Alternde Stahlbetonbauteile unter Stoßbelastung im Kontext der Zwischenlagerung hoch radioaktiver Abfälle

Reichardt, Manuel GND

Zwischenlager für hoch radioaktive, Wärme entwickelnde Reststoffe müssen voraussichtlich weitaus länger betrieben werden als ursprünglich angenommen. Da es sich hierbei um kerntechnische Anlagen handelt, sind bei deren Auslegung und im Zuge Periodischer Sicherheitsüberprüfungen (PSÜ) extreme Einwirkungen wie z. B. Stoßbelastungen (Impact) durch einen zufälligen Flugzeugabsturz zu berücksichtigen. In dieser Arbeit wird untersucht, wie sich der Widerstand einer Stahlbetonstruktur gegen Impact über einen Zeitraum von bis zu 100 Jahren verändern kann. Ein methodischer Schwerpunkt liegt dabei auf der ingenieurmäßigen Erfassung des Einflusses alterungs- und korrosionsbedingter Veränderungen. Die zahlreichen Parameter der Problemstellung werden anhand einer umfangreichen Literaturrecherche vor dem Hintergrund der besonderen Randbedingungen in einem Zwischenlager analysiert, eingegrenzt und im Hinblick auf die Modellbildung erörtert. Der Fokus liegt auf Einwirkungen durch harten Impact, der u. a. Schadensbilder wie Penetration, Scabbing und Perforation zur Folge haben kann. Auf der Widerstandsseite sind Aspekte der Wellenausbreitung und das mechanische Verhalten von Beton, Betonstahl und deren Verbund unter hohen Verformungsgeschwindigkeiten und Drücken zu berücksichtigen. Das komplexe Materialverhalten wird ausführlich phänomenologisch diskutiert. Auf Basis der dabei identifizierten wesentlichen Mechanismen werden Schlussfolgerungen zu möglichen zeitabhängigen Veränderungen gezogen. Es werden entsprechende Parametersets für die Modellbildung vorgeschlagen. Zur Modellierung von Einwirkungen durch harten Impact werden ausgewählte empirische und analytische Ansätze diskutiert. Die wichtigsten Aspekte der Modellbildung mittels Hydrocode-Simulationen mit dem expliziten Finite-Elemente-Programm LS-DYNA werden beschrieben und im Hinblick auf die Möglichkeiten zur Modellierung alterungs- und korrosionsbedingter Veränderungen analysiert. Abschließend werden die für die o. g. Schadensbilder wichtigsten Widerstandsparameter benannt und deren Einfluss vor dem Hintergrund möglicher alterungs- und korrosionsbedingter Veränderungen bewertet. Auf Basis von Fallstudien werden allgemeingültige Aussagen zur Robustheit von durch harten Impact beanspruchten Stahlbetonbauteilen abgeleitet. Abschließend wird u. a. anhand exemplarischer Berechnungen des Zuverlässigkeitsindex gezeigt, wie sich Veränderungen der Zuverlässigkeit infolge von Alterung und Korrosion quantifizieren lassen.

Interim storage facilities for high-level, heat-generating radioactive waste are expected to be operated much longer than originally assumed. Since these are nuclear facilities extreme loading scenarios, such as an impact caused by an accidental airplane crash, have to be considered in their design process and in the course of periodic safety reviews. In this thesis possible changes concerning the structural resistance of an ageing reinforced concrete structure subjected to impact are studied. A methodological focus lies on engineering methods for evaluating the influence of changes related to ageing and corrosion over a period of 100 years. In view of the particular boundary conditions in an interim storage facility and based on a detailed literature review, the numerous parameters of the problem are analysed, narrowed down and discussed with respect to modelling. Emphasis is placed on the effects caused by hard impact, which can result in damage patterns such as penetration, scabbing and perforation. Aspects of wave propagation and the mechanical behaviour of concrete, reinforcing steel and their bond under high strain rates and pressures have to be taken into account. The complex material behaviour is phenomenologically discussed in detail. On the basis of the identified essential mechanisms, conclusions are drawn on possible time-dependent changes. Corresponding parameter sets for modelling are proposed. A choice of empirical and analytical approaches is discussed regarding modelling of hard impacts. The main aspects of modelling using Hydrocode simulations with the finite element program LS-DYNA are described and analyzed concerning the options of modelling ageing and corrosion-related changes. The most important resistance parameters influencing the above-mentioned damage patterns are stated and assessed with regard to their influence against the background of possible ageing and corrosion-related changes. Based on case studies general conclusions concerning the robustness of reinforced concrete structures subjected to hard impact are drawn. Finally, exemplary calculations of the reliability index are used to show how changes in reliability due to ageing and corrosion can be quantified.

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Reichardt, Manuel: Alternde Stahlbetonbauteile unter Stoßbelastung im Kontext der Zwischenlagerung hoch radioaktiver Abfälle. 2019.

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