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Ermittlung dynamischer Kennwerte von Dämpferbeton für die Simulation des Beanspruchungsverhaltens
(2016)
Die Sicherheit und Integrität von Verpackungen radioaktiver Stoffe wird anhand von numerischen Berechnungen bewertet. Bei einem Anprall oder Absturz sind die mechanischen Beanspruchungen auf die Behälter auch von den Eigenschaften des Untergrunds abhängig. Um potentielle Gefahren während der Verladung zu minimieren, wird energieabsorbierender Dämpferbeton in den Handhabungsbereichen nuklearer Lager eingesetzt.
Zu einer umfassenden sicherheitstechnischen Analyse und Bewertung gehört die Berücksichtigung des Beanspruchungsverhaltens von Dämpferbeton. Hierfür ist ein numerisches Materialmodell notwendig, das in der Literatur bisher nicht vorlag. Die dafür notwendigen dynamischen Kennwerte sind in verschiedenen Druck- und Eindringversuchen ermittelt worden. Dazu wurden dynamische Druckversuche an würfelförmigen Prüfkörpern durchgeführt, sowie Eindringversuche mit unterschiedlichen Eindringkörpern und Dämpferbetonproben. Die experimentell ermittelten Kennwerte wurden verwendet, um ein Materialmodell für Dämpferbeton zu entwickeln und kritische Beanspruchungsszenarien numerisch zu berechnen. Um die Qualität des Materialmodells zu überprüfen, wurde ein realitätsnaher Fallversuch eines Behälters in Originalgröße auf ein lagertypisches Dämpferbetonfundament durchgeführt.
In dem Beitrag sollen die unterschiedlichen Untersuchungen zur Ermittlung dynamischer Kennwerte sowie deren Ergebnisse dargestellt werden. Gezeigt werden ebenso numerische Nachberechnungen einzelner Versuche sowie die ausführliche Berechnung des Fallversuchs im Originalmaßstab. Experimentelle und numerische Ergebnisse aus der Simulation werden hier gegenübergestellt.
Während des Transportes sind Behälter für hoch radioaktive Abfälle durch stoßdämpfende Bauteile vor Einwirkungen, die aus Unfallszenarien gemäß den IAEA Regularien resultieren können, weitestgehend geschützt. Nach dem Entfernen dieser Komponenten im Rahmen der Einlagerung ins Zwischenlager müssen Vorkehrungen getroffen sein, um Beanspruchungen der Behälter aus möglichen Handhabungsunfällen im Empfangsbereich zu reduzieren. Die Maßnahmen müssen vor allem darauf abzielen, die stoßdämpfenden Eigenschaften der potentiellen Aufprallflächen zu optimieren. Da Standardmaterialien für Fundamente nur ein geringes Energieabsorptionsvermögen aufweisen, wurde durch die Firma HOCHTIEF eine neuartige Betonmixtur entwickelt, bei der ein spezieller Leichtzuschlag zum Einsatz kommen. Zur Charakterisierung dieses sogenannten Dämpferbetons liegen Standardkennwerte vor sowie Messwerte aus Eindringversuchen, die zur Qualitätssicherung für jede Produktcharge durchgeführt werden. Das stoßdämpfende Potential des neuen Werkstoffs kann jedoch nur dann vollkommen ausgeschöpft werden, wenn die Energieabsorption in numerischen Simulationen der Behälterabstürze über die gesamte Belastungsdauer zuverlässig wiedergegeben wird. Für die Implementierung und Anpassung eines entsprechenden Materialmodelis in einem Finite Elemente (FE) Programm
sind Daten aus systematischen Druckversuchen mit Variation der relevanten Einflussgrößen erforderlich. An der BAM werden daher im Rahmen eines werkstoffübergreifenden Forschungsvorhabens zur Untersuchung von stoßdämpfenden Strukturen auch die Eigenschaften von Dämpferbeton experimentell untersucht und zugehörige numerische Methoden entwickelt. Der aktuelle Beitrag behandelt die Ergebnisse der ersten Projektphase, in der kubische Probekörper mit der Kantenlänge 100mm bei unterschiedlichen Lagerungsbedingungen statisch und dynamisch gestaucht wurden. In nachfolgenden Versuchen wird der Einfluß der Probengröße ermittelt sowie die Eignung der verwendeten Materialmodelle anhand realistischer Belastungssituationen validiert.
Versuchsprogramm.
Zur numerischen Simulation von Transport- und Lagerbehältern für radioaktive Stoffe unter mechanischen Unfallbedingungen sind geeignete
Materialmodelle und zugehörige Parametersätze für alle relevanten Behälterbauteile und den Aufpralluntergrund sowie gegebenenfalls für weitere am Störfall beteiligte Komponenten erforderlich.
Sie bilden eine wesentliche Grundlage um für unterschiedliche Belastungsvarianten und Temperaturen zuverlässige Berechnungsergebnisse zu ermitteln, die umfangreiche experimentelle Erprobungen zumindest in Teilen ersetzen und damit einen zentralen Bestandteil von sicherheitstechnischen Nachweisen in gefahrgut- und atomrechtlichen Zulassungs- und Genehmigungsverfahren bilden können. Für die Auslegung der Behälter von besonderer Bedeutung ist die Effizienz der eingesetzten energieabsorbierenden Elemente, wie beispielsweise Stoßdämpfer am Behälterdeckel oder -boden bzw. äquivalente Strukturen auf oder im Fundament von Zwischen- und Endlagern.
Diese Bauteile, die häufig aus Holz, Polyurethan (PU) - Schaum oder Dämpferbeton hergestellt werden, erfahren beim Auf- oder Anprall erhebliche plastische Deformationen, deren Verteilung und Größenordnung u.a. von der Belastungsgeschwindigkeit, dem Belastungsverlauf und der Temperatur bestimmt werden. Die Berücksichtigung dieser Faktoren in dynamischen Finite Elemente (FE) Berechnungen, die den heutigen Stand der Simulationstechnik repräsentieren, setzt eine systematische Datenbasis für den stoßdämpfenden Werkstoff voraus und die Implementierung dieser Informationen in numerischen Materialformulierungen.
An der BAM wird seit Ende 2008 im Rahmen des vom BMBF geförderten Forschungsvorhabens ENREA (Entwicklung rechnerischer Analysemethoden für stoßdämpfende Strukturen beim Anprall oder Absturz von Abfallgebinden) die experimentelle Bestimmung derartiger Daten sowie die Anpassung und teilweise Neuentwicklung geeigneter Materialmodelle betrieben.