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Organisationseinheit der BAM
The Bundesanstalt für Materialforschung und –Prüfung (BAM) runs an investigation program on the long-term behavior of multi-component metal seals. Such seals are used in a wide area of applications including transport and storage casks for spent nuclear fuel and high level radioactive waste.
The seal function is mainly based on the compression of the inner helical spring, which generates the necessary seal force to keep the sealing surfaces in close contact. This in turn leads to a plastic deformation of the outer jacket of the seal, comprised of highly ductile aluminum or silver that adapts to the sealing surfaces of cask body and bolted lid, thus providing high Level leak tightness. In Germany, those casks are licensed for Interim storage periods of up to 40 years or more if extended Interim storage would become necessary before a final repository is available. Thus, the sealing performance has to be evaluated, including factors like elevated temperature due to decay heat or mechanical loads due to transport under normal as well as accident conditions. Long-term investigations at BAM have been running over the last nine years to identify and evaluate the seal performance by measuring the remaining seal force, the useable resilience and the leakage rate after various time intervals at temperatures ranging from room temperature up
to 150 °C. It was found that the seal force and useable resilience decrease with time and temperature, caused by creep deformation of the outer jacket. In order to obtain an analytical description for the seal behavior and to achieve more information on the material behavior under application conditions a comprehensive investigation program with Focus on aluminum as outer jacket material was launched. The program includes material investigations such as compression and tension creep tests with representative basic materials. An additional test setup allows for the continuous measurement of the remaining seal force at temperatures of up to 150 °C. Furthermore, seal segments are compressed and stored in heating chambers, thus producing segments at different stages of the aging process. The segments are investigated regarding the development of the contact area width, jacket thickness and microstructural changes. This data will be used to develop material models and an analytical description of the time and temperature dependent long-term sealing behavior. This paper explains the current status of gained test results and modelling approaches and closes with an outlook to the future Project plans.
Bewehrungsgitter aus Kunststoff, die zum Schutz vor hangparallelem Gleiten auf langen und steilen Böschungen eingebaut werden, müssen sicher verankert werden. Für den Entwurf und die Berechnung der Verankerung sind bestimmte Regeln gebräuchlich. An Hand von Modellen für die Wechselwirkung zwischen Füllboden und Bewehrungsgitter wird diskutiert, welche physikalischen Annahmen und Vereinfachungen in diese Bemessungsregeln eingehen. Dabei wird gezeigt, dass das bisher benutzte Bemessungskonzept ohne Einschränkung nur auf eine spezielle Klasse von Bewehrungsgittern anwendbar ist, deren Herausziehwiderstand überwiegend von Effekten der 'Oberflächenreibung' zwischen Bodenpartikeln und Längselementen des Gitters bedingt ist ('Reibungsgitter'). Für die Bemessung muss hier der Verbundbeiwert dieser reinen Oberflächenreibung verwendet werden. Bei Bewehrungsgittern, wo ein Erddruck, der sich vor den Querelementen des Gitters aufbaut, maßgeblich zum Herausziehwiderstand beiträgt, ist die Festigkeit der Verbindungsstellen zwischen Längs- und Querelementen von entscheidender Bedeutung für eine sichere Verankerung ('Erddruckgitter'). Die Zusammenhänge zwischen mechanischem Verhalten der Verbindungsstellen, Dehnbarkeit der Längselemente, Oberflächenreibung und maximaler Herausziehkraft werden beispielhaft aufgezeigt. Die Festlegung eines Bemessungswiderstands der Verbindungsstellen, der grundsätzlich nicht überschritten werden darf, erfordert eine Modifikation des Bemessungskonzepts. Zwei Fälle können unterschieden werden: Bei Böden mit hinreichend geringer innerer Reibung und geringer Auflast, wo der maximal mobilisierbare Erdwiderstand die zulässige Festigkeit der Verbindungsstelle nicht übersteigen kann, können die Bemessungsregeln noch angewendet werden. In allen anderen Fällen nicht mehr: Der Bemessungswiderstand der Verbindungsstelle setzt nämlich der möglichen aktivierbaren Verankerungslänge eine obere Grenze. Es können dann auch nur Zugkräfte bis zu einer bestimmten Stärke verankert werden, völlig unabhängig davon, wie groß die Zugfestigkeit des Bewehrungsgitters ist. Nur bei Beachtung dieser Grenzen ist eine langfristig sichere Verankerung möglich.
The German Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) has established a testing guideline to assess the suitability of geosynthetic or geocomposite drain (GCD) elements for final landfill cover systems. In an earlier paper the uniform procedure according to the BAM guideline for determining long-term water flow capacity was described, and the structural stability of drain cores under creep was investigated. The extrapolation of creep curves is permissible only when it can be shown, over the extrapolated period (at least 100 years), that oxidative aging does not invoke any relevant changes in the polyolefin material. This can be shown by measuring antioxidant depletion and mechanical degradation of the drain cores and filter/protection geotextiles in oven aging and water immersion tests. In this paper the results of such aging studies on three different GCD products are reported. Degradation of the tensile strength of HALS-stabilized polypropylene needle-punched nonwoven geotextiles (PP NWGTs) starts right from the beginning of the oven aging. This has to be taken into account for lifetime predictions based on residual tensile strength. The rate of oxidative degradation of NWGTs decreases significantly with increasing mass per area. Therefore the expected service life sets a limit on acceptable geotextile grammage. Antioxidant depletion in the drain cores, which are made of relatively thick PP strands or HDPE ribs, is about an order of magnitude slower than in filter and protection NWGTs, which are made of thin fibers. Service life values in excess of 100 years may be obtained for the products when the geotextiles and drain cores are properly stabilized and designed.