Verbund-Opferzellen zum Schutz von Stützen bei Nahdetonation

Lasttragende Bauteile wie Erdgeschossstützen von Hochhäusern oder Brückenpfeiler, ausgeführt als Verbundkonstruktion, gewährleisten vermehrten Schutz bei Nahdetonation. Opferzellen, die um den Stützenquerschnitt konstruiert sind, schaffen zusätzliche Sicherheit. Sie bewirken, dass die Anströmfläche der Stütze erst bei relativ hohen reflektierten Drücken einreißt - meist an der Geländeoberkante. Untersucht wird, welcher Opferzellenquerschnitt durch Druckverteilung und Energieabsorption einen effektiven Schutz der abgeschirmten lasttragenden Stütze bietet. Außerdem wird der Frage nachgegangen, inwieweit der schichtweise alternierende Aufbau von verformbarem Material geringerer Dichte und von massigem Material hoher Steifigkeit im Opferzellenquerschnitt durch Impedanzfehlanpassung die lasttragende Stütze schützt. Impedanzfehlanpassung führt zu einer verstärkten Reflexion der Schockwellen und dadurch zu einer Reduzierung ihrer Transmission. Eine Schockwellenreflektion innerhalb des Opferzellenquerschnitts wirkt sich folglich günstig auf die zu schützende Konstruktion aus.
Die Ergebnisse veranschaulichen das Schutzpotential und die Wirksamkeit von Opferzellen im Vergleich zu anderen Schutzmaßnahmen wie der Verwendung nachgiebiger Auflagerbedingungen und der Variation des Stützenquerschnitts. Die in Vergleichsberechnungen gewonnenen Erkenntnisse werden in einem Bemessungsdiagramm zusammengefasst. Die Resttragfähigkeit der Stütze wird als Indikator für die Effektivität der untersuchten Schutztechnologien vorgestellt.

Multi-layer composite sacrificial cells to protect columns against close-standoff blast.
Composite cross sections have been shown to be generally well suited for constructing explosion-resistant load-bearing structural members, such as columns or bridge piers, with high protection demands. Composite sacrificial cells which are built around the member's cross section enhance the protection of columns and piers exposed to high dynamic loading. Due to energy absorption outside the load-carrying cross section the reflected pressure and induced shock wave are significantly reduced. It is investigated whether the layer sequence of two distinct materials (a less dense, more deformable material versus one that is denser and stiffer) is measurably different for protection of other material layers including the structural member's inner core. We also study whether shock wave reflection and reduced transmission of shock waves, achieved with specific material layering in sacrificial cells, practically result in significant protection of the underlying structure.
We also compare the protection potential of sacrificial cells with the effectiveness of other protective measures such as the variation of boundary condition and the cross section design. The paper finalizes with an elaborate design diagram which summarizes the residual axial capacity of columns after the blast event and the extent of damage when using sacrificial cells.