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Stahlbeton- und/oder Spannbeton-Tragwerk
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Die Erfindung betrifft ein Stahlbeton- und/oder Spannbeton-Tragwerk,
das mindestens zum Teil eine geschlossene Ummantelung insbesondere für eine nukleare
Anlage oder einen Teil dieser Anlage bildet und eine Schutzfunktion für die sicherheitstechnisch
relevanten Anlagenteile bzw. gegen das Freisetzen von Radioaktivität an die Atmosphäre
selbst bei extrem hohen beidseitigen Beanspruchungen mit geringer Eintrittswahrscheinlichkeit
ausübt und welches mit dem Gebäudefundament verbunden ist sowie auf der Gebäudeinnenseite
mindestens mittelbar einen Träger für z.B. aus Decken, Bühnen, Wandscheiben, Energieleitungen
od. dergl. bestehende Einbauten bildet.
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Bei Gebäuden, die im Vergleich zu üblichen Industrieanlagen extrem
hohen Sicherheitsanforderungen unterliegen, wie dies zum Beispiel bei Kernkraftwerken
und anderen nuklearen Anlagen, wie Aufbereitungsanlagen, der Fall ist, müssen sämtliche
sicherheitstechnisch relevanten Bereiche so ausgelegt sein, daß sowohl bei außergewöhnlichen
äußeren Einwirkungen als auch bei außergewöhnlichen inneren Belastungen keine Freisetzung
von Radioaktivität an die Atmosphäre erfolgt und eine problemlose Außerbetriebnahme,
verbunden mit einem einwandfreien Nachkühlen des Reaktors, gewährleistet ist. Zu
den äußeren Einwirkungen werden z.B. der Aufprall von Flugzeugen, Flugzeugteilen,
Explosionsdruckbelastungen
und Erdbeben gerechnet. Als innere Belastungen
kommen im wesentlichen Strahlkräfte sowie geschoßartig auftreffende Teile in Frage.
Es handelt sich in beiden Fällen um Einflüsse mit einer sehr geringen Eintrittswahrscheinlichkeit.
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Wird einem Reaktorgebäude insbesondere der Lastfall Flugzeugabsturz
mit einer beispielsweisen Aufschlagbelastung von etwa 11000 Mp zugrunde wiegt, so
muß das diesbezügliche Stahlbeton- und/oder Spannbeton-Tragwerk, im nachfolgenden
kurz Beton-Tragwerk genannt, eine Dicke von mindestens ca. 1,40 m aufweisen. Diese
Dicke ist erforderlich, damit durch den Aufprall des Flugzeugs auf die Außenflächen
des Tragwerks auf dessen Innenseite kein Beton abplatzen kann, der dann infolge
der Aufschlagenergie mit hoher Geschwindigkeit in das Gebäudeinnere geschleudert
werden und dort nuklear wichtige Teile beschädigen kann. Bei Unterschreitung der
Mindestdicke besteht außerdem die Gefahr, daß beispielsweise im Falle eines Flugzeugabsturzes
Treibstoff durch beim Aufprall entstandene Betonrisse in das Innere des Gebäudes
gelangen und sich dort entzünden kann.
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Die derzeit gebräuchlichen Beton-Tragwerke der eingangs vorausgesetzten
Gattung bestehen alle aus einer einzigen stark bewehrten Ummantelung mit der erwähnten
Mindestdicke. Die Ummantelung kann als schalenartiges und/oder ebenes Tragwerk,
wie z.B. Platten oder Scheiben, kurz Platten genannt, bestehen.
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Die Ummantelung kann unmittelbar oder mittelbar mit dem Gebäudefundament
verbunden sein. Das Beton-Tragwerk kann ferner die gesamte Ummantelung des jeweiligen
Gebäudes oder nur einen Teilbereich dieses Gebäudes bilden oder auch die Ummantelung
von Innenräumen mit sicherheitstechnisch relevanten Anlagen darstellen.
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Die Ummantelung soll einerseits einen Schutz gegen äußere Einwirkungen
gewährleisten und andererseits eine tragende
Funktion für die z.B.
durch Decken, Bühnen, Wandscheiben, Energieleitungen od. dgl. gebildeten Einbauten
ausüben. Sind dabei die Einbauten unmittelbar, d.h. fest mit der Ummantelung verbunden,
so werden in den Einbauten dann sehr hohe Beschleunigungen erzeugt, wenn z.B. ein
Flugzeug aus etwa horizontaler Anflugrichtung auf den Verbindungsbereich der Einbauten
an der Ummantelung trifft. Diese Beschleunigungen können folglich über die Decken,
Bühnen und anderen Innenwandkonstruktionen auf die im Gebäudeinneren angeordneten
Maschinen und Vorrichtungen übertragen werden. Dadurch können gerade sicherheitstechnisch
relevante Einrichtungen derartig große Beschleunigungen erhalten, daß sie nicht
nur beschädigt werden, sondern sogar ihre Funktion verlieren. Ferner können diese
Beschleunigungen zu einem Abreißen der auf der Innenseite der Ummantelung befestigten
Energieleitungen führen.
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Es ist deshalb bei Beton-Tragwerken der beschriebenen Bauart schon
vorgeschlagen worden, die Decken, Bühnen, Wandscheiben und anderen Einbauten durch
Konsolen zu stützen oder in Aussparungen zu führen. Dieser Vorschlag einer verschieblichen
Lagerung der Einbauten relatlv zu der Ummantelung ermöglicht zwar eine Verformung
der Ummantelung, ohne daß wesentliche Erschütterungen auf die Einbauten übertragen
werden und insbesondere an sicherheitstechnisch relevanten Einbauten Beschädigungen
oder Funktionsverluste herbeiführen. Der Vorschlag berücksichtigt jedoch nicht den
Last fall Erdbeben und die dann auftretenden Schwierigkeiten. Für die Aufnahme der
Erdbebenbelastung ist nämlich eine feste Verbindung zwischen den Einbauten und der
Ummantelung wünschenswert. Um deshalb auch den Lastfall Erdbeben mitzuber;lcksichtigen,
sind zusätzliche konstruktive Maßnahmen erforderlich, die jedoch bei dem Lastfall
Flugzeugabsturz oder ähnlichen äußeren Einwirkungen außer Kraft treten sollen. Somit
war man beim Stand der Technik stets gezwungen,
Kompromißlösungen
zu suchen, die in Abhängigkeit von dem Aufstellungsort der jeweiligen nuklearen
Anlage und anderen möglichen Einflüssen ein feinfühliges Abwägen der Risiken zwischen
den denkbaren Last fällen verlangten.
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Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein Beton-Tragwerk
der eingangs umrissenen Gattung so zu verbessern, daß es bei sämtlichen denkbaren
außergewöhnlichen Lastfällen, wie z.B. Flugzeugabsturz, Explosionsdrücken, Strahlkräften
oder Erdbeben, in gleicher Weise mit Erfolg den angestrebten Schutz gewährleistet,
d.h. jedes Freisetzen von Radioaktivität an die Atmosphäre unmöglich macht und/oder
eine problemlose Außerbetriebnahme sowie ein einwandfreies Nachkühlen eines Reaktors
gewährleistet.
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Gemäß der Erfindung kennzeichnet sich die Lösung dieser Aufgabe dadurch,
daß die Ummantelung mindestens zwei im weitgehend parallelen Abstand voneinander
angeordnete schalen und/oder plattenartig geformte Wände aufweist, von denen nur
die Innenwand db it mit den Einbauten verbunden ist.
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Unabhängig davon, ob das erfindungsgemäße Beton-Tragwerk bei einem
Gebäude in Schalen- und/oder Rechteckform verwirklicht wird, und auch unabhängig
davon, ob dieses Beton-Tragwerk gegebenenfalls nur einen Teil der Gesamtanlage bildet,
z.B. bei tief in die Erdoberfläche eingesetzter Anlage oder im Falle eines Teilabschnittes
eines ebenen Tragwerkes, gestattet die mehrwandige Bauweise durch äußere Einwirkungen
erzeugte große Verformungen der Außenwand mit Ausnutzung der Materialfestigkeit
bis gegebenenfalls zur Grenztragfähigkeit, ohne daß die dabei entstehenden Beanspruchungen
und Erschütterungen in schädlicher Weise in das Gebäudeinnere weitergeleitet werden.
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Auf die nur mit der Innenwand fest verbundenen Einbauten und die auf
den Einbauten angeordneten bzw. diesen Einbauten zugeordneten sicherheitstechnisch
relevanten Anlagenteile werden allenfalls solche Beschleunigungen übertragen, welche
durch die Koppelung der Außen- und der Innenwand mit dem Gebäudefundament, dem Baugrund
und eventuellen weiteren gemeinsamen Gebäudeteilen, d.h. also durch nicht oder nur
wenig gefährdete Bereiche, z.B. unterhalb der Erdoberfläche, nicht zu vermeiden
sind. Diese Beschleunigungen liegen aber innerhalb des zulässigen Aufnahmevermögens
der Einbauten und der mit diesen verbundenen Einrichtungen, so daß sie im wesentlichen
geschluckt werden und dadurch unwirksam sind.
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Die Erfindung überträgt folglich der Außenwand den Schutz gegen außergewöhnliche
äußere Einwirkungen, wie Flugzeugaufprall, Explosionsdrücke und geschoßartig auftreffende
Teile, z.B. Wrackteile von Flugzeugen. Sie kann derart gestaltet sein, daß sie sich
während der Verformung sogar an die Innenwand anlegen kann. Dabei wird soviel Energie
verzehrt, daß selbst bei Anlage der Außenwand an die Innenwand und die dadurch eintretende
Restbelastunfflsaufnahme der Innenwand keine unzulässigen Beschleunigungen an die
Einbauten im Gebäudeinneren weitergegeben werden. Auf der anderen Seite überträgt
die Erfindung der Innenwand den Schutz gegen Erdbebenbelastungen und Störfällen
aus dem Inneren des Gebäudes heraus, ohne daß diese Einwirkungen schädliche Einflüsse
nach außen hin ausüben.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahme werden also jeder Wand die
Funktionen zugewiesen, welche sie infolge ihrer Relativlage zu der Quelle des möglichen
Last falles optimal beherrschen können. Es entfallen somit alle bislang zwangsläufig
notwendigen Kompromißlösungen, um sämtlichen Lastfällen zumindest
theoretisch
angenähert begegnen zu können. Die Wände können aus einstückigen schalenartigen
Stahlbeton- und/oder Spannbeton-Tragwerken bestehen und/oder durch ebene Tragwerke
aus Stahlbeton und/oder Spannbeton gebildet sein.
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In der Regel ist es von Vorteil, daß die Außenwand dicker als die
Innenwand bemessen ist, wobei das Dickenverhältnis der Außen- zur Innenwand etwa
wie 10 : 1 bis 2 : 1, vorzugsweise 7 : 1 bis 4 : 1, bemessen ist. Ferner kann es
in bestimmten Fällen zweckmäßig sein, daß die Distanz zwischen der Außen- und der
Innenwand kleiner als die Dicke der Innenwand bemessen ist. In wiederum anderen
Einsatzfällen ist es hingegen von Vorteil, daß die Distanz zwischen der Außenwand
und der Innenwand gleich oder größer als die Dicke der Innenwand bemessen ist.
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Die Dickenbemessung der Außenwand kann mithin derart sein, daß Betonabplatzungen
auf der Innenseite bewußt in Kauf genommen werden, weil nunmehr die Innenwand solche
Betonabplatzungen auffängt und folglich keine Zerstörungen im Gebäudeinneren eintreten
können. Der Materialverbrauch an Beton und Stahlbewehrungen kann demnach erheblich
gesenkt werden. Auch können bei einem Lastfall von außen Risse in einer jetzt dünneren
Außenwand eintreten, wodurch z.B. bei einem Flugzeugaufprall Treibstoff in den Raum
zwischen der Außen- und der Innenwand einfließen kann. Die Innenwand schirmt dann
gegen das Gebäudeinnere ab. Schädliche Einwirkungen auf das Gebäudeinnere im Hinblick
u.a. auf die mögliche Freisetzung von Radioaktivität sind also nicht zu befürchten,
da als eindeutige Barriere noch die Innenwand wirkt. Die Dicke der Außenwand kann
mithin um ein erhebliches Maß kleiner als die bislang als Mindestgrenze angesehene
Dicke von ca. 1,40 m bemessen werden.
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Aufgrund der vorstehend erläuterten Merkmale braucht die Dicke der
Innenwand nur noch für Gebrauchslastfälle und Erdbeben sowie für die indirekte Belastung
durch die äußeren Einwirkungen, beispielsweise gegen eventuelle Belastungen aus
Betonabplatzungen der Außenwand, ausgelegt zu werden. Sie kann deshalb shr schlank
ausgeführt sein, was zu einer weiteren Herabsetzung des Beton- und Stahlverbrauches
führt. Treten Störfälle mit örtlichen Belastungen im Inneren des Gebäudes ein, wie
z.B. Strahlkräfte, geschoßartige Einwirkungen usw., so kann auch die Innenwand örtlich
bis zur Grenztragfähigkeit belastet und gegebenenfalls sogar zerstört werden, ohne
daß hierdurch Radioaktivität freigesetzt wird. Die Außenwand ist dann in der Lage,
die restlichen Belastungen in vollem Umfange aufzunehmen.
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In diesem Zusammenhang besteht durchaus die Möglichkeit, daß mit Bezug
auf die Gesamtdicke der Außen- und der Innenwand die Dicke der bekannten einwandigen
Bauart eindeutig unterschritten werden kann. Schließlich besteht ein weiterer Vorteil
der zweiwandigen Bauweise noch darin, daß auch die Probleme der Abdichtung der einzelnen
Gebäudeinnenräume gegeneinander vermieden werden, die bei den bislang üblichen Fugenkonstruktionen
zwangsweise auftreten.
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Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der Erfindung kennzeichnet sich
dadurch, daß die Wände bereichsweise gegeneinander bzw. verbunden abgestützt sind.
Insbesondere bei ebenen Tragwerken (plattenartigen Tragwerken) mit großen Stützweiten
kann es zweckmäßig sein, in Bereichen, in denen die Innenwand nicht durch Decken,
Bühnen oder Wandscheiben ausgesteift ist, die beiden Wände gegenseitig abzustützen.
Hierdurch wird ein größeres Tragfähigkeitsvermögenbewirkt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Raum zwischen den
Wänden mit einem leicht verformungsfähigen Material verfüllt, das gegebenenfalls
Dämpfungseigenschaften aufweist.
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Dieses Material kann mit Vorteil während der Herstellung des Beton-Tragwerkes
als verlorene Schalung dienen. Es werden somit zusätzliche Schalungsmittel vermieden
und der Herstellungsaufwand, insbesondere was den materialtechnischen Bereich anlangt,
herabgesetzt.
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In diesem Zusammenhang kennzeichnet sich eine bevorzugte Ausführungsform
dadurch, daß das verformungsfähige Material aus einem Schaumstoff auf Kunstharzbasis
besteht, beispielsweise aus einem dauer-thermoplastischen Pdyen, wie Polystyrol.
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Darüber hinaus kann es nach der Erfindung empfehlenswert sein, daß
der Raum zwischen den Wänden mit einem gasförmigen oder flüssigen Fluid gefüllt
ist, welches einem geringen Überdruck im Vergleich zum Gebäudeinnendruck unterworfen
ist.
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Auf diese Weise entsteht ein Druckgefälle von dem Raum zwischen der
Außen- und Innenwand zum Gebäude inneren, das während des Betriebs das Freisetzen
von Radioaktivität nach außen verhindert.
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Schließlich ist es nach der Erfindung denkbar, daß der Raum zwischen
den Wänden mit einem verformungs- bzw.plastifizierfähigen Werkstoff mit Dichtungseigenschaften
verfüllt ist. Durch einen solchen Werkstoff, wie z.B. Bentonite, werden die gewollten
Verformungen der Außen- bzw. der Innenwand bei einem gegebenenfalls eintretenden
Last fall gar nicht oder nur unwesentlich beeinträchtigt, so daß mögliche Erschütterungen
der sicherheitstechnisch relevanten Anlagenteile nach wie vor unterhalb der schädlichen
Grenze bleiben. Mit einer derartigen Füllung ist jedoch
der zusätzliche
Vorteil verbunden, daß dieser Werkstoff die Aufgaben des in der Regel sonst im Inneren
des Reaktorgebäudes üblichen Sicherheitsbehälters oder Stahlliners (Stahldichthaut)
wahrnehmen und als Folge hiervon ein solcher Sicherheitsbehalter oder Stahlliner
entfallen kann.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Gezeichnet ist ein vertikaler Querschnitt durch ein Reaktorgebäude
1 der heutigen Druckwasser-Reaktorbaulinie.
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Sämtliche Einbauten, wie Decken 2, Bühnen 7, Wandscheiben 4, Maschinen
5, Druckbehälter 6 usw., sind bewußt schematisch gehalten, um den Kern der Erfindung
deutlich hervortreten zu lassen. Auch ist das erforderliche Reaktorhilfsanlagengebäude
nicht dargestellt worden.
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Mit 7 ist die durchgehende Fundamentplatte des Gebäudes 1 bezeiinet,
welche unterhalb der Erdoberfläche 8 in den Baugrund 9 eingebettet ist. Die Fundamentplatte
geht im Zentralbereich in eine durch Vertikalscheiben 10 unterfangene Betonkalotte
11 über. Die Kalotte bildet eine Auflage für einen Sicherheitsbehälter 12 aus Stahl
in Kugelform mit den darin befindlichen Zentralvorrichtungen des Reaktors.
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Am Umfang der Fundamentplatte 7 ist die Ummantelung des Gebäudes
1 angesetzt. Sie liegt im Abstand zu dem inneren Sicherheitsbehälter 12 und beginnt
hier bereits unterhalb der Erdoberfläche 8. Wie der Zeichnung zu entnehmen ist,
besteht die Ummantelung aus zwei im weitgehend parallelen Abstand voneinander angeordneten
Wänden 13 und 14. Sowohl die Innen- als auch die Außenwand 13 bzw. 14 bestehen aus
einem Stahlbeton-Tragwerk und sind bis auf die notwendigen, im einzelnen nicht näher
eingezeichneten Gebäudepassagen im wesentlichen geschlossen.
Beide
Wände sind fest mit der Fundamentplatte 7 verbunden.
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Die Innenwand 13 dient als tragendes und/oder aussteifendes Element
für die Einbauten, wie Decken 2, Bühnen 3, Wandscheiben 4 usw., auf denen die zum
Betrieb des-Reaktors notwendigen Vorrichtungen und Geräte, z.B. 5, ange-ordnet sind-.
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Zwischen der Innen- und der Außenwand ist ein freier Raum 15 vorgesehen.
Das Verhältnis der Distanz zwischen der Auße-n- und der Innenwand zur Dicke der
Innenwand ist hier etwa wie 2 : 3 bemessen. Ferner ist zu erkennen, daß die Außenwand
14 dicker als die Innenwand 13 bemessen ist. Hier schwankt das Decken verhältnis
der Außen- zur Innenwand zwischen 7 : 1 bis 4 : 1.
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Zur Erhöhung des Tragfähigkeitsvermögens können die Wände in den
Bereichen ge=eneinaner abgestützt sein, wo die Innenwand nicht mit den Einbauten
fest verbunden ist. Eine solche beispielsweise bei 16 eingezeichnete Abstützung
kann im Zuge der Errichtung des Gebäudes hergestellt werden.
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Desweiteren ist es möglich, den Raum 15 zwischen den Wänden mit einem
leicht verformungsfähigen Material zu verfüllen, das gegebenenfalls Dämpfungseigenschaften
aufweist. Ein solches Material (bei 17 dargestellt) ist beispielsweise Schaumstoff
auf Kunstharzbasis. Hier kann ein dauer-thermoplastischer Kunststoff, wie Polystyrol,
zur Anwendung gelangen. Dieser Kunststoff kann dann bei der Herstellung der Wände
als verlorene Schalung dienen.
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Darüber hinaus ist es möglich, den Raum 15 zwischen den beiden Wänden
mit einem gasförmigen oder einem flüssigen Fluid zu füllen und dieses Fluid mit
einem Druck zu beaufschlagen, der geringfügig größer als der Druck im Gebäudeinneren
bemessen ist. Auf diese Weise wird ein Freisetzen von Radioaktivität
aus
dem Gebäudeinneren an die Atmosphäre verhindert.
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Der aus Stahl bestehende Oicherheitsbehalter 12 oder ein Stahlliner
als Dichthaut kann dann entfallen, wenn der Raum 15 zwischen der Innenwand 13 und
der Außenwand 14 mit einem plastifizierfähigen Werkstoff verfüllt wird, der Dichtungseigenschaften
aufweist. Ein solcher Werkstoff kann z.B.
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Bentonite sein. Bei 18 ist dieser Werkstoff andeutungsweise eingezeichnet.
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L e e rs'e i t e