ProVerB

Prognosewerkzeuge für das mechanische Verhalten von Beton über lange Zeiträume zur Sicherheitsanalyse von Verschlusssystemen für Endlagerstätten
[Foto: Max Kovalenko]

Kriechversuch mit Beton-Probekörpern
Kriechversuch mit Beton-Probekörpern

Zur Abdichtung von Zugangsstrecken zu Einlagerungsbereichen von radioaktiven Abfällen in tiefen geologischen Schichten werden Abdichtbauwerke aus Beton erstellt. Zur Beurteilung der Langzeitsicherheit der Endlagerung ist für diese Bauwerke der Nachweis der Rissbeschränkung zu führen, wobei die speziellen Materialeigenschaften von Beton zu berücksichtigen sind. Einen wesentlichen Einfluss auf das Verhalten des Betons hat nach dem derzeitigen Stand der Wissenschaft die Alterung des Werkstoffs, die von Kriech- und Relaxationsprozessen begleitet wird. Bei konventionellen Betonbauwerken, für die eine Lebensdauer von 30 bis 50 Jahren angesetzt wird, werden empirische Kriterien eingesetzt, die, soweit nötig, von regelmäßigen Inspektionen begleitet werden. Für die zeitlichen Größenordnungen, die zur Abschätzung der Langzeitsicherheit von Endlagern betrachtet werden müssen, sind die traditionellen Ansätze jedoch nicht mehr anwendbar. 

Schliffbild einer Salzbeton-Probe
Schliffbild einer Salzbeton-Probe

Daher müssen neue Verfahren entwickelt werden, die eine Beurteilung auf der Basis der vorhandenen mechanischen Spannungen erlauben. Dazu sollen im Projekt ProVerB Materialmodelle entwickelt werden, die auf der Verwendung; von Differentialoperatoren fraktionaler (d.h. nicht-ganzzahliger) Ordnung beruhen. Insbesondere soll untersucht werden, ob der Alterungsprozess des Betons durch eine Variation der Ableitungsordnung abgebildet werden kann. Die entwickelten Modelle werden dann zur Simulation der Deformationsprozesse in Betonbauwerken auf Grundlage der Methode der finiten Elemente verwendet und die Ergebnisse mit experimentellen Ergebnissen aus Kriech- und Relaxationsversuchen mit Beton verglichen.

Das Projekt ProVerB wird in Kooperation mit der Materialprüfungsanstalt Stuttgart (MPA) und der Gesellschaft für numerische Simulation mbH (GNS) im Braunschweig durchgeführt sowie durch die Tochter der Bundesgesellschaft für Endlagerung, BGE TECHNOLOGY GmbH (BGE TEC) unterstützt. Dabei führt die MPA Kriechversuche mit Betonproben durch, damit die Modelle durch den Vergleich mit Messdaten validiert werden können, während die GNS die Entwicklung und Implementierung numerischer Algorithmen zur Umsetzung der Materialmodelle übernimmt. Finanziert wird dieses Projekt durch das Förderprogramm „KMU-innovativ“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (Förderkennzeichen 01IS17096).

Kooperation mit Prof. Nowak

Basierend auf den entwickelten Materialgesetzen soll abschließend der Einfluss der Unsicherheiten untersucht werden, die sich aus der Streuung der Messergebnisse ergeben. Anders als bei Elastomeren oder metallischen Werkstoffen ist die Bestimmung des Kriechverhaltens von Beton von einer deutlich höheren Varianz gekennzeichnet. Diese lässt sich durch verschiedene äußere Einflussfaktoren erklären, wird aber ganz wesentlich durch die Inhomogenität des Materials bestimmt, durch die kein Probekörper dem anderen gleicht. Damit können auch die Materialparameter nur mit einer entsprechenden Unsicherheit identifiziert werden, wodurch wiederum Simulationsrechnungen über lange Zeiträume zu „unscharfen“ Ergebnissen führen. Den sich daraus ergebenden Fragestellungen wird im Rahmen einer Kooperation mit Prof. Nowak (SimTech) nachgegangen. Über die Zusammenarbeit ist ein Artikel in der Zeitschrift "forschung leben" der Universität Stuttgart erschienen.

Publikationen

Hinze, M., Schmidt, A. and Leine, R.I.: "Numerical solution of fractional-order ordinary differential equations using the reformulated infinite state representation", in Fractional Calculus and Applied Analysis, Vol. 22(5), pp. 1321-1350, 2019. PDF, Link

Hinze, M., Schmidt, A. and Leine, R.I.: "Numerical Simulation of Fractionally Damped Mechanical Systems Using Infinite State Representation", Proceedings of the 2019 International Conference on Fractional Calculus Theory and Applications, Bourges, France, 2019. PDF

Kontakt

Dieses Bild zeigt  Remco I. Leine
Prof. Dr. ir. habil.

Remco I. Leine

Direktor

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