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Proper predictions of the behaviour of shock absorber materials are of utmost importance in safety assessments for licensing casks for transport and storage of highly active waste. After having identified significant discrepancies between numerical results and the actual response of polyurethane foam limiters subjected to accidental scenarios, a new research project ENREA was established by BAM. A major objective is to enhance and to develop advanced material models intended to simulate limiters under impact loading. They should account for all major factors influencing the load–deformation relationship like temperature, strain rate and specific stress state. The corresponding test program, applicable plasticity models, the overall parameter identification strategy based on local and global optimization techniques as well as experimental and numerical results are presented here in particular for closed cell foams.
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 deformation and damage behaviour of damping concrete under impact loading conditions is investigated experimentally and numerically. The material model is based on the assumption of crushable foam with volumetric or isotropic hardening combined with ductile and shear damage criteria. Model parameters are determined in static and dynamic compression tests of confined cubic specimens. The derived material model is validated by numerical simulation of penetration tests. The static and dynamic penetration of indenters into uniform as well as assembled bricks made of damping concrete is discussed. Finally, the successful calculation of a large-scale drop test with a heavy cask-like test object onto a realistic damping concrete foundation is demonstrated.
The numerical Simulation of transport and storage casks for radioactive waste in accidental scenarios requires adequate material models and input parameters for all relevant structural cask elements, the Impact foundation as well as possibly further components involved in the incident. They form the basis for reliable analysis of different loading situations allowing substituting, at least in parts, experimental investigations that are needed in safety Reports submitted for nuclear licensing procedures.
Hereby, the efficiency of the energy absorbing components, such as cask Impact limiters or equivalent structures placed onto or into the foundation of storage buildings, determine to a large extend
the performance and thus the design of the casks. The limiters, which are usually made of wood, polyurethane foam (PUF) or damping concrete, are subjected to Major plastic deformations, whose Distribution and magnitude strongly depend on loading speed, course and temperature.
Consequently, it is necessary to establish a systematic data basis and implement this information in advanced numerical material formulations in Order to enable finite element simulations to account for all relevant factors.
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.
Up to the end of this decade, corresponding to the planned date of starting operation in the final disposal KONRAD for non-heat generating waste in Germany, a lot of efforts are needed to condition and package the radioactive waste in containers certified by BfS (Federal Institute for Radiation Protection). This waste is produced by public sector and industry as well as nuclear energy facilities, which result in more than a half of the actually declared quantity growing especially after the phase out decision of nuclear power production in Germany and the subsequent decommissioning of nuclear power plants. BAM (Federal Institute for Materials Research and Testing) acts as responsible authority on behalf of BfS for design testing under consideration of the KONRAD requirements. Within the assessment procedure of containers, BAM has to verify the application documents, including material qualification, container geometry, corrosion protection, leakage rate and operational and accidental loading, and to evaluate quality assurance measures. Besides the previous completed approvals for various containers such as steel sheet and cast iron box-shaped containers and concrete cylindrical ones, BAM is actually carrying assessments for other types such as cast iron cylindrical containers and “old” steel sheet box shaped ones. The so called “old” containers present already loaded containers without any KONRAD certification, currently stored at licensed interim storages. In the benefit of the container assessment, BAM operates design testing facilities for drop and fire tests which are also used for research objectives to improve and expand the evaluation methods such as research project ConDrop. The latter deals with numerical simulations and analyses tools for further precise predictions about unfavorable drop test scenarios, safety margins, and design sensitivities for steel sheet containers. Furthermore, during the assessment procedure, several specifications about the containers, the inventory to be disposed and the required safety level have been intensely debated by authorities and applicants. Based on its experience in qualifying containers, BAM has been commissioned to identify insufficiently specified aspects in the waste acceptance criteria and to propose clearer definitions with regard to the secondary regulations in the planning approval notice. This paper focuses on aspects of the contribution of BAM in certifying KONRAD waste containers. This will include the current state of design testing procedures, evaluation methods that are available or are being developed and the main topics within the KONRAD requirements being actually specified by BAM.
Abfallgebinde, die im Endlager Konrad eingelagert werden sollen, müssen die Anforderungen und Kriterien erfüllen, die in den Endlagerungsbedingungen (SE-IB-29/08-Rev-1 [1]) und in der Produktkontrolle (SE-IB-30/08-Rev-1) festgelegt sind. Die Qualifizierung der Abfallbehälter erfolgt auf dieser Grundlage in Form von Bauartprüfungen, die von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Auftrag des Bundesamtes für Strahlenschutz (BfS) durchgeführt werden. Darüber hinaus sind die im Hinblick auf Behälterbauartprüfungen relevanten Nebenbestimmungen aus dem Planfeststellungsbeschluss für das Endlager Konrad zu berücksichtigen. Zur besseren Anwendbarkeit werden diese Nebenbestimmungen in die Endlagerungsbedingungen und die Produktkontrolle eingearbeitet. Begleitend ist als Hilfestellung für die Abfallablieferer und Behälterhersteller ein Leitfaden geplant, der praktikable Nachweisstrategien aufzeigt und, soweit erforderlich, Hintergrundinformationen zu den Spezifikationen der Regelwerke liefert. Die BAM ist vom BfS beauftragt, hierfür Vorschläge zu entwickeln und Empfehlungen abzugeben.