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A material testing program to characterize the concrete behavior under static and dynamic loads
(2010)
In this paper a comprehensive material testing program is described to characterize a German final repository concrete material (BERB1) subjected to static and dynamic loads. The BERB1 material was developed und specified by the German Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) for targets used for drop tests according to the KONRAD requirements.
The testing consists of three concurrent laboratory experimental programs performed in the USA. An extensive preliminary testing program in Germany was performed to assure the required concrete specifications during fabrication and curing.
The first set of data is the static basic material test program consisting of structural tests to quantify macroscopic concrete properties under quasi-static loads. Cubic and cylindrical specimens are investigated under this effort. The second set of test data is from the static complete material test program, where cylindrical concrete specimens are subjected to a variety of quasi-static axial and radial stress and strain paths using a high-pressure hydraulic tri-axial chamber. The material is characterized for confining pressures up to 400 MPa. The third set of data is from the dynamic complete material test program, which uses a modified Split-Hopkinson Pressure Bar to induce dynamic compression and tension waves into cylindrical concrete specimens that generate strain-rates up to 400 s-1.
The ensemble of data generated in these experiments provides a complete set of data that effectively describes the behavior of this concrete and can be used to develop a constitutive calculation model. In addition, the results of the tests show a significant effect of moisture on the strength and rheology of this concrete for quasi-static pressures greater than 50 MPa. Numerical drop test simulations with the developed constitutive model in the Lagrangian finite element code, LS-DYNA, show good agreement with the experimental results from a BAM research project.
The excellent mechanical properties of elastomer seals at a wide range of temperatures as well as their high versatility and recovery potential under several load conditions make these materials well suitable for the application in containers designed for transport and disposal of negligible heat generating radioactive waste. While a seal exchange at defined intervals is typical in many conventional applications, it is impossible or at least hard to perform when principles of minimization of radiation exposure have to be considered which prohibit an avoidable cask handling. An extensive knowledge of the change of the elastomer properties during aging and the availability of reliable end-of-lifetime criteria to guarantee the safe enclosure of the radioactive material for the required time are mandatory. As BAM is involved in most of the national cask licensing procedures and in the evaluation of cask-related long-term safety issues, great efforts have already been made and are still ongoing to scientifically support this task.
Among other representative types of elastomers, specimen made from ethylene propylene diene rubber (EPDM) were tested before, during and after aging to capture the with respect to application most important of their complex mechanical properties.
Exemplary results of these investigations were used to calibrate material models implemented in the commercial finite element software ABAQUS/Standard®. The finite element model already presented in previous works uses a sequential temperature displacement coupling. The calculated compression stress relaxation (CSR) and compression set (CS) values do satisfactorily match the experimental results.
In many investigations performed at BAM both values (CSR and CS) were identified as key indicators of elastomer’s long-term performance.
However, the possibility to correlate these equivalent indicators with performance values such as tightness and leakage rate, measurable in the mounted state, is an important goal of our future work. In the presented study the ABAQUS® feature of “pressure penetration” is introduced in the suggested finite element model for this purpose. It provides the possibility to simulate the penetration of a gas into a possible gap between flange and O-ring causing an opening of a leakage path. Three dimensional and axis-symmetric finite element models were generated to represent flat and grooved flanges of different dimensions.
The sensitivity of the feature to several input parameters is investigated and the observed behavior of the O-ring is correlated with the results of performed leakage tests.
The excellent mechanical properties of elastomer seals at a wide range of temperatures as well as their high versatility and recovery potential under several load conditions make these materials well suitable for the application in containers designed for transport and disposal of negligible heat generating radioactive waste. While a seal exchange at defined intervals is typical in many conventional applications, it is impossible or at least hard to perform when principles of minimization of radiation exposure have to be considered which prohibit an avoidable cask handling. An extensive knowledge of the change of the elastomer properties during aging and the availability of reliable end-of-lifetime criteria to guarantee the safe enclosure of the radioactive material for the required time are mandatory. As BAM is involved in most of the national cask licensing procedures and in the evaluation of cask-related long-term safety issues, great efforts have already been made and are still ongoing to scientifically support this task.
Among other representative types of elastomers, specimen made from ethylene propylene diene rubber (EPDM) were tested before, during and after aging to capture the with respect to application most important of their complex mechanical properties.
Exemplary results of these investigations were used to calibrate material models implemented in the commercial finite element software ABAQUS/Standard®. The finite element model already presented in previous works uses a sequential temperature displacement coupling. The calculated compression stress relaxation (CSR) and compression set (CS) values do satisfactorily match the experimental results.
In many investigations performed at BAM both values (CSR and CS) were identified as key indicators of elastomer’s long-term performance.
However, the possibility to correlate these equivalent indicators with performance values such as tightness and leakage rate, measurable in the mounted state, is an important goal of our future work. In the presented study the ABAQUS® feature of “pressure penetration” is introduced in the suggested finite element model for this purpose. It provides the possibility to simulate the penetration of a gas into a possible gap between flange and O-ring causing an opening of a leakage path. Three dimensional and axis-symmetric finite element models were generated to represent flat and grooved flanges of different dimensions.
The sensitivity of the feature to several input parameters is investigated and the observed behavior of the O-ring is correlated with the results of performed leakage tests.
In the design approval of transport packages for radioactive materials, the mechanical and thermal safety assessment is carried out in Germany by competent authority BAM. In recent years BAM was involved in several licensing procedures of new spent fuel and HLW package designs, where the cask body is of Ductile Cast Iron (DCI). According to IAEA regulations package designs have to fulfill requirements for specific conditions of transport. Type B(U) packages must withstand the defined accident conditions of transport. The temperature range from -40°C up to the operational temperature has to be considered. For the cask material DCI, it is necessary to determine safety against brittle fracture. The German guideline BAM-GGR 007 defines requirements for fracture mechanics of packagings made of DCI. Due to complex cask body structure and the dynamic loading a fracture mechanical assessment by analytical approaches is not always possible. Experience of recent design approval procedures show that the application of numerical calculations are applicable to determine the stresses and stress intensity factors in the cask body. At the first step a numerical analysis has to be done to identify
the loading state at the whole cask body. Secondly an analysis of a detail of the cask body is made considering the displacement boundary conditions of the global model. An artificial flaw is considered in this detailed model to calculate the fracture mechanical loading state. The finite element mesh was strongly refined in the area of the flaw. The size of the artificial flaw is based on the ultrasonic inspection acceptance criteria applied for cask body manufacture. The
applicant (GNS) developed additional analysis tools for calculation of stress intensity factor and/or J-Integral. The assessment approach by BAM led to the decision to develop own tools to the possibility for independent proof of the results.
The paper describes the authority assessment approach for DCI fracture mechanics analysis. The validation procedure incl. the development of own tools is explained. BAM developed a postprocessor to determine the fracture mechanical loads. A horizontal 1 m puncture bar drop test is used to give a detailed description of the assessment procedure.
In the approval procedure of transport packages for radioactive materials, the mechanical and thermal safety assessment is carried out in Germany by competent authority BAM. In recent years BAM was involved in several licensing procedures of new spent fuel and HLW package designs, where the cask body was made of Ductile Cast Iron (DCI). According to IAEA regulations package designs have to fulfill requirements for specific conditions of transport. Type B(U) packages must withstand the defined accident conditions of transport. The temperature range from -40°C up to the operational temperature has to be considered. For the cask material DCI, it is necessary to determine the brittle fracture behavior. The German guideline BAM-GGR 007 defines requirements for the fracture mechanics of DCI. Due to complex structure of the cask body and the dynamic loading a fracture mechanical assessment in an analytical kind is not always possible. Experience of recent design approval procedures show that the application of numerical calculations are applicable to determine the fracture mechanical load in the cask body. At the first step a numerical analysis has to be done to identify the loading state at the whole cask body. Secondly an analysis of a detail of the cask body is made considering the displacement boundary conditions of the global model. An artificial flaw is considered in this detailed model to calculate the fracture mechanical loading state. The finite element mesh was strongly refined in the area of flaw. The size of the artificial flaw is characterized by the ultrasonic inspection used for the quality assurance of the package. The applicant developed additional analysis tools for calculation of stress intensity factor and/or J-Integral. The assessment approach by BAM led to the decision to develop own tools to the possibility for independent check of the results.
The paper describes the authority assessment approach for the DCI fracture mechanics analysis. The validation procedure incl. the development of own tools is explained. BAM developed a post-processor called JINFEM to determine the fracture mechanical loads. The regulatory 1 m puncture bar drop test is used to give an example of the assessment procedure.
Abgeleitet aus den in Teil 3 der „Systemanalyse Konrad“ definierten Lastannahmen für den „untertägigen Anlagenbereich“ müssen Verpackungen, die der Abfallbehälterklasse I (ABK I) mit dem zusätzlichen Merkmal der störfallfesten (sf) Verpackung oder der ABK II zugeordnet werden, gemäß den „Endlagerungsbedingungen, Endlager Konrad“, nach einem „…Fall aus 5 m Höhe auf eine unnachgiebige Unterlage…“ bestimmten Anforderungen genügen.
Eine nähere Beschreibung der Prüfeinrichtung sowie die Definition detaillierter Anforderungen an das Aufprallfundament erfolgen in der „Produktkontrolle, Endlager Konrad“: „Die Prüfeinrichtung, bestehend aus einer Hebeeinrichtung und einem Fundament ist so zu gestalten, dass der Fall des Prüfmusters in jeder beliebigen Aufprallorientierung aus 5 m Höhe, gemessen von der Unterkante des Prüfmusters zum Fundament, möglich ist. Das Fundament ist aus Beton der Mindestgüte B 35 herzustellen und muss so beschaffen und verankert sein, dass keine Zerstörung in zahlreiche kleinere Bruchstücke erfolgt und keine horizontale Verschiebung des Fundamentes oder seiner Teile auftritt. Maße und Masse des Fundaments müssen so beschaffen sein, dass der Einfluss des Baugrundes unter dem Fundament auf den Aufprallwiderstand vernachlässigbar ist.“
Im Rahmen der Bauartprüfung für Behälter zur Endlagerung radioaktiver Abfälle mit zu vernachlässigender Wärmeentwicklung im Endlager Konrad wird die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) von der Bundesgesellschaft für Endlagerung (BGE) als Sachverständige hinzugezogen und ist in der Regel auch mit der Durchführung der notwendigen Fallprüfungen auf dem Testgelände Technische Sicherheit der BAM (BAM TTS) einschließlich der Bereitstellung der benötigten Prüfeinrichtungen sowie des regelkonformen Aufprallfundamentes beauftragt. Der Prozess, beginnend von der Gewährleistung einer von allen Beteiligten als gültig bewerteten Fallprüfung bis hin zur abschließenden Bewertung und Interpretation der Versuchsergebnisse erfordert dabei u.a. eine sorgfältige Planung und Fertigung der für das Endlager Konrad repräsentativen Fundamentplatte und deren Ankopplung an einen Untergrund im Sinne der „Regulations for the Safe Transport of Radioactive Material“ wie er zum Beispiel auf den beiden Fallversuchsanlagen des BAM Testgelände Technische Sicherheit (BAM TTS) zur Verfügung steht.
Um diese Anforderungen zu erfüllen muss zum einen der Erhalt der Integrität der Fundamentplatte beim Fallversuch durch eine geeignete Auswahl und kraftflussgerechte Anordnung der Stabstahl-Bewehrung sowie deren Verankerung garantiert und damit eine unzulässige Energieaufnahme durch Risse sowie eine unzulässige „… Zerstörung (der Fundamentplatte) in zahlreiche kleinere Bruchstücke …“, wie in [3] gefordert, verhindert werden. Außerdem ist zu gewährleisten, dass der Beton die Anforderungen an die vorgeschriebene Mindestgüte bzw. -festigkeit zum Zeitpunkt der Fallprüfung erfüllt, die Betonfestigkeit jedoch zur Vermeidung unnötig verschärfter Prüfrandbedingungen eine zu definierende Obergrenze nicht überschreitet.
Ausgehend von dem 2009 im Rahmen der KONTEC veröffentlichten Wissensstand präsentiert die BAM im vorliegenden Beitrag die wesentlichen Ergebnisse der zwischenzeitlich bei der Planung und Durchführung von zahlreichen Fallprüfungen gewonnenen Erfahrungen bzgl. Spezifikation und Fertigung der für die Fallversuche notwendigen Fundamentplatten sowie deren Anbindung an den Untergrund. Neben den immer wieder notwendigen Anstrengungen zur Gewährleistung einer im Rahmen der Definition korrekten Betondruckfestigkeit am Tag der Fallprüfung wird die Anpassung der Bewehrungsführung an verschiedene Fallpositionen diskutiert.
Zur Ergänzung des gültigen Regelwerks entsteht parallel zu diesem Dokument eine Fachnotiz, in der BGE und BAM die Vorgaben und Spezifikationen zur regelwerkskonformen Herstellung und Montage von Fundamentplatten für Fallprüfungen im Rahmen der Behälterbauartprüfungsverfahren für das Endlager Konrad zusammenfassen und veröffentlichen werden. Diese Fachnotiz soll detaillierte Vorgaben und Spezifikationen zur Planung, Beauftragung, Herstellung und abschließenden Prüfung eines solchen Fundamentes und dessen Anbindung an den Untergrund enthalten. Damit soll allen beteiligten Organisationen wie Antragstellern, Sachverständigen und BGE ein langfristig verlässlicher Leitfaden im Hinblick auf die Durchführung anforderungsgerechter Fallprüfungen unter definierten und reproduzierbaren Randbedingungen im Rahmen der Bauartprüfungsverfahren für das Endlager Konrad an die Hand gegeben werden.
Abgeleitet aus den in Teil 3 der „Systemanalyse Konrad“ [1] definierten Lastannahmen für den „untertägigen Anlagenbereich“ müssen Verpackungen, die der Abfallbehälterklasse I (ABK I) mit dem zusätzlichen Merkmal der störfallfesten (sf) Verpackung oder der ABK II zugeordnet werden, gemäß den „Endlagerungsbedingungen, Endlager Konrad“ [2], nach einem „…Fall aus 5 m Höhe auf eine unnachgiebige Unterlage…“ bestimmten Anforderungen genügen.
Eine nähere Beschreibung der Prüfeinrichtung sowie die Definition detaillierter Anforderungen an das Aufprallfundament erfolgen in der „Produktkontrolle, Endlager Konrad“ [3]: „Die Prüfeinrichtung, bestehend aus einer Hebeeinrichtung und einem Fundament ist so zu gestalten, dass der Fall des Prüfmusters in jeder beliebigen Aufprallorientierung aus 5 m Höhe, gemessen von der Unterkante des Prüfmusters zum Fundament, möglich ist. Das Fundament ist aus Beton der Mindestgüte B 35 herzustellen und muss so beschaffen und verankert sein, dass keine Zerstörung in zahlreiche kleinere Bruchstücke erfolgt und keine horizontale Verschiebung des Fundamentes oder seiner Teile auftritt. Maße und Masse des Fundaments müssen so beschaffen sein, dass der Einfluss des Baugrundes unter dem Fundament auf den Aufprallwiderstand vernachlässigbar ist.“
Im Rahmen der Bauartprüfung für Behälter zur Endlagerung radioaktiver Abfälle mit zu vernachlässigender Wärmeentwicklung im Endlager Konrad wird die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) von der Bundesgesellschaft für Endlagerung (BGE) als Sachverständige hinzugezogen und ist in der Regel auch mit der Durchführung der notwendigen Fallprüfungen auf dem Testgelände Technische Sicherheit der BAM (BAM TTS) einschließlich der Bereitstellung der benötigten Prüfeinrichtungen sowie des regelkonformen Aufprallfundamentes beauftragt. Der Prozess, beginnend von der Gewährleistung einer von allen Beteiligten als gültig bewerteten Fallprüfung bis hin zur abschließenden Bewertung und Interpretation der Versuchsergebnisse erfordert dabei u.a. eine sorgfältige Planung und Fertigung der für das Endlager Konrad repräsentativen Fundamentplatte und deren Ankopplung an einen Untergrund im Sinne der „Regulations for the Safe Transport of Radioactive Material“ [4], [5] wie er zum Beispiel auf den beiden Fallversuchsanlagen des BAM Testgelände Technische Sicherheit (BAM TTS) zur Verfügung steht.
Um diese Anforderungen zu erfüllen muss zum einen der Erhalt der Integrität der Fundamentplatte beim Fallversuch durch eine geeignete Auswahl und kraftflussgerechte Anordnung der Stabstahl-Bewehrung sowie deren Verankerung garantiert und damit eine unzulässige Energieaufnahme durch Risse sowie eine unzulässige „… Zerstörung (der Fundamentplatte) in zahlreiche kleinere Bruchstücke …“, wie in [3] gefordert, verhindert werden. Außerdem ist zu gewährleisten, dass der Beton die Anforderungen an die vorgeschriebene Mindestgüte bzw. -festigkeit zum Zeitpunkt der Fallprüfung erfüllt, die Betonfestigkeit jedoch zur Vermeidung unnötig verschärfter Prüfrandbedingungen eine zu definierende Obergrenze nicht überschreitet.
Ausgehend von dem 2009 im Rahmen der KONTEC veröffentlichten Wissensstand [6] präsentiert die BAM im vorliegenden Beitrag die wesentlichen Ergebnisse der zwischenzeitlich bei der Planung und Durchführung von zahlreichen Fallprüfungen gewonnenen Erfahrungen bzgl. Spezifikation und Fertigung der für die Fallversuche notwendigen Fundamentplatten sowie deren Anbindung an den Untergrund. Neben den immer wieder notwendigen Anstrengungen zur Gewährleistung einer im Rahmen der Definition korrekten Betondruckfestigkeit am Tag der Fallprüfung wird die Anpassung der Bewehrungsführung an verschiedene Fallpositionen diskutiert.
Zur Ergänzung des gültigen Regelwerks entsteht parallel zu diesem Dokument eine Fachnotiz, in der BGE und BAM die Vorgaben und Spezifikationen zur regelwerkskonformen Herstellung und Montage von Fundamentplatten für Fallprüfungen im Rahmen der Behälterbauartprüfungsverfahren für das Endlager Konrad zusammenfassen und veröffentlichen werden. Diese Fachnotiz soll detaillierte Vorgaben und Spezifikationen zur Planung, Beauftragung, Herstellung und abschließenden Prüfung eines solchen Fundamentes und dessen Anbindung an den Untergrund enthalten. Damit soll allen beteiligten Organisationen wie Antragstellern, Sachverständigen und BGE ein langfristig verlässlicher Leitfaden im Hinblick auf die Durchführung anforderungsgerechter Fallprüfungen unter definierten und reproduzierbaren Randbedingungen im Rahmen der Bauartprüfungsverfahren für das Endlager Konrad an die Hand gegeben werden.