Nachweise zur Sicherheit beim Abbruch von Stahlbetonbauwerken durch Sprengen
Teilvorhaben B/02
Zwischenbericht zum 19.02.1998

von: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. techn. h.c. J. EibI

1. Zielsetzung

In der Praxis der Abbruchsprengungen interessiert das Verhalten von Stahlbetonstrukturen unter Kontakteinwirkung von Sprengstoffen und die Belastung der unmittelbaren Umgebung durch über die Luft übertragene Druckstöße.

Für das erstgenannte Problem stehen lediglich aus Versuchen ermittelte empirische Beziehungen zur Verfügung, die nur bedingt extrapolierbar sind. Für die unmittelbare Einwirkung von Sprengstoff auf Stahlbetonstrukturen soll deshalb ein rechnerisches Verfahren entwickelt werden und damit eindeutig nachvollziehbare Sicherheitsnachweise auf der Basis von realistischen, stoffgesetzlichen Beziehungen erreicht werden.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens BMFT 150 0838 ,,Stoffgesetzliche Grundlagen für die Schockwellenausbreitung im Beton" wurde am Institut für Massivbau und Baustofftechnologie ein Stoffgesetzansatz für Drücke bis zu 14.000 MPa im Beton erarbeitet [1]. Das hydrostatische Verhalten von Beton wurde durch Messung der Hugoniot-Kurve und Formulierung der Mie-Grüneisen Zustandsgleichung für hohe Drücke untersucht. Mit diesem Stoffgesetz ist es möglich, derartige Kontaktexplosionen realistisch rechnerisch zu simulieren.

Das zweitgenannte Problem der Belastung der Umgebung durch Luftstoß setzt die Kenntnis der Ausgangsbedingungen voraus und kann deshalb nur zusammen mit dem Problem der Explosion von aufgesetzten Ladungen oder Bohrlochladungen gekoppelt rechnerisch simuliert werden.

2. Arbeitsprogramm

Das Arbeitsprogramm umfaßt die rechnerische Simulation der Abbruchsprengungen von Stahlbetonstrukturen sowie verifizierende Versuche. Hierbei werden verschiedene typische Bauteile, wie Stütze, Balken und Platte berücksichtigt. Die Sprengungen werden in Anlehnung an in der Praxis übliche Vorgehensweisen durchgeführt. Neben den im Stahlbeton entstehenden Drücken wird auch der jeweilige Zerstörungsgrad der Struktur erfaßt.

Dies beinhaltet im Einzelnen für die numerische Simulation ein Implementieren und Weiterentwickeln der existierenden Stoffgesetze für Beton, Sprengstoff und Luft in den Rechencode, um anschließend Parameterstudien für die Kontakt- und Bohrlochladung an den ausgewählten Stahlbetonteilstrukturen durchzuführen.

Für die Verifikationsversuche bedeutet dies vor allem Dimensionierung der Bauteilgeometrien, Auswahl des Sprengstoffes und der Druckaufnehmer als auch deren Positionierung, um anschließend den Vergleich zwischen der numerischen Simulation und dem Versuch ziehen zu können.

3. Durchgeführte Arbeiten

Die numerische Untersuchung wurde mit dem am Institut verfügbaren FE-Programmsystem LS-DYNA durchgeführt. Dieses Programmsystem enthält einen dreidimensionalen ALE-Code (Arbitrary Lagrangian Eulerian-Code) und bietet die Möglichkeit, selbstformulierte Stoffgesetze, für die bei der rechnerischen Studie verwendeten Materialien zu implementieren. Dieser Rechencode eignet sich für die Analyse von dynamischen Kurzzeit-Ereignissen und der Untersuchung von Gas-Festkörper-Interaktionsproblemen. Hierbei fanden physikalische und geometrische Nichtlinearitäten bereits Berücksichtigung.
Weiterhin bedarf die dreidimensionale Berechnung der Sprengung von Stahlbetonstrukturen der Zuweisung geeigneter Formulierungen für die unterschiedlichen Bereiche des Gesamtsystems. Die Vorgehensweise wird kurz anhand der Berechnung der am unteren Ende eingespannten und am oberen Ende seitlich gehaltenen Stahlbetonstütze erläutert, die im ersten Verifikationsversuch verwendet wurde. Dem Finite-Elemente-Netz der Stahlbetonstütze liegt eine Lagrange Formulierung zugrunde, die es ermöglicht, die materialabhängigen Verschiebungen, Dehnungen und Spannungen des Werkstoffes zu ermitteln. Für die Berechnung der Vorgänge in der umgebenden Luft und des als Kontaktladung aufgebrachten Sprengstoffes sind Finite-Elemente-Netze auf Basis von Euler-Formulierungen erforderlich. Hiermit kann die Übertragung des Massenstromes, des Impulses und der Energie der Luft infolge der Wellenfortpflanzung verfolgt werden.
Die äußeren Oberflächen des Luftraumes wurden den Versuchsbedingungen angepaßt: Die Unterseite und der äußere Mantel des Luftzylinders sind als undurchlässig und Teile der Oberseite des Luftzylinders sind für Gasströmungen als durchlässig definiert worden. Die Druckwellenausbreitung im Sprengstoff wird mit Hilfe der Zustandsgleichung nach Jones, Wilkins und Lee (JWL-EOS) [2] berechnet. Durch die Kopplung der verschiedenen Netze mittels einer ALE-Kontaktfläche wird die Berechnung der Interaktionsvorgänge zwischen Sprengstoff, Stahlbeton und Luft möglich.
Aus der numerischen Simulation wurde ersichtlich, daß sich die höchsten Stahlbetondrücke in den Oberflächenelementen der Stahlbetonstütze direkt unter dem Zünder befinden. Hier ergab sich ein Maximalwert von 1100 MPa, während im Stützenzentrum nur noch ein Maximaldruck von 155 MPa herrschte. In den Randelementen des Luftraumes wurde ein Maximaldruck von 5 MPa (=50 bar) errechnet.

Zur Verifikation der Ergebnisse aus der numerischen Simulation wurde der erste Sprengversuch in enger Zusammenarbeit mit den Projekten B/01 ,,Neue umweltfreundliche Abbruchmethoden" und B/05 ,,Einfluß der Vorgehensweise auf die Materialeigenschaften des Bruchgutes" durchgeführt.
Der Versuchsaufbau bestand aus einer bewehrten Stahlbetonstütze mit Kreisvollquerschnitt, der Durchmesser betrug 30 cm, die durch eine ringförmige Kontaktladung aus Seismoplast angesprengt wurde. Der Stützenfuß war in eine 25 cm dicke Stahlbetonplatte eingespannt, der Stützenkopf wurde durch eine Stahlkonstruktion gehalten. Die Höhe der Stütze betrug 1,65 m. Die gesamte Konstruktion wurde von einem vorgespannten Betonzylinder mit einem Innendurchmesser von 1,50 m umgeben. Dieser simulierte Wandflächen in der Umgebung und diente der Aufnahme von Quarzkristall-Luftdrucksensoren. Außerdem wurde der Luftdruck an der Unterseite der Stahlkonstruktion und an der Oberfläche der Bodenplatte gemessen.
Der Druck in der Stütze wurde durch eingegossene Kohle-Masse-Widerstände (der Firma Allen Bradley) an vier verschiedenen Punkten im Bereich der Ladung gemessen. Drei dieser Aufnehmer lagen im Abstand von 2,5 cm unter der Kontaktfläche von Sprengstoff und Stahlbeton, zwei davon an den beiden einander gegenüberliegenden Zündpunkten auf Höhe der Ladungsmitte, einer an der Oberkante der Ladung. Ein weiterer Aufnehmer befand sich im Stützenzentrum. Die Drücke an den Vergleichspunkten im Stahlbeton erreichten Maximalwerte von 1400 MPa knapp unter der Stahlbetonoberfläche am Zünder und 80 MPa im Stützenzentrum, der Luftdruck auf der umgebenden Zylinderschale 7 MPa (=70 bar). Anhand der Vergleichspunkte wurde damit die numerische Simulation bestätigt.
Der Versuch fand auf dem Gelände des Fraunhofer Instituts für Chemische Technologie in Berghausen bei Karlsruhe statt.

Die Planungsarbeiten des nächsten Versuches, eine Serie von Bohrlochsprengungen an sechs Balken, sind abgeschlossen. Mit der Herstellung der Versuchskörper wurde bereits begonnen. Ziel dieser Serie ist das kontrollierte Erzeugen und Messen von Drücken im Beton, zunächst infolge einzelner Bohrlochsprengungen, dann durch Überlagerungen von Druckwellen infolge des Sprengens unterschiedlich langer Bohrlochreihen.

4. Geplante Weiterarbeit

Für die weitere numerische Untersuchung von Sprengungen zum Zweck des Abbruchs von Stahlbetonstrukturen soll eine verbesserte konstitutive Modellierung für den Stahlbeton in das Programm integriert werden. Bisher wurden stark vereinfachte stoffgesetzliche Ansätze zur Beschreibung des Materialverhaltens verwendet.

Dabei soll neben den erwähnten Ergebnissen eigener Forschung für den hetrogenen Werkstoff Beton:

• das Bruch- und Nachbruchverhalten
• das Rißverhalten
• der Strain-rate-Effekt
• der Verbund zwischen Beton und Betonstahl
• der Temperatureinfluß auf die Spannungs-Dehnungs-Beziehung und
• der Einfluß deviatorischer Spannungen auf das Versagen bei hohen Drücken

berücksichtigt werden. Weiterhin soll nach Einbau dieser Zusammenhänge, entsprechende Erfahrungen liegen am Institut vor, die Zerstörung von unterschiedlichen Bauteilen, wie Balken und Platten durch Kontaktladungen und Ladungen in Bohrlöchem für verschiedene relevante Sprengmittel rechnerisch simuliert werden. Damit soll eine konsistente Nachweismethode für die Praxis zur Verfügung gestellt werden.

Literatur