Experimentelle Erfassung des Betonverhaltens unter Schockwellen [online]
Creators: name: Herrmann, Nico
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2003

description: Kurzfassung

Schutzbauten müssen einerseits den Schutz der Umgebung gegen die
Folgen von Unfällen im Innern gewährleisten und andererseits
verhindern, dass sich Unfälle durch Einwirkungen von außen
ereignen. Um numerische Simulationen durchführen zu können,
benötigt man stoffgesetzliche Grundlagen, die den Werkstoff
Beton unter hochdynamischen Belastungen möglichst genau
beschreiben. Diese Materialgesetze finden auch Eingang in die
Simulationen von Abbruchvorgängen durch Sprengen.
Zur Gewinnung neuer stoffgesetzlicher Erkenntnisse wurde eine
Versuchsserie an Betonplatten unter Einwirkung von
Kontaktdetonationen, so genannte Hugoniotversuche, durchgeführt
und hierbei der volumetrische Druck, die gerichteten
Spannungsanteile, die Dehnung sowie die Dehnungsgeschwindigkeit
und die Temperatur, die durch die adiabatische Kompression
hervorgerufen wird, gemessen.
Zum Einsatz kamen neue Messmethoden und Vorgehensweisen, die in
diesem Anwendungsbereich bisher nicht verwendet oder im Hinblick
auf die spezielle Anwendung modifiziert wurden.
Zur Verifizierung von Prognosen zur Sprengtechnik, den
sprengtechnische Abbruch betreffend, wurden Experimente an
einfachen Strukturen durchgeführt, die möglichst realitätsnah
konzipiert waren. Hierbei wurden Balken mit verschiedenen
Bohrlochgeometrien und eine Stütze mit einer Ringladung
gesprengt. Beim letztgenannten Versuch konnten auch Luftdrücke
in unmittelbarer Umgebung der Ladung registriert werden, was
einerseits in der Abbruchpraxis und andererseits auch für die
rechnerische Untersuchung von Einwirkungen auf die Umgebung von
erheblicher Bedeutung ist. Der Bewehrungsgehalt der Bauteile
orientierte sich an der realen Bemessung, wurde allerdings an
die Anforderungen einer möglichst einfachen numerischen
Modellierung angepasst.
Ein Stoffgesetz für Beton unter schnellen Belastungen, das
ebenfalls am Institut für Massivbau und Baustofftechnologie
entwickelt wurde, konnte mit Hilfe der experimentellen Resultate
verifiziert werden. Diese stoffgesetzliche Formulierung fand
auch Eingang in weitere Arbeiten, die Simulationen anhand der
Versuchsergebnisse der vorliegenden Arbeit kalibrierten.
Ein wichtiger Aspekt im angesprochenen Stoffgesetz ist der
Strain-­Rate-­Effekt, die Festigkeitssteigerung von Beton unter
hohen Belastungsgeschwindigkeiten. Durch die Erfassung der
Dehnungsrate und der auftretenden Drücke konnte diese
Festigkeitssteigerung bei den Hugoniotversuchen beobachtet und
damit ebenfalls bestätigt werden.
Durch die Erfassung von gerichteten Spannungen im Versuchskörper
konnten Hinweise über die Gestalt der Versagensfläche von Beton
bei hohen Drücken gefunden werden. Im Bereich der hier
gemessenen volumetrischen Drücke wird eine Aufweitung der
Versagensfläche festgestellt. Diese Ergebnisse zeigen
Möglichkeiten für eine weitere Verbesserung der bekannten
stoffgesetzlichen Ansätze auf.
Erste Ergebnisse von Temperaturmessungen im Werkstoff Beton unter
Schockwellenbelastung wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit
gewonnen und damit wurde die Erweiterung der Hugoniot­Kurve auf
eine Zustandsgleichung mit Hilfe des Ansatzes von Mie-­Grüneisen
bestätigt.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ergebnisse der
vorliegenden Arbeit als Anhaltswerte für die Charakterisierung
der Vorgänge in Beton unter Schockwellenbelastung gelten können
und die Grundlage für Simulationen zum sprengtechnischen Abbruch
bilden.
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Abstract

Buildings for protection must ensure the protection of the
environment against the consequences of accidents within and
prevent accidents occurring due to external loads. In order to
be able to perform numerical simulations, material laws are
needed, which adequately describe concrete under high­dynamic
loads as exactly as possible. These material laws can be used
for the simulation of demolition work by blasting as well.
In order to gain new material descriptions tests on concrete
slabs and structural parts under explosive loads were performed
and the values of volumetric pressure, directed stresses,
strain, strain­rate and the temperature due to the adiabatic
compression were measured. These measurements were carried out
with new
methods and approaches which in this field have not been used
before are were modified for this special application.
For the verification of prognoses for demolition by blasting,
tests on elementary structures were performed that were designed
close to a practical application. Beams with varying borehole
layout and a column with a charge in form of a ring were loaded
by explosive charges. At the test with the column air pressure
close to the charge could be measured which is important for the
demolition work regarding the interaction with neighbouring
structures. The reinforcement for the test structures
was oriented to realistic reinforcement but compromising with
the requirement of a simplified numerical modeling.
A material law also developed at the Institute for Reinforced
Concrete Structures and Building Material could be verified by
the experimental results. This material law was used as well in
further numerical work, which was also calibrated with the help
of the results of the presented experiments.
Another important aspect of the mentioned material law is the
strain rate effect which means the increase of material strenght
of concrete under high load velocity. By registering the strain
rate and the pressure the increase of material strength could be
seen and confirmed with the Hugoniot tests.
With the registration of stresses in different directions
indications for the shape of the failure surface of concrete at
high pressure could be found. Within the range of the measured
pressure an expansion of the failure surface was detected. The
results show possibilities for a further improvement of the
known material laws.
First results for temperature measurement in concrete under
shock loading were gained within the frame of the presented work
and the enhancement of the Hugoniot­ Curve to an equation of
state based on the Mie-­Grüneisen formulation was confirmed.
It can be concluded that the results of the presented work can
be used as reference values for the characterization of concrete
under shock loading and as a basis for simulations of demolition
by blasting.