Einfluss des Tragverhaltens von Dübelbefestigungen auf die Bauwerk-Komponenten-Wechselwirkungen bei Erdbebenbeanspruchung

Abstract

Befestigungen mit nachträglich montierten Dübeln haben sich im Hochbau in den letzten Jahrzehnten als flexibel einsetzbare Verbindungsmethode zwischen Komponenten und Stahlbetontragwerken bewährt. Auch im kerntechnischen Bereich wurden nachträglich montierte Dübel zur Befestigung z. B. von Rohrleitungen an Stahlbetonstrukturen eingesetzt. Aufgrund der hohen sicherheitstechnischen Bedeutung von Integrität und Funktionsfähigkeit kerntechnischer Komponenten werden an deren lastabtragende Befestigungen ebenfalls hohe Anforderungen gestellt. Dies gilt insbesondere für außergewöhnliche Einwirkungen z. B. im Falle eines Erdbebens. Durch die Erdbebenerregung des Reaktorgebäudes und der daran befestigten Komponenten sind auch die Befestigungen schwingenden Belastungen ausgesetzt. Kommt es infolge der Erdbebeneinwirkung auf das Tragwerk zu Rissbildung im Beton, können Risse im Verankerungsgrund auch zu einer signifikanten Anzahl von Rissöffnungszyklen führen, die das Last-Verschiebungsverhalten der Dübel beeinflussen. Die detaillierte Untersuchung des Tragverhaltens von Dübelbefestigungen bei schwingender Belastung und bei Öffnen und Schließen von Rissen war in den letzten Jahren Gegenstand zahlreicher Forschungsvorhaben auch in Deutschland, nachdem in deutschen Kernkraftwerken fehlerhaft montierte Dübel festgestellt wurden und dadurch Sicherheitsbedenken hinsichtlich der Auswirkungen auf Komponenten entstanden. Die in dieser Dissertation vorgestellten Untersuchungen leisten insbesondere zur numerischen Untersuchung des Tragverhaltens des Gesamtsystems Bauwerk-Befestigung-Rohrleitung bei Erdbebeneinwirkung einen Beitrag. Ziel dieser Arbeit ist es, anhand realitätsnah gewählter numerischer Modelle den Einfluss des lokalen Befestigungstragverhaltens auf das strukturdynamische und –mechanische Verhalten des Gesamtsystems Bauwerk-Befestigung-Rohrleitung bei Erdbebeneinwirkung zu untersuchen. Zu diesem Zweck werden zunächst nach Darlegung der Problemstellung (Kapitel 1), Vorgehensweise und Zielsetzung (Kapitel 2) die notwendigen Grundlagen der relevanten Themengebiete im Stand von Wissenschaft und Technik (Kapitel 3) erarbeitet. Für die Entwicklung eines numerischen Modells des Tragverhaltens einer Befestigung werden zunächst vereinfachte (Rechen-)Modelle und Modellansätze, die in der Literatur zu finden sind, erläutert (Kapitel 4). Anhand dieser analytischen Rechenmodelle wird eine erste Abschätzung der zu erwartenden Dübelverschiebungen infolge Erdbebeneinwirkung durchgeführt. Anschließend wird entsprechend der Regeln des Kerntechnischen Ausschusses (KTA) eine Erdbebensimulation jeweils für ein Reaktorgebäude und für eine Rohrleitungskomponente durchgeführt (Kapitel 5). Um eine numerische Analyse des Gesamtsystems Bauwerk-Befestigung-Rohrleitung bei Erdbebeneinwirkung zu ermöglichen, wird ein numerisches Modell für eine Befestigung mit nachträglich montierten Dübeln auf Basis der zuvor dargestellten vereinfachten Rechenmodelle entwickelt (Kapitel 6). Darüber hinaus werden zulässige Modellvereinfachungen vorgenommen, um den Modellierungs- und Simulationsaufwand bei den Erdbebensimulationen zu reduzieren. Das numerische Modell für die Befestigung wird anschließend bei der numerischen Analyse des Gesamtsystems Bauwerk-Befestigung-Rohrleitung bei Erdbebeneinwirkung verwendet (Kapitel 7). Abschließend werden die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit diskutiert (Kapitel 8) und zusammengefasst (Kapitel 9) und ein Ausblick auf weitere Untersuchungen gegeben, die an diese Arbeit anknüpfen können (Kapitel 10).