DE3025150A1 - Bis zur grenztragfaehigkeit beanspruchten tragwerk, insbesondere flaechentragwerk - Google Patents

Description

• Bis zur Grenztragfähigkeit beanspruchbares Tragwerk, insbe-
• sondere Flächentragwerk Die Erfindung bezieht sich auf ein durch Impulslasten bis zur Grenztragfähigkeit beanspruchbares Tragwerk, insbesondere ein Flächentragwerk.
• Sicherheitsbauwerke im militärischen, wie im zivilen Bereich werden so konstruiert, daß sie unter der Wirkung dynamischer Einzellasten bis zur Grenztragfähigkeit beansprucht werden. So wird beispielsweise bei Reaktorgebäuden von Kernkraftwerken verlangt, daß sie in der Lage sind, den Aufprall eines abstürzenden Flugzeugs auf zunehmen. Das Bauwerk hat diese Beanspruchung nur ein einziges Mal zu ertragen, da es nach dem Eintreten dieses extremen Lastfalles keine Nutzung mehr erfährt.
• Wenn auch für den Bestand des betreffenden Tragwerks die im Lastfall Grenztragfähigkeit auftretenden hohen Verformungen und großen Risse unbedenklich sind, so kann doch bei den besonderen Eigenschaften des Baustoffs Stahlbeton, in dem der Beton nur geringe Zugspannungen aufzunehmen vermag, beispielsweise die Dichtigkeit des Bauwerks gegen den Durchtritt von Luft oder Gas nicht immer gewährleistet werden. Das gilt insbesondere für von innen wirkende Einzellasten, beispielsweise bei Explosionen weggeschleuderte schwere Teile oder dergleichen. Außerdem werden derartige Konstruktionen angesichts der immer größer werdenden Einzellasten durch die zunehmende Wanddicke immer unwirtschaftlicher.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, um die Sicherheit solcher bis zur Grenztragfähigkeit beanspruchter Tragwerke zu vergrößern, insbesondere die Bildung durchgehender Risse zu verhindern und zugleich den Materialaufwand zu optimieren, d.h. nach Möglichkeit mit geringeren Wanddicken auszukommen.
• Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Die Erfindung baut auf dem Phänomen auf, daß bei einem mit hoher Geschwindigkeit auf ein halbunendliches Medium erfolgenden Stoß eine sich in alle Richtungen halbkugelförmig in das Medium fortpflanzende Stoßwelle entsteht, die ihren Ursprung im Stoßpunkt hat. Durch die Stoßwirkung werden in den gestoßenen Körper räumliche Wellen eingetragen. An der freien Oberfläche des gestoßenen Körpers entstehen anstelle der räumlichen, sich flächenartig ausbreitenden sekundäre Oberflächenwellen.
• Die beim Aufprall eines Stoßkörpers auftretenden Erscheinungen hängen im wesentlichen von der relativen Auftreffgeschwindigkeit ab. Bei einem unelastischen Stoß wird mit zunehmender Geschwindigkeit von aufeinanderprallenden Stoßkörpern ein Teil der sich stoßenden Materialien zertrümmert, weggeschleudert und evtl. verdampft. Darüber hinaus bestimmen Geometrie und physikalische Eigenschaften von Stoßkörper und gestoßenem Körper den Umfang der erzeugten Wirkung. Eine beim Stoß erzeugte Verdichungswelle wird von der freien Oberfläche der Plattenrückseite als Zugwelle reflektiert. An dem Punkt, an dem die Amplitude der entstandenen Spannung die dynamische Zugfestigkeit des Materials übersteigt, tritt ein Bruch auf.
• Dieser Vorgang ist als Abplatzeffekt bekannt.
• Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß die Intensität der räumlich eingetragenen Wellen schneller abnimmt als die der zweidimensionalen Wellenarten., was in vermehrtem Maße gilt, wenn mit großen Dämpfungseigenschaften aufgebaute Schichten hintereinander angeordnet eine Fortleitung der Wellen in weitere Bereiche des Tragwerks verwehren.
• Der Vorteil des erfindungsgemäßen Aufbaus eines bis zur Grenztragfähigkeit beanspruchbaren Tragwerks besteht im wesentlichen darin, daß nur ein Minimum der durch den Stoß ausgelösten Erschütterungen auf Nachbarbereiche bzw. auf die sich hinter dem Tragwerk befindlichen Anlagen übertragen und damit Beanspruchungen durch sogenannte induzierte Erschütterungen weitestgehend vermieden werden.
• Je nach dem mit dem Tragwerk angestrebten Ziel kann an der der Impulslast zugekehrten Seite des Tragwerks entweder eir1e Stahlbetonschicht oder eine Schicht mit erhöhten Dämpfungseigenschaften liegtn. Bei Anordnung der Stahlbetonschicht vor der Schicht mit hohen Däinpfungseigenschaften wird die Reflexion der Stoßwelle an der Trennfläche beider Schichten ermöglicht und so ein Maximum der eingetragenen Energie über das Arbeitsvermögen des Materials abgebaut. Durch Anordnung der Stahlbetonschicht nach der Schicht mit hohen Dämpfungseigenschaften wird ein vermehrter Abbau der Impulslast durch verstärkte Reflexion der Wellenfront erreicht.
• Da die StoßkraftgröBe von vornherein nicht grundsätzlich bekannt ist, entstehen in Abhängigkeit von der Stoßkraftintensität und den Schichtdicken im lokalen Stoßbereich Strukturveränderungen mit unterschiedlicher Materialbeanspruchung. Bei der Dimensionierung der zu wählenden Schichtdicken und zur optimalen Ausnützung der Werkstoffe geht die Erfindung davon aus, daß je nach Intensität der einwirkenden Stoßkraft die Ausbildung unterschiedlicher Zerstörungszonen möglich sein soll, wie z.B.
• - eine Bruchzone mit maximalen Materialveränderungen infolge hoher Pressungen und damit verbundenen hohen Temperaturen, - Zonen mit plastischer Materialveränderung und bleibenden Verformungen, evtl. mit verbleibenden größeren Raumgewichten infolge von Volumenveränderungen des Materials, - Zonen, die mit zunehmender Entfernung von der Stoßstelle kleinere plastische und bleibende Verformungen aufweisen bis schließlich nur noch eine elastische Materialbeanspruchung auftritt.
• Das Ausmaß der lokalen Zerstörung und der Bereich zur Lastumlagerung kann im wesentlichen durch den Konstruktionsaufbau und die Festigkeitseigenschaften der eingesetzten Materialien bestimmt werden. Dabei soll der Schichtaufbau eines Tragwerks nach der Erfindung so gewählt werden, daß im lokalen Stoßbereich eine gesteigerte Beanspruchung, z.B. dynamische Pressungen, unter Ausnützung maximaler Materialbeanspruchung erreicht wird. Dieser Effekt wird weitgehend durch den zu wählenden Materialaufbau infolge abgestufter Schichtdicke, Steifigkeit und den Bewehrungsgrad erreicht.
• Da der Bruch eines auf Druck oder Zug beanspruchten Werkstoffs nicht durch die auftretende Kraft bzw. Spannung hervorgerufen wird, sondern durch die Energie, die er bis zur Erschöpfung seiner Tragfähigkeit aufnehmen kann, ist die Abtragung von Impulslasten bei einem aus mehreren Schichten bestehenden Tragwerk nach der Erfindung mit Umlagerung von Lasten und Erschütterungen auf Schichten mit hohen Dämpfungseigenschaften wesentlich günstiger als bei einem Tragwerk, das ausschließlich aus Stahlbeton besteht.
• Bei einem aus mehreren Schichten bestehenden Tragwerk nach der Erfindung hat die Schicht aus Stahlbeton die Abtragung der statischen Lasten zu übernehmen, während die mit Fasern bewehrte und daher sehr zähe und dämpfende Schicht, insbesondere dann, wenn sie unmittelbar an die Stahlbetonschicht angrenzt, einen Großteil der durch die Impulslasten verursachten Kräfte und Erschütterungen aufzunehmen hat. Diese dämpfende Schicht ist so gestaltet, daß sie unter Lasteinwirkung senkrecht zur Bewehrungsrichtung eine große Deformierbarkeit aufweist, so daß ein Maximum an Betonzerstörung und Bewehrungsverformung der Stahlbetonschicht aktiviert wird.
• Während die Stahlbetonschicht mit großem E-Modul sich unter Gebrauchslast nur wenig verformt, soll unter Impulslast ein maximales Arbeitsvermögen der Bewehrung durch Ausbildung eines hängewerkartigen Tragsystems ermöglicht werden. Zugleich soll die Schicht mit großen Dämpfungseigenschaften eine hohe Sicherheit gegen riragwerksversagen bzw. Perforation der Konstruktion infolge großer Bruchenergieaufnahme gewährleisten.
• Darüber hinaus können durch die faserbewehrte Schicht durchgehende Risse, die bei monolithischer Bauweise infolge Biegezug- oder Zugbeanspruchung entstehen, vermieden werden, da nach Uberschreitung der Riß festigkeit einzelner Fasern das Arbeitsvermögen der faserbewehrten Schicht noch nicht erschöpft ist, sondern erst bei zunehmender Dehnung ein allmählicher Abfall der Zugaufnahme eintritt. Eine hohe Reißzähigkeit der faserbewehrten Schicht, die zugleich mit guten Dämpfungseigenschaften ausgestattet ist, kann wesentlich durch die Wahl der Fasern, der Matrix und durch den Aufbau erreicht werden Möglichkeiten zur Realisierung dieser Eigenschaften bestehen z.B. bei Verwendung von Fasern, die mit Gleitmitteln umhüllt sind oder durch Einsatz von Kohlestoffasern in einer Zementmatrix. Hierbei entstehen keine chemischen Reaktionen, d.h. zur Ausbildung größerer Verschiebungen keine festen Bindungen zwischen Fasern und Matrix wie z.B. zur Erzeugung entgegengesetzter Wirkungen durch die Einbettung von Glasfasern in einer Zementmatrix.
• Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
• Es zeigt Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem Tragwerk nach der Erfindung, Fig. 2 schematisch die Verformungen des Tragwerks unter äußeren bzw. inneren Impulslasten und Fig. 3 einen Ausschnitt aus Fig. 1 in größerem Maßstab.
• Das in Fig. 1 in einem Ausschnitt aus einem Querschnitt dargestellte Tragwerk 1, z.B. die Kuppel eines Reaktorgebäudes eines Kernkraftwerks, besteht von außen nach innen gesehen aus drei Stahlbetonschichten 2a, 2b, 2c und drei Schichten 3a, 3b, 3c aus einem Material mit hohen Dämpfungseigenschaften, wobei die Schichten 3a und 3b jeweils zwischen den Schichten 2a, 2b und 2c liegen, während die Schicht 3c sich an der Innenseite des Tragwerks 1 befindet.
• Wie im einzelnen in Fig. 3 zu erkennen ist, weist die Schicht 2a, wie auch die übrigen Schichten 2b und 2c, aus Stahlbeton den üblichen Aufbau mit einem Bewehrungsgerüst 4 aus einer äußeren Lage 5, einer inneren Lage 6 und einer Bügelbewehrung 7 auf. Die Schicht 3a aus einem Material mit hohen Dämpfungseigenschaften besteht aus einer Zementmatrix, in die Fasern eingebettet sind.
• Trifft nun auf das Tragwerk 1 eine äußere Impulslast Pa auf, so wird zunächst die äußere Stahlbetonschicht 2a in der in Fig. 3 angedeuteten Weise verformt, wobei die plastische Verformung der darunterliegenden Schicht 3a so groß ist, daß durch diese Verformungsmöglichkeiten ein Großteil der Stoßenergie schon durch die Verformung der äußeren Stahlbetonschicht 2a vernichtet wird, so daß die jeweils folgenden Schichten nurmehr geringere Verformungen erleiden.
• In analoger Weise erfolgt eine Verformung infolge einer inneren Impulslast Pi.
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Claims (8)

1. Bis zur Grenztragfähigkeit beanspruchbares Tragwerk, insbesondere Flächentragwerk P a t e n t a n s p r ü c h é 1. Durch Impulslasten bis zur Grenztragfähigkeit beanspruchbares Tragwerk, insbesondere Flächentragwerk, dadurch gekennzeichnet, daß das Tragwerk aus mindestens zwei, vorzugsweise mehreren, Schichten besteht, wobei jeweils eine Schicht aus Stahlbeton mit einer Schicht aus einem Material mit hohen Dämpfungseigenschaften für die durch die Impulslast ausgelösten Erschütterungswellen einander abwechseln.
2. 2. Tragwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß -die Schicht mit hohen Dämpfungseigenschaften eine Bewehrung aus Fasern aufweist, die in eine Matrix, vorzugsweise eine Zementmatrix, eingebettet sind.
3. 3. Tragwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern zumindest teilweise einen Verbund mit der Matrix aufweisen.
4. 4. Tragwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht mit hohen Dämpfungseigenschaften porenartige Hohlräume aufweist.
5. 5. Tragwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung porenartiger Hohlräume der Matrix Polystyrolkügelchen, gaserzeugende Zusätze oder dergleichen beigegeben sind.
6. 6. Tragwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht mit hohen Dämpfungseigenschaften unmittelbar und stetig an der Stahlbetonschicht anliegt.
7. 7. Tragwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht mit hohen Dämpfungseigenschaften und die Stahlbetonschicht schubfest miteinander verbunden sind.
8. 8. Tragwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur schubfesten Verbindung an sich bekannte Verbindungselemente, wie Bewehrungselemente, Trennflächenprofilierungen, Verbindungsstege oder dergleichen vorgesehen sind.