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Methodensteckbrief "Seismizität"
#1
Gerne möchten wir die Anwendung des Ausschlusskriteriums „Seismische Aktivität“ mit Ihnen diskutieren. Haben Sie Fragen oder Anregungen zum Verfahren oder Erkenntnisse, die uns bei der Anwendung helfen können? Teilen Sie uns diese mit!

"die örtliche seismische Gefährdung ist größer als in Erdbebenzone 1 nach DIN EN 1998-1/NA 2011-01",  §22 Abs. 2 Ziffer 4 StandAG

Was ist Seismizität?
Unter Seismizität versteht man die geographische, historische und energetische Verteilung von Erdbeben in einem Gebiet (Murawski & Meyer, 2004). Informationen zu Erdbebenhäufigkeit und –stärke sowie der zugrundeliegenden Mechanik von Erdbeben lassen sich durch Aufzeichnungen an seismischen Messstationen gewinnen.

Ursache natürlich ausgelöster Erdbeben sind in erster Linie Bewegungen der Erdkruste. Durch Verschiebung tektonischer Platten bauen sich Spannungen im Untergrund auf. Solche Spannungen werden entweder durch langsame Kriechbewegungen oder durch eine plötzliche Verschiebung von Gesteinsblöcken entlang von Störungen (bruchhafte Verformung des Gesteinsverbandes) abgebaut. Letzteres verursacht Erdbeben und die Ausbreitung von Bodenschwingungen (Grünthal, 2004).
 
Wieso werden Erdbebenzonen von der Endlagersuche ausgeschlossen?
Der Ausschluss von Erdbebenzonen wird im Standortauswahlgesetz (StandAG) mit dem Aus­schlusskriterium „Seismische Aktivität“ geregelt:

Durch das Kriterium werden Gebiete ausgeschlossen, in denen seismische Aktivitäten zu erwarten sind, die die Sicherheit eines Endlagers beeinträchtigen können. Bewertungsgrundlage ist, wie von der Kommission Lagerung hoch radioaktiver Abfallstoffe vorgeschlagen, die Norm DIN EN 1998-1/NA 2011-01. Diese wird konkretisiert durch die Festlegung in der jeweils dazu geltenden nationalen Anlage.
Quelle: Bundestag-Drucksache 18/11398, S. 68

In der „Karte der Erdbebenzonen in Deutschland“ (siehe Abb. 1) wurden Zonen basierend auf den mit einer Wiederkehrperiode von 475 Jahren (10 % Auftretens- oder Überschreitungswahrscheinlichkeit in 50 Jahren Standzeit) maximal zu erwartenden Erdbebenintensitäten abgegrenzt (probabilistische Erdbebengefährdungsanalyse, siehe Tab. 1). Die Berechnung der Erdbebengefährdung beruht u.a. auf einer Einteilung in seismische Quellregionen, die auf Basis der Erdbebenaktivität (ca. 27.000 Erdbeben) und der seismotektonischen Gegebenheiten Deutschlands festgelegt werden (Grünthal & Bosse, 1996). Weitere Eingangsparameter sind u.a. die Intensitäts-Häufigkeitsbeziehung, Dämpfungsrelation und die charakteristische Herdtiefe (Grünthal & Bosse, 1996).

   
Abbildung 1: Karte der Erbebenzonen (siehe Tab. 1) in Deutschland mit den Konturen aus DIN EN 1998-1/NA:2011-01 (BGE)
   
Tabelle 1: Zuordnung von Intensitätsintervallen und Referenz-Spitzenwerten der Bodenbeschleunigung zu den Erdbebenzonen (DIN EN 1998-1/NA:2011-01). Farblich markiert sind die Erdbebenzonen, die ausgeschlossen werden

Bei Erdbeben mit einer Intensität von 7 (> Erdbebenzone 1) treten merkliche Schäden an Gebäuden auf, wogegen Beben mit kleineren Intensitäten nur geringe oder keinerlei Gebäudeschäden verursachen. Im Vergleich zu Oberflächenbauwerken werden die Auswirkungen von Erdbeben auf Untertagebauwerke im Allgemeinen als geringer eingeschätzt (AkEnd, 2002).

So will die BGE das Ausschlusskriterium Seismische Aktivität anwenden
(Sollte sich auf Grundlage von Fachdiskussionen die Notwendigkeit einer methodischen Anpassung ergeben,kann der hier gezeigte Zwischenstand von dem Ergebnis im Zwischenbericht Teilgebiete abweichen.)

Es werden, wie im StandAG vorgegeben, alle Gebiete mit einer örtlichen seismischen Gefährdung (nach DIN EN 1998-1/NA:2011-01) größer als Erdbebenzone 1 ausgewählt. Daraus ergeben sich Flächen mit Erdbebenzonen 2 und 3 (siehe Abb. 1), die in alle endlagerrelevanten Tiefen projiziert werden. Die dadurch entstehenden Volumenkörper stellen den Ausschlussbereich dar (siehe Abb. 2).

   
Abb. 2: Darstellung der aktuellen Ausschlussmethodik

Der Nationale Anhang der DIN EN 1998-1 wird derzeit novelliert. Wir gehen davon aus, dass für den Zwischenbericht Teilgebiete (Schritt 1 der Phase I des Standortauswahlverfahrens) der aktuell gültige Nationale Anhang der DIN EN 1998-1 die Grundlage für die Anwendung des Ausschlusskriteriums „seismische Aktivität“ sein wird. Für unsere Vorschläge zur Auswahl der Standortregionen (Schritt 2 der Phase I des Standortauswahlverfahrens) und der zu erkundenden Standorte nach § 14 Absatz 2 und § 16 Absatz 3 StandAG wird voraussichtlich der novellierte Nationale Anhang zum Tragen kommen, der nach unserem gegenwärtigen Kenntnisstand Ende 2020 in Kraft treten wird.


Literaturverzeichnis
  • AkEnd, 2002. Auswahlverfahren für Endlagerstandorte. Empfehlungen des AkEnd, Dezem­ber 2002, S. 89. Abrufbar unter: https://www.bundestag.de/endlager-archiv...d-data.pdf
  • DIN EN 1998-1/NA:2011-01, Nationaler Anhang – National festgelegte Parameter – Eurocode 8: Auslegung von Bauwerken gegen Erdbeben – Teil 1: Grundlagen, Erdbebeneinwirkun­gen und Regeln für Hochbau.
  • Drucksache des Deutschen Bundestages 18/11398 vom 07.03.2017: Entwurf eines Gesetzes zur Fortentwicklung des Gesetzes zur Suche und Auswahl eines Standortes für ein End­lager für Wärme entwickelnde radioaktive Abfälle und anderer Gesetze.
  • Grünthal, G., 2004. Erdbeben und Erdbebengefährdung in Deutschland sowie im europäischen Kontext. Geographie und Schule 151, 14-23.
  • Grünthal, G. & Bosse, C., 1996. Probabilistische Karte der Erdbebengefährdung der Bundes­republik Deutschlands – Erdbebenzonierungskarte für das Nationale Anwendungs­dokument zum Eurocode 8: Forschungsbericht, Scientific Technical Report STR96/10, Geoforschungszentrum Potsdam, Potsdam.
  • Murawski, H. & Meyer, W., 2004. Geologisches Wörterbuch, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg.
  • Standortauswahlgesetz vom 5. Mai 2017 (BGBI. I S. 1074), das zuletzt durch Artikel 2 Absatz 16 des Gesetzes vom 20. Juli 2017 (BGBI. I S. 2808) geändert worden ist.


Angehängte Dateien
.pdf   20191215_Onlinekonsultation_AK Seismizität_Endfassung.pdf (Größe: 176,71 KB / Downloads: 128)
#2
Die relativierende Aussage des AkEnd zu diesem Kriterium bezüglich der Endlagersicherheit ist wichtig und sollte auch mit der konkreten Fundstelle angegeben werden (AkEnd, 2002, S. 89), auch sollte der Link nicht fehlen (und zwar mit dem Uniform Resource Name, damit eine dauerhafte Reverenzierung möglich ist).

Wenn hier die Sicherheit von Untertagebauwerken angesprochen wird, stellt sich die Frage, welche Erfahrungen es weltweit zu Erdbebenschäden in Untertagebauwerken wie Bergwerken und Tunneln in Vergleich zu den oberirdischen Anlagen gibt? Was ist bekannt von Bergwerken und Tunneln in Erdbebengebieten? Siehe auch Vortrag Heidbach: Das Ausschlusskriterium Seismische Aktivität kritisch kommentiert. Leider ist dieser nicht dokumentiert, nicht einmal die Präsentation ist verfügbar.

Erdbeben spielen eine Rolle lediglich bei offenen Untertagebauwerken, also in der Betriebsphase eines Endlagers. Das Kriterium gehört dann aber eher in die planungswissenschaftlichen Abwägungskriterien und in die Sicherheitsanforderungen.

Beim verschlossenen Endlager geht es um die Aktivierung vorhandener und Bildung neuer Störungen. Wichtig sind also der Spannungszustand im Gebirge und dessen mögliche Veränderungen. Welche Konsequenzen für die Standortauswahl werden dem BMWi-Projekt SpannEnd beigemessen, welche der BGR-Studie Paläoseismische Untersuchung Norddeutschlands?

Mir als Nichtgebirgsmechaniker kommt dabei der Gedanke an die minimale Hauptspannung und deren Bedeutung beim Fluiddruckkriterium. Beim Zwischen- und Endlager Morsleben (ZERAM) wurde noch davon ausgegangen, dass bei Einhaltung des Dilatanzkriteriums auch das Fluiddruckkriterium eingehalten ist - siehe Schulze, O. und T. Popp (2002). "Untersuchungen zum Dilatanzkriterium und zum Laugendruckkriterium für die Beurteilung der Integrität eines Endlagerbergwerks in einer Steinsalzformation." in: Z. Angew. Geol. 2002(2): 16-22. Die ESK hat diesem widersprochen, weshalb die Stilllegung des ZERAM weitgehend umgeplant werden muss. Hat sich hier die wissenschaftliche Erkenntnis zu Spannungszuständen verändert oder gibt es einen expliziten Fehler in Schulze, O. und T. Popp (2002)?
#3
Liebes Mitglied "endlagerdialog.de",

vielen Dank für die Hinweise und Fragen. Hier posten wir zunächst die Rückmeldungen zu den Punkten 1 bis 4, die Rückmeldung zu Punkt 5 folgt in Kürze.

1. Die relativierende Aussage des AkEnd zu diesem Kriterium bezüglich der Endlagersicherheit ist wichtig und sollte auch mit der konkreten Fundstelle angegeben werden (AkEnd, 2002, S. 89), auch sollte der Link nicht fehlen (und zwar mit dem Uniform Resource Name, damit eine dauerhafte Reverenzierung möglich ist).

Antwort BGE: Die Literaturliste haben wir um die fehlende Fundstelle (Seite 89) im Abschlussbericht des AkEnd ergänzt und den Link eingefügt.

2. Wenn hier die Sicherheit von Untertagebauwerken angesprochen wird, stellt sich die Frage, welche Erfahrungen es weltweit zu Erdbebenschäden in Untertagebauwerken wie Bergwerken und Tunneln in Vergleich zu den oberirdischen Anlagen gibt? Was ist bekannt von Bergwerken und Tunneln in Erdbebengebieten? Siehe auch Vortrag Heidbach: Das Ausschlusskriterium Seismische Aktivität kritisch kommentiert. Leider ist dieser nicht dokumentiert, nicht einmal die Präsentation ist verfügbar.

Antwort BGE: Gerne stellen wir Ihnen hierzu einige Informationen zusammen.
Zunächst sei hier auf eine Zusammenstellung der NAGRA verwiesen: In ihren regelmäßig veröffentlichten Infobroschüren sind z.B. Erfahrungswerte aus Japan zusammengefasst worden (NAGRA, 2014, https://www.nagra.ch/data/documents/data...dbeben.pdf
NAGRA, 2010, https://www.nagra.ch/display.cfm/id/102423/disp_type/display/filename/d_th4_Erdbeben.pdf ). Verursachte Schäden in Japan im Zuge der großen Erdbeben aus den Jahren 1995 und 2011 an Untertagebauwerken wie Tunneln, Lagertanks und Kavernen waren insgesamt gering und beschränkten sich auf Tunnelschäden an der Stelle bereits vorhandener Schwächezonen.

Weiterführende Hinweise finden Sie zudem in einer Studie der Schwedischen SKB. Darin sind unter anderem weltweite Erfahrungen im Zusammenhang mit Erdbebenschäden an Untertagebauwerken zusammengetragen (SKB, 2002). Diese Studie kann online abgerufen werden (https://inis.iaea.org/collection/NCLColl...df?r=1&r=1) und wurde auch in einem Gutachten zur Erdbebensicherheit zum „Projekt Opalinuston“ der NAGRA aufgegriffen (Résonance Ingénieurs-Conseils SA, 2003).

Herr Dr. Heidbach hat die Folien seiner oben genannten Präsentation freundlicherweise für diese Diskussion bereitgestellt. Dort enthalten sind Informationen wie die Lastnahmen für erdbebengerechtes Bauen berechnet werden und wofür die DIN EN 1998-1eingesetzt wird. Die Präsentation können Sie hier einsehen: 

.pdf   Heidbach_BGE_Vortrag_Dezember_2019.pdf (Größe: 625,28 KB / Downloads: 64)

3. Erdbeben spielen eine Rolle lediglich bei offenen Untertagebauwerken, also in der Betriebsphase eines Endlagers. Das Kriterium gehört dann aber eher in die planungswissenschaftlichen Abwägungskriterien und in die Sicherheitsanforderungen.
 
Antwort BGE: Die hier vorgestellte Anwendungsmethodik des Ausschlusskriteriums „Seismische Aktivität“ hat zum Ziel, Gebiete auszuschließen, in denen seismische Aktivitäten zu erwarten sind, die die Sicherheit eines Endlagers beinträchtigen können. Die BGE setzt dieses Kriterium im Standortauswahlverfahren nach Vorgabe des StandAG um.
Auch bei der Durchführung von Sicherheitsuntersuchungen wird im Rahmen der Langzeitsicherheitsanalyse die Erdbebengefährdung untersucht. Der Referentenentwurf vom 11.07.2019 über die „Verordnung über die sicherheitstechnischen Anforderungen an die Entsorgung hochradioaktiver Abfälle“ (BMU, 2019; https://www.dialog-endlagersicherheit.de...tandag.pdf ) unterscheidet dabei zwischen zu erwartenden, abweichenden und hypothetischen Entwicklungen (Abschnitt 2, § 3).

4. Beim verschlossenen Endlager geht es um die Aktivierung vorhandener und Bildung neuer Störungen. Wichtig sind also der Spannungszustand im Gebirge und dessen mögliche Veränderungen. Welche Konsequenzen für die Standortauswahl werden dem BMWi-Projekt SpannEnd beigemessen, welche der BGR-Studie Paläoseismische Untersuchung Norddeutschlands?

Antwort BGE: Das Ziel des Projekts SpannEnd ist die Erstellung eines geomechanischen Finite-Elemente-Modells von Deutschland, die Entwicklung einer Datenbank für Spannungsmagnituden sowie die Entwicklung von Werkzeugen für Spannungsprognosen. Das Projekt Paläoseismische Untersuchung Norddeutschlands befasste sich u.a. mit dem Reaktivierungspotential von Störungen durch isostatischen Ausgleich aufgrund von Gletscherüberfahrung in Norddeutschland. Da im StandAG die Anwendung des Ausschlusskriteriums „Seismische Aktivität“ konkret vorgegeben ist, können die beiden genannten Projekte in diesem Zusammenhang nicht berücksichtigt werden. Dennoch verfolgt die BGE diese Forschungsvorhaben mit großem Interesse und wird auf die darin erarbeiteten Ergebnisse ggf. ab Phase 1, Schritt 2 (Ermittlung von Standortregionen) des Standortauswahlverfahrens zurückgreifen.

Ergänzende Literatur:
#4
Liebes Mitglied "endlagerdialog.de",

hier kommt noch die letzte ausstehende Antwort zur folgenden Frage:
"Mir als Nichtgebirgsmechaniker kommt dabei der Gedanke an die minimale Hauptspannung und deren Bedeutung beim Fluiddruckkriterium. Beim Zwischen- und Endlager Morsleben (ZERAM) wurde noch davon ausgegangen, dass bei Einhaltung des Dilatanzkriteriums auch das Fluiddruckkriterium eingehalten ist - siehe Schulze, O. und T. Popp (2002). "Untersuchungen zum Dilatanzkriterium und zum Laugendruckkriterium für die Beurteilung der Integrität eines Endlagerbergwerks in einer Steinsalzformation." in: Z. Angew. Geol. 2002(2): 16-22. Die ESK hat diesem widersprochen, weshalb die Stilllegung des ZERAM weitgehend umgeplant werden muss. Hat sich hier die wissenschaftliche Erkenntnis zu Spannungszuständen verändert oder gibt es einen expliziten Fehler in Schulze, O. und T. Popp (2002)?"

Antwort BGE:
Die Langzeitsicherheitsbewertungen im Zusammenhang mit der Stilllegung des ERAM werden unter Berücksichtigung der ESK-Empfehlungen gerade aktualisiert. Eine der Empfehlungen der ESK - die „Empfehlung 3" - beinhaltet die Forderung, dass beim Integritätsnachweis für die Salzbarriere sowohl das Dilatanzkriterium als auch das Laugendruckkriterium anzuwenden sind, da die Bewertung von nur einem der beiden einschlägigen Kriterien (Laugendruckkriterium, Dilatanzkriterium) von der ESK als nicht ausreichend eingestuft wurde. Die Anwendung beider Kriterien bei der Integritätsbewertung geologischer Barrieren entspricht heute grundsätzlich dem Stand von Wissenschaft und Technik und wird sowohl durch die Sicherheitsanforderungen 2010 als auch durch die EndlSiAnfV (Referentenentwurf) (https://www.bmu.de/fileadmin/Daten_BMU/D...efe_bf.pdf) für die vorläufigen Sicherheitsuntersuchungen beim Standortauswahlverfahren für eine HAW-Endlager vorgegeben.

Viele Grüße, Ihre BGE
#5
Per Direktnachricht hat uns noch eine Rückfrage des Users erreicht. Diese und unsere Antwort reichen wir hiermit gern nach. Grundsätzlich gilt: Falls Sie auch nach Ablauf der Konsultationsfristen Fragen oder Anregungen für uns haben: Schreiben Sie uns gern eine E-Mail unter dialog@bge.de 


Frage:
Leider haben Sie erst nach der Beendigung der Konsultation die oben genannte Nachricht eingestellt, weshalb ich darauf nicht reagieren konnte.

Sie beantworten leider meine Frage nicht. Auch zum Zwischen- und Endlager Morsleben wurden sowohl Dilatanz- als auch Fluiddruckkriterium angewendet. Letzteres indirekt entsprechend der von mir angeführten Arbeit
Schulze, O. und T. Popp (2002). „Untersuchungen zum Dilatanzkriterium und zum Laugendruckkriterium für die Beurteilung der Integrität eines Endlagerbergwerks in einer Steinsalzformation.“ in: Z. Angew. Geol. 2002(2): 16-22.

Die Frage von mir war, an welcher Stelle in dieser Arbeit der Fehler liegt, weshalb aus dem Einhalten des Dilatanzkriteriums nicht das Einhalten des Fluiddruckkriteriums folgt.
Leider geht die ESK-Stellungnahme auf diese Frage nicht ein, sondern fordert in primitiver Weise den direkten Nachweis der Einhaltung der beiden Kriterien, verlangt also lediglich formal die Einhaltung der Sicherheitsanforderungen.
Die oben genannte Frage nach dem Fehler in Schulze, O. und T. Popp (2002) spielt insofern eine Rolle, weil die beiden Kriterien blind und ohne fachliche Begründung in den Entwurf der neuen Sicherheitsanforderungen übernommen wurden. Schließlich sind Fehler dazu da, daraus zu lernen. Fachlich sollte also aufgezeigt werden, wo dieser Fehler liegt und ob und wie daraus gelernt werden kann.

Antwort BGE:
In den früheren Jahren wurde die wissenschaftliche Auffassung vertreten, dass die Integrität einer Salinarbarriere nachgewiesen ist, wenn das Dilatanz- oder Fluiddruckkriterium eingehalten ist (entspricht der genannten Quelle). Der Grundgedanke war, dass eine Schädigung des Salzes in Form von kleinsten berechneten Volumenzunahmen des Gesteinsgefüges z. Bsp. durch Risse (Überschreitung des Dilatanzkriteriums) vorliegen muss, damit ein Fluid in das Salinar eindringen kann.

 
Weitere Forschungsarbeiten zu diesem Thema und verbesserte Versuchstechniken führten in den letzten 10 Jahren zu einem Umdenken bei der Anwendung der beiden Kriterien [1, 2]. So konnte in laborativen Untersuchungen gezeigt werden, dass Fluid unter hohem Druck (Fluiddruckkriterium verletzt) auch ohne eine mechanische Vorschädigung (-> Dilatanzkriterium eingehalten) in Salinargestein eindringen kann. In der Fachwelt hat sich daher die Auffassung durchgesetzt, dass erst bei Einhaltung beider Kriterien die Barrierenintegrität sicher nachgewiesen ist.
 
Dieses Umdenken ist jedoch nicht als Fehler zu bezeichnen, sondern nach unserem Verständnis handelt es sich dabei um die Berücksichtigung der Weiterentwicklung des Standes von W&T. Grundlage für diese Fragestellung ist zum einen die Weiterentwicklung der Versuchstechnik, um derartige Prozesse messbar zu machen als auch die Abbildung der geologischen Realität in ihrer Vielfalt in numerischen Ansätzen – sog. Stoffgesetzen - mit denen das mechanische, und auf dieser Basis auch das hydraulische Verhalten der Gesteinsschichten in Abhängigkeit von ihrer Verformung abgebildet wird.Für die Arbeiten im Rahmen der Standortauswahl gelten das StandAG in Kombination mit der Endlagersicherheitsanforderungsverordnung (noch im Entwurf aber in der BMU Verordnung von 2010 entsprechend), welche die gleichzeitige Erfüllung beider Kriterien fordern.

ergänzende Literatur:
  • Düsterloh, U. (2009): Geotechnische Sicherheitsnachweise für Hohlraumbauten im Salinargebirge unter besonderer Berücksichtigung laborativer Untersuchungen
  • IfG (2010): Beweissicherungsprogramm zum geomechanischen Verhalten von Salinarbarrieren nach starker dynamischer Beanspruchung und Entwicklung einer Dimensionierungsrichtlinie zum dauerhaften Einschluss (02C1264)


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