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Freier Drehfall und Bruchverhalten seitlich umgelegter Schornsteine

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C 1604 de Eine Schornsteinsprengung! Ein faszinierendes Schauspiel. Hier in Zeitdehnung. Die Bauwerke, die hier zusammenstürzen, haben ihre Schuldigkeit getan. In wenigen Sekunden ist vernichtet, was einmal in monatelanger Arbeit errichtet wurde. Hier eine andere
Sprengung. Deutlich zu erkennen ist das charakteristische Drehverhalten der Schornsteine.
Auch dieser alte Kohlekamin zeigt den Drehfall mit Bruch, hier in Echtzeit.
Der Bauzeichnung entnehmen wir die wesentlichen Konstruktionsmerkmale eines Schornsteins. Wir können ihn als dünnwandigen Hohlkörper ansehen. Der lange, konisch zulaufende Schaft hat einen tiefliegenden Schwerpunkt. Der Innenmantel (gelb) und der Außenmantel (rot) sind durch Fugen in zahlreiche Segmente unterteilt.
Zur Vorhersage des Bruchverhaltens genügt die Annahme einer vereinfachten Geometrie des Fallkörpers. Damit werden die beobachteten Phänomene bereits recht gut wiedergegeben. Drei dimensionslose Verhältniszahlen kennzeichnen den Fallkörper. Das Verhältnis von Höhe H zu Durchmesser D 0 am Boden, die Verjüngung, d. h. das Verhältnis des Durchmessers D 1 an der Spitze zum Durchmesser D 0 am Boden, und der Durchlaß, hier in Aufsicht. Er gibt das Verhältnis von Öffnungsquerschnitt F i innen zum Gesamtquerschnitt F a außen an.
Die sorgfältigen Vorbereitungen einer Sprengung beginnen mit dem Ausstemmen zweier Fallschlitze im unteren Teil des Sockels. Hier werden an der sogenannten Schornsteintrommel in Fallrichtung die gewünschten Bohrungen für den Sprengstoff angebracht. Rechts die Aufsicht auf den Querschnitt durch die Schornsteintrommel in Höhe der Sprenglöcher. Sobald 55 % des Trommelumfangs entfernt sind, beginnt der Drehfall des Schornsteins. Die eine Seite der Schornsteintrommel wird in Fallrichtung über die gesamte Höhe der Fallschlitze hinweg herausgesprengt. Damit ist dem Schornstein die Unterstützung seines Schwerpunkts S entzogen. d ist sein horizontaler Abstand von den hinteren Begrenzungen der Fallschlitze. Mit der Gewichtskraft G des Schornsteins bildet d ein Drehmoment vom Betrage d mal G. Dieses leitet den freien Drehfall ein.
Hier der Vorgang in 16facher Zeitdehnung. Nicht immer kippen Schornsteine so gezielt wie in diesem Fall.
Hier neigt sich der Drehkörper mit wachsender Geschwindigkeit zur Seite. Im freien Drehfall wächst die Beschleunigung des Körpers mit dem Abstand vom Drehpunkt und verursacht infolge der Trägheit des Mauerwerks ein Biegemoment. Dort, wo dieses Biegemoment am größten ist, erfolgt der Bruch. Nach der Abtrennung fällt der obere Teil des Schornsteins im freien Fall zu Boden, der untere Teil dreht sich beschleunigt weiter und trifft deutlich früher am Boden auf als der frei fallende Rest.
Zunächst interessiert uns die Ursache des Bruchvorgangs. Dazu betrachten wir Zug und Druck an einem Körper mit horizontaler Längsachse. Wird er in Achsenrichtung auf Zug beansprucht, dann ist die Spannung sigma y größer als null. Der Körper wird gedehnt. Wird dagegen in Längsrichtung Druck ausgeübt, dann staucht sich der Körper, und die Spannung ist kleiner als null. Angreifende Querkräfte rufen ein Biegemoment hervor. Auf der einen Seite entsteht ein Zug, auf der anderen Seite Druck.
Auch am kippenden Schornstein wirken Querkräfte. In Fallrichtung greift die Querkomponente der Schwerkraft an. Auf der dem Fall abgewandten Seite zieht die Trägheitskraft. Daher verformt ein Biegemoment den Schornstein und verursacht den Bruch.
In einer Computerberechnung ist waagerecht die Schornsteinachse vom Boden (bei null) bis zur Spitze (bis eins) aufgetragen. Senkrecht die Biegespannung. Druck und Zug bilden Extrema in unterschiedlichen Höhen aus, hier durch Punkte auf den Kurven markiert. Auf der Fallseite (obere Kurve) liegt die maximale Zugbelastung mehr zur Schornsteinspitze hin als die maximale Druckbelastung auf der anderen Seite (untere Kurve). Das Mauerwerk wird immer stärker belastet, bis bei einer Neigung von etwa 12° der Schornstein bricht. Zwei Sternchen markieren die Stellen extremer Beanspruchung. Die Lage des Bruchs am Schornstein läßt sich vorherbestimmen, nicht aber der Zeitpunkt. Hier nochmals die entscheidende Bruchphase.
Auf der Fallseite liegt die Bruchstelle deutlich höher als auf der dem Fall abgewandten Seite. Die Lage der Bruchstellen unserer theoretischen Berechnung stimmt überraschend gut überein mit der Lage in diesem Standphoto. Auch auf dem Standbild der anfangs gezeigten Doppelsprengung liegen die Bruchstellen auf der Fallseite deutlich höher als auf der gegenüberliegenden Seite. Oberhalb der untersten Bruchlinie treten noch weitere, höhere auf. Bei offenbar gleicher Bauweise zeigt der linke Schornstein eine höhere Festigkeit als der rechte.
Die Gesetze des freien Falls gelten stets für den Schwerpunkt fallender Körper. Im freien Drehfall fallen daher alle Teile oberhalb des Schwerpunktes rascher, als es der Beschleunigung im freien Fall entspricht. Dies zeigt die Stroboskopaufnahme. Der Golfball fällt deutlich langsamer als das freie Ende des Fallbalkens, denn im freien Drehfall erfährt das freie Balkenende oberhalb des Schwerpunkts eine größere Beschleunigung als der frei fallende Golfball.
Hier der Versuch. Und jetzt in Zeitdehnung erst der Drehfall des Balkens,
und nun der gesprengte Schornstein. Für das abwärts drehende Unterteil gelten die Gesetze des freien Drehfalls. Das abgetrennte Oberteil des Schornsteins verhält sich wie ein Körper im freien Fall, allerdings mit vorgegebener Anfangsgeschwindigkeit.
Bruchverhalten
Sprengen
Schornstein
Bauzeichnung
Schwerpunkt
Gelb
Bruchverhalten
Schaft <Werkzeug>
Schornstein
Rot
Hohlkörper
Gewicht
Sprengen
Schwerpunkt
Bohrung
Drehmoment
Sockel
Fall
Begrenzerschaltung
Schornstein
Biegemoment
Geschwindigkeit
Trennverfahren
Mauerwerk
Fall
Beschleunigung
Biegemoment
Bruch
Körper <Physik>
Druck
Trägheit
Schornstein
Computeranimation
Biegemoment
Druck
Trägheitskraft
Fall
Bruch
Schornstein
Computeranimation
Querkraft
Beanspruchung
Druck
Mauerwerk
Kurve <Verkehrswegebau>
Bruch
Diagramm
Schornstein
Biegespannung
Grenzlinie
Bauweise
Festigkeit
Fall
Schornstein
Schwerpunkt
Fall
Beschleunigung
Gesetz <Physik>
Computeranimation
Raumfahrt
Luft
Gesetz <Physik>
Schornstein
Computeranimation

Metadaten

Formale Metadaten

Titel Freier Drehfall und Bruchverhalten seitlich umgelegter Schornsteine
Alternativer Titel Free Turn, Fall and Fracture of Laterally Upset Chimneys
Autor Send, Wolfgang
Lizenz CC-Namensnennung - keine kommerzielle Nutzung - keine Bearbeitung 3.0 Deutschland:
Sie dürfen das Werk bzw. den Inhalt in unveränderter Form zu jedem legalen und nicht-kommerziellen Zweck nutzen, vervielfältigen, verbreiten und öffentlich zugänglich machen, sofern Sie den Namen des Autors/Rechteinhabers in der von ihm festgelegten Weise nennen.
DOI 10.3203/IWF/C-1604
IWF-Signatur C 1604
Herausgeber IWF (Göttingen)
Erscheinungsjahr 1986
Sprache Deutsch
Produzent IWF
Produktionsjahr 1985

Technische Metadaten

IWF-Filmdaten Film, 16 mm, LT, 120 m ; F, 11 min

Inhaltliche Metadaten

Fachgebiet Physik
Abstract Sprengung von Schornsteinen: Bruchmechanik, Beschleunigungen beim freien Drehfall, Zug- und Druckspannungen, Trägheitskräfte (Trick). Stabilitätsgrenze; Computersimulation der zeitlichen Veränderung der Kräfte. Zeitdehneraufnahmen von Sprengungen. Modellversuch: Fallbalken mit Golfball und Fangbecher. Mit Zeitdehnung.
A chimney is brought down laterally by blasting, fracture mechanics: acceleration in free rotation fall, tensile stress and compressive strain, inertial forces (animated cartoon), stability limit, computer simulation of the change in forces with time, slow motion pictures of blasts. Model experiments: falling beam with a golfball and collecting beaker, also partly in slow motion.
Schlagwörter Fallbalken
Sprengung
Stabilitätsgrenze
Trägheitskraft
Schornstein
Bruchmechanik
Bruch
freier Drehfall
free turn
fraction
fracture mechanics
chimney
inertial forces
stability limit
building implosion
blasting
falling beam

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