Geschäftsfeld Sicherheit und Resilienz

Ausstattung

Ausstattung

Das Geschäftsfeld Sicherheit am Ernst-Mach-Institut, EMI, bietet Testverfahren, die das mechanische und thermische Verhalten von bautechnischen und geologischen Werkstoffen unter außergewöhnlicher Belastungen quantifizieren, bewerten und zur Zertifizierung vorbereiteten. Die Belastungen reichen dabei von quasistatischer bis hin zu hochdynamischer Belastung.

  • Freifeldexplosionplatz und Innenraumdetotionskammer
  • Stoßrohranlage »Blast Simulation and Research« (BlastStar)
  • Universalprüfmaschinen
  • Servohydraulische Prüfanlagen
  • Fallgewichtsanlagen
  • Hopkinson Bar in Druck, Zug (Spallation) und Scherbelastungskonfiguration mit und ohne Druckkammer für dreiaxialen statischen Ausgangsspannungszustand
  • Klimakammern
  • Hochtemperaturöfen

© Fraunhofer EMI
Verformungen eines Stahltrapezblechs 2,8 m x 1,2 m, aufgenommen mithilfe der DIC-Technik.
  • Kameras
  • Beschleunigungssensoren
  • Druck- und Dehnungsmesstechnik für dynamische Belastungen
  • Hochgeschwindigkeits-Videosysteme
  • Digitial-Image-Correlation(DIC)-Systeme in 2 und 3D
  • VISAR (Geschwindigkeitsinterferometer)
  • Ultraschall
  • Optische Mikroskopie
  • Akustisches Mikroskop
  • Rasterelektronenmikroskop

  • ANSYS Autodyn
  • LS-DYNA
  • ABAQUS
  • SOFiSTik
  • APOLLO (am EMI entwickelte Berechnungssoftware)
  • SOPHIA (am EMI entwickelte Berechnungssoftware)
  • MATLAB Simulink
  • COMSOL
  • Hazard Analysis – FTA – FMEA

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Abb. 1 Stoßrohranlage BlastStar.

Das Fraunhofer EMI bietet Herstellern, Planern, Versicherungen und Eigentü­mern von Bauwerken der kritischen Infrastruktur Beratungs- und Forschungs­dienstleistungen zur Bewertung von Bauwerken und ihrer Komponenten gegen Druckstoßbelastungen an. Stoßwellenbelastungen infolge von Sprengstoff- und Gasexplosionen werden durch die Stoßrohranlage BlastStar (Abbildung 1) simuliert. Die Versuche werden für Sicherheitssonderverglasungen nach gültigen Normen, die das Prüfverfahren und die Klassifizierung beschreiben, durchgeführt. Dieses Verfahren ist, ohne Klassifizierung, auch für andere Bauteile mit anderen Materialien anwendbar.

Stoßrohranlage BlastStar

Das Funktionsprinzip der Versuchsanlage BlastStar am EMI.

Am EMI BlastStar kann eine Druckwelle erzeugt werden, die exakt der Druckwelle entspricht, die bei einer Explosion entsteht.

Dazu wird vor dem Versuch der Hochdruckteil mit Luft befüllt. Er ist durch eine Membran vom Stoßrohr getrennt. Wenn der Druck hoch genug ist, öffnet die Membran kontrolliert und Fragment-frei. Durch die spezielle Form des Stoßrohres belastet die Druckwelle den Prüfkörper am Ende des Rohres an jedem Ort zu jedem Zeitpunkt identisch, es entsteht eine sogenannte ebene Belastung.

Diese Belastung besteht aus einer Druck- und einer Sogphase, wie sie für Explosionen typisch ist.

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Abb. 2 Leistungsspektrum des EMI-Stoßrohrs, aufgetragen über die Blastparameter reflektierter Druck und positiver spezifischer Impuls.
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Abb. 3 Idealisierter Druck-Zeit-Verlauf, wie dieser durch Stoßrohrversuche erzeugt wird, nach DIN EN13123-1.

Leistungsumfang:

  • Durchführung von genormten Versuchen zur Klassifizierung der Sprengwirkungshemmung bei Sicherheitsverglasungen (Verbundsicherheitsglas, Sicherheitsfenster, Sicherheitstüren) nach:

    – EN13541:2012 »Glas im Bauwesen – Sicherheitssonderverglasung – Prüfverfahren und Klasseneinteilung des Widerstandes gegen Sprengwirkung«
     
    – EN13123-1:2001 »Fenster, Türen und Abschlüsse – Sprengwirkungshemmung – Anforderungen und Klassifizierung – Teil 1: Stoßrohr«
     
    – EN13124-1:2001 »Fenster, Türen und Abschlüsse – Sprengwirkungshemmung – Prüfverfahren – Teil 1: Stoßrohr«
     
    – ISO16934:2007 »Glass in Building, Explosion-resistant security glazing – Test and classification by shock-tube loading«
     
    – Und anderen international geltenden Normen (GSA, ASTM F 1642-04)

  • Analyse der Sprengwirkungshemmung mit variablen Belastungsparametern pmax, i+ nach Kundenspezifikation
  • Analyse des Widerstands gegen Blast infolge von Gasexplosionen mit Belastungsparametern nach Kundenspezifikation
  • Analyse des Widerstands gegen Blast von baulich relevanten Strukturen aus Beton, Mauerwerk, Glas und Leichtbaumaterialien
  • Analyse des Widerstands gegen Blast in Kombination mit statischem Über- oder Unterdruck

Druckstoßwellen sind durch einen hohen Spitzenüberdruck (pmax), die positive Druckdauer (t+) und den positiven spezifischen Impuls (i+) charakterisiert. Einen idealisierten Druck-Zeit-Verlauf, der in der EN13123-1 definiert ist, zeigt Abbildung 3.

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Abb. 4 Auswertung eines Stoßrohrexperiments – Druck-Zeit-Signale von zwei unabhängigen Messgebern.

Vorteile des mit Druckluft betriebenen Stoßrohrs BlastStar:

  • Hohe Variabilität in der Belastungserzeugung: Versuche für alle EPR-Klassen (Sprengstoffdetonationen) und Gasexplosionen möglich (Abbildung 2)
  • Prüfelemente werden durch eine ebene Stoßfront belastet (gleicher Druck-Zeit-Verlauf an jedem Punkt des Elements)
  • Störungsfreier Einsatz von sensibler Messtechnik (wie unter Laborbedingungen) möglich
  • Hohe Variabilität in den Dimensionen der Prüfelemente möglich (max. 2900 mm x 2900 mm)
  • Keine Umströmungseffekte (wie in Freifeldversuchen), da Versuchsdurchführung nach normativer Vorgabe am geschlossenen Stoßrohr erfolgt
  • Sehr hohe Reproduzierbarkeit der Belastungsparamater mit geringer Streuung, keine Abhängigkeit der Stoßfront von Form und Masse des Sprengstoffs (Abbildung 4)
  • Möglichkeit der Simulation von Druck-Zeit-Verläufen mit Mehrfachreflexionen

Ergebnisse der experimentellen Analyse:

  • Klassifizierung von Bauprodukten innerhalb nationaler und internationaler Normen
  • Druck-Zeit-Verläufe an unterschiedlichen Messpunkten am Prüfkörper
  • Auslenkungsmessung an ausgewählten Punkten des Prüfelements und Herleitung von Zerstörungskennlinien für weitergehende analytische Bewertungen des Widerstandsverhaltens des Elements bei variabler Druckstoßbelastung
  • Hochgeschwindigkeitsvideoaufzeichnungen zur Analyse des Bauteilverhaltens während der Belastung
  • Dehnungsmessungen (einaxial und mehraxial) an ausgewählten Punkten des Prüfkörpers
  • Analyse der Schädigung und Herleitung von Versagensmechanismen