter statischer. Als wesentliche stoffliche Ursache hierfür vermutet man dabei innere Transporteffekte bei relativ niedrigen Belastungsgeschwindigkeiten und Trägheitseffekte bei der Bildung von Rissen bei höheren Geschwindigkeiten. Andere Forscher wiederum sehen Fehler bei der messtechnischen Erfassung dieser Effekte und der sauberen Trennung von stofflichen und strukturellen Phänomenen als wesentliche Ursache für einen vermeintlichen Effekt.
Um solche und ähnliche Fragen numerisch auch an größeren Bauteilen untersuchen zu können, werden in diesem Kooperationsprojekt vielfältige Versuche zur Ermittlung von dynamischen Werkstoffkennwerten und hochdynamische Plattenaufprallversuche durchgeführt. Die numerische Simulation dieser Referenzversuche soll abbilden, was im Inneren eines Betonbauteils passiert und wie sich die Spannungen infolge einer dynamischen Belastung örtlich und zeitlich ändern. Wichtig ist dies beispielsweise bei der Untersuchung von Anprallereignissen auf Bauteile jeglicher Art.
Bei kleinteiligen Drucktests im Split-Hopkinson-Bar erhält man beispielsweise Spannungs-Dehnungs-Linien, aus denen man einen Zusammenhang zwischen Dehnrate und mittlerer Dehnung bis zum Bruch ableiten kann. Die Versuche zeigen einen deutlichen Anstieg der Festigkeit über der Dehnrate. Es lässt sich ein linearer Zusammenhang vermuten. Auch weiterer Werkstoffkenngrößen sind von der Belastungsgeschwindigkeit abhängig, was aber derzeit noch weiter untersucht wird.
Neben den Tests werden numerische Simulationen durchgeführt, in denen neben statischen Werkstoffannahmen beide oben genannten physikalischen Einflüsse berücksichtigt werden. Der umfassende Vergleich der berechneten und experimentell gewonnenen Daten aus den Plattenversuchen steht noch aus, allerdings lassen die bisherigen Vergleiche auf eine sehr gute numerische Abbildung der Phänomene Impakt und Spallation schließen.