ELASSTIC – mehr Sicherheit und Robustheit von Gebäuden

Projekt ELASSTIC für mehr Sicherheit und Robustheit von Gebäuden

Ziel des Projekts ELASSTIC (Enhanced Large Scale Architecture with Safety and Security Technologies and Special Information Capabilities) ist die Verbesserung der Sicherheit und Robustheit von multifunktionalen Gebäudekomplexen gegenüber natürlichen und durch Menschen verursachte Katastrophenszenarien. Zur Gewährleistung der Sicherheit wird es zukünftig unumgänglich sein, stark frequentierte und komplex genutzte Bauwerke so zu konstruieren, dass die Schädigung von Mensch und Bauwerk durch extreme Einwirkungen so gering wie möglich ist. Neben der Erarbeitung von widerstandsfähigen Strukturen in der Planung, beispielsweise durch geschickte Formgebung und die Verwendung von hochbelastbaren Materialien, werden auch die Komponenten der technischen Gebäudeausrüstung sowie die dynamische Fluchtwegberechnung in den Prozess des sicheren Bauwerks einbezogen.
Innerhalb des Projekts werden Methoden entwickelt, die zukünftig bereits in der Planungsphase Anwendung finden, um dem Ziel der erhöhten Sicherheit, Robustheit und letztendlich auch Resilienz nachzukommen. Im Projektverlauf werden neue Materialien entwickelt, um die bauliche Struktur gegenüber Extremlasten zu verbessern. Relevante Szenarien und die daraus resultierenden Belastungen auf Gebäude wurden mittels extensiver Recherchen im Rahmen einer Risiko- und Gefährdungsanalyse ermittelt. Ein weiterer Bestandteil des Projekts ist die Entwicklung eines dynamischen Rettungswegleitsystems, welches mithilfe von Sensortechnologien und einer autarken Energieversorgung arbeitet und die Evakuierungszeit großer Menschenmengen deutlich verkürzt. Sensoren, die in die bauliche Struktur integriert sind, erkennen die dynamische Einwirkung, sie wird in einem Evaluierungsprozess bewertet. Die Schädigung der relevanten Bauteile wird berechnet. Dieses Ergebnis geht direkt in die dynamische Fluchtwegberechnung ein. Die Aufgabe des EMI innerhalb des Projekts besteht schwerpunktmäßig in der Material- und Strukturentwicklung sowie der Integration der Sensortechnik  in die bauliche Struktur und deren Funktionsweise.

Szenarioanalyse

Die Ermittlung relevanter Gefährdungsereignisse war die Basis für die anschließende Betrachtung von Robustheit und Widerstand des multifunktionalen Gebäudekomplexes gegenüber extremen Belastungen. Hierfür wurden Risikoanalysen durchgeführt, die eine deterministische Auswertung für außergewöhnliche Lasten, die bislang nicht normativ geregelt sind, ermöglicht. Die hierbei ermittelten Gefahrenszenarien wurden als Basis für die zukünftige Berechnung des Strukturverhaltens, für das architektonische Design sowie für die Auslegung der Gebäudemanagementsysteme herangezogen. Innerhalb der Recherche wurden die in der Tabelle 1 aufgeführten Gefährdungskategorien erarbeitet. Die hervorgehobenen Szenarien wurden innerhalb von ELASSTIC vertieft untersucht.

Numerische Simulationen zur Untersuchung  kritischer Bauteile

Zur Bewertung der Bauteilschädigung infolge explosiver Einwirkungen wurden FE-Analysen durchgeführt. Ereignisse bezüglich der Lokalität im Bauwerk und der Belastung sind vorab im Konsortium bestimmt worden. In diesem Zusammenhang wurden verschiedene Strukturbauteile mit hoher Kritikalität untersucht. Ein Szenario war die Analyse des Belastungsszenarios »Detonation einer Kofferbombe in der Lobby im Hotelbereich des Bauwerks«. In den Abbildungen oben ist eine schematische Skizze des betrachten Bereichs und des Orts der Belastung dargestellt. Das zugehörige numerische Modell ist in der Mitte zu sehen. Die numerisch ermittelte Schädigung (rote Bereiche) der Stahlbetonstruktur ist unten gezeigt. Es ist erkennbar, dass aufgrund des kleinen Abstands der Explosionsquelle zur Stütze und zur Decke eine ausgeprägte lokale Schädigung auftritt.

Smart Elements – intelligente Wände mit mehr Widerstand

Um einerseits das Explosionsereignis zu detektieren und  andererseits den Widerstand der baulichen Struktur zu  erhöhen, wurden Bauteile als sogenannte Smart Elements entwickelt. Diese sind Sandwichkonstruktionen, die als Stützen, Decken und Wände fungieren können. Sie weisen eine sehr robuste Hülle gegen hohe Temperaturen und mechanische Beanspruchungen auf und besitzen einen ein-gebetteten Sensorknoten, der extreme Ereignisse wie hohe Temperaturen und Druckstoßwellen detektieren kann. Diese Smart Elements bestehen aus einem bewehrten Normalbeton, der von einer Schutzschicht aus einem speziellen UHPC (Ultra-High Performance Concrete) ummantelt ist. Dem Stahlbetonkern kommt die Aufgabe des Lastabtrags der Betriebslasten zu, während der Mantel aus UHPC aufgrund seiner hohen Robustheit für den Schutz gegenüber hochdynamischen Lasten und durch die verwendete Faserbewehrung zusätzlich für die Berücksichtigung brandschutztechnischer Anforderungen sorgt.