Das nachfolgend dokumentierte 3D-Berechnungsmodell ISAB (In situ Abdichtungsbauwerk im Steinsalz) ist bezüglich seiner geometrischen Abmessungen, der verwendeten Stoffmo-delle und Materialparameter und hinsichtlich der rechnerisch simulierten Lastfälle weitge-hend identisch zu dem von DBE in /L12/ dokumentierten Berechnungsmodell. Unterschiede zwischen den in /L12/ dokumentierten Modellannahmen und dem nachfolgend dokumentier-ten Berechnungsmodell ISAB resultieren lediglich aus einer nicht identischen Diskretisierung des Berechnungsmodells und einer dadurch bedingten geringfügigen Differenz in den Raumkoordinaten der Auswertelokationen ausgewählter Modellknoten von maximal wenigen Zentimetern. In der Konsequenz ist zu erwarten, dass die mit dem Berechnungsmodell ISAB rechnerisch ermittelten Zustandsgrößen in Raum und Zeit annähernd identisch sind bzw.
sein müssen mit den Berechnungsergebnissen, die durch das in /L12/ beschriebene Berech-nungsmodell ermittelt wurden bzw. werden. Die Erwartung annähernd identischer Zustands-größen ist im Sinne der Teilprüfungsaufgabe „Verifikation der Berechnungsergebnisse“ zu belegen. Ein Ziel der nachstehenden Ausführungen ist es vor diesem Hintergrund aufzuzei-gen, dass bei Verwendung weitgehend gleichartiger Berechnungsmodelle und Modellrand-bedingungen durch zwei voneinander unabhängige Institutionen zahlenmäßig übereinstim-mende Zustandsgrößen berechnet werden. Da sich die Ausführungen in /L12/ auf eine Do-kumentation des Berechnungsmodells beschränken, d.h. noch keine Berechnungsergebnis-se beinhalten, kann die vorstehend skizzierte Zielstellung abschließend nur insoweit bearbei-tet werden, dass durch die nachfolgende Dokumentation belegt wird, dass das mit ISAB be-zeichnete Berechnungsmodell weitgehend identisch ist mit den in /L12/ getroffenen Annah-men. Um darüber hinaus den weiterhin erforderlichen Abgleich der zahlenmäßigen Überein-stimmung der in Raum und Zeit berechneten Zustandsgrößen vorzubereiten, werden im Rahmen der nachfolgenden Dokumentation ausgewählte Berechnungsergebnisse zusam-mengestellt. Ziel dieser Darstellungen war es, den im Rahmen des Informationsaustausches zwischen DBE und TUC am 15.11.2011 beabsichtigten zahlenmäßigen Abgleich der Be-rechnungsergebnisse vorzubereiten.
Ein zweites, im Rahmen der nachfolgenden Dokumentation noch nicht abschließend zu be-arbeitendes Ziel der Berechnungen ist es aufzuzeigen, ob und inwieweit die rechnerisch er-mittelten Zustandsgrößen in Raum und Zeit mit den durch Feldmessungen am in situ Bau-werk aufgezeichneten Messwerten übereinstimmen. Erforderlich ist die Gegenüberstellung von berechneten und gemessenen Zustandsgrößen sowohl für die Teilprüfaufgabe
„Validati-on des Berechnungsmodells“ als auch für ein ggf. erforderliches „Feintuning“ der verwende-ten Materialparameter. Die zum Zeitpunkt der Berichtsfassung verfügbaren Messergebnisse beschränken sich auf die wenigen, dem Protokoll zum Fachgespräch „Schachtverschluss“
vom 30.08.2011 beigefügten Abbildungen. Eine abschließende Aussage zur Validation der Berechnungen ist daher noch nicht möglich. Dessen ungeachtet können auf der Grundlage der verfügbaren Messergebnisse jedoch erste einschätzende Aussagen zur Belastbarkeit der Berechnungsergebnisse getroffen werden.
Entsprechend der in Bild 2.5.1 gezeigten Schemaskizze ist die geometrische Konfiguration des Berechnungsmodells ISAB identisch zu der in /L12/ dokumentierten Modellkonfiguration.
In Analogie zu /L12/ erfasst das Berechnungsmodell einen Teufenbereich zwischen z = -304,90 m NN und z = -252,90 m NN. Unter Ausnutzung der Symmetriebedingungen sind die äußeren Modellabmessungen charakterisiert durch: Breite B (quer zu der Streckenachse – x-Koordinatenrichtung) * Länge L (entlang der Streckenachse – y-x-Koordinatenrichtung) * Höhe H (z-Koordinatenrichtung) = 15 m * 60 m * 52 m. Das Berechnungsmodell berücksichtigt ein Abdichtungssegment von 25m Länge mit einer unmittelbar anschließenden Druckkammer von ca. 12,5 cm Länge (→ in Bild 2.5.1 nicht eingezeichnet). Der ursprünglich annährend rechteckige Streckenquerschnitt vor dem Nachschnitt wird im Modell mit einer Breite von 4.0m und einer Höhe von 3.3m abgebildet. Die modellierte Querschnittsfläche des Abdich-tungsbauwerks nach dem Nachschnitt der Streckenkontur ist in Analogie zu /L12/ charakteri-siert durch eine über die Bauwerkslänge konstante Streckenbreite von b = 4,0m und eine zwischen der druckkammerseitigen Stirnfläche und der luftseitigen Stirnfläche mit 2,7gon an-steigenden Höhe von minimal h = 4,0m (Querschnitt y = 0 m - Anhang 1-1) und maximal h = 5,1m (Querschnitt y = 27 m - Anhang 1-3). Zur Vermeidung von artifiziellen Spannungsspit-zen ist das Streckenprofil an den Ecken ausgerundet. Detaildarstellungen der Streckenquerschnittsgeometrie des Nachschnittprofils zeigen die Anhänge 1-1 bis 1-10.
Bild 2.5.1: Schemaskizze Berechnungsmodell ISAB nach Nachschnitt der Streckenkontur
Die Diskretisierung des Berechnungsmodells erfolgte auf der Basis von in FLAC3D vordefi-nierten Grundkörpern sowie selbst entwickelten Modulen zur Netzgenierung auf Basis der FLAC3D internen Programmiersprache Fisch. Verwendet wurden 8 – Knoten-Zonen und im Fernfeld des Bauwerks eine geringe Anzahl von 6 – Knoten-Zonen. Im Vergleich zu dem in /L12/ dokumentierten Berechnungsmodell mit 362000 Zonen erfolgte die Diskretisierung des in Bild 2.5.2 gezeigten Berechnungsmodells ISAB durch eine deutlich reduzierte Anzahl von 83996 Zonen und 88788 Knoten.
In Analogie zur Vorgehensweise in /L12/ sind im Rahmen der geometrischen Modellierung des Berechnungsmodells ISAB mehrere Profile erfasst. Die Abstände der Profile, gemessen von der Druckkammer (y-Koordinate 0,0m) in Richtung zur luftseitigen Stirnfläche des Ab-dichtungsbauwerkes (positive globale y-Koordinatenrichtung) betragen 0m, 8m, 17m, 25m und 27m (Anhang 1-1 bis Anhang 1-10).
FLAC3D 3.10
TU-Clausthal
Deponietechnik und Geomechanik Step 71087 Model Perspective 18:54:25 Fri Aug 26 2011 Center:
X: 7.500e+000 Y: 1.000e+001 Z: -2.788e+002
Rotation:
X: 20.000 Y: 0.000 Z: 60.000 Dist: 1.788e+002 Mag.: 1
Ang.: 22.500
View Title: Modell__ISAB_ERAM, tv=325d
Block Group
gebirge_kontur_2 gebirge_kontur_1
trennblech_nachschnitt_kontur trennblech_nachschnitt trennblech
schalung_nachschnitt schalung
druckkammer_nachschnitt druckkammer
gebirge abdichtung nachschnitt
Bild 2.5.2: Diskretisierung 3D-Berechnungsmodell ISAB - 83996 Zonen / 88788 Knoten
Der Koordinatenursprung des Modells liegt in Längsrichtung an der Kontaktfläche der Druck-kammer zum Abdichtungsbauwerk. In Querrichtung befindet sich der Ursprung auf der Symmetrieebene. Ausgehend von diesem Koordinatensystem beträgt der Abstand zur Druckkammer in y - Koordinatenrichtung für die Messquerschnitte MQ:
MQ1 = 1,25 m, MQ2 = 2,75 m, MQ3 = 12,50m und MQ4 = 23 m.
Der Abstand der beiden im in situ Bauwerk installierten Trennbleche TB1 und TB2 vom Ko-ordinatenursprung beträgt für das erste Trennblech 8,0 m und für zweite Trennblech 17,0 m (Anhang 1-9 und Anhang 1-10).
In Analogie zur Vorgehensweise in /L12/ werden als Komponenten im Berechnungsmodell ISAB abgebildet:
- Druckkammer (modelliert durch 1 Zone mit insgesamt 12,5 cm Mächtigkeit, ohne Geo-textil)
- Trennbleche (modelliert durch jeweils 1 Zone mit insgesamt 20 cm Mächtigkeit, ohne
"Löcher" mit einem Abstand zum Gebirge von ca. 8 - 25 cm bzw. 1 Zone, Anhang 1-9 und Anhang 1-10)
- Luftseitige Schalung (modelliert durch 2 Zonen mit insgesamt 100cm Mächtigkeit) 60 m
15 m 52m
senkrecht zu den vertikalen Modellberandungen unverschieblich und parallel zu den vertika-len Modellberandungen verschieblich. Die Lagerung der unteren Modellberandung erfolgt in vertikaler Richtung unverschieblich und in horizontaler Richtung verschieblich. Auf die obere, frei verschiebliche Modellberandung wird eine Last von
Deckgebirge Deckgebirge Salz Salz
g
h h
p
(2.5.1) mitg
Erdbeschleunigung =9,81 m s
2e Deckgebirg
Dichte Deckgebirge =2 300 kg m
3
Salz Dichte Steinsalz =2 200 kg m
3e Deckgebirg
h Schichtdichte von Geländeoberfläche bis Salzspiegel = m
m
m
140 , 0 260 , 0 0
, 0
12
hSalz Schichtdichte von Salzspiegel bis Modelloberkante = m
m
m
140 , 0 112 , 9 9
, 52
2
kg m
MPap
2300 /
32 60m
2 200kg/m
31 12.9m
9,81m/s
2 8 , 3
entsprechend der Auflast des nicht bis zur Tagesoberfläche modellierten Steinsalz- und Deckgebirges aufgebracht.
Die Initialisierung des Primärspannungszustandes erfolgt homogen und isotrop entspre-chend dem lithostatischen Teufendruck. Im Teufenniveau des Abdichtungsbauwerks bei
m
zStreckensohle
280 . 9
beträgt die Primärspannung ca. 9 MPa.In Analogie zu /L12/ wird die Gebirgstemperatur im gesamten Berechnungsausschnitt teufenunabhängig mit 21°C (294,15 K) angesetzt. Die Einbautemperatur des Salzbetons wird mit 25°C (298,15 K) angesetzt. Alle in Abschnitt 2.5 des vorliegenden Berichtes dokumentier-ten Berechnungsvariandokumentier-ten erfolgdokumentier-ten mit Berücksichtigung einer thermischen Kopplung über den Wärmeausdehnungskoeffizienten und adiabaten Modellrandbedingungen. Konvektion wird in Analogie zu /L12/ vernachlässigt.
Der hydraulisch abbindende Versatz (Salzbeton M2 ) wird durch das in /L13/ dokumentierte Hydratationsmodell abgebildet. Das Hydratationsmodell beschreibt die aktuellen thermischen und mechanischen Materialkennwerte Elastizitätsmodul, Druck- und Zugfestigkeit abhängig vom Abbinde- bzw. Hydratationsprozess durch den Hydratationsgrad. Der aktuelle Hydrata-tionsgrad wird auf das wirksame Betonalter te (te = reale Zeit unter nichtadiabatischen Be-dingungen) entsprechend Gl. (2.5.2) definiert.
t1 betonspezifische Konstante, t1 = 3,2872d b betonspezifische Konstante, b = -1,3425
Da Laborversuche zur Ermittlung der Temperaturentwicklung unter adiabatischen Bedingun-gen durchgeführt werden, muss die adiabatische Zeit t entsprechend Gl. (2.5.3) in eine so genannte wirksame Zeit te transformiert werden, wenn eine Anwendung des Hydratations-modells auch unter nichtadiabatischen Randbedingungen - wie sie in situ vorliegen - reali-siert werden soll:
T dt R universelle Gaskonstante, R=8.31443J molK
Nach /L13/ kann die Hydratationswärmefunktion berechnet werden zu:
wie folgt:
E = Elastizitätsmodul in Abhängigkeit vom Hydratationsgrad . a = Exponent, a = 0.6667
Die Werte der einaxialen Druck- und Zugfestigkeit fc() und fcte() sind ebenfalls an den Hydratationsgrad gekoppelt. Nach /L13/ kann die Entwicklung der Festigkeit in Abhängig-keit von mit den Gln. (2.5.6) und (2.5.7) beschrieben werden:
Für den Salzbeton wird in Analogie zur Vorgehensweise in /L12/ elastoplastisches Material-verhalten angenommen. Für die Berechnung des plastischen Materialverhaltes wird ein An-satz nach Drucker-Prager für Scherversagen gewählt /L13/:
) und für die Zugspannungsbegrenzung
) (
tft (2.5.9)
Hierbei stellen nach /L13/
= die mittlere Spannung gemäß Gleichung
1 2 3
3
1
(2.5.10)I2D = die zweite Invariante des Spannungsdeviators gemäß Gleichung
Der viskose effektive Kriechratenanteil
eff,v für Steinsalz wird in Analogie zur Vorgehens-weise in /L12/ als stationäres Kriechen durch das Stoffmodell Norton gemäß Gleichung (2.5.15) modelliert:5