Fortschrittliche Simulations- und Kollaborationslösungen für widerstandsfähige Strukturen

Über ESS (European Spallation Source)

ESS ist eine bahnbrechende wissenschaftliche Einrichtung, die derzeit in Lund, Schweden, gebaut wird und eine gemeinschaftliche Anstrengung von 13 europäischen Nationen darstellt. Als eines der größten und ehrgeizigsten Wissenschafts- und Technologieinfrastrukturprojekte der Welt ist ESS bereit, die Materialforschung, die Biowissenschaften und die technische Innovation zu revolutionieren.  

Im Kern wird ESS die Kraft der Neutronen nutzen, um Wissenschaftlern einen tiefen Einblick in die atomare Struktur von Materialien zu ermöglichen und nicht nur aufzudecken, wo sich Atome befinden, sondern auch, wie sie sich verhalten. Diese beispiellose Fähigkeit wird Durchbrüche in einer Vielzahl von Bereichen vorantreiben; von der Entwicklung von Batterien der nächsten Generation und nachhaltigen Kunststoffen bis hin zur Entwicklung stärkerer, widerstandsfähigerer technischer Materialien. In den Biowissenschaften wird ESS Forschern ermöglichen, wirksamere Medikamente zu entwickeln und die Entwicklung lebensrettender Impfstoffe zu beschleunigen.  

Die Anlage selbst ist ein Wunderwerk moderner Ingenieurskunst und verfügt über den weltweit leistungsstärksten linearen Protonenbeschleuniger, ein hochmodernes heliumgekühltes Wolfram-Targetrad, 15 fortschrittliche Neutroneninstrumente, eine Reihe spezialisierter Labore und ein hochmodernes Supercomputing-Zentrum für Datenmanagement und Softwareentwicklung. Doch ESS ist mehr als nur die Summe seiner bemerkenswerten Komponenten, es repräsentiert eine kühne, zukunftsorientierte Vision; eine brandneue Organisation, die von Grund auf neu aufgebaut wird, um die Grenzen der wissenschaftlichen Entdeckung zu erweitern.  

Eine Reise zu herausragender Ingenieursleistung 

Das TECHNIA Advanced Simulation Services Team wurde als unabhängiger Gutachter für ein groß angelegtes Projekt beauftragt, das die Konstruktion und den Bau von großen Bauwerken umfasste, darunter Hauptgebäude und Pfahlgründungen an der Targetstation und der Anlage zur Behandlung radioaktiver Abfälle bei ESS, um die Strahlensicherheit zu gewährleisten. Das Projekt umfasste verschiedene Aufgaben mit dem Hauptziel, zu einer robusten Konstruktion und zum Bau der Zielgebäude beizutragen. Beispiele für die Aufgaben sind unten aufgeführt:  

• Vorläufige Designprüfung: Früh im Projekt ging ESS eine Partnerschaft mit TECHNIA ein, um die vorläufige Konstruktion der Gründungsstruktur des Zielgebäudes zu überprüfen. Durch diese Zusammenarbeit wurden viele kritische Entscheidungen auf der Grundlage der Überprüfungsarbeit und vergleichender Simulationsmodelle getroffen.  
• Kritische Designprüfung: Ein wichtiger Aspekt des Auftrags war die Durchführung einer detaillierten Überprüfung der Konstruktionsdokumente, einschließlich Berechnungen, Konstruktionszeichnungen und Simulationsmodelle. Diese Überprüfung spielte eine entscheidende Rolle bei der Sicherstellung der Einhaltung sowohl führender Codes und Standards als auch der Anforderungen interner Stakeholder.   
• 3D-Modelle: Im Rahmen der Überprüfung wurden 3D FEA Modelle der Gebäudestrukturen entwickelt, um vergleichende Analysen kritischer Lastfälle durchzuführen und die Konstruktion zu validieren. Diese Modelle wurden auch verwendet, um die strukturelle Kapazität unter extremen Bedingungen zu bewerten, einschließlich APC (Flugzeugabstürze), seismischer Belastungen und antagonistischer Bedrohungen.  
• Ingenieur des Eigentümers: TECHNIA wurde als Ingenieur des Eigentümers für kritische Gebäudestrukturen ernannt. Diese Rolle umfasste den gesamten Prozess, von der Überprüfung des vorläufigen Entwurfs über die Koordinierung der Entwürfe bis hin zur Beratung bei Bauproblemen vor Ort. Sie umfasste auch die enge Zusammenarbeit mit Designfirmen wie COWI, SWECO, und Buro Happold, wodurch ein kohäsiver und optimierter Designprozess gewährleistet wurde. 
• Seismische ISRS: TECHNIA generierte seismische ISRS (In-Structure Response Spectra) für ca. 10.000 Positionen, um die Konstruktion von Sicherheitssystemen zu unterstützen. Um das Datenmanagement zu optimieren, erstellte TECHNIA einen ISRS Viewer, der eine effiziente Interpretation und Nutzung komplexer ISRS-Ausgaben ermöglicht.  

Beispiel für die Anwendung der Finite-Elemente-Analyse – Erstellung eines seismischen ISRS-Katalogs  

Unter Verwendung der einzelnen FEA-Modelle der Zielstrukturen, die während des Überprüfungsprozesses entwickelt wurden, wurde ein globales Modell zusammengestellt, um seismische Analysen durchzuführen. Dieses Modell lieferte eine detaillierte Darstellung der Zielstrukturen, der angrenzenden Versuchshallen und des komplexen Stahlgerüstdachs. Ein besonders schwieriger Aspekt der Modellierung war die genaue Darstellung der Pfahlgründung, um ein korrektes dynamisches Verhalten des Bodens zu gewährleisten und die Wechselwirkung zwischen den Stahlkern- oder Betonpfählen und dem umgebenden Tonboden zu erfassen.  

ISRS wurde in ca. 10.000 Positionen generiert, und um diese riesige Anzahl von Ausgabedaten effizient zu verwalten, wurde ein ISRS Viewer entwickelt. Mit diesem Tool ist es möglich, einen bestimmten Raum, eine Wand, einen Boden oder eine Positionskoordinate auszuwählen und ein seismisches Design-Antwortspektrum zu erhalten, das für die gewählte Struktur gültig ist und für die anschließende seismische Auslegung von Sicherheitssystemkomponenten verwendet werden kann.  

Fazit 

Der von dem TECHNIA Advanced Simulation Team bei ESS durchgeführte Auftrag trug zu einer robusten Konstruktion und zum Bau der Zielgebäude und der Anlage zur Behandlung radioaktiver Abfälle bei und gewährleistete die Einhaltung sowohl der Codes und Standards als auch der internen Stakeholder-Anforderungen. Dies wurde durch das umfassende Wissen von TECHNIA und die über 25-jährige Erfahrung in der Nuklearindustrie ermöglicht.  

Die Verwendung von 3D-FEA-Modellen spielte eine zentrale Rolle im Überprüfungsprozess und bei der Bewertung der strukturellen Kapazität unter extremen Bedingungen, einschließlich APC (Flugzeugabstürze), seismischer Belastungen und feindlicher Bedrohungen. 

Die Erfahrung von TECHNIA in der Nuklearindustrie, insbesondere bei seismischen Herausforderungen, bildete eine entscheidende Grundlage für die Bewältigung der komplexen Aufgabe, ISRS in den sicherheitsrelevanten Strukturen der ESS-Zivilanlagen zu generieren. Diese Expertise unterstützte auch die Entwicklung des ISRS Viewer Tools, das eine effiziente Verwaltung großer Datensätze und seismischer Reaktionen über 10.000 einzelne Positionen hinweg ermöglicht. Das Tool dient als Grundlage für die Berechnung von Design-ISRS für bestimmte Strukturen oder Positionen und erleichtert die anschließende seismische Überprüfung von Komponenten.