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Protection against terroristic or accidental scenarios in industrial settings requires suitable designs of structures to resist blast loads. Field testing as well as finite element simulations are among the techniques available to engineers in the understanding of the structural behavior against blast loading.
As blast testing of complex scenarios can be very resource intensive, tests are generally performed for simplified scenarios. Numerical tools can be used to model these scenarios to get better insight into blast loading, structural response, and the resulting damage to the structure. During the next steps, the simplified scenario is successively modified in numerical simulations to incorporate complexities that cannot be covered in blast testing experiments. One of the conditions for this approach to work is that the original simplified numerical simulation is valid. The scopes and challenges encountered in such a validation are the focus of this presentation/article.
A relatively ‘simple’ field test of a horizontal reinforced concrete (RC) slab subjected to blast loading is taken as an example for validation of the performance of numerical tools. The blast test incorporated various measurement techniques to quantify the blast load as well as the behavior of the RC slab. Blast load was measured using flush mounted piezoelectric pressure gauges, whereas acceleration sensors and fiber-optic sensor cables were used to characterize the dynamic behavior of the slab under blast loading. Additionally, damage characteristics were ascertained also using fiber optic sensing. The application of such measurement techniques, along with different numerical software available for the analysis of the scenario in question, demonstrate the scope of our contribution.
When it comes to the challenges, it begins with proper instrumentation of the test specimen followed by the data processing. For numerical modelling, geometric conditions with appropriate boundary constraints, physical conditions such as the configuration of the rebars, as well as material parameters add to this challenge. The issues of choosing appropriate material models and comparison of results with multiple software tools will be discussed. This discussion forms the basis for a coherent approach to technical-safety assessment of blast effects on structures in its broader sense.
Current capabilities for full-scale field testing are highly resource intensive. Reliable small-scale experiments are an effective alternative. Characterization of the dynamic response and damage of RC elements to scaled blast loads was investigated in scaled-down field experiments. Spatially resolved information on the dynamic structural response using distributed fiber optic acoustic sensing (DAS) and acceleration as well as blast loading by piezoelectric pressure sensors.
The structural integrity of outer reinforced concrete (RC) containments of nuclear power plants provides an essential shield against external hazards. If this containment is damaged by an impact event, such as an aircraft crash, the question arises to which degree the reinforced concrete containment still has its protective capability. This concerns both purely structural protection and protection against liquids penetrating the interior of the containment. Due to the dimensions of the containment structures, it is difficult to perform real scale impact experiments, so in the past decades plate geometries at medium scale have been used for investigations. Detailed investigations on the structural behaviour of RC members or RC plates subjected to impact loading have already been presented in Just et al., Hering, Hering et al., Bracklow et al., Hille et al. and Nerger et al.
The following investigations deal with the single and multiple impact event (first hard impact and/or subsequent soft impact) on a RC specimen, which provides the basis for further investigations. A description of the test setup and the test procedure as well as a presentation of the test results from the impact tests are provided.
Furthermore, the experimental program is presented, which the damaged RC specimens are to undergo to deal with the question of how much the impact-damaged RC structure has become permeable to liquid media, such as water and kerosene, depending on the intensity of the impact. The aim of these following investigations is to develop a test setup that can be applied to investigate the liquid penetration behaviour (LPB) of small, medium, and large-scale RC members.
In addition to the liquid penetration experiments, the damaged specimens are to be examined by planar tomography to obtain the damage inside the specimen. The combination of damaging event, fluid penetration behaviour and tomography should enable a comprehensive understanding of the damage to the RC specimen.
A safety or security related assessment of explosions, accidental and intentional scenarios alike, often necessitate performance of replication-tests. Such test results are necessary to clarify the causes within the scope of forensic investigations. To gain important insights into the behavior of structures and materials under such loading, field tests may also be performed in accordance with different test standards. To determine the resistance of building-structures after explosions, estimation of the residual load-bearing capacity in addition to the assessment of dynamic structural response and damage to the building components is important. In most cases an evaluation of structural integrity is based only on the visual damage, resulting in an overestimation of the residual capacity.
The Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) operates the Test site for Technical Safety (TTS) on an area measuring about 12 km2 in the Federal State of Brandenburg for execution of true-to-scale explosion tests. At the TTS, building component testing was performed to assess the suitability of different non-destructive testing methods to characterize the dynamic structural response and damage resulting from the detonation of high explosives.
Different blast-loading scenarios were realized by varying the net explosive mass and the standoff distance with all scenarios representing a near-field detonation. The test object was a reinforced concrete wall 2 m high, 2.5 m wide and 20 cm thick, fixed at both vertical edges. The dynamic loading of the wall was characterized with 8 piezoelectric pressure sensors flush-mounted on the front surface, thus measuring the reflected pressures from the shock wave. The tests were conducted with the aim of characterizing the global behavior of the wall under dynamic shock loading and the resulting local damage pattern, respectively. High speed digital image correlation was implemented in combination with multiple acceleration sensors to observe the rear surface of the wall to chart the dynamic deflection during the loading and to determine the residual deformation after the loading had ceased. In addition, one test specimen was instrumented with fiber optic sensor cables, both fixed to the rebars and embedded in the concrete-matrix, respectively. Firstly, these sensors were interrogated during the blast test by a distributed acoustic sensing (DAS) device using a particularly high sampling rate to measure the shock-induced vibrations in the structure with high temporal resolution. This delivers information on dynamics of compression and tension cycles from within the structure. Secondly, the local damage-pattern emerging during the series of blasts was determined via distributed fiber optic strain sensing (DSS) by interrogating the embedded fiber optic sensors with a high spatial resolution DSS device after each blast. This enabled the characterization of non-visual damage to the structure, in particular with regard to the formation of localized cracks in the concrete matrix. The DSS was further complimented by a structure-scanner based on ultrasonic measurements.
Our contribution describes this new test approach in detail. Results of the three datasets, namely dynamic shock loading, global behavior of the test object and the local damage pattern will be presented. The suitability of the implemented measurement methods will be discussed in combination with the challenges in their application for technical safety evaluation of building components under explosive loading.
Schutzbauwerke von systemkritischen Infrastruktureinrichtungen wie Betonwände und Betonbarrieren müssen Anprallereignissen oder schweren Unfällen in einem vertretbaren Maße widerstehen können. Anprallereignisse können verschiedenster Natur sein. Hierzu zählen Steinschlag, Fahrzeug- oder Flugzeuganprall oder auch Geschosseinschlag. Geschosseinschläge bzw. Bei den Anprall- oder Impaktereignissen wird zwischen hartem und weichem Anprall unterschieden, bei hartem Anprall verformt sich der Anprallkörper nicht oder nur geringfügig, bei weichem Anprall stark.
In diesem Artikel werden Forschungsergebnisse zum harten Anprall auf bewehrte Stahlbetonplatten vorgestellt, welche über die letzten Jahre im Rahmen eines Kooperationsprojekts zwischen dem Institut für Massivbau (IMB) der Technischen Universität Dresden (TUD) und der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) durchgeführt wurden. Auf dem Gelände des Otto-Mohr-Labors (OML) der TUD steht hierfür ein speziell konzipierter Fallturm zur Verfügung. Der Aufbau im Fallturm lässt aktuell druckluftbeschleunigte Impaktversuche mit mittleren Anprallgeschwindigkeiten zu. Die durch Anprall geschädigten Stahlbetonplatten wurden anschließend bei der BAM mit Strahlung tomographisch untersucht. Diese Untersuchungen ermöglichen einen Blick auf die Schädigung und Rissstruktur im Inneren der Stahlbetonplatten.
Ein Schwerpunkt der durchgeführten Untersuchung ist der Vergleich von Testergebnissen mit den häufig angewendeten halbempirischen Berechnungsmethoden zu den erforderlichen Wandstärken und den sich daraus ergebenden zulässigen Anprallgeschwindigkeiten. Bei diesem Vorgehen wird auch die mit analytischen Methoden abschätzbare Durchdringungsgeschwindigkeit bzw. Austrittgeschwindigkeit eines Projektils ermittelt und mit den realen Testergebnissen verglichen. Außerdem wird der Einfluss von sowohl externen als auch internen Strukturparametern auf Risse betrachtet und ein Fazit abgeleitet. Weiterhin werden laufende und zukünftige wissenschaftliche Untersuchungen zum Anprall auf Betonstrukturen am IMB und der BAM genannt.
Zur Bewertung der Widerstandsfähigkeit von Schutzobjekten und Bauteilen gegen Explosionsbeanspruchung führt die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) regelmäßig Sprengversuche im Realmaßstab auf einem Testgelände durch.
Solche Versuche sind planungs- und ressourcenintensiv, sodass sie zunehmend durch numerische Simulationen ergänzt bzw. ersetzt werden.
Aktuelle Forschungsarbeiten zielen darauf ab, neue Berechnungsmethoden und Materialmodelle zu entwickeln, mit denen die Bestimmung der Bauteilantwort sowie die daraus resultierende Schädigung nach einem Explosionsereignis möglich sind.
Zur Validierung solcher Ansätze ist es notwendig, systematische Versuche mit unterschiedlichen Szenarien durchzuführen, bei denen die relevanten Parameter mit Hilfe verschiedener Messmethoden aufgezeichnet werden.
Sprengversuche sind ein wesentliches Werkzeug, um die Eignung von Schutzobjekten und Bauteilen zum Schutz der Bevölkerung vor Anschlägen mit explosionsgefährlichen Stoffen wie Explosivstoffen, sogenannten „home-made-explosives“ (HME) und unkonventionellen Spreng- und Brandvorrichtungen (USBV) zu bewerten. Für forensische Zwecke werden oft Explosionsszenarien nachgebildet, um die Auswirkung von Anschlägen oder Unfällen genau untersuchen zu können. Feldversuche in Kombination mit numerischen Simulationen ermöglichen eine Charakterisierung der Belastung und Schädigung von Bauteilen und Strukturen unter hochdynamischen Explosionsbelastungen.
Auf dem Testgelände Technische Sicherheit (TTS) der BAM in Horstwalde, Brandenburg werden Sprengversuche im Real-Maßstab durchgeführt. Dabei werden Bauteile mit Messtechnik ausgestattet, um eine dynamische Strukturcharakterisierung mittels sensorbasierten Monitorings zu ermöglichen.
In diesem Vortrag werden am Beispiel einer Versuchskampagne mit einer Stahlbetonwand als Prüfkörper die Eignung verschiedener Prüfmethoden bei Sprengversuchen evaluiert. Es werden Messmethoden zur Charakterisierung der Explosionsereignisse, des globalen Strukturverhaltens sowie der lokalen Schädigung vorgestellt.
Die direkte Charakterisierung der Explosionsbelastung erfolgt mit Hilfe von piezo-elektrischen Druckaufnehmern (bündig mit der Oberfläche im Prüfkörper montiert) und High-Speed-Kameras. Die Beobachtung der explosionsinduzierten Reaktion des Bauteils während und nach dem Eintreffen der Stoßwelle erfolgt mittels Beschleunigungssensoren, Stereo-Fotogrammetrie sowie mit in den Prüfkörper eingebetteter verteilter faseroptischer Sensoren, mit Hilfe derer die Dehnungsraten im Bauteil zeit- und ortsaufgelöst gemessen werden können. Die faseroptischen Sensoren erlauben außerdem die örtlich hochaufgelöste Bestimmung statischer Dehnungsänderungen im Bauteil nach einem Versuch, sodass auch nicht sichtbare Schädigungen wie kleinste Risse detektiert und charakterisiert werden können. Vergleichende Messungen mit Ultraschall komplettieren die Schadenscharakterisierung. In unserem Beitrag diskutieren wir die Herausforderungen dieser Messungen sowie die Ergebnisse und Möglichkeiten der genannten komplementären Messmethoden.
An effective protection of structures against impact from detonation of high explosives (HE) necessitate certain design specifications to be met. In the event of an explosion, accidental or intentional, any damage in its neighborhood (especially, for example, to the structures of strategic importance) should remain as low as possible. The behavior of a structure under the shock loading from an explosion will determine the extent of the damage. The investigation of the relevant phenomena that occur during the event of an explosion is the objective of this study.
In accordance with the test parameters, numerical simulations were performed and results were compared with those from field tests. The deformation of the wall under shock impact was simulated by implementing the appropriate interaction of fluid and structure. Moreover, the numerical pressure-time histories in front of the wall were compared with the ones measured in the field by means of piezoelectric pressure gauges, providing a validation for the shock waves’ propagation.