Robuste Ingenieurmodelle zur Schädigungssimulation von Stahlbetonstrukturen infolge stoßartiger Belastungen

Abstract

Im Rahmen des vom Bundesministerium für Umwelt, Klimaschutz, Naturschutz und nukleare Sicherheit geförderten Forschungsvorhabens 1501611 „Robuste Ingenieurmodelle zur Schädigungssimulation von Stahlbetonstrukturen infolge stoßartiger Belastungen“ wurde ein schädigungsadaptives, robustes Ingenieurmodell zur Simulation der strukturellen Schädigung von Stahlbetonbauteilen infolge stoßartiger Belastungen entwickelt. Im Unterschied zu bestehenden Ansätzen ist das weiterentwickelte Modell in der Lage, die maßgeblichen Versagensmechanismen sowohl bei harten als auch bei weichen Stoßbelastungen physikalisch konsistent zu erfassen und abzubilden. Die Entwicklung gliedert sich in zwei Phasen: Für die Einwirkungsseite wurden geeignete Ansätze ausgearbeitet, welche die Last-Zeit-Funktion des auftreffenden Projektils beschreiben. Die Zielstruktur wurde als Zweimassenschwinger (ZMS), basierend auf bestehenden mechanischen Ingenieurmodellen, idealisiert. Zur Erweiterung dieser Ingenieurmodelle wurde das globale und lokale Verformungsverhalten modifiziert. Die Validierung erfolgte anhand experimenteller Daten aus Aufprallversuchen, insbesondere der VTT- und TU-Dresden-Versuchsreihen, sowie durch numerische Finite-Elemente-Simulationen. Darüber hinaus wurden umfassende Sensitivitätsuntersuchungen durchgeführt, welche den Einfluss empirischer Parameter quantifizieren. Ein zentrales Ergebnis des Projekts ist, dass das entwickelte Modell in der Lage ist, den Schadensmodus der Zielstruktur zuverlässig vorherzusagen. Die erzielte Generalisierung erlaubt eine breite Anwendbarkeit im Bereich der strukturellen Integritätsbewertung bei geringem Rechenaufwand, insbesondere für kerntechnische Anlagen wie Reaktorgebäude oder Zwischenlager. Die Erkenntnisse und Modellkomponenten aus diesem Projekt bilden eine belastbare Grundlage für zukünftige Sicherheitsanalysen sowie für die normative Weiterentwicklung vereinfachter Bemessungsvorschriften im Kontext außergewöhnlicher Einwirkungen. In the framework of the research project 1501611 “Robust Engineering Models for Damage Simulation of Reinforced Concrete Structures under Impact Loading” funded by the Federal Ministry for the Environment, Climate Action, Nature Conservation and Nuclear Safety, a damage-adaptive, robust engineering model was developed for simulating the structural damage of reinforced concrete components subjected to impact loads. In contrast to existing approaches, the enhanced model is capable of capturing and representing the dominant failure mechanisms under both hard and soft impact conditions in a physically consistent manner. The development process was structured in two phases: For the impact side, suitable approaches were developed to describe the load-time function of the impacting projectile. The target structure was idealized as a two-degree-of-freedom system (TDOF), based on established mechanical engineering models. To extend this model, both the global and local deformation behavior were modified. Validation was carried out using experimental data from impact tests, particularly from the VTT and TU Dresden test series, as well as numerical finite element simulations. In addition, extensive sensitivity analyses were conducted to quantify the influence of empirical parameters that must be estimated prior to model application. A key outcome of the project is that the developed model is capable of reliably predicting the damage mode of the target structure. The achieved generalization enables broad applicability in structural integrity assessments with reduced computational effort, particularly for nuclear facilities such as reactor buildings or interim storage facilities. The insights and model components derived from this project provide a reliable basis for future safety analyses and the normative development of simplified design procedures in the context of extreme loading scenarios.