DE3025150C2 - Bis zur Grenztragfähigkeit beanspruchbares mehrschichtiges Tragwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein durch Impulslasten bis zur Grenztragfähigkeit beanspruchbares mehrschichtiges Tragwerk gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

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 Flugzeuges aufzunehmen. 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 auftreten· den hohen Verformungen und großen Risse unbedenklieh sind, so kann doch bei den besonderen Eigenschaf· ten 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 auch 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.

Um ein solches Betontragwerk so zu verbessern, daß es bei allen denkbaren außergewöhnlichen Lastfällen, wie z, B, Flugzeugabsturz, Explosionsdrflcken, Strahlkrftften oder Erdbeben, in gleicher Weise mit Erfolg den angestrebten Schute gewährleistet, d, h. jedes Freisetzen von Radioaktivität an die Atmosphäre unmöglich macht, ist es bekannt, die Ummantelung eines Kernreaktors aus mindestens zwei in weitgehend parallelem Abstand voneinander angeordneten schalen- und/oder plattenartig geformten Wänden auszubilden und den Raum zwischen den Wänden mit einem leicht verformungsfähigen Material zu verfüllen, das gegebenenfalls auch Pämpfungseigenschaften aufweisen kann, wie z. B. einen Schaumstoff auf Kunstharzbasis (DE-OS 25 54 576). Bei diesem Bauwerk soll die Außenwand den Schutz gegen außergewöhnliche äußere Einwirkungen übernehmen, wobei sie sich infolge des verformungsfähigen^: Materials-bis zur Anlage an die Innenwand verformen kann. Die Innenwand übernimmt demgegenüber den Schutz gegen Störfälle aus dem Inneren des Gebäudes heraus, wobei sie örtlich bis zur Gvenztragfähigkeit belastet ja sogar zerstört werden kann.

Durch die Zwischenschaltung des leicht verformungsfähigen Materials, das auch als verlorene Schalunf eingesetzt werden kann, gelingt zwar eine Trennung der beiden Wände voneinander, ohne daß deren jeweilige Verformbarkeit beeinträchtigt wird. Zur Vernichtung der Aufprallenergie steht aber im wescnüichen nur die Verformungsfähigkeit der Stahlbetonwände selbst zur Verfügung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem solchen mehrschichtigen Tragwerk eine Möglichkeit zu schaffen, um einen größeren Teil an Verformungsenergie aufnehmen zu können, als er durch die Stahlbetonwände selbst bereitgestellt werden kann, um so einerseits die Sicherheit des Bauwerks zu verbessern, andererseits aber auch durch dünnere Wandstärken zu einer größeren Wirtschaftlichkeit zu kommen.

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 eventuell verdampft Darüber hinaus bestimmen Geometrie und physikalische Eigenschaften von Stoßkörper und gestoßenem Körper den Umfang der erzeugten Wirkung. Eine beim Stoß erzeugte Verdichtungswelle 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

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die intensität der rwmiieh eingetragenen Wellen schneller abnimmt als die der sweidimensionalen Wellenarten, was in vermehrtem Maße gilt, wenn mit großen Pämpfungseigenscbaften aufgebaute Schichten hintereinander angeordnet eine Fortleitung der Wellen in weitere Bereiche des Tragwerks verwehren.

Bei einem Tragwerk nach der Erfmdiing hat die Schicht aus Stahlbeton die Abtragung der statischen Lasten zu übernehmen, während die mit Fasern bewehrte, daher sahr zähe und, da. mit porenförmigen Hohlräumen versehene, dämpfend wirkende Schicht, insbesondere dann, wenn sie unmittelbar an die Stahlbetonschicht angrenzt, einen Großteil der durch die Impulslasten verursachten Kräfte und Erschütterungen aufzunehmen hat Vor allem infolge der porenartigen, also geschlossenen Hohlräume zeigt die Faserbetonschicht unter Lasteinwirkung senkrecht zur Bewehrungsrichtung eine große Deformierbarkeit, so daß ein Maximum an Betorizerstöruhg 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 Faserbetonschicht mit großen Dämpfungseigenschaften eine hohe Sicherheit gegen Tragwerksversagen bzw. Perforation der Konstruktion infoige 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 Überschreitung der Rißfestigkeit 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 kann wesentlich durch die Wahl der Fasern, der Matrix und durch den Aufbau erreicht werden.

Möglichkeit ;n zur Realisierung dieser Eigenschaften bestehen z. B. auch bei Verwendung von Fasern, die mit Gleitmitteln umhüllt sind. Hierbei entstehen keine chemischen Reaktionen, d. h. zur Ausbildung größerer Verschiebungen keine festen Bindungen zwischen Fasern und Matrix.

Je nachdem mit dem Tragwerk angestrebten Ziel kann an der der Impulslast zugekehrten Seite des Tragwerks entweder eine Stahlbetonschicht oder eine Faserbetonschicht mit Hohlräumen liegen. Bei Anordnung der Stahlbetonschichi vor der Faserbetonschicht 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 Faserbetonschicht wird ein vermehrter Abbau der Impulslast durch verstärkte Reflexion der Wellenfront erreicht

Da die Stoßkraftgröße 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 Schichtdicke und zur optimalen Ausnützung der Werkstoffe geht die Erfindung davon aus, daß je nach Intensität der einwirkenden Stoßkraft die Ausbildung unterschiedlicher Zerstörungszonen möelich sein soll, wie z. B.

— eine Bruchzone mit maximalen Matenaiveränderungen infolge hoher Pressungen und damit verbundenen hohen Temperaturen,

— Zonen mit plastischer Material veränderung und bleibenden Verformungen, eventuell mit verblei benden größeren Raumgewichten infolge von Volumenyeränderungen 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 Ausnutzung maximaler Materialbeanspruchung erreicht wird. Dieser EffeV.t wird weitgehend durch den zu wählenden Maten?!aufbau 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 der eingangs genannten Art bei dem zwischen den Stahlbetonschichten eine Schicht aus einem leicht verformbaren Material angeordnet ist

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen Ausschnitt aus einem Tragwerk nach der Erfindung,

F i 5.2 schematisch die Verformungen des Tragwerks unter äußeren bzw. inneren Impulslasten und

F i g. 3 einen Ausschnitt aus F i g. 1 in größerem Maßstab.

Das in F i g. 1 in einem Ausschnitt aus einem Querschnitt dargestellten Tragwerk 1, z. B. die Kuppel eines Reaktorgebäudes eines Kernkraftwerkes, 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 F i g. 3 zu erkennen ist, weist die Schicht 2a, wie auch die übrigen Schichten 26 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 besteht aus Faserbeton, ais<~ aus einer Zementmatrix, in die Fasern eingebettet sind und die porenförmige Hohlräume enthält.

Trifft nun auf das Tragwerk 1 eine äußere Impufslast P, auf, so wird zunächst die äußere Stahlbetonschicht 2a in der in F i g. 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 P/.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Puren Impulsivsten bis ?«r Grenztragfähigkeit beanspruchbsres mehrschichtiges Tragwerk mit s mindestens einer Schicht aus Stahlbeton und mit mindestens einer dieser benachbarten, plastisch verformbaren Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß die plastisch verformbare Schicht (3a, 36, 3c) aus einem Faserbeton mit porenartigen to Hohlräumen besteht

2. Tragwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern teilweise keinen Verbund mit derMatrix aufweisen,

3. Tragwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung porenartiger Hohlräume der Matrix-Polystyrolkügelchen, gaserzeugende Zusätze oder dergleichen beigegeben sand.

4. Tragwerk: nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht mit hohen Dämpfuogseigenschaften unmittelbar und stetig an der Stahibetonschicht anliegt

5. Tragwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht mit hohen Dämpfungseigenschaften und die Stahlbetonschicht schubfest miteinander verbunden sind.

6. Tragwerk nach Ansprach 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur schubfesten Verbindung an sich bekannte Verbindungselemente, wie Bewehrungselemente, Trennflächenprofilierungen, Verbindungsstege oder dergleichen vorgesehen sind.