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Explosionsschutz von Fenster- und Fassadensystemen

Oklahomy City, 1995 [1]
Idealisierter Druck-Zeit-Verlauf einer Explosionsdruckwelle [2]
Fassadenschnitt. Links: Unbelastet. Rechts: Nach einer Explosionsbelastung.
Gefährdungskriterien für für Fenster nach ISO 16933
Fassadenelemente nach Freifeldversuch. Links: Akzeptabler Schaden. Rechts: Inakzeptabler Schaden. [3]
Stoßrohrversuchsanlage [4]

Hochgeschwindigkeitsprüfstand der HCU
 

1) Motivation

Im Jahr 1995 starben 168 Menschen bei einem Sprengstoffanschlag auf das Alfred P. Murrah Federal Building in Oklahoma City. Spätere Untersuchungen zeigten, dass 80 % der Todesopfer und hunderte Verletzte auf gebrochenen Glasscheiben zurückzuführen sind, deren Splitter sich in Projektile verwandelten. Nachdem die Anzahl der Sprengstoffanschläge nach dem 11. September 2001 sprunghaft anstieg, werden explosionsschützende Fassaden verstärkt von Bauherren gefordert.

2) Explosionsbelastung

Eine Explosion vor einem Gebäude löst eine Explosionsdruckwelle aus, die das Gebäude in Sekundenbruchteilen trifft. Die Explosionsdruckwelle hat einen Druck-Zeit-Verlauf, der schlagartig auf den reflektierten Spitzendruck schnellt, in Millisekunden auf null abfällt und in eine Unterdruckphase übergeht. Es ist üblich, diesen Druck-Zeit-Verlauf zu einer spezifischen Dreieckimpulsbelastung zu vereinfachen und die Unterdruckphase zu vernachlässigen.

3) Planung von explosionsschützenden Fassaden

Aufgabe von explosionsschützenden Fassaden ist es, Menschen im Innern eines Gebäudes zu schützen wenn vor dem Gebäude eine Explosion stattfindet, sowie Beschädigungen an der Fassade und dem Haupttragwerk zu reduzieren. Wichtig ist hierbei, dass die Glasscheiben im Rahmen gehalten werden und definierte Gefährdungs-kriterien (siehe nächster Abschnitt) erfüllen. Pfosten und Riegel können durch die Bildung von plastischen Gelenken, Fassadenbefestigungen durch den Einbau von Crashmaterialien, Explosionsenergie dissipieren.

4) Gefährdungskriterien

Bevor man sich für technische Maßnahmen des Explosionsschutzes entscheidet, sollte eine Gefährdungs-analyse durch Beratende Ingenieure stattfinden. Diese resultiert i.d.R. in eine definierte Explosionsbelastung, die in x kg TNT in y m Abstand ausgedrückt wird. Um Menschen im Innern des Gebäudes zu schützen, ist es wichtig die Schutzwirkung der Verglasung zu spezifizieren. Es gibt unterschiedliche Gefährdungsstufen, die von Anzahl, Größe, Aus-wirkung und Position der Bruchstücke nach der Explosion abhängen. ISO 16933 definiert Gefährdungsstufen für Bauteiltests von Fenstern.

5) Mothodik

Viele Materialien und Komponenten haben ein dehnratenabhängiges Verhalten. Meist erhöht sich die Festigkeit mit zunehmender Dehnrate.

Es gibt unterschiedliche Testmöglichkeiten, um Einflüsse, wie sie unter Explosionsbelastung auftreten, zu simulieren. Bei Freifeldversuchen wird ein Sprengsatz mit definierter Masse TNT in definiertem Abstand vor dem Probekörper gezündet. Diese Methode ist realitätsnahe, aber auch sehr teuer.

Im Stoßrohr wird eine Druckwelle am Anfang eines Rohres künstlich erzeugt, die am Ende des Rohres den Probekörper trifft.

Mit Hochgeschwindigkeitsprüf-maschinen können Dehnraten-effekte von Materialien und Komponenten getestet werden. Hierbei wird keine Druckwelle erzeugt, die Probekörper werden
aber hohen Dehnraten ausgesetzt, so wie sie in
realen Explosionsszenarien auftreten können.

 

[1] Defense Visual Information Directorate, www.defenseimagery.mil
[2] ISO 16933:2007. Glass in building. Explosion-resistantsecurity glazing. Test and classification for arena air-blast loading
[3] Permasteelisa Group of Companies
[4] American Architectural Manufacturers Association