Marco Hildmann
Wölfel Engineering GmbH & Co. KG Max-Plank-Straße 15, D-97204 Höchberg
Anna Bauer, Fritz-Otto Henkel
Wölfel Engineering GmbH & Co. KG Max-Plank-Straße 15, D-97204 Höchberg
ZUSAMMENFASSUNG
Ein geologisches Tiefenlager für mittel- und schwachradioaktive Abfälle wurde Anfang der 90er Jahre in einem ehemaligen deutschen Bergwerk konzipiert. Es umfasst Stahlbetonkonstruktionen mit Stahlförderturm für die oberirdischen Gebäudeteile. Die Planung der genannten Konstruktion wurde nach Stand der Technik der 90er Jahre ausgeführt. Neue Normungen und neue Kentnisse nach aktuellem Stand der Wissenschaft und Technik erforderten eine Neuauslegung. Neben den modernen technischen Standards haben sich die Anforderungen an die Erdbebensicherheit erhöht. Die seismische Anforderung an die übertägigen Gebäude wird durch ein höheres elastisches Freifeldspektrum bestimmt, was eine bis zu drei- bis vierfache höhere Belastung im globalen Resonanzbereich zur Folge hat (vgl. Abb. 1). Die methodische Vorgehensweise berücksichtigt aktuelle Normen ([1] bis [9]) im kerntechnischen Bereich. Die Bemessungsnachweise der Gebäudestrukturen und der mechanischen sowie elektrischen Anlagenkomponenten orientieren sich an spezifischen technischen Anforderungen (KTA 2201.3 [8] und KTA 2201.4 [9]).
KEYWORDS
Geologisches Endlager, Erdbebensicherheit, Neuauslegung
EINLEITUNG
Die ursprünglichen Erdbebenberechnungen der oberirdischen Gebäudeteile wurden zwischen 1988 und 1997 durchgeführt. In diesen Berechnungen wurde die Bettung des Baugrundes rein statisch berücksichtigt. Für die Bemessung der Gebäude gegen Erdbeben wurde ein inelastisches Bemessungsspektrum als Freifeldantwortspektrum (DIN-Spektrum) verwendet. Für die Auslegung der maschinenbaulichen und elektrotechnischen Anlagenteile gegen Erdbeben wurde – gemäß seismologischem Gutachten – ein elastisches Freifeld-Antwortspektrum (KTA-Spektrum) verwendet. Für die Auslegung von sicherheitsrelevanten oberirdischen Gebäuden hat das Bundesministerium für Strahlenschutz 2016 entschieden, dass die bestehenden Erdbebenauslegungen nach dem aktuellen Stand der Technik zu überprüfen sind, ferner muss das KTA-Spektrum auch für die sicherheitsrelevanten Gebäude angewendet werden.
Neue Bemessung
STRUKTUR GEMÄß PLANFESTSTELLUNGSBESCHLUSS
Die betrachteten oberirdischen Gebäude (vgl. Abb. 2) umfassen mehrere gekoppelte Gebäudeteile. Der Schachtkeller enthält den zentralen Schacht, der durch eine Fuge von der Bodenplatte getrennt ist. Die Gründung des Schachtkellers wird mit einer Bodenplatte auf einer Polsterschicht und Baugrundverbesserung durch Hochdruckinjektionssäulen (HDI) hergestellt. Die Schachtkellerdecke ist ebenfalls durch eine Fuge von den Außenwänden entkoppelt. Die Lagerung der Decke erfolgt durch Elastomerlager und horizontale Deckenhalterung (vgl. Abb. 3). Die Schachthalle oberhalb des Schachtkellers ist im unteren Bereich durch Stahlbetonwände geschlossen. Die Fassadenverkleidung geht danach am Förderturm in Blech über. Der Förderturm ist in die Schachthalle integriert. Der Förderturm wird auf speziellen Aufdickungen der Kellerwand und Elastomerlagern gegründet bzw. gelagert. Der Förderturm ist an den vier Lagerpunkten mit dem Schachtkeller gekoppelt. Der Schachthallenanbau, ein kastenförmiges, teilweise offenes Bauwerk, stützt sich auf Streifenfundamente und integriert sich in die Struktur der Schachthalle. Der Hauptleitstand (ZEA – BT A3), ein rechteckiges, vollständig geschlossenes Gebäude, ist mit dem Schachtkeller verbunden und besitzt Stahlbetontragwände. Alle angeführten Stahlbeton-Strukturen sind durch vertikale Fugen voneinander getrennt.
FE- UND BODENMODELL
Ein dreidimensionales Analysemodell (vgl. Abb. 4) des Förderturms, der Schachthalle, des Schachtkellers und weiterer angeschlossener Gebäude wird in der Software SASSI aufgebaut, welche die vollständige Berücksichtigung der Boden-Bauwerk-Wechselwirkung ermöglicht. Das Bodenmodell beinhaltet die Bodeneigenschaften aus Crosshole-Messungen sowie die Eigenschaften der Polsterschicht und der Bodenverbesserung mittles Hochdruckinjektionssäulen (HDI). Unter Berücksichtigung der Boden-Bauwerk-Wechselwirkung (zum Vorgehen, siehe [10]) werden die Boden- Impedanzen für Gmin und Gmax ermittelt, wobei Gmin und Gmax mit dem Faktor 1,5 aus dem mittleren Wert der Baugrundsteifigkeit (Gmittel) bestimmt werden. Dieses Vorgehen erfolgt für alle Bauwerke,
wobei die Steifigkeitswerte für einen weichen (Gmin) und einen steifen (Gmax) Boden berücksichtigt werden.
Aus den Impedanzfunktionen werden die (Boden-)Steifigkeiten bestimmt, welche zur Abbildung des Bodens in den statischen Berechnungsmodellen der Software SOFiSTIK benutzt werden.
BERECHNUNG
Die Beurteilung der Erdbebensicherheit der Gebäudeteile erfordert eine Analyse der statischen und dynamischen Belastungen und der daraus resultierenden Schnittgrößen mit Bewehrungsgehalten, um sicherzustellen, dass die genannten Strukturen im Lastfall Erdbeben hinreichend tragsicher sind. Diese Analyse enthält die Bewertung des Eigengewichts der Konstruktion und die Berücksichtigung dynamischer Lasten, insbesondere der Erdbebenlasten.
STATISCHE BERECHNUNG
Als „Eigengewicht“ werden die Massen der Tragkonstruktion (Stahlbeton und Stahl), die Massen der verschiedenen Medienleitungen, die Massen des permanenten Innenausbaus und die Massen im Regelbetrieb berücksichtigt.
DYNAMISCHE BERECHNUNG, LASTFALL ERDBEBEN
Die Systemantworten aus Erdbeben werden mit der Antwortspektrenmethode (engl.: Response Spectrum Modal Analysis, RSMA) ermittelt. Die Überlagerung der modalen Komponenten erfolgt nach der CQC-Methode. Die berücksichtigten Eigenmoden stellen sicher, dass mehr als 99 % der modalen Massen pro Richtung erfasst werden. Die Überlagerung der modalen Komponenten erfolgt nach der CQC-Methode. Die für die Berechnung verwendeten Erdbebenspektren sind in Abb. 1 („KTA“) dargestellt. Es wird eine Dämpfung von 5 % berücksichtigt, wobei konservativ angenommen wird, dass keine zusätzliche Dämpfung durch Boden-Bauwerk-Wechselwirkung auftritt.
Um mindestens 90 % (vgl. [8]) der mitschwingenden Gesamtmasse je Richtung mitzunehmen, wurden die ersten 900 Eigenmoden des Gebäudemodells berechnet und in der weiteren Berechnung berücksichtigt. Der Förderturm dominiert in viele Schwingungsmoden. Die für die Beanspruchung der betrachteten Bauteile maßgeblichen Eigenfrequenzen und Eigenformen liegen im Bereich der
maximalen Anregung zwischen 2,5 und 9 Hz, wobei Gmin im Vergleich zu Gmax weitgehend entscheidend ist.
ÜBERLAGERUNG VON LASTFÄLLEN
Die Spannungen aus den drei Anregungsrichtungen werden als Quadratwurzel der Quadratsumme (SRSS) überlagert, wobei für den Nachweis der Gebäudestruktur (Wandpfeiler und Stützen, Wände, Bodenplatten) alle Lasten einschließlich des Eigengewichts der Gebäudestruktur berücksichtigt werden. Die Überlagerung mit Erdbeben wird nach der 100/30/30-Regel durchgeführt (vgl. [6]). Die Überlagerung wird jeweils in der ungünstigsten Kombination der verschiedenen Lastfälle durchgeführt, wobei die Lasten aus Eigengewicht als ständig, aus Erdbeben als wechselnd betrachtet werden. Für die Bemessung der erforderlichen Bewehrung werden die verschiedenen Lastkombinationen umhüllt.
FAZIT
Die Sicherheitsbewertung der Gebäuden im Hinblick auf Erdbeben wird nach KTA durchgeführt. Die statische Berechnung gewährleistet die Tragfähigkeit unter normalen Lastbedingungen, während die durchgeführte dynamische Berechnung mittel RSMA die Reaktionen der Struktur auf seismische Ereignisse betrachtet, die einzelnen Ergebnisse werden überlagert. Mit dem Vorgehen konnte die Stahlbetonstruktur im Lastfall Erdbeben bemessen werden und es wurde gezeigt, dass die Erdbebensicherheit der oberirdischen Gebäudeteile des Endlagers gegeben ist.
REFERENZEN
- DIN EN 1990, Eurocode 0: Grundlagen der Tragwerksplanung; Deutsche Fassung EN 1990:2002
+ A1:2005 + A1:2005/AC:2010; Ausgabedatum: 2010-12.
- DIN EN 1992-1-1, Eurocode 2: Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbeton- tragwerken – Teil 1-1: Allgemeine Regeln für die Bemessung und Regeln für den Hochbau; Deut- sche Fassung EN 1992-1-1:2004 + AC: 2010 in Verbindung mit NAD, Ausgabedatum: 2011-01.
- DIN EN 1998-1, Eurocode 8: Auslegung von Bauwerken gegen Erdbeben – Teil 1: Allgemeine Regeln, seismische Einwirkungen und Regeln für Gebäude; Deutsche Fassung EN 1998-1:2004
+ AC:2009, Ausgabedatum: 2010-12.
- DIN EN 1998-5, Eurocode 8: Auslegung von Bauwerken gegen Erdbeben – Teil 5: Gründungen, Stützbauwerke und geotechnische Aspekte; Deutsche Fassung EN 1998-5:2004, Ausgabeda- tum: 2010-12.
- DIN EN 1998-5/NA, Nationaler Anhang – National festgelegte Kennwerte – Eurocode 8: Ausle- gung von Bauwerken gegen Erdbeben – Teil 5: Gründungen, Stützbauwerke und geotechnische Aspekte; Deutsche Fassung EN 1998-5:2004, Ausgabedatum: 2021-07.
- KTA 1, Auslegung von Kernkraftwerken gegen seismische Einwirkungen; Teil 1: Grundsätz- liches; Kerntechnischer Ausschuss (KTA), Deutschland, Ausgabedatum: 2011-11.
- KTA 2, Auslegung von Kernkraftwerken gegen seismische Einwirkungen; Teil 2: Baugrund; Kerntechnischer Ausschuss (KTA), Deutschland, Ausgabedatum: 2012-11.
- KTA 3, Auslegung von Kernkraftwerken gegen seismische Einwirkungen; Teil 3: Ingenieur- bauwerke; Kerntechnischer Ausschuss (KTA), Deutschland, Ausgabedatum: 2013-11.
- KTA 4, Auslegung von Kernkraftwerken gegen seismische Einwirkungen; Teil 4: Anlagen- teile; Kerntechnischer Ausschuss (KTA), Deutschland, Ausgabedatum: 2012-11.
- Hildmann, M., Karapetrou, S., Henkel, -O., “Seismic Soil-Structure-Interaction analysis of a ra- dioactive waste repository considering on site measurements and subsoil improvement“, 27th SMiRT, Yokohama, 2024.
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