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Eingeladener Vortrag
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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.
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.
Beginning in 1976 the former iron ore mine Konrad was geologically investigated concerning its suitability as a location for a German final repository for low and intermediate level waste. After a comprehensive licensing procedure it was approved and is now being prepared and equipped for the planned start of storage in 2027. At the end of the 1980s, the requirements for waste containers for storage in this repository were defined for the first time on the basis of an incident analysis of the on-site handling procedures, beginning with the unloading of the packages after the arrival at the site up to the final positioning in the underground storage galleries. A 5-meter drop onto the rock ground of the mine was identified as the covering case for high mechanical requirements (ABK II container class). In contrast to the 9-meter drop according to the IAEA Regulations for the Safe Transport of Radioactive Material, the 5-meter drop is performed onto a hard but not essentially unyielding target. The container is typically not protected by an impact limiter. The requirements for a potential test facility are described in the regulations for the Konrad repository. The mechanical strength of the target is defined as a concrete strength equivalent to the identified properties of the rock ground of the mine.
Since 1991 BAM has consistently used precast reinforced concrete slabs as target for drop tests in the framework of licensing procedures as well as in research projects. While the original design fulfilled the requirement for the integrity of the concrete slab in most cases, it failed when drop tests onto an edge of a container were performed. A redesigned concrete slab developed in a research project and suggested as a reference target in 2009 has been successfully used in Konrad licensing procedures since then.
The paper gives a brief overview of the historical development and it describes BAM’s efforts and approaches to continuously guarantee a concrete slab of defined quality and to provide a test setup for valid drop tests from the applicants and the authorities view.
Transport casks for radioactive materials have to withstand the 9 m drop test, 1 m puncture drop test and dynamic crush test with regard to the mechanical requirements according to the IAEA regulations. The safety assessment of the package can be carried out on the basis of experimental investigations with prototypes or models of appropriate scale, calculations, by reference to previous satisfactory safety demonstrations of a sufficiently similar nature or a combination of these methods. Computational methods are increasingly used for the assessment of mechanical test scenarios. However, it must be guaranteed that the calculation methods provide reliable results. Important quality assurance measures at BAM are given concerning the preparation, run and evaluation of a numerical analysis with reference to the appropriate guidelines.
Hence, a successful application of the finite element method requires a suitable mesh. An analysis of the 1 m puncture drop test using successively refined finite element meshes was performed to find an acceptable mesh size and to study the mesh convergence using explicit dynamic finite element codes. The finite element model of the cask structure and the puncture bar is described. At the beginning a coarse mesh was created. Then this mesh was refined in two steps. In each step the size of the elements was bisected. The deformation of the mesh and the stresses were evaluated dependent on the mesh size. Finally, the results were extrapolated to an infinite fine mesh or the continuous body, respectively. The uncertainty of the numerical solution due to the discretization of the continuous problem is given. A safety factor is discussed to account for the uncertainty. The calculation results are compared with experimental data from a puncture drop test with a half-scale model of a cylindrical cask.
This paper supports the convergence studies of the Task Group on Computational Modeling for Explicit Dynamics reporting to the ASME BPV Code Working Group on Design Methodology.
Transport casks for radioactive materials have to withstand the 9 m drop test, 1 m puncture drop test and dynamic crush test with regard to the mechanical requirements according to the IAEA regulations. The safety assessment of the package can be carried out on the basis of experimental investigations with prototypes or models of appropriate scale, calculations, by reference to previous satisfactory safety demonstrations of a sufficiently similar nature or a combination of these methods. Computational methods are increasingly used for the assessment of mechanical test scenarios. However, it must be guaranteed that the calculation methods provide reliable results. Important quality assurance measures at the Federal Institute for Materials Research and Testing are given concerning the preparation, run and evaluation of a numerical analysis with reference to the appropriate guidelines. Hence, a successful application of the finite element (FE) method requires a suitable mesh. An analysis of the 1 m puncture drop test using successively refined FE meshes was performed to find an acceptable mesh size and to study the mesh convergence using explicit dynamic FE codes. The FE model of the cask structure and the puncture bar is described. At the beginning a coarse mesh was created. Then this mesh was refined in two steps. In each step the size of the elements was bisected. The deformation of the mesh and the stresses were evaluated dependent on the mesh size. Finally, the results were extrapolated to an infinite fine mesh or the continuous body, respectively. The uncertainty of the numerical solution due to the discretisation of the continuous problem is given. A safety factor is discussed to account for the uncertainty.
Within the last years BAM has carried out numerous drop tests with prototype casks made of ductile cast iron onto targets according to the requirements for final disposal of non-heat generating waste in the German KONRAD repository. The results have shown that the target specifications in the acceptance criteria have to be defined more accurately to get reproducible test results with high precision. Hence, a suitable test stand foundation was developed with much effort. The integrity of the upper concrete layer of this target must be preserved during a test.
Recently the geometrical properties of a tested cubic cast iron container led to a concentration of the impact forces beneath the container walls. The target was damaged strongly with the consequence of inadmissible reduction of cask stresses. For that reason the target construction was modified. However, the basic design was not changed. A prefabricated concrete slab was still joined by a mortar layer to the IAEA target of the BAM drop test facility. In the course of the optimization of the test stand foundation the concrete slab dimensions and the reinforcement were enlarged. During the drop test repetition the target kept intact. Additionally, the mechanical behavior of the cast iron container and the target was analyzed by finite element calculations.
This improved target construction is suggested as a reference target for drop tests with casks whose mass and base area are covered by the container types VI or VII respectively according to the KONRAD repository acceptance criteria.
The measurements during the drop tests with cast iron casks have provided the strains on the cask surface at selected positions. This allows the verification of finite element simulations of drop tests which show the stress distribution also inside the component. In September 2008 a drop test was carried out with a cylindrical cast iron cask containing an artificial material defect which was designed under consideration of critical stress states in the cask body. This drop test could demonstrate the safety against failure by fracture of a cask made of a special cast iron with reduced fracture toughness.
Existing spent nuclear fuel (SF) and high active waste (HAW) management policies and practices worldwide are the result of past presumptions that sufficient reprocessing and/or disposal capacity would be available in the near term. Consequently, in the past many countries have developed specific solutions for different periods of time due to their individual national nuclear policies.
In Germany the concept of dry interim storage in dual purpose metal casks before disposal is being pursued for SF and HAW management and transport and storage licenses have been issued accordingly. The current operation licenses for existing storage facilities have been granted for a storage period of up to 40 years. This concept has demonstrated its suitability for over 20 years so far. Relevant safety requirements have been assessed for the short-term as well as for the long-term for site-specific operational and accidental storage conditions. But in the meantime significant delays in the national repository siting procedure occurred which will make extended storage periods necessary in the future.