Innovative kritische Infrastrukturen mit Hochleistungsbetonen: Auslegungsmethoden gegen Flugzeuganprall: Fid-Bau Portal

Innovative kritische Infrastrukturen mit Hochleistungsbetonen: Auslegungsmethoden gegen Flugzeuganprall

Riedel, Werner / Nöldgen, Markus / Stolz, Alexander / Wassmann, Wolfgang

Der vorliegende Beitrag beschreibt die Entwicklung neuer, auf dem Einsatz von (Ultra-)Hochleistungsbeton beruhender Tragwerkskonzepte für Hochhäuser und Kraftwerksüberbauten zum Schutz gegen Flugzeugimpakt. Mithilfe von experimentell gestützten Werkstoffmodellen für Normalbeton bis UHPC bei kurzzeitdynamischer Belastung, die bereits in vorgestellt wurden, werden Impaktversuche in einer numerischen Parameterstudie vorbereitet und durchgeführt. Damit wurde das Schädigungsverhalten bei steigender Impaktgeschwindigkeit bis hin zum ballistischen Grenzwiderstand ermittelt und mit Normalbeton verglichen. Die numerischen und experimentellen Ergebnisse zeigen ein verbessertes Tragverhalten des ultrahochfesten, faserbewehrten Werkstoffes durch ein deutlich verringertes Schädigungsausmaß. Das ballistische Limit wird unter sonst gleichen Randbedingungen erst bei einer Grenzgeschwindigkeit von ca. 320 m/s gegenüber rund 219 m/s bei Normalbeton erreicht. Diese Vorteile werden maßgeblich durch die Faserzugabe und die erhöhte Festigkeit des Hochleistungswerkstoffes erreicht. Für den Übertrag der Erkenntnisse auf geänderte Randbedingungen in Bauwerken wird gezeigt, dass vereinfachte Vergleiche "Impuls/Auftrefffläche" nicht zulässig sind, da der Gesamtimpuls in einer dynamischen Berechnung gleichzeitig mitberücksichtigt werden muss. Die abgeleiteten und validierten Modellansätze wurden verwendet, um die erforderlichen Dicken des Sicherheitskerns eines Hochhauses und der Schutzhülle eines Kraftwerksüberbaus zu berechnen. Weitestgehend deckungsgleiche Aussagen der zwei unabhängigen, nichtlinearen Methoden des Zwei-Massen-Schwingers und der Hydrocodesimulation erlauben dabei eine zuverlässige Prognose des lokalen Penetrationswiderstands. Mit Dicken zwischen 100 cm und 130 cm bei unterschiedlichen Bewehrungsgraden und Betongüten von HPC80 bis UHPC160 ergeben sich deutliche Reduktionen zu mindestens 180 cm Normalbeton. Dabei eröffnet sich auch Raum zur Kosten- oder Gewichtsoptimierung entsprechend der Anwendung. Weiterhin spielt in Abhängigkeit vom Tragwerk der vorherrschende Vorbelastungszustand infolge statischer Belastung eine wichtige Rolle. Die vorgestellten numerischen Prognosen mit ZMS und Hydrocode zeigen, dass bei statischer Zugbeanspruchung der Scherwiderstand erwartungsgemäß sinkt. Im Fall des Überbaus erhöht sich damit die erforderliche Grenzdicke für den Impaktschutz um ca. 10%. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass moderne Hochleistungsbetone neue Perspektiven für die Auslegung von kritischen Infrastrukturen gegen außergewöhnliche, dynamische Einwirkungen wie dem Flugzeuganprall eröffnen.