Untersuchung zur nichtlinearen Berechnung von Stahlbetonbauteilen unter dynamischer Einwirkung am Beispiel einer kerntechnischen Anlage (D830)
Allgemeine Angaben:
- Diplomarbeit Nr. D830
- Bearbeiter: Andreas Kupzok
- Verantwortl. Hochschullehrer: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Manfred Curbach
- Betreuer: Ulrich Häußler-Combe
- Bearbeitungszeitraum: -
Zielstellung
Würde ein Flugzeugaufprall ein Kernkraftwerk treffen, so wären nicht nur die Menschen im Gebäude gefährdet, sondern durch die freigesetzte Strahlung auch Menschenleben und Umwelt in der Umgebung bedroht. Dieses Szenario hat dazu geführt, dass seit den 60er Jahren Bauten mit nuklearer Nutzung gegen den Anprall von Flugkörpern zu bemessen sind. Zusätzlich zu den Erschütterungen eines Flugzeuganpralls stellen Erdbeben oder Explosionsdruckwellen weitere maßgebliche Gefahren dar. Die potenzielle Gefahr, dass Tragwerkselemente einstürzen und Maschinen oder Menschen gefährdet werden, führt dazu, dass Bauherren von Kernkraftwerken nichtlineare Berechnungen mit Hilfe eines Finiten-Element-Programmes zu erbringen haben.
In den letzten drei Jahrzehnten wurden Programme entwickelt, die Berechnungen auf der nichtlinearen Dynamik zulassen. Diese Programmsysteme sind in Hinblick auf Verformungs- und Schnittgrößenberechnungen qualitätsgesichert. Die Auswertung von Beschleunigungszeitverläufen zeigt hingegen, dass unerwünschte Effekte, wie etwa hochfrequente Oszillationen auftreten.
Die vorliegende Diplomarbeit soll die Ursachen dieser unerwünschten Effekte und deren Auswirkungen an einem einfachen Beispiel erforschen. Dazu werden Berechnungen mit zwei verschiedenen FE-Programmen unter Variation der Elementart und der Bauteilvernetzung erfolgen.
Vorgehensweise
Begonnen wird mit der Erläuterung der Problemstellung. Daraufhin folgt eine Einführung in die Theorie der Strukturmechanik. Alle Themen, die für die, in dieser Arbeit aufgeführten, dynamischen Berechnungen relevant sind, werden behandelt. Im Mittelpunkt für die Lösung der Bewegungsgleichung eines Körpers stehen zwei Berechnungsmethoden zur Verfügung, die anhand eines einfachen Beispiels erklärt werden.
Nach der Erläuterung der strukturdynamischen Grundlagen erfolgt eine kurze Beschreibung der Methode der finiten Elemente und eine Vorstellung der verwendeten Programmsysteme. Im Anschluss wird eine Stahlbetonplatte unter einer Stoßbelastung analysiert. Nach der Vorstellung der System- und Strukturdaten folgt die graphische Darstellung der Ergebniszeitverläufe mit anschließender Auswertung. In dem vorletzten Kapitel wird die Antwort eines Bauwerkes mit der Belastung Flugzeuganprall berechnet. Die Ergebniszeitverläufe werden nach der Vorstellung der Systemdaten ausgewertet und aufgezeigt. Die Arbeit endet mit einer Zusammenfassung der Resultate.
Ergebnisse
Letztendlich wird anhand der vorliegenden Arbeit für die Modellierung von Bauwerken postuliert, dass bei nichtlinearen Berechnungen von Bauteilbeschleunigungen der Einfluss der Lösungsalgorithmen vernachlässigbar gering ist. Hinsichtlich der Frage, welche Elemente und welche Vernetzung besser geeignet sind nichtlineare Beschleunigungszeitverläufe wiederzugeben, kann keine eindeutige Aussage getroffen werden. Wenn möglich sollten Schalenelemente, aber nur aufgrund der geringeren Rechenzeit, der einfacheren Generierung und der benutzerfreundlicheren Materialgesetze, verwendet werden.
Es bleibt zu prüfen, ob man nicht mit Volumenelementen aufgrund der Möglichkeit der dreidimensionalen Diskretisierung bei anderen Ergebnissen wie beispielsweise Spannungen genauere Werte erhält als mit Schalenelementen. Abschließend kann gesagt werden, dass aufgrund der Streuung der Beschleunigungszeitverläufe und der Spektralwerte der Beschleunigungsantwortspektren für die Programme, hinsichtlich der Berechnung der Beschleunigungen, Forschungsbedarf besteht. Die resultierenden Beschleunigungszeitverläufe müssen teilweise erst gefiltert werden um plausible Ergebnisse zu erhalten.
Folglich wäre die Ermittlung einer Filtervorschrift, verifiziert mittels mehreren Versuchen, die zu realen Beschleunigungsergebnissen führt, wünschenswert.