Filtern
Erscheinungsjahr
Dokumenttyp
- Beitrag zu einem Tagungsband (25) (entfernen)
Sprache
- Englisch (18)
- Deutsch (6)
- Mehrsprachig (1)
Schlagworte
- Drop test (7)
- Damping concrete (6)
- Dämpferbeton (4)
- Dehnratenabhängigkeit (3)
- Impact limiter (3)
- Materialmodellierung (3)
- Drop testing (2)
- Drop tests (2)
- Dynamic (2)
- IAEA (2)
Organisationseinheit der BAM
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.
BAM Federal Institute for Materials Research and Testing is the competent authority for mechanical safety assessment of transport packages for radioactive material in Germany. The further development of state-of-the-art technology concerning assessment methods is essential for a qualified work of involved designers and authority experts. The paper gives an example of current development done to improve understanding and modeling capabilities of wood filled impact limiter. In order to reduce the loads applied to the package containment, which result from regulatory drop tests, most packages are protected by energy dissipating impact limiter. Wood, encapsulated by steel sheets, is one of the materials typically used for energy dissipation in these impact limiter. Very often, mechanical safety cases regarding the 9 m drop test are performed computationally, where it is essential to use reliable and verified computational methods and models. In this context, the paper presents an approach for a finite element material model for wood. Thereby, the mechanical behavior of wood under compression loading is the focus of the development work. Additionally, material orientation as well as strain rate, temperature and lateral constraint may vary. A large number of experiments, particularly compression tests, was designed and performed to establish an adequate experimental database for modeling verification. The experimental results enabled the derivation of necessary requirements: The material model has to take into account strain rate and temperature dependencies as well as the anisotropic characteristics of the material, a proper yield criterion, flow rule and hardening law. Such a material model is currently not available in established commercial dynamic finite element codes. Thus it is necessary to create a user-defined material model considering the mentioned requirements. A first step was done by determining a yield surface as well as detecting flow and hardening mechanisms from experimental force-deflection curves. In a next step the LS-DYNA material model MAT_75 was altered according to conclusions of former BAM development work, regarding the modeling of post-peak softening as a function of lateral constraint. Future research will contain the further development, implementation and verification of a material model for wood.
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.
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.
For validation of structural integrity under normal and hypothetical accident conditions during transport and storage of radioactive material the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) focuses its safety related scientific research on advanced mechanical safety assessment methods including simulation of high rate impact of model components and structures. A drop and crash test facility with an unyielding target and a load capacity of 1.200 kg was designed for materials testing of component size specimen under impact conditions at elevated and higher loading rates. The maximum drop height is 12 meters which enables impact velocities up to 15 m/s. An exactly falling test object or drop weight allows impact, bending, compression as well as crash and crush tests with maximum input energy of 118 kJ. An arresting unit has been developed to avoid multiple impacts during instrumented drop tests. The paper presents experimental techniques and examples of various measurement methods and advancements in order to assess assumption of materials and components behavior by definite displacement and stresses within mechanical testing. Instrumented drop weight tests are performed to complete materials data base and energy absorption of shock-absorbing materials and structures as well as to implement materials and structural parameters into FEA of reference structures. Furthermore, fracture mechanics parameters of thick walled DCI containers by means of dynamic bending tests are characterized by crack initiation and crack resistance behavior at the lowest operational temperature depending on the strain rate.
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.
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.
Mechanical loading conditions of transport and storage casks for radioactive materials in accidental scenarios are highly affected by the behavior of both: the impact limiters and the footing materials. To minimize potential damages during the handling of casks, a so called damping concrete is frequently used for the footings in interim nuclear facilities. It obtains its shock absorbing properties through admixing of polymer cells. For a comprehensive mechanical evaluation of casks, advanced material models are also needed for damping concrete. In order to characterize the mechanical properties and to develop numerical material models, penetration tests were carried out at different test facilities of BAM. The tests contain static and dynamic penetration tests on cubic specimen with an edge length of 100 mm as well as mortared specimen with a size of 240 x 240 x 50 cm³. Indenters with different geometries and diameters were used for these model-sized penetration tests. Subsequently a full-scale cylindrical cast-iron indenter with a diameter of 110 cm was dropped of 5 m height on a realistic damping concrete footing.
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.
Polyurethane foam used as impact limiter material undergoes high plastic deformations, whereat the resulting stress-strain relations strongly depend on loading speed and temperature. This paper discusses the efforts necessary to develop a reliable numerical foam simulation model focussing on generation and implementation of temperature- dependent yield curves
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 shock absorbing material damping concrete is for the foundation in dry interim storage facilities for radioactive waste in Germany. In case of a potential cask drop damping concrete minimizes the mechanical loads to the cask. In course of safety analyzes this accident scenario is considered by numerical simulations using the finite element method. To get reliable results of numerical simulations a suitable material model is needed to take the characteristics of damping concrete into account. Due to the lack of sufficient material knowledge a research project was started to characterize the material’s behavior under different load conditions. This paper presents the test program to analyze the material behavior of damping concrete which is characterized by large volume change and
strain rate hardening dependence. The determined Parameters were used to adapt an existing material model of the FE-code ABAQUS®. This model has to handle the mechanical damage behavior of damping concrete which occurs under compression and shear loads during a potential cask drop. To verify the material model numerical simulations are compared with dynamic penetration tests, which were conducted with specimens assembled similar to the real application of the damping concrete footings. The transferability of the material
model to a real accident scenario was verified by a drop test with a full-scale cask on a damping concrete footing.
For disposal of the German research reactor of the Technical University Munich FRM II a new transport and storage cask design was under approval assessment by the German authorities. The Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) assessed the mechanical and thermal package safety and performed drop tests. The activity release approaches and subjects of quality assurance and surveillance for manufacturing and operation of the package were assessed by BAM as well.
The cask body is made of ductile cast iron and closed by two bolted lid systems with metal seals. The material of the lids is stainless steel. On each end of the cask a wood-filled impact limiter is installed to reduce impact loads to the cask under drop test conditions. In the cavity of the cask a basket for five spent fuel assemblies is arranged.
For the safety case a combination of experimental testing and analytical/numerical calculations were applied. In total, four drop tests were carried out at the BAM large drop test facility. Two tests were carried out as a full IAEA drop test sequence consisting of a 9m drop test onto an unyielding target and a 1m puncture bar drop test. The other two drop test were performed as single 9m drop tests and completed by additional analyses for considering the effects of an IAEA drop test sequence.
The main objectives of the drop tests were the investigation of the integrity of the package and its safety against release of radioactive material as well as the test of the fastening system of the impact limiters. Furthermore, the acceleration and strain signals measured during the tests were used for the verification of Finite-Element-Analysis (FEA) used for the safety analysis of the package design.
The finite-element models incorporated in the package design safety report include the cask body, the lid system, the inventory and the impact limiters with the fastening system. In this context special attention was paid to the modeling of the encapsulated wood-filled impact limiters.
Additional calculations using the verified numerical models were done by the applicant and assessed by BAM to investigate e.g. the brittle fracture of the cask body made of ductile cask iron within the package design approval procedure.
This paper describes the package design assessment from the view of the competent authority BAM including the applied assessment strategy, the conducted drop tests and the additional calculations by using numerical and analytical methods.
A new dual purpose cask design was developed for the safe transport and interim storage of spent fuel elements of German research reactors. In the framework of the safety assessment within the licensing procedure the Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) as competent authority performed a series of drop tests according to the IAEA-Regulations [1]. The package consists of a cylindrical thick-walled ductile cast iron cask body closed by a double lid system with metallic seals. A lid and bottom sided impact limiter consisting of a wood/steel construction limit the mechanical impact loading. The full-scale test specimen was equipped with a basket and assembled with dummy-fuel elements. The package and test specimen, respectively have a total mass of approximately 24 metric tons.
The mechanical test program included three 9m free drop tests, in horizontal, vertical and oblique cask orientation onto the lid system. Additionally, a 1m-puncture drop test followed the horizontal drop test to consider an IAEA-test sequence. The horizontal and vertical drop tests were performed at a temperature of minus 40°C. During the oblique drop test the upper impact limiter was heated to +80°C. The tests were conducted onto an unyielding target, fulfilling the requirements of the IAEA regulations [1].
The test specimen was considerably instrumented with strain gauges and accelerometers. Transient strains at selected locations of the inner and outer container walls, of the primary and secondary lid, as well as of the corresponding lid bolts were measured during the drop tests. Furthermore, decelerations in different locations at the cask body and the lids were measured. The complex geometrical deformation of the impact limiters due to the impact were determined by optical 3d- measurements using the projected fringe method in combination with multi-image photogrammetry. Before and after the drop tests the leakage rate of the lid system was determined by helium leakage testing.
The experimental results contribute to the evaluation of the package response to mechanical tests, demonstrating safety under normal and accident conditions of transport. Especially to the verification of the dynamic finiteelement model of the package used in the package design safety report [2]. The paper describes the performance of the drop tests, selected test results focusing on the lid screws and the cask body and the deformation of the impact limiters as well as impact kinematics, respectively.