Institut für Massivbau und Baustofftechnologie (IMB) - Abteilung Massivbau

Dynamische Beanspruchungen

Fragmentierung von Betonbauteilen

Wird ein Stahlbehälter durch einen Innendruck statisch bis zum Bruch belastet, so entstehen wenige große Bruchstücke. Der Behälter reißt an der schwächsten Stelle, zumeist entlang den Schweißnähten auf. Wird er allerdings hochdynamisch belastet, indem er beispielsweise von innen mit Sprengstoff beaufschlagt wird, fragmentiert der Behälter in sehr viele kleine Trümmer. Das gleiche Phänomen kann bei Beton beobachtet werden. Bei einem Betonbalken kann man infolge einer Stoßbeanspruchung unter gewissen Umständen ein Ausstanzen beobachten. Wird der Balken dagegen durch eine Kontaktdetonation beansprucht, fragmentiert er in viele kleine Bruchstücke.

Im Rahmen dieser Forschungsarbeit soll das Phänomen der Fragmentierung unter dynamischer Belastung, insbesondere die Fragmentierung von Beton untersucht werden. Die Trümmergrößen hängen vor allem von der Belastungsgeschwindigkeit- und Amplitude ab. Des weiteren spielt die Festigkeit und Festigkeitsverteilung eine große Rolle. Heterogene Werkstoffe wie Beton verhalten sich bezüglich ihres Fragmentierungsverhaltens anders als homogene Werkstoffe wie z.B. Stahl. Einen weiteren Einfluss auf das Fragmentierungsverhalten hat die Wellenausbreitung im beanspruchten Material. Den Einfluss dieser Phänomene gilt es anhand eines 2-dimensionalen rheologischen Feder-Masse-Modells zu untersuchen.

Außerdem soll der Werkstoff Beton genauer durch ein kontinuumsmechanisches Stoffgesetz approximiert werden. Um die Fragmentierung und die entstehenden Fragmentgrößen unter Explosionsbeanspruchung numerisch simulieren zu können, wird ein eigener 3-dimensionaler SPH-Code implementiert. SPH ist eine netzfreie Lagrangemethode, die das Kontinuum nicht durch Finite Elemente, sondern durch Partikel abbildet. Die Partikel können sich völlig unabhängig voneinander im Raum bewegen. So können große Deformation berechnet werden. Die SPH-Methode benutzt eine Interpolationsfunktion, deren Stützstellen eine bestimmte Masse zugeordnet sind. An ihren jeweiligen Orten werden Dichte, Geschwindigkeit, Spannung, etc. berechnet. Als Ergebnis der numerischen Simulation enthält man eine Sieblinie der Trümmer, die mit Versuchsergebnissen verglichen wird.