Blast resistant urban planning and design

Norbert Gebbeken, Stefan Greulich und Torsten Döge
BLAST RESISTANT URBAN PLANNING AND DESIGN
Norbert Gebbeken1, Stefan Greulich1 und Torsten Döge1
1
Institut für Mechanik und Statik, Labor für Ingenieurinformatik
Universität der Bundeswehr München, Werner-Heisenberg-Weg 39, 85577 Neubiberg
e-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
Stichwörter: Blastschutz, Planung oder Bestand, städtebauliche Situation, Beratung.
Kurzfassung: Ausgewählte Gebäude sollen gegen besondere Gefährdungen und damit gegen
außergewöhnliche Belastungen geschützt werden. Ob bereits während der Planungsphase
oder beim Bauen im Bestand — verschiedene Möglichkeiten zum Schutz gegen Blast lassen
sich realisieren. Hierzu wird neben der Betrachtung des ausgewählten Gebäudes auch die
gesamte städtebauliche Situation mit in das Planungs- und in das Bemessungskonzept mit
einbezogen. Bereits durch architektonische und landschaftsplanerische Gestaltung kann ein
wirkungsvoller Schutz gegenüber Explosionen erzielt werden. Die konzeptionelle Umsetzung
wird für ein Gebäude verdeutlicht. Dieses Beispiel zeigt, wie wissensbasierte Strategien die
Planung für den baulichen Schutz beeinflussen.
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EINLEITUNG
Städtebauliche Konzepte unter Beachtung der Sicherheit vor außergewöhnlichen Einwirkungen gibt es bisher praktisch nur für Diplomatenzentren im Ausland. Das über Jahre dauernde Ringen um die Sicherheit der US-amerikanischen Botschaft in Berlin macht die
Problematik besonders deutlich. Wenn aber ein besonders zu schützendes Gebäude neu geplant oder im Bestand errichtet wird, dann sollte auch der Bestand in unmittelbarer Nähe mit
geschützt werden. Dafür gibt es aber keine gesetzlichen Grundlagen (Bauordnungen). Ein
Anwohner ist also in der Pflicht, sich bei der Polizei zu informieren, und die Kosten des baulichen Schutzes selbst zu tragen, auch wenn er nicht der Verursacher ist. Das ist zur Zeit eine
unbefriedigende Situation. Der Schutz von Gebäuden oder Quartieren ist noch gut möglich,
wenn es eine eindeutige Nutzung mit Zugangskontrollen gibt. Schwierig wird es, wenn
Mischnutzungen vorliegen. Dann werden die Schutzmaßnahmen ungleich schwieriger bzw.
aufwendiger.
Wann sind welche Gebäude schützenswert? Was sind also kritische Infrastrukturen?
Abbildung 1 zeigt eine Grafik von der Bundesanstalt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe und definiert die „kritischen Infrastrukturen“ aus der Sicht des Staates. Dabei ist
neben der Einzelbetrachtung einer kritischen Infrastruktur, beispielsweise die Kraftwerke der
Energieversorgung, selbstverständlich auch die Abhängigkeit untereinander in Betracht zu
ziehen. Gibt es aufgrund eines Anschlags oder eines Unfalls einen Engpass in der Energieversorgung, sind auch Transport und Verkehr in erheblichem Maße eingeschränkt, was wiederum
weitere Konsequenzen auf andere Einrichtungen nach sich zieht.
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Abbildung 1: Definition „Kritische Infrastrukturen”, Quelle: BA für Katastrophenschutz.
In diesem Beitrag werden nun verschiedene Möglichkeiten des Schutzes von ausgewählten
Gebäuden bei Berücksichtigung der städtebaulichen Situation gegen Blast näher betrachtet.
Wichtige Parameter, die in das Planungs- und in das Bemessungskonzept mit einfließen, lassen sich aus den vorangegangenen Beiträgen gewinnen. Diese werden kurz mit Bezug für diesen Beitrag zusammengefasst. Darauf aufbauend werden architektonische Möglichkeiten
aufgezeigt, die sich positiv auf den Gebäudeschutz auswirken und einen entsprechenden Einfluss auf die Abmessungen der Bauteile haben. Nach dem Motto „leicht, aber doch sicher und
schützend“ werden einige Ideen vorgestellt, die deutlich machen, dass der Schutzbau nicht
unbedingt nur mit extrem massiven Bauteilen/-werken in Verbindung gebracht werden muss.
Hier zeigen Lösungsansätze, worauf bei der Wahl der Materialien für die Bauteile bei welcher
Belastungssituation zu achten ist. Abgeschlossen wird dieser Beitrag mit zwei ausgewählten
Beispielen von Bauwerken, bei denen die hier in allen Beiträgen gewonnenen (Er-)Kenntnisse
mit in die Planung eingeflossen und konsequent umgesetzt worden sind.
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PARAMETER FÜR DAS PLANUNGS- UND BEMESSUNGSKONZEPT
Wie hauptsächlich im zweiten Beitrag erläutert, tragen der Überdruck-Zeit-Verlauf und der
Auftreffwinkel entscheidend zur Bestimmung der Bemessungslast bei. Anhand von verschiedenen Sprengladungsmengen bei variierenden Abständen wird nun der Einfluss auf die Bemessung von Bauteilen beispielhaft gezeigt.
Wesentlich für die Bemessung sind der reflektierte Spitzenüberdruck und die Belastungsdauer auf ein Bauteil. In einigen Fällen kann sogar die negative Überdruckphase eine Rolle
bei der Bemessung spielen. Im Wesentlichen hängt der der Überdruck-Zeit-Verlauf von der
Sprengladungsmenge und vom Abstand zum bemessenden Bauteil ab. Dabei wurde aus den
vorangegangenen Beiträgen deutlich, dass für vorgegebene Belastungsszenarien (Sprengla-
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dungsmenge und Abstand) die Parameter aus Experimenten, aus analytischen Gleichungen,
aus numerischen Simulationen und/oder aus empirischen Funktionen bestimmt werden können. Beispielsweise lassen sich mit den semi-empirischen Formeln von KINNEY & GRAHAM
1985 [1] der Spitzenüberdruck und die Zeit der positiven Belastungsdauer bestimmen. Einige
Ergebnisse für verschiedene Sprengladungsmengen bei variierenden Abständen der Ladung
zu einem betrachteten Punkt sind in Abbildung 2 dargestellt. Diese Ergebnisse nach den Formeln von KINNEY & GRAHAM sind lediglich für eine Freifeldausbreitung gültig. Mit Wellenausbreitungsprogrammen wie Hydrocodes lassen sich aus den numerischen Simulationen
ebenso diese Parameter bestimmen.
Abbildung 2: Explosionsparameter für verschiedene Detonationsszenarien: Ergebnisse für den Überdruck, die
Zeit der Überdruckphase und den Impuls nach den semi-empirischen Formeln von KINNEY & GRAHAM [1].
Mit dem Verweis auf den zweiten Beitrag und damit nicht näher darauf eingehend sei hier
angemerkt, dass sich der reflektierte Überdruck gemäß den Angaben aus dem TM 5-855-1
von 1997 [4] in Abhängigkeit vom einfallenden Überdruck und vom Auftreffwinkel bestimmen lässt. Dabei erreicht der reflektierte Überdruck bei einem konstanten Isentropenexponenten von γ = 1,4 nahezu das 8fache des einfallenden Überdrucks und bei Berücksichtigung der
vollständigen thermodynamischen Einflüsse auf den Isentropenexponenten γ nahezu das
14fache des einfallenden Überdrucks.
Ein erster Schritt zur Klassifizierung von Bauteilen, ob sie einer vorgegebenen Belastung
standhalten oder zerstört werden, ist die Anwendung von so genannten Zerstörungskennlinien
(siehe auch Beitrag 18). Diese Zerstörungskennlinien sind in Abhängigkeit von Parametern
wie der Länge/Breite/Höhe, der Form, den Lagerbedingungen, usw. für verschiedene Materialien erstellt. Eine Zerstörungskennlinie wird in einem Überdruck-Impuls-Diagramm dargestellt (siehe Abbildung 3). Als Eingangsparameter ist das Wertepaar aus Überdruck und
Impuls maßgeblich für die Beurteilung des Bauteils und diese Parameter sind vorab in Abhängigkeit von der Sprengladungsmenge und von dessen Abstand zum Bauteil zu ermitteln.
Die Impuls-Asymptote indiziert einen sehr hohen Überdruck innerhalb einer sehr kurzen Zeit
(z. B. eine hohe Sprengladung sehr nah zum Bauteil) und die Überdruck-Asymptote indiziert
einen konstanten Überdruck, der über einen sehr langen Zeitraum vorliegt (z. B. das Eigengewicht). Hier wird gezeigt, dass ein Bauteil einer Explosionsbelastung standhält, wenn ein
Wertepaar aus Überdruck und Impuls unterhalb der Zerstörungskennlinie liegt und nicht
standhält, wenn ein Wertepaar aus Überdruck und Impuls oberhalb der Zerstörungskennlinie
liegt.
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Werden nun exemplarisch die aus dem rechten Diagramm in Abbildung 2 ermittelten
Überdruck und Impuls Parameter aus den verschiedenen Explosionsszenarien in das Diagramm mit den Zerstörungskennlinien eingetragen, so liegt lediglich der schwarze Punkt für
1kg TNT in 3,25m Entfernung unterhalb der zunächst angesetzten hellgrauen Zerstörungskennlinie (Abbildung 3, rechts). Die beiden anderen Explosionsszenarien (10kg und 100kg
TNT) mit gleichem Überdruck aber höherem Impuls aufgrund der größer werdenden Entfernung zum Bauteil würden das Bauteil zerstören.
Abbildung 3: Zerstörungskennlinie eines Bauteils in einem Überdruck-Impuls-Diagramm: Einordnung der impulsiven, dynamischen und quasi-statischen Bereiche (links), Eingabe des vorangegangenen Beispiels mit verschiedenen Explosionsszenarien bei konstantem Überdruck und variierendem Impuls (rechts).
Fazit: Eine erste einfache Lösungsstrategie für den Schutz bzw. die Bemessung dieses
Bauteils ist die Erhöhung der Kennwerte der Zerstörungskennlinie wie das Material, die Abmessungen oder den Lagerungen des Bauteils. Dies führt zu einer Verschiebung der Zerstörungskennlinie, so dass schließlich alle drei Explosionsszenarien unterhalb der Zerstörungskennlinie liegen (siehe Abbildung 3, rechts). Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Parameter der Bemessungslast für das Bauteil zu reduzieren ohne die zu untersuchenden Explosionsszenarien zu ändern. Der Weg dazu wird im folgenden Abschnitt aufgezeigt
3
REDUKTION DER BEMESSUNGSLAST DURCH „BLAST RESISTANT
SHAPING“
Um die Bemessungslast auf ein Bauteil zu reduzieren ohne die zu untersuchenden Explosionsszenarien zu ändern, kann durch eine genaue Betrachtung des Materials, der Formgebung
und der Abmessungen erfolgen.
Eine erste einfache Studie (Abbildung 4) zeigt den Einfluss einer durch 300kg TNT ausgelösten Blastwelle in einem Abstand von 2m auf ein Bauteil [7]. Zur Simulation der Blastwellenausbreitung, der Reflexion und der Umströmung an der Oberfläche wurden die Studien mit
dem Hydrcocode Autodyn durchgeführt. Die vier untersuchten Querschnitte, welche beispielsweise die Querschnitte einer tragenden Gebäudestütze repräsentieren, hatten in allen
Fällen die konstante Querschnittsfläche von 0,16m². Die Formen der Stützen wurden variiert.
Die Überdrücke wurden in der Mitte der zur Explosion zugewandten Oberfläche und der Impuls über die gesamte Breite der Oberfläche analysiert. Wie die Kurvenverläufe der Überdruck-Zeit-Verläufe und deren Auswertungen in Abbildung 4 verdeutlichen, unterscheiden
sich die maximalen Überdrücke und die maximalen Impulse in Abhängigkeit von der Querschnittsform. In erster Überlegung ist dieses Ergebnis nicht überraschend. Aber betrachtet
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man die Ergebnisse im Detail, so lässt sich feststellen, dass der geringste Spitzenüberdruck
mit dem quadratischen Querschnitt erzielt wird, bei der eine Spitze des Quadrats zur Explosion hin zugewandt ist (2. Fall), währen sich der geringste Impuls beim schmalen, rechteckigen
Querschnitt einstellt (4. Fall).
Der reflektierte Spitzenüberdruck ist hier hauptsächlich vom Auftreffwinkel abhängig (siehe Beitrag 2). Da der reflektierte Spitzenüberdruck in der Mitte der zur Explosion zugewandten Seite gemessen wurde, ist er im 2. Fall am geringsten, da dort der Auftreffwinkel 45°
beträgt und bei den anderen drei Fällen am Messpunkt eine senkrechte Reflexion auftritt. Am
Rand des kreisförmigen Querschnitts ist der reflektierte Spitzenüberdruck geringer als am
Messpunkt, wurde hier aber nicht ausgewertet.
Der in Abbildung 4 dargestellte maximale Impuls, der über die gesamte Breite der zur
Explosion zugewandten Seite bestimmt wurde, ist abhängig vom reflektierten Spitzenüberdruck, der Breite des Querschnitts und dem Strömungswiderstand des Querschnittes. Fall 4
weist den geringsten maximalen Impuls auf, da dort die geringste Querschnittsbreite der Luftstoßwelle ausgesetzt ist. Aber auch Fall 3 hat einen geringen maximalen Impuls, da er einen
strömungsgünstigen Querschnitt besitzt.
Abbildung 4: Studien zur Untersuchung verschiedener Querschnittsformen: Auswertung der maximalen Überdrücke und der maximalen Impulse für eine Belastung von 300kg TNT in einem Abstand von 2m zum Bauteil.
Es lässt sich festhalten, dass ein Tragwerksplaner die kreisförmige Querschnittsform bevorzugen sollte. Neben den technischen Gründen zum Tragverhalten dieser Form (z. B. Steifigkeit des Bauteils), wird mit den oben angegeben Auswertungen deutlich, dass diese Form
erstens einen relativ geringen Spitzenüberdruck und einen relativ geringen maximalen Impuls
aufweist und zweitens diese Form unabhängig von der Belastungsrichtung der auftreffenden
Blastwelle ist.
Weitere Studien wurden mit vertikalen und räumlichen Formen durchgeführt. Für die vertikalen Studien sind einige Ergebnisse im sechsten Abschnitt dieses Beitrags anhand eines ausgeführten Beispiels vorgestellt. Wie in Abbildung 5 dargestellt, ergaben die räumlichen Studien, dass aus bautechnischen Gründen der Belastung die beste Form des Gebäudes die hyper413
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bolische Form ist [7]. Allerdings ist diese Form eher ein akademisches Beispiel als das es aus
baulichen und ökonomischen Gründen sinnvoll ist, diese Form in die Realität umzusetzen.
Abbildung 5: Verschiedene räumliche Formen zur Untersuchung des besten Verhältnisses
von maximalem Überdruck und maximalen Impuls.
Fazit: Ursache in allen Beispielen für die verschiedenen maximalen Überdrücke und maximalen Impulse ist der Auftreffwinkel der Blastwelle auf die Bauteiloberfläche der Strömungswiderstand des Querschnitts. Gemäß den bereits im zweiten Beitrag vorgestellten
Einflüssen des Auftreffwinkels aus dem TM 5-855-1 von 1997 [4] und der damit verbundenen Reduktion des reflektierten Überdrucks können die für die Bemessung wesentlichen Parameter aus einem Explosionsszenario reduziert werden. Demnach muss nicht allein eine
Verfestigung oder eine Aussteifung, oder eine Änderung der Abmessungen und der Lagerbedingungen eines Bauteils, wie dies beispielsweise in dem vorangegangenen Beitrag gezeigt
wurde, die Zerstörung durch eine Blastwelle vermeiden. Allein schon die Formgebung eines
Bauteils oder Bauwerks kann zum gewünschten Erfolg beitragen und sollte in den Planungsprozess mit einbezogen werden.
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WAHL VON MATERIALIEN UND KONSTRUKTIONEN
An dieser Stelle werden einige weitere Ideen vorgestellt, die deutlich machen, dass der
Schutzbau nicht unbedingt nur mit extrem massiven Bauteilen/-werken in Verbindung gebracht werden muss. In den vorangegangenen Beiträgen wurden beispielsweise der Einsatz
von neuen modernen Werkstoffen, Schichtaufbauten von Bauteilen oder vielseitige Verstär414
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kungsmaßnahmen erläutert, die allesamt energieabsorbierend im Sinne des Schutzbaus sind,
dennoch zu einer massiven Bauweise führen. Nach dem Motto „leicht, aber doch sicher und
schützend“ zeigen Lösungsansätze, worauf bei der Wahl der Materialien und der Konstruktionen zu achten ist.
Wie im Beitrag 2 dieses Tagungsbandes gezeigt wird, beeinflussen die meisten Konstruktionsmaterialien wie Stahl, Beton oder Glas den Reflexionsfaktor und damit den reflektierten
Spitzenüberdruck praktisch nicht (siehe auch GEBBEKEN & DÖGE [2][3]). Jedoch kann der
reflektierte Spitzenüberdruck durch extrem leichte und weiche Materialien (z.B. weiche
Schaumstoffe) reduziert werden.
Bei dem Einsatz von Schutzverkleidungen ist es wichtig, energieabsorbierende Materialien
(z.B. poröse Materialien) zu verwenden, um die Belastung auf die tragenden Bauteile zu reduzieren. Dabei wird die Energie aus der Luftstoßwelle durch plastische Verformungen des
schützenden Materials in harmlose innere Energie (Wärme) umgewandelt.
Im Beitrag 2 wird ebenfalls erwähnt, dass die Bauteildicke (ab einer Dicke von ca. 0,01
mm) und die Bauteillagerung keinen Einfluss auf den reflektierten Spitzenüberdruck haben.
Jedoch kann der weitere reflektierte Überdruck-Zeit-Verlauf durch nachgiebige Konstruktionen (wie Glasscheiben, Membranfassaden) positiv beeinflusst werden. Der Überduck-ZeitVerlauf direkt vor der nachgiebigen Konstruktion wird im Vergleich zu einer starren Konstruktion reduziert, da die Konstruktion Energie aufnimmt und da ein Teil der Energie an die
Luft hinter der nachgiebigen Konstruktion übertragen wird [6] (auch Beitrag 2, Abbildung 8).
Ein weiterer positiver Effekt solcher nachgiebiger Konstruktionen (wie z. B. Fassaden) ist,
dass die Kräfte an eine tragende Struktur (z. B. über Geschossdecken an Gebäudeaussteifung)
zeitverzögert weitergegeben werden. Denn das Einfallen der Blastwelle in eine vorgehängte
Membranstruktur vor ein Bauwerk ermöglicht erst das Aufblähen der Membran ähnlich wie
bei einem Segel und damit eine zeitversetzte Einleitung über Rahmen in die Geschossdecken.
Aufgrund der Zeitverzögerung liegt eine geringere Spitzenkraft innerhalb der Rahmenvorrichtung vor, wie in Abbildung 6 rechts dargestellt.
F o rce F D [kN ]
120
Stiff facade
Resilient facade
80
40
0
0
30
60
90
Time t [ms]
120
Abbildung 6: Zur konstruktiven Beeinflussung des Belastungsimpulses.
Wird der Membran-Tragrahmen nun viskoelastisch an der Tragstruktur des Gebäudes befestigt, so ergeben sich unendlich viele Möglichkeiten zur Abstimmung der Interaktion von
Blastschutz-Fassade und Gebäude. Somit kann schon ein signifikanter Teil der Energie der
Luftstoßwelle absorbiert werden. Zusätzlich wird das Maximum der Kraft, die an das Gebäude weitergegeben wird, im Vergleich zu einer starren Fassade reduziert (Abbildung 6).
Ausgehend von diesen Überlegungen können weitere Konzepte erdacht werden. Denkbar
wären zum Beispiel high-tec-Textilien, die transparent und teilweise luftdurchlässig sind, derart, dass der Bemessungswinddruck hindurch gelassen wird. Derartige Fassadenelemente
könnten gestalterisch und wirtschaftlich interessant sein.
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Norbert Gebbeken, Stefan Greulich und Torsten Döge
Fazit: Durch sehr leichte und weiche Materialien kann der reflektierte Spitzenüberdruck
gesenkt werden. Zusätzlich sollen die eingesetzten Materialien energieabsorbierend sein, damit die Belastung auf die tragenden Bauteile reduziert wird. Nachgiebige Konstruktionen
können sowohl den reflektierten Überdruck-Zeit-Verlauf der Blastwelle als auch den KraftZeit-Verlauf, der an weitere tragende Konstruktionen geleitet wird, positiv beeinflussen.
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EINFLUSS DER STÄDTEBAULICHEN SITUATION AUF DIE BEMESSUNG
Bei der städtebaulichen Situation spielt eine Vielzahl von Aspekten für die Bemessung von
schutzwürdigen Bauwerken eine Rolle. Alle können im Rahmen dieses Beitrags nicht ausgeführt und diskutiert werden. Vielmehr wird an dieser Stelle darauf Wert gelegt, wie die bisher
gelernten Inhalte aus allen Beiträgen sinnvoll in das planerische Gesamtkonzept umgesetzt
werden können. Dies sei anhand von zwei Beispielen kurz erläutert.
Bei der planerischen Gestaltung von Bauwerken seien folgende Gesichtspunkte zu berücksichtigen und ggf. mit dem Bauherrn oder den Behörden zu diskutieren:
• Können in dem bebauten oder in dem städtebaulich neu zu entwickelnden Gebiet Gefahren durch außergewöhnliche Belastungen wie Explosionen auftreten? Dabei ist nicht nur
die Möglichkeit eines terroristischen Angriffs sondern Vielmehr auch die Gefahr durch
gewöhnliche Unfälle in Betracht zu ziehen. Beispielsweise sei an das Tankerunglück in
Ryongchon in Nord Korea von 2004 oder der Unfall in einer Feuerwerksfabrik in Enschede (Niederlande) aus dem Jahr 2000 erinnert.
• Wie dicht ist dieses Gebiet besiedelt? Welche Anzahl, Abmessungen und Abstände der
Bauwerke liegen vor? In welchen Bauweisen sind die Bauwerke ausgeführt?
• Welche Zufahrtswege liegen in dem Gebiet vor? Sind alle Straßen öffentlich zugänglich
und mit welchen Fahrzeugen können sie befahren werden? Kann in bestimmten Bereichen die Zufahrt gemäß der Nutzung und des damit verbundenen Personenkreises eingeschränkt bzw. überprüft werden (Sicherheitsschranken oder Kontrollen)?
Diese Liste mag nicht unbedingt vollständig sein, enthält aber mit die wichtigsten Aspekte
bei der Betrachtung der städtebaulichen Situation. Ist davon auszugehen, dass in dem zu untersuchenden Gebiet eine Explosion stattfinden kann, dann sind aus schutzbautechnischen
Gründen zwei Aspekte von besonderer Bedeutung:
1. Abstand des Explosionsursprungs zu den zu bemessenden Bauwerken: Nach dem
Motto „Abstand schützt“, sollte dafür gesorgt sein, dass Träger von Explosivstoffen
sich nicht in unmittelbarer Nähe befinden können.
2. Berücksichtigung von (Mehrfach-)Reflexionen: Durch (Mehrfach-)Reflexionen werden Luftstoßwellen an Gebäudeoberflächen reflektiert und können erstens zu einer Verstärkung der Luftstoßwelle führen, zweitens das zu untersuchende Bauwerk ein zweites
Mal belasten und drittens andere, nicht schutztechnisch dimensionierte Bauwerke, die
durch die Reflexionen an den Gebäudeoberflächen erst belastet werden, ungewollt geschädigt bzw. zerstört werden.
Die Luftstoßwellenausbreitung mit Mehrfachreflexionen wird in Abbildung 7 anhand der
Grafiken zur Geschwindigkeitsevolution aus einer numerischen Simulation verdeutlicht. Die
Sequenz zeigt eine Detonation in unmittelbarer Nähe vom Hirschkäfer, dem Hauptgebäude
der UniBw. Insbesondere die letzten 5 Bilder zeigen, dass die erstmalig am Hirschkäfer sich
reflektierte Blastwelle auf das sichelförmige Gebäude gegenüber propagiert, dort wieder reflektiert wird und nochmals auf den Hirschkäfer trifft. Damit wird die Interaktion der
Blastwelle mit der Umgebungsbebauung deutlich.
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Abbildung 7: Simulation der Ausbreitung einer Luftdruckwelle in bebauter Umgebung
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Eine Überlegung zum Safety Engineering
zeigt die Bildsequenz auf der rechten Seitenhälfte [5]. Für das neben einer Straße liegende, transparent geplante Gebäude soll vor
einer Blastwelle, die durch eine Bombenexplosion in einem LKW ausgelöste wurde, geschützt werden. Der Sicherheitsingenieur
sagt, um einen ausreichenden Schutz zu gewährleisten, sollte eine Schutzwand vor dem
Gebäude errichtet werden. Der Architekt
möchte sein Gebäude nicht versteckt wissen
und möchte eine andere Lösung. Numerische
Studien können zeigen, dass ein ausreichender Schutz durch eine Berme möglich ist. Die
Straße müsste hierzu an der Stelle, wo ein
LKW vor dem Gebäude abgestellt werden
kann, nur etwas tiefer liegen Die Blastwelle
wird an der Berme reflektiert und reduziert
die für die Bemessung maßgeblichen Parameter aus Spitzenüberdruck und Impuls.
Um eine nicht zu breite Front der Belastung auszusetzen empfiehlt der Sicherheitsingenieur eine nicht zu längliche Form des
Gebäudes. Zusätzlich soll im Frontbereich
Verstärkungsmaßnahmen eingebaut werden,
während dies für die seitlichen und hintere
Fronten nicht notwendig ist.
Des Weiteren würde sich eine runde Form
des Gebäudes empfehlen (vgl. Ergebnisse zu
Abbildung 5).
Schließlich könnte im vorderen Bereich
erst eine vorgehängte Fassade zum Einsatz
kommen, die einen Teil des Drucks aus der
LKW- oder Rucksack-Bombe absorbiert, bevor er auf die tragenden Elemente trifft. Weiterhin empfiehlt sich eine runde Ausführung
der Stützen, wie in der Querschnittsstudie
bereits untersucht wurde.
Diese Überlegungen zeigen, dass es eine
Vielzahl an Möglichkeiten geben kann, die
Bauwerke nicht nur in der Art eines Bunkers
zu gestalten, um ausreichenden Schutz vor
Explosionsbelastungen zu bekommen!
Abbildung 8: Safety Engineering
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AUSGEFÜHRTE BEISPIELE MIT KONSEQUENTER UMSETZUNG DER
SCHUTZBAUKONZEPTE
Die voran gegangenen vorgestellten wissensbasierten Strategien werden in diesem Abschnitt anhand von zwei bereits ausgeführten Bauwerken kurz erläutert. Ohne in Details zu
gehen, die im Übrigen eh nicht der Öffentlichkeit zugänglich sind, zeigen allein Fotos zu den
Bauwerken, wie sich das gewonnene Wissen konsequent in ein Schutzbaukonzept umsetzen
lässt. Die ausgewählten Beispiele sind ziemlich neue Gebäude in den USA [5].
Das erste Beispiel in Abbildung 9 zeigt das Solow Building in New York. Wenn davon
auszugehen ist, dass ein Anschlag durch eine Explosion lediglich von der Straße aus ausgeführt werden kann, dann reduziert die parabolisch ausgeführte Fassade den reflexierten
Überdruck gegenüber einer vertikal ausgerichteten Fassade schon bedingt aus dem Auftreffwinkel der Blastwelle. Betrachtet man die massiven Stützen im Straßenbereich, so fällt sofort
die Ausführung in rechteckiger Bauweise auf, wobei der schmale Bereich zu einer möglichen
Explosion auf der Straße ausgerichtet ist. Des Weiteren besteht für die Blastwelle die Möglichkeit, um die Stützen in den Innenbereich zu strömen. Dies wird zwar zu erheblichen Schäden in der Eingangshalle führen, aber die Stützen und mögliche weitere tragende Bauteile im
Eingangsbereich werden bezüglich der Belastung aus dem reflektierten Überdruck und dem
Impuls entlastet.
Abbildung 9: Solow Building in New York und numerische Studien mit einem Hydrocode
zur vertikalen Form des Gebäudes.
In Anlehnung an die reale Bauausführung wurden einige numerische Studien mit dem
Hydrocode zur vertikalen Form des Gebäudes durchgeführt. Deutlich ist die Wellenausbreitung und die Reflexion an der Fassadenoberfläche in Abbildung 9 zu sehen. Zusätzlich sind
einige qualitative Angaben zur Klassifikation der Luftstoßwellenausbreitung angegeben. An
der Oberfläche können aus den numerischen Simulationen direkt die für die Bemessung notwendigen Überdruck-Zeit-Verläufe ausgewertet werden. Mit den Simulationen ist es ebenso
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Norbert Gebbeken, Stefan Greulich und Torsten Döge
möglich, die Strömung der Bastwelle und die Reflexionen zu beobachten. Daraus lässt sich
die optimale Form der vertikalen Fassade aus den Simulationen bestimmen, in dem die Oberflächenform im Rahmen von Parameterstudien variiert wird.
Zusätzlich sind ebenfalls die Mehrfachreflexionen in bebautem Gebiet von Interesse, wenn
sich weitere Gebäude in unmittelbarer Nähe zum zu untersuchenden Objekt und zum Explosionspunkt befinden. Daraus können sich überlagernde Überdrücke ergeben, die im ungünstigsten Fall maßgeblich für die Zerstörung des Bauteils oder des gesamten Gebäudes werden
können. Beispielsweise trifft die erste Druckwelle aus der Explosion auf die Oberfläche des
Bauteils/Gebäudes, welches daraufhin geschädigt aber nicht zerstört wird. Durch die Reflexion der Blastwelle von einem anderen Gebäude trifft erneut eine Blastwelle auf das zu untersuchende Bauteil/Gebäude, welche dieses dann weiter schädigt und vollständig zerstören kann.
Auch diese Fälle der Mehrfachreflexion im urbanen Gebiet sind zu untersuchen und können
im ungünstigen Fall zu einer erhöhten Dimensionierung der zu untersuchenden Bauteile führen oder aber diese Bauteile müssen verstärkt bzw. ausgesteift werden. Diese Überlegungen
können den Planungsprozess entsprechend beeinflussen.
Das zweite Beispiel handelt vom New Oklahoma City Federal Building (Abbildung 10).
Abbildung 10: Fassade und Draufsicht des New Oklahoma City Federal Building (FORTNER 2004 [9])
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Nach dem Terroranschlag aus dem Jahr 1995 musste das zerstörte Regierungsgebäude der
USA abgerissen und neu gebaut werden. Unter dem Gesichtspunkt, dass auch das neue Gebäude ein zu schützendes Bauwerk ist, wurden trotz möglicher Gefahren ein offener und architektonisch interessanter Regierungskomplex erstellt. Betrachtet man das Bauwerk unter
den in allen Beiträgen gewonnenen Erkenntnissen, so ist deutlich das angewendete KnowHow der Ingenieure allein aus ein paar wenigen Bildern zu lesen.
In Abbildung 10 sind einige Bilder vom fensterreichen Innenhofbereich und den in massiver Bauweise ausgeführten Außenfassadenbereich dargestellt. Daneben ist eine Draufsicht des
Komplexes abgebildet.
Die vielen massiven Poller um das Gebäude bewirken, dass sich kein Fahrzeug in absoluter
Nähe aufhalten kann. Getreu dem Motto Abstand schützt, verliert eine mögliche Blastwelle
durch eine Explosion stark an Energie allein durch die Distanz, die sie bis zum erreichen der
Fassaden zurücklegen muss. Auch aufgehende Anfahrts- oder Fußgängerwege führen zur
Brechung und damit zur behinderten Ausbreitung einer Blastwelle. Die Fassaden im Außenbereich sind in Stahlbetonbauweise ausgeführt. Wenige Fenster befinden sich zur Straßenseite
hin und sind entsprechend mit Sicherheitsglas versehen.
Um dem Gebäude dennoch nicht den Status eines Bunkers zu verleihen, wurde der Innenbereich sehr transparent mit Glasfassadenelementen gestaltet. Sollte dennoch eine Detonation
erfolgen, wie dies in Abbildung 10 skizzenhaft durch die gezackten Linien angedeutet ist,
dann ist zwar in relativ nahem Abstand die Glasfassade durch die Blastwelle belastet, aber der
Auftreffwinkel ist nahezu parallel am Beginn des Innenhofbereichs und die Welle trifft erst
viel weiter innen liegend senkrecht auf die Glasoberflächen. Hier wird der Bezug zum zweiten Beitrag mit der Bestimmung der Bemessungslast in Abhängigkeit von dem Auftreffwinkel
mehr als deutlich.
LITERATUR
[1] G.F. Kinney und K.J. Graham, Explosive Shocks in Air. Springer, Berlin Heidelberg
New York Tokyo, 1985.
[2] N. Gebbeken und T. Döge, Der Reflexionsfaktor bei der senkrechten Reflexion von
Luftstoßwellen an starren und an nachgiebigen Materialien. Bauingenieur, 81(11), 2006.
[3] N. Gebbeken und T. Döge, Vom Explosionsszenario zur Bemessungslast. Der Prüfingenieur, 2006.
[4] Headquarters, Department of the Army, Fundamentals of Protective Design, Non Nuclear, TM 5-855-1, 1997.
[5] N. Gebbeken et al., Blast Resistant Shaping: A knowledge based strategy to reduce the
effects of blast waves on structures!, Presentation in Dubai, 2005.
[6] N. Gebbeken, Grundsätzliche Ideen und Konzepte zur Blast-Sicherheit von GlasMembran-Fassaden, Tagungsband Vitrum Protect, Fraunhofer Institut für Kurzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, Freiburg, Februar 2006.
[7] N. Gebbeken and S. Greulich, Survivability due to knowledged based Strategies in Civil
Engineering, 3rd European Survivability Workshop, Toulouse, France, 2006.
[8] N. Gebbeken und S. Greulich Infrastruktursicherheit bei außergewöhnlichen Einwirkungen, Baustatik-Baupraxis 9, Dresden, 2005.
[9] B. Fortner, Symbol of Strength. Civil Engineering, Oktober 2004.
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