Bauteilverhalten unter stoßartiger Beanspruchung durch aufprallende Behälter (Flugzeugtanks); Phase 2: Betrachtung eines gekoppelten Impaktereignisses im großmaßstäblichen Experiment und Untersuchungen zum Flüssigkeitseindringverhalten in geschädigte Stahlbetonstrukturen

Abstract

Das Forschungsvorhaben "Bauteilverhalten unter stoßartiger Beanspruchung durch aufprallende Behälter (Flugzeugtanks) – Phase 2" dient der vertieften Untersuchung des strukturellen Verhaltens von Stahlbetonbauteilen unter extremen Impaktbeanspruchungen sowie der Bewertung daraus resultierender sicherheitstechnischer Fragestellungen. Im Mittelpunkt steht die gekoppelte Betrachtung mechanischer Schädigungsprozesse, des Flüssigkeitseindringverhaltens in geschädigte Strukturen und potenzieller Folgeereignisse wie Brandbeanspruchungen. Die Untersuchungen leisten einen Beitrag zur sicherheitstechnischen Bewertung von Containment-Strukturen kerntechnischer Anlagen unter außergewöhnlichen äußeren Einwirkungen. Die experimentellen Untersuchungen umfassen großmaßstäbliche Impaktversuche an Stahlbeton-platten mit Abmessungen von 3,0 m × 3,0 m × 0,4 m. Dabei wurden sowohl starre (harte) als auch deformierbare (weiche) Impaktoren eingesetzt sowie gekoppelte Belastungsszenarien betrachtet. Die Ergebnisse zeigen, dass harte Impakte lokal stark ausgeprägte Schädigungen hervorrufen, insbesondere in Form von Ausbruchkegeln an der Bauteilunterseite mit Durchmessern bis etwa 1,8 m sowie plastischen Verformungen im Bereich bis zu 20 mm. Weiche Impakte führen demgegenüber zu geringeren Kraftspitzen und überwiegend oberflächennaher Schädigung, wobei vorhandene Vorschädigungen maßgeblich zur Schadenszunahme beitragen. Gleichzeitig lag ein wesentlicher Schwerpunkt auf der experimentellen Untersuchung des Flüssigeitseindringverhaltens. Hierfür wurden Prüfstände zur Bestimmung hydraulischer Widertandsparameter realer Rissstrukturen entwickelt. Die Ergebnisse belegen, dass die Rissweite den dominierenden Einflussfaktor für den Flüssigkeitstransport darstellt. Zudem wurde ein nichtlineares Verhältnis zwischen Druckdifferenz und Durchflussrate festgestellt, wobei Rissrauheit und Gesteinskörnung das Strömungsverhalten zusätzlich beeinflussen. Für impaktgeschädigte Bauteile konnte ein kritischer Impulsbereich identifiziert werden, ab dem durchgehende Rissnetzwerke und ein signifikanter Flüssigkeitsdurchtritt auftreten. Ergänzend wurden Brandversuche mit Kerosin durchgeführt. Diese zeigen, dass bei dichten bezie-hungsweise gering geschädigten Strukturen überwiegend oberflächennahe Lachenbrände auftreten, während bei durchgehenden Rissen ein Durchtritt von Flüssigkeit und eine komplexere Brandentwicklung möglich sind. Hieraus ergeben sich sicherheitstechnisch relevante Hinweise hinsichtlich potenzieller Sekundärereignisse. Die experimentellen Arbeiten wurden durch numerische Simulationen flankiert, welche die grund-sätzlichen Schädigungsmechanismen qualitativ abbilden können, jedoch hinsichtlich der detaillierten Beschreibung von Rissbildung und gekoppelten Prozessen noch Einschränkungen aufweisen. Insgesamt wurde eine belastbare Datengrundlage zur Bewertung gekoppelter Impakt-, Flüssigkeitseindring- und Brandereignisse geschaffen. Die Ergebnisse tragen zur Weiterentwicklung sicherheitstechnischer Bewertungsansätze bei und zeigen gleichzeitig weiteren Forschungsbedarf auf, insbesondere hinsichtlich der integralen Modellierung komplexer Wechselwirkungen. The research project "Behavior of structural components under impact loading caused by tank collisions (aircraft fuel tanks) – Phase 2" aims at advancing the understanding of the structural response of reinforced concrete components subjected to extreme impact loads, as well as assessing the associated safety implications. The study focuses on the coupled interaction between mechanical damage, fluid penetration into damaged structures, and potential secondary effects such as fire scenarios. The results contribute to the safety assessment of nuclear containment structures under severe external events. The experimental program includes large-scale impact tests on reinforced concrete slabs with dimensions of 3.0 m × 3.0 m × 0.4 m. Both rigid ("hard”) and deformable (“soft") impactors were applied, including sequential loading scenarios. The findings indicate that hard impacts lead to highly localized but severe damage, particularly in the form of breakout cones on the rear face with diameters of up to approximately 1.8 m and plastic deformations reaching up to 20 mm. In contrast, soft impacts result in lower peak forces and mainly surface-related damage, although pre-damaged structures show a significantly increased susceptibility to further damage. A major focus of the project was the investigation of fluid penetration behavior. Dedicated experimental setups were developed to determine hydraulic resistance parameters of realistic crack geometries. The results demonstrate that crack width is the governing parameter for fluid flow. Furthermore, a nonlinear relationship between pressure differential and flow rate was observed, with crack roughness and aggregate size having a significant influence. A critical impulse range was identified, beyond which continuous crack networks are formed, allowing substantial fluid penetration. Complementary fire tests using kerosene were conducted to evaluate potential leakage scenarios. The results show that intact or slightly damaged structures predominantly exhibit surface pool fires, whereas through-cracks may enable fuel penetration and lead to more complex fire propagation. These findings underline the safety relevance of even limited leakage. The experimental investigations were supported by numerical simulations, which are capable of reproducing the general damage mechanisms but still show limitations in describing detailed crack for- mation and fully coupled processes. Overall, a robust experimental database for coupled impact, fluid flow, and fire effects has been established. The results contribute to the improvement of safety assessment methodologies and highlight the need for further research, particularly regarding the integrated modelling of complex coupled phenomena.