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Organisationseinheit der BAM
Eingeladener Vortrag
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In drop test scenarios related to assessing and licensing the storage procedure of spent fuel and high active waste, the casks under examination are generally not equipped with impact limiters. Hence, the extent of mechanical stresses in case of an assumed handling accident is largely affected by the ground properties of the reception hall floor in the specific storage facility.
Unlike conventional brittle foundation materials, damping concrete performs quite well in such applications as it features high stiffness as well as high energy absorption due to the filler pore volume. However, its damping ability is not sufficiently exploited in current finite element (FE) calculations due to a lack of advanced material models for simulating its impact response. An implementation of qualified concepts that account for plastic, strain rate dependent behavior requires additional information that has to be provided by systematic test series.
BAM recently started a research project to generate such data, subsequently to develop and to improve numerical methods for the analysis of impact limiters and damping foundation material and thus to optimize safety assessment tools for the design of transport and storage casks. A major part of this research concerns dynamic compression tests of variably shaped specimens conducted at a servo hydraulic 1MN impact testing machine as well as at a BAM facility for guided drop tests. This presentation focuses 100mm damping concrete cubes deformed vertically at constant rates under different constraint conditions. For example, a special fitting jig was constructed to subject the specimens to multi-axial loading. Thereby a deformation of 60% could be applied.
Simulation was conducted by FE code ABAQUS based on material models Concrete damaged plasticity and Crushable foam which both allow defining rate sensitive nonlinear stress-strain relations in compression beyond the classic metal plasticity approach.
Die mechanische Beanspruchung von Transport- und Lagerbehältern für radioaktive Stoffe gemäß den durch die IAEA vorgegebenen Prüfszenarien oder bei Unfällen, die während der Handhabung in einer kerntechnischen Anlage auftreten können, wird maßgeblich durch das Design der Stoßdämpfer und die Eigenschaften des jeweiligen Untergrundes beeinflusst. Da der Nachweis der Behälterintegrität und -dichtheit häufig an numerische Simulationen gekoppelt ist, sind für die sicherheitstechnische Auslegung der Konstruktion zuverlässige Informationen über das Energieabsorptionsvermögen der Werkstoffe und eine geeignete Umsetzung dieser Daten in FEM - Programme erforderlich. Die im Rahmen von Falluntersuchungen bei der BAM festgestellten, teilweise erheblichen Abweichungen zwischen experimentellen und berechneten Größen sind entsprechend darauf zurückzuführen, dass die zur Verfügung stehenden numerischen Verfahren das komplexe Verhalten der stoßdämpfenden Strukturen
nicht ausreichend präzise wiedergeben. Hiervon besonders betroffen sind Bauteile aus Holz und Polyurethan-Schaum (PU-Schaum), die zur Konstruktion von Behälterstoßdämpfern für die Transportkonfiguration eingesetzt werden, sowie Dämpferbeton, der in ausgewählten Bereichen im Fundament von Standort-Zwischenlagern eingebaut wird. Um die zugehörigen Materialmodelle weiter zu entwickeln und die dafür erforderliche Datenbasis zu schaffen, hat die BAM vor knapp zwei Jahren das vom BMBF geförderte Forschungsvorhaben ENREA (Entwicklung rechnerischer Analysemethoden für stoßdämpfende Strukturen beim Anprall oder Absturz von Abfallgebinden) gestartet. Wesentlicher Bestandteil ist ein systematisches Versuchsprogramm, bei dem die drei genannten Werkstoffe statisch und dynamisch hohen Druckbelastungen ausgesetzt werden. Relevante Versuchsparameter sind, neben der Dehnrate, die Temperatur und Lagerungsbedingungen sowie die Orientierung des Werkstoffes hinsichtlich der Belastungsrichtung. Dieser Beitrag präsentiert die wichtigsten Ergebnisse aus der ersten Versuchsphase, die durch weggesteuerte Versuche mit konstanten Prüfgeschwindigkeiten von 0,02 mm/s und 3000 mm/s gekennzeichnet ist. Darüber hinaus wird die Verwertung dieser Daten zur Anpassung von Materialmodellen auf der Grundlage von Nachrechnungen gezeigt, wobei die Möglichkeiten und Grenzen der verwendeten Konzepte Umrissen werden. Aufgrund des Umfangs, den die Versuche mit Holzwerkstoffen einnehmen, und des erforderlichen Aufwandes für die numerische Modellierung werden die entsprechenden Maßnahmen und Ergebnisse in einem eigenständigen Beitrag auf der KONTEC vorgestellt.
Im Zuge des Forschungsvorhabens ENREA (Entwicklung rechnerischer Analysemethoden für stoßdämpfende Strukturen beim Anprall oder Absturz von Abfallgebinden) führt die BAM systematische Untersuchungen an stoßdämpfenden Werkstoffen, unter anderem an Fichtenholz, durch. Zweck der mit diesen Untersuchungen erzeugten Datenbasis ist die Erstellung und Parametrierung eines Finite-Elemente- (FE-) Materialmodells, das die Modellierung holzgefüllter stoßdämpfender Bauteile von Transportbehältern für radioaktive Stoffe in der FE-Simulation ermöglichen soll.
Anhand von Ergebnissen aus der ersten Versuchsphase werden der Einfluss der Dehnrate und der Faserorientierung auf das Kraft-Verformungs-Verhalten von Fichtenholz diskutiert. Anschließend wird die rechnerische Modellierung von Fichtenholz diskutiert und die Anforderungen an ein Materialmodell werden erläutert.
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.
The safety and integrity of casks for radioactive waste in accidental scenarios is analysed by BAM Federal institute tor Materials Research and Testing. An accidental scenario in German interim storage facilities is the drop from a crane during the handling operation. To reduce the mechanical loads to the cask a shock absorbing footing with high energy absorption capability is used in these areas. In order to analyse and evaluate such impact scenarios of casks, numerical simulations are performed. For a comprehensive simulation of an accidental scenario the behaviour of the damping concrete footing has to be taken into account as well and therefor a material model is needed. Material parameters under different loading conditions are the basis for a numerical model. For that reason a government funded research project (Kasparek, 2012) was conducted to characterise damping concrete under quasi-static as well as highly dynamic impact loading conditions. The performed tests include compression tests with and without lateral constraint small-scale and midscale penetration tests with different indenters, and finally a full-scale drop test onto a damping concrete footing.
Finite element analysis (FEA) has been carried out for investigation of damping concrete under different impact loading conditions with a built-in material model and damage criteria available in FEA code ABAQUS.
At first, all parameters for the selected material model had been derived from compression Tests of cubic specimens. After that, a validation was carried out with different static and dynamic penetration tests. Finally, a 5 meter real drop test with a 23 Mg cylindrical cask could successfully be simulated.
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.
The paper focuses on the preliminary determination of the bar length and the experimental performance of the 1m-puncture test in compliance with the guidelines of the IAEA under the given boundary conditions. Following aspects have to be considered concerning the determination of an appropriate length of the bar to obtain maximum damage to the specimen: the design of the package, its drop orientation and the impact point as well as a pre-damage of the package resulting from a previous 9m drop test. According to the Regulations the minimum length of the bar is defined as 20 cm, which has to be adapted to the outer surface of the package, especially to packages with large impact limiters.
In this context, two main aspects are important: First, the realisation of a maximum puncture load applied to the package while no other component of the package has contact with the impact target. Second, the reduction of the risk of buckling and maximising the stiffness of the bar by a length which is as short as possible. In order to optimize the bar length, finite element calculations are often done by simulating the global behaviour of the package during the puncture test. The evaluation of the conducted puncture test regarding IAEA compliance is done by analysing deceleration measurements. The paper presents a possible approach to determine the length of the bar and the construction of a form-fitted connection to the target showing various examples of puncture tests.