Marcus Ries
Wölfel Engineering GmbH + Co. KG
Max-Planck-Straße 15, 97204 Höchberg, Deutschland ries@woelfel.de
Ronald Müller-Petersen
Laatzener Straße 1, 30539 Hannover, Deutschland Ronald.Mueller-Petersen@preussenelektra.de
Marco Hildmann, Fritz-Otto Henkel
Wölfel Engineering GmbH + Co. KG
Max-Planck-Straße 15, 97204 Höchberg, Deutschland
ZUSAMMENFASSUNG
Es wird die Auslegung einer Transportbereitstellungshalle (TBH) hinsichtlich Standsicherheit, insbe- sondere der darin befindlichen Behälterstapel, betrachtet. Dabei stehen die Lastfälle Erdbeben und Explosionsdruckwelle im Fokus – beides Einwirkung von Außen (EVA). Die Erdbebenlast ist für den Standort vorgegeben, die Druck-Zeit-Verläufe der anzusetzenden Explosionsdruckwelle werden für das standortspezifische Szenario eines havarierten LNG-Tankers mit Gasleck im Wesentlichen mit der Multi-Energy-Methode ermittelt.
Durch statische Berechnung wird die Standsicherheit des Bauwerks nachgewiesen. Zum Nachweis der Komponenten, speziell der zwischenzulagernden Behälterstapel, werden zunächst Bauwerkant- wortspektren für die beiden Lastfälle ermittelt. Hierfür wird ein FE-Modell der Transportbereitstellungs- halle eingesetzt, welches die Boden-Bauwerk-Interaktion im Frequenzbereich berücksichtigt. Auf Grundlage der Ergebnisse können nachgeschaltet nichtlineare Zeitverlaufsberechnungen mit FE-Mo- dellen der unterschiedlichen Behälterstapel vorgenommen werden, um deren Standsicherheit unter den betrachteten Lasten zu zeigen.
KEYWORDS
Transportbereitstellungshalle, Erdbeben, Explosionsdruckwelle, Behälter, Standsicherheit
EINLEITUNG
Eine Transportbereitstellungshalle (TBH) dient insbesondere der Sammlung und Bereitstellung entlagergerechter Gebinde mit schwach- und mittelradioaktivem Inhalt bis zum Transport in ein Zwischen- oder Endlager. Im Rahmen der Planungen einer TBH sind auch Lastfälle aus Einwirkung von Außen (EVA) zu betrachten. EVA umfassen außergewöhnliche naturbedingte Lastfälle wie z. B. Hoch- wasser oder Erdbeben, aber auch vom Menschen verursachte Lastfälle wie z. B. Explosionsdruckwelle. Gemäß Empfehlung der Entsorgungskommission (ESK) ist der Lastfall Explosionsdruckwelle ein aus- legungsüberschreitendes Ereignis [1], [2].
Für den zu betrachtenden Standort werden nachfolgend Vorgehensweise und Ergebnis der Auslegung, insbesondere unter der Einwirkung des Bemessungserdbebens (BEB) und Explosionsdruckwelle (EDW) dargestellt. Nachzuweisen sind dabei die Baustruktur, die baulichen Komponenten, wie auch die Standsicherheit der später zu lagernden Behälterstapel.
Grundlage für die Nachweisführung ist eine quasistatische Berechnung der Transportbereitstellungs- halle, welche die beiden Lastfälle BEB und EDW berücksichtigt. Im folgenden Schritt werden die Bau- werkantwortspektren aus BEB und EDW ermittelt, um darauf aufbauend Standsicherheitsnachweise der Behälterstapel zu führen.
MODELLBILDUNG
Es werden zunächst die Definitionen der Lasten BEB und EDW beschrieben, danach erfolgt eine Dar- stellung des Finite-Elemente-Berechnungsmodells des Gebäudes.
Lastfall Bemessungserdbeben
Das horizontale Bemessungsspektren aus dem Standortgutachten ist in Abbildung 1, links, dargestellt. Exemplarisch ist in Abbildung 1, rechts, ein spektrenkompatibles Zeitsignal, normiert auf eine Starrkör- perbeschleunigung (ZPA) von 1 m/s² zu sehen.
Lastfall Explosionsdruckwelle
Seit den 1970er Jahren werden Kernkraftwerke und kerntechnische Anlagen in Deutschland gegen Explosionsdruckwellen nach der BMI-Richtlinie [3] und den IfBt-Mitteilungen [4], fortbestehend in der DIN 25449 [5], ausgelegt. Diese Auslegung stellt einen konservativen Schutz von kerntechnischen An- lagen gegen Explosionsdruckwellen (EDW) dar. Die Last ist entweder ausgehend von den Lastannah- men in den oben genannten Regeln oder nach standortspezifischen Risiken zu ermitteln.
Als Ursache für eine Explosion werden für diesen Standort verschiedene Szenarien betrachtet. Als das führende Lasteinwirkungsszenario wird eine Gaswolkenexplosion angesehen, dessen Quelle ein havarierter Q-Max LNG-Tanker ist, der durch ein Leck Flüssigerdgas (LNG) aus einem
seiner Tanks freisetzt. Um den Überdruck-Zeitverlauf, der infolge einer möglichen Gaswolkenexplo- sion des ausgetretenen Gases auf die Struktur einwirkt, zu bestimmen, gibt es verschiedene Ansätze. Der einfachste findet sich in der TNT-Äquivalenzmethode, die aufwändigste ist eine numerische Be- rechnung durch CFD-Simulation. Um zu Ergebnissen zu gelangen, die weniger grob und unsicher- heitsbehaftet als die TNT-Äquivalenzmethode sind, aber auch um den individuellen Aufwand einer de- taillierten lokalen CFD-Simulation zu vermeiden, wurden in der Vergangenheit verschiedene Metho- den entwickelt, solche sind z.B. in [6], [7] oder [8] beschrieben. Eine dieser Methoden ist die soge- nannte Multi-Energie-Methode (MEM), die hier zur Lastermittlung eingesetzt wird. Deren nähere Be- schreibung findet sich z.B. in den oben angeführten Quellen [6] bis [8] oder auch in [9] bzw. für den nachfolgenden konkreten Lastfall in [10].
Für die Lastermittlung wird angenommen, dass ein Teil des Flüssiggases verdampft und bei ungünsti- ger Windrichtung die Gaswolke in Richtung des Standorts getragen wird. In diesem Szenario ist eine weitgehend freie Ausbreitung bis in die Nähe des Gebäudes möglich; in dessen Nähe wird eine ge- ringe Anzahl von Hindernissen angenommen. Die verfügbare Zündenergie wird als gering einge- schätzt. Mit diesen Parametern wird konservativ eine Explosion der Klasse 3 angenommen. Mit diesen und anderen Faktoren ergibt sich nach der MEM ein Spitzenüberdruck von ps = 50,7 mbar. Der Refle- xionskoeffizient für diesen Überdruck wird zu cr = 2,04 bestimmt, der reflektierte Druck beträgt somit 103,4 mbar, konservativ wird für die weiteren Berechnungen ein Wert von pr = 110 mbar gewählt. Zum Vergleich: Die BMI-Richtlinie [3] verwendet konservativ einen Druck von 450 mbar.
Anstelle der in der MEM angegebenen Zeitverläufe werden die Zeitverläufe aus DIN 25449 [5] be- nutzt, die Reflexionen und Umströmungen berücksichtigen. Sie werden auf den Spitzenwert skaliert, der dem reflektierten Druck von 110 mbar entspricht.
Die auf die Wände (horizontal) und das Dach (vertikal) der TBH aufzubringenden Überdruckzeitver- läufe nach [5] sind in Abbildung 2 dargestellt. Im Gegensatz zum ursprünglichen Zeitverlauf aus [5], wird bei der horizontalen Anregung bei 0,2 s ein Abfall von 50 ms Dauer eingeführt, um eine Anregung durch einen Abschalteffekt zu vermeiden.
Finite-Element Modell
Um das dynamische Strukturverhalten der Transportbereitstellungshalle zu simulieren wird ein 3D-Fi- nite-Elemente-Modell erstellt. Die Halle besteht aus der Lagerhalle und einem kleinen, angrenzenden Bürogebäude. Beide Gebäude teilen sich eine gemeinsame Bodenplatte. Unterhalb der Bodenplatte ist die Pfahlgründung modelliert. Für die Halle und die Bodenplatte werden hauptsächlich Schalenele- mente verwendet, für das benachbarte Gebäude werden Balken-, Trägheits- und Steifigkeitselemente eingesetzt. Um den Boden zwischen den Pfählen abzubilden, wird die Pfahlgründung mit Balken- und Interpileelementen in SASSI [11] modelliert. Das FE-Modell der Halle ist in Abbildung 3 dargestellt. Es berücksichtigt die Boden-Bauwerk-Wechselwirkung (BBW) am Standort durch direkte Ankopplung ei- nes horizontal geschichteten Bodenmodells an das Bauwerk. Die Berücksichtigung der BBW ist in der KTA 2201.1 [12] für den Lastfall Erdbeben gefordert. Das bodenmechanische Modell wird aus den dokumentierten Bodenparametern abgeleitet. Es werden zwei Bodenmodelle betrachtet: Schermodule Gmax (max. steifer Boden) und Gmin (max. weicher Boden). Um neben den beiden Bodenmodellen auch die Variationsbreite der Fundamentsteifigkeiten und mögliche Verteilungen von Abfalllagerbehäl- ter in der Halle zu berücksichtigen, werden mehrerer FE-Modelle aufgebaut, die rechnerisch unter- sucht werden.
Nachweis Bauwerk
Die tragende Struktur wurde an anderer Stelle mittels quasistatischer Berechnungen gegen Lasten im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit und Tragfähigkeit nachgewiesen.
Nachweis Bauteile und Komponenten
Der Nachweis von Bauteilen und Komponenten, d.h. von z.B. Kranen, Standsicherheit Behälterstapel, etc. erfolgt auf der Basis von Bauwerkantwortspektren. Deren Ermittlung und die damit verbundene Nachweisführung wird für die beiden Lastfälle anhand der Standsicherheit von Behälterstapel nachfol- gend aufgezeigt.
Ermittlung Bauwerkantwortspektren aus BEB
Zum Nachweis von Bauteilen und Komponenten, werden die im Bauwerk induzierten Erschütterungen infolge BEB ermittelt. Hierfür wird das FE-Modell aus Abbildung 3 verwendet, welches mit der Erdbe- benbelastung aus Abbildung 1 beaufschlagt wird. Die Berechnungen erfolgen im Zeitbereich, es werden spektrenkompatible Zeitverläufe verwendet, die den Bedingungen der KTA 2201.1 [12] entsprechen, vgl. Abbildung 1, rechts. Mit Hilfe des Programms SHAKE91 [13] werden diese Zeitverläufe mittels De- konvolutionsberechnung auf UK Pfahlgründung (-25,0 mNN) umgerechnet. Auf -25 m werden die um- gerechneten Beschleunigungszeitverläufe als Anregung angesetzt, bei den durchzuführenden Zeitver- laufsberechnungen wird nach KTA 2201.3 [14] für das Bauwerk eine Dämpfung von D = 0,04 angesetzt.
Berechnung und Auswertung der Zeitverläufe erfolgt nach [14] über Mittelung der drei Zeitverläufe, Ein- hüllen über die Boden- und Massenvariation und Glättung. Als Ergebnis ergeben sich die durch BEB induzierten Erschütterungen, welche in Form als Bauwerkantwortspektren angegeben werden, exemp- larisch findet sich das Ergebnis in Abbildung 4 für einen ausgewählten Bereich auf der Bodenplatte.
Standsicherheitsnachweis Behälterstapel unter BEB
Mit Kenntnis der Bauwerkantwortspektren können bauliche Komponenten oder auch die Standsicher- heit von Behälterstapel unter Erdbebenbelastung nachgewiesen werden. Mittels statischer Betrach- tungen und – in der Regel – durch nichtlinearer Zeitverlaufsberechnung kann der Nachweis der Stand- sicherheit von Behälterstapel erfolgen. Zu betrachten sind dabei die Gleit- und Kippsicherheit, auch ist sicherzustellen, dass es im Falle des Verrutschens zu keiner Kollision von z.B. benachbarten Stapeln oder der Behälter mit der Gebäudestruktur kommt. Nähere Ausführungen hierzu finden sich in [15]. Durch abdeckende Betrachtung kann eine Reduktion des Berechnungsumfangs erreicht werden. Bei nichtlinearer Berechnung sind die unterschiedlichen Behältertypen zu modellieren. Die benötigten An- regungszeitverläufe können (scharf) aus der Gebäudeberechnung stammen oder konservativ unter Verwendung der Bauwerkantwortspektren der Bodenplatte (Abbildung 4) als spektrenkompatible Be- schleunigungszeitverläufe erzeugt werden. Neben den Behältertypen (vgl. FE-Modell von zwei Typen in Abbildung 5, links) sind Parameter wie Stapelhöhe der Behälter, Massenbelegung mit Imperfektio- nen, Einsatz von Zwischenelementen, Kontaktstellen, Streuung der Bodenparameter, Streuung der Reibungsbeiwerte der unterschiedlichen Materialpaarungen und Zeitverlaufskombinationen zu berück- sichtigen. Neben der BEB-Anregung (vgl. Abbildung 5, rechts) wird der Lastfall Eigenlast bei der Be- rechnung berücksichtigt.
Die Ergebnisse der durchgeführten Berechnungen zeigen, dass die Standsicherheit der verschiedenen Behälterstapel unter dem Lastfall BEB mit deutlichen Reserven gegeben ist und auch keine Kollisionen untereinander auftreten.
Ermittlung Bauwerkantwortspektren infolge EDW & Standsicherheit Behälterstapel
Die Bauwerkantwortspektren für EDW werden ebenfalls durch dynamische Zeitverlaufberechnung er- mittelt. Hierfür wird das schon erstellte Berechnungsmodell der Halle aus Abbildung 3 verwendet. Die Aufbringung der transienten Überdruckbelastung aus Abbildung 2 erfolgt „über Eck“, Abbildung 6 zeigt die Lastaufbringung.
Die dynamische Berechnung liefert die induzierten Erschütterungen des Gebäudes infolge EDW. Aus den Zeitverläufen werden die Bauwertantwortspektren berechnet. Das Ergebnis für einen exemplari- schen Auswerteknoten auf der Bodenplatte, das Design-Spektrum (welches sich für die Bodenplatte ergibt, wenn alle Auswerteknoten auf der Bodenplatte berücksichtigt werden) und der Vergleich zu den BEB-Spektren aus Abbildung 4 ist in Abbildung 7 dargestellt.
Über den Spektrenvergleich kann gezeigt werden, dass die Bauwerk-Antwortspektren aus EDW für die Bodenplatte, auf der die Behälter stehen, durch die BEB-Antwortspektren abgedeckt sind. Somit ist ebenfalls die Standsicherheit der Behälterstapel gezeigt.
FAZIT
Es wurde die Standsicherheitsauslegung einer Transportbereitstellungshalle unter den äußeren Einwir- kungen Erdbeben und Explosionsdruckwelle betrachtet. Die Erdbebenlast ist für den Standort vorgege- ben, die anzusetzende Explosionsdruckwelle wird für das standortspezifische Szenario eines havarier- ten LNG-Tankers mit Gasleck im Wesentlichen mit der Multi-Energy-Methode ermittelt. Die durchge- führten Berechnungen zeigen, dass die Transportbereitstellungshalle, wie auch insbesondere die darin befindlichen Behälterstapel unter den beiden Lastfällen Erdbeben und Explosionsdruckwelle standsi- cher sind.
REFERENZEN
- Entsorgungskommission (ESK), „Leitlinie für die trockene Zwischenlagerung bestrahlter Brenn- elemente und Wärme entwickelnder radioaktiver Abfälle in Behältern“, 109. ESK-Sitzung, 09.2023.
- Entsorgungskommission (ESK), „Leitlinien für die Zwischenlagerung von radioaktiven Abfällen mit vernachlässigbarer Wärmeentwicklung“, 09.12.2021.
- Bundesminister des Innern, „Richtlinie für den Schutz von Kernkraftwerken gegen Druckwellen aus chemischen Reaktionen durch Auslegung der Kernkraftwerke hinsichtlich ihrer Festigkeit und induzierter Schwingungen sowie durch Sicherheitsabstände“, Bundesanzeiger Nr. 179,
- IfBt-Mitteilungen, „Richtlinien für die Bemessung von Stahlbetonbauteilen von Kernkraftwerken für außergewöhnliche äußere Belastungen (Erdbeben, äußere Explosion, Flugzeugabsturz)“,
- DIN 25449, Bauteile aus Stahl- und Spannbeton in kerntechnischen Anlagen – Sicherheitskon- zept, Einwirkungen, Bemessung und Konstruktion. Berlin, Germany, 2022.
- CPR 14 E, Methods for the calculation of physical effects: due to releases of hazardous materi- als (liquids and gases) („Yellow Book“), Editors: J.H. van den Bosch, R.A.P.M. Weterings, 3rd edition, 2005.
- CCPS, “Guidelines for Vapor Cloud Explosion, Pressure Vessel Burst, BLEVE and Flash Fire Hazards”. Wiley, 2nd Edition, 2010.
- Dechema, „Auswirkungsbetrachtungen bei störungsbedingten Stoff- und Energiefreisetzungen in der Prozessindustrie, Methodenübersicht und industrielle Anwendung“, Statuspapier, Auf- lage, 2017.
- Cantay, , Blömeling, F., „Standortspezifische Bewertung von Explosionsdruckwellen unter Be- rücksichtigung der Besonderheiten von Erdgaswolken“, Konferenz Kerntechnik, 2022.
- Ries, R. Müller-Petersen, F.-O. Henkel, „Intermediate Storage Hall under Blast pressure loading from nearby LNG Vapour Cloud Explosion“, Transactions of 27th SMiRT, Yokohama, 3.-
- März 2024.
- SASSI 2015, “A System for Analysis of Soil-Structure-Interaction”, Version 0, University of California, Berkeley, CA. (USA), 2019.
- KTA 1: „Auslegung von Kernkraftwerken gegen seismische Einwirkungen: Teil 1: Grund- sätze“, Kerntechnischer Ausschuss, Salzgitter/ Germany, 2013.
- Davis, Idriss and Sun, SHAKE91: “A Computer Program for Conducting Equivalent Linear Seis- mic Response Analyses of Horizontally Layered Soil Deposits”, Univ. of California (USA), 1992.
- KTA 3: „Auslegung von Kernkraftwerken gegen seismische Einwirkungen: Teil 3: Bauliche Anlagen“, Kerntechnischer Ausschuss, Salzgitter/ Germany, 2013.
- Wieczorek, „Casks (Stacks) under earthquake loads“, Transactions of 26th SMiRT, Ber- lin/Potsdam, 10.-15. Juli 2022.
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