Projekt Bauteilverhalten unter stoßartiger Beanspruchung durch aufprallende Behälter (Flugzeugtanks)

20.10.2023

• Gegenstand
• Ziel
• Methodik
• Partner + Förderer

Die bauliche Sicherheit der kritischen Infrastruktur (Informations- und Kommunikationssysteme, Industrieanlagen sowie öffentliche bauliche Anlagen und Einrichtungen) gegenüber natürlichen oder technischen Risiken ist jederzeit sicherzustellen.
Durch Katastrophen der jüngsten Vergangenheit wie den Terroranschlägen auf das World Trade Center (2001) oder dem verheerenden Unglücksfall in Fukushima (2011) ist die Sicherheit von Kernkraftstrukturen vermehrt in den Fokus geraten. Aufgrund der fortdauernden Nutzung der Kernkraft im Ausland besteht auch ein deutsches Interesse daran, die nukleare Sicherheitsforschung voranzutreiben. Das bewilligte Projekt dient als Ergänzung bereits durchgeführter Untersuchungen dazu, das gekoppelte Impaktereignis mit anschließendem Brand bzw. Explosionsszenario bei einem Flugzeuganprall zu erkunden.

Ziel im Projekt Tankaufprall – Projektphase 2 ist die Durchführung grundlegender Untersuchungen an Betonstrukturen im großmaßstäblichen Umfang, um die auftretende Schädigung infolge einer gekoppelten Beanspruchung aus einem Stoß- bzw. Anprallereignis und dem Eindringen von brennbaren Flüssigkeiten beurteilen zu können. Dabei sind die Schadensmechanismen des primären harten und des sekundären weichen Stoßes zuzüglich der Folgeszenarien zu charakterisieren und sicherheitstechnisch zu bewerten.

Zur Durchführung von flüssigkeitsgefüllten Behältern wird durch den Projektpartner TU Dresden ein Hohlimpaktor entwickelt, mit dem gekoppelte Impaktszenarien experimentell untersucht werden.
Ein weiterer Schwerpunkt des Vorhabens ist die Entwicklung der Beschreibung des Eindringverhalten von (brennbaren) Flüssigkeiten in geschädigtem Beton.
Weitere Untersuchungen beschäftigen sich mit der Modellierung der Wechselwirkung der Struktur und Brandentwicklung sowie mit Risikobetrachtungen, um in entsprechenden Großversuchen Impakt und Brandversuche durchführen zu können. Die Untersuchungen werden numerisch begleitet.

Projektpartner:
Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Abteilung 7 Bauwerkssicherheit
Technische Universität Dresden (TUD), Institut für Massivbau

Förderung:
BMUV, Projektträger Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) gGmbH mit FKZ 1501648

Phase 2: Betrachtung des Flüssigkeitseindringverhaltens in durch lmpaktereignisse geschädigte Stahlbetonstrukturen und großmaßstäbliche Experimente (TA2_BAM)

In den vorausgegangenen Phase 1A bis 1C des GRS-Vorhabens fanden umfassende Untersuchungen zur experimentellen Schädigung verschiedener Stahlbetonplattenkonfigurationen kleineren bis mittleren Maßstabs mit starrem Impaktor statt. Begleitet wurden diese Untersuchungen von numerischen Modellen.

Dabei galt es zunächst, die Durchführung von Impaktversuchen am Otto-Mohr-Laboratorium (OML) in Dresden mit einer Parameterstudie von 60 Freifallversuchen durchzuführen. Daran schlossen sich Untersuchungen zur Maßstäblichkeit sowie Versuche mit einem beschleunigten Impaktor an, um eine größere Datenbasis zu generieren. An diesen vorgeschädigten Versuchskörpern konnten anschließend mithilfe planartomographischer Untersuchungen Aussagen über die innere Schädigungsgrade getätigt werden. FE-Untersuchungen sowie empirische Ansätze wurden zur Quantifizierung der Schädigung eingesetzt. Diverse innere Parameter wie Bewehrungsdurchmesser und -abstand sowie Bügelbewehrungskonfigurationen konnten abgebildet werden. Die aufgetretene Schädigung wurde mithilfe von eigenfrequenzbasierten Beschreibungen quantifiziert. Es wurden außerdem erste Erkenntnisse zu der Wasserdurchlässigkeit bei atmosphärischem als auch bei hohem Druck gewonnen, um somit eine Aussage über die Bauteilschädigung zu erhalten.

Im laufenden Projekt (FKZ 1501648) soll die aufgetretene Schädigung infolge einer gekoppelten Beanspruchung aus einem Stoß- bzw. Anprallereignis und dem Eindringen von brennbaren Flüssigkeiten beurteilt werden. Dies geschieht über folgende Arbeitsschritte:

• Impaktversuche an kleinen Stahlbetonplatten mit weichem und gekoppeltem (hart-weich) Stoß.
• Numerische Untersuchungen zum weichen und gekoppelten Impakt.
• Experimentelle Untersuchungen zum Flüssigkeitseindringverhalten und zum brandverhalten in geschädigten Stahlbetonstrukturen.
• Numerische Simulation des Flüssigkeitseindringverhaltens.
• Impakt- und Brandversuche an großmaßstäblichen Probekörpern.

Aufgabenbereich der BAM sind vor allem die letzten drei Anstriche. Um das Flüssigkeitseindringverhalten zu erkunden, werden zunächst grundlegende Untersuchungen an unbewehrten sowie bewehrten Proben mit konstanten Rissweiten durchgeführt. Nach der Bestimmung der Einflussparameter, wie Einfluss der Risslänge, Rauigkeit sowie Gewundenheit, werden Untersuchungen an unregelmäßigen Rissen durchgeführt, um so Flaschenhals- und Ausweicheffekte zu erkunden.

Zur numerischen Simulation des FEV werden sowohl die Smoothed-particle hydrodynamics (SPH) als auch die Computational Fluid Dynamics (CFD) Methoden eingesetzt. Dabei gilt es außerdem, die geschädigte Struktur realitätsnah abbilden zu können.
Das Versuchsprogramm der großmaßstäblichen Versuche wird frühzeitig mit allen Projektbeteiligten abgestimmt, um vor allem Aspekte der Durchführbarkeit, Sicherheit und vor allem des Umweltschutzes sicherzustellen.

Projekthistorie

Phase 1A – TU Dresden - Maßstabseffekte bei stoßartiger Beanspruchung: 07/2012 – 12/2014; FKZ: 1501438, DOI: https://doi.org/10.2314/GBV:868615218

Phase 1B – TU Dresden - Quantifizierung der Schädigungen des Betongefüges, Teilprojekt: Fallturmversuche: 08/2014 – 07/2016; FKZ: 1501479, DOI: https://doi.org/10.2314/GBV:100128142X

Phase 1B – BAM - Quantifizierung der Schädigungen des Betongefüges: 08/2014 – 01/2017; FKZ: 1501477, DOI: https://doi.org/10.2314/GBV:897134087

Phase 1C – TU Dresden - Experimentelle und numerische Untersuchungen zu Maßstabseffekten, Versagensmechanismen und Bauteilschädigung: 04/2017 – 09/2020; FKZ: 1501541, DOI: https://doi.org/10.2314/KXP:1789564956

Phase 1C – BAM - Weiterführende Untersuchungen zur Quantifizierung der Schädigung des Betongefüges: 04/2017 – 06/2020; FKZ: 1501542, DOI: https://doi.org/10.2314/KXP:1760373451

Phase 2 – TU Dresden - Betrachtung eines gekoppelten Impaktereignisses auf Stahlbetonstrukturen durch klein- und großmaßstäbliche Experimente: seit 09/2022; FKZ: 1501647

Phase 2 – BAM - Betrachtung des Flüssigkeiteindringverhaltens in durch Impaktereignisse geschädigte Stahlbetonstrukturen und großmaßstäbliche Experimente: seit 09/2022; FKZ: 1501648

Projektleitung

Partner

BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Abteilung Bauwerkssicherheit
TUD Technische Universität Dresden
Institut für Massivbau

Förderung

Das Projekt „Bauteilverhalten unter stoßartiger Beanspruchung durch Aufprallende Behälter (Flugzeugtanks)“ wird vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz (BMUV) mit dem Förderkennzeichen 1501648 gefördert.