Seizmická odezva rozsáhlých stavebních objektů

Transkript

1 Seizmická odezva rozsáhlých stavebních objektů Seismic response of large building structures Petr Hradil 1, Jiří Kala 2, Viktor Kanický 3, Aleš Nevařil 4, Vlastislav Salajka 5, Zbyněk Vlk 6 Abstrakt Konstrukce realizované v oblastech s význačnou seismickou aktivitou jsou navrženy tak, aby nedošlo k vážným poruchám konstrukci a ke ztrátám na lidských životech, popřípadě musí být poškození omezeno na takovou úroveň, aby byly zajištěny technologické funkce během zemětřesení. Speciální ustanovení platí u konstrukcí, kdy může nastat omezené poškození, které může být příčinou zamoření životního prostředí. Atomové elektrárny patří do této kategorie. Tyto konstrukce jsou převážně konstruovány z oceli a betonu a nacházejí se ve složitých provozních podmínkách. Konstrukce jsou úzce propojeny s těžkou technologií. Návrh těchto konstrukcí musí vycházet ze spolehlivé seizmické analýzy získané pomocí komplexních výpočtových modelů na bázi konečných prvků. Tento článek pojednává o problémech spojených se sestavením komplexního sofistikovaného modelu, o získání seizmické odezvy a o vyhodnocení výsledků. Summary Structures to the built in areas marked by seismic activities have to be designed so as to prevent major structural failures and loss of life, to limit the damage and eventually to ensure the function during the earthquake. Special provisions should be applied with structures at which even a limited damage endangers the life environment. Nuclear power plants belong to that category. Such structures are mostly designed as combined steel/concrete structures with complicated mutual constraints. They are provided with largely integrated heavy equipment. Design of such structures should be based on a reliable seismic response analysis requiring a complex computation FEM model. The presented paper deals with problems related to the development of such a sophisticated model, determination of the seismic response and assessment if the obtained results. 1) 2) 3) 4) 5) 6) tel.: , , hradil.p@fce.vutbr.cz tel.: , , kala.j@fce.vutbr.cz tel.: , , kanicky.v@fea.cz tel.: , , nevaril.a@fce.vutbr.cz tel.: , , salajka.v@fce.vutbr.cz tel.: , , vlk.z@fce.vutbr.cz - 1 -

2 1 ÚVOD Stavební objekty jaderných elektráren byly a jsou navrhovány tak, aby pro definovanou dobu technického života elektrárny plnily svou funkci s požadovanou spolehlivostí za předpokladu splnění definovaných provozních podmínek a požadavků na údržbu. Návrh počítá nejen s ustálenými normálními provozními podmínkami, ale i s mimořádnými poruchovými a havarijními stavy tak i se seizmickou událostí s malou, resp. velmi malou pravděpodobností výskytu za dobu života elektrárny. V rámci přehodnocení seizmické odolnosti jaderných elektráren je nutno provádět přepočet stavebních objektů elektrárny se zřetelem k seizmickému riziku pro danou lokalitu. Pro přehodnocení seizmické odolnosti nosných ocelových a železobetonových konstrukcí a nenosných konstrukcí je zpracována závazná metodika [1]. V souladu s touto metodikou a na základě podkladů [2], [3] a [4] byla provedena seizmická analýza hlavních objektů elektrárny s využitím metody lineárních spekter odezvy. Jedná se o konstrukce objektů, které jsou mezi sebou velmi silně konstrukčně a technologicky provázány. Tímto je dáno, že korektní řešení seizmické odezvy lze získat pouze při řešení celé skupiny objektů současně. Výpočtový model musí být detailní, poněvadž se vyžaduje posouzení všech nosných prvků konstrukcí. Proto nezbývá, než modelovat všechny nosné prvky bez významných zjednodušení. Protože se jedná o objekty již 30 let staré, řešení úlohy se stává náročným již při vytváření modelu. Je zapotřebí prostudovat stovky archivních výkresů a dokumentace. Rozsáhlost a detailnost výpočtových modelů přináší řadu problémů při samotném řešení a dále při vyhodnocování výsledků. 2 VÝPOČTOVÝ MODEL Se zřetelem k definovaným požadavkům byl sestaven v programovém systému ANSYS výpočtový model zahrnující celou konstrukci reaktorovny včetně věže lokalizace havárie, etažerek a strojovny, obr. 1. Obr. 1 Celkový výpočtový model s popisem objeků a model bez stěnodeskových prvků Hlavní železobenové konstrukce včetně šachty lokalizace havárie byly modelovány prostorovými konečnými prvky SOLID45, obr. 2. Stropní konstrukce v etažerkách, dělící stěny, střešní a obvodový plášť stěnodeskovými prvky SHELL43. Nosné prvky ocelových konstrukcí jsou detailně modelovány prostovými prvky BEAM44 převážně se zadáním průřezů generovaných z ploch, obr. 3. Tímto bylo možné zadat složitě členěné průřezy (sloupy, části vazníků, vaznic, ztužení apod.). V modelu byly dále použity pomocné prvky pro - 2 -

3 modelování kotvení, lokálních ztužení, umístění hmotné technologie a zadání zatížení prvky typu LINK8, MASS21, SURF154. Obr. 2 Zobrazení železobetonových konstrukcí modelovaných prostorovými prvky Obr.3 Ukázka komplexnosti a detailnosti modelu - části ocelových konstrukcí Úplný výpočtový model celé skupiny objektů byl sestaven s použitím celkem prvků, lokalizovaných uzly s stupni volnosti. 3 VLASTNÍ FREKVENCE A TVARY KMITU Výchozím krokem při analýze konstrukcí metodou lineárních spekter odezvy je stanovení vlastních frekvencí a tvarů kmitu. V případě uvedeného modelu bylo počítáno 3500 frekvencí a tvarů kmitu. Velký počet tvarů byl vyžádán podmínkou, že při kombinaci v metodě lineárních spekter se musí ve výpočtu zohlednit všechny frekvence a odpovídající tvary do úrovně ZPA tj. do 33 Hz. Vybrané tvary kmitu konstrukcí jsou uvedeny na obr. 4 a obr MODEL ZATÍŽENÍ Seismické buzení je reprezentováno návrhovým spektrem zrychlení pro 7% poměrné tlumení. Při modifikaci spektra pro daný účel byly uplatněny redukční faktory zahrnující nelineární chování analyzovaných konstrukcí. Seismická odezva musí být kombinována s odezvami od jiných rozhodujících typů zatížení. V daném případě je uvažováno zatížení vlastní tíhou konstrukce, stálé zatížení od technologie (zahrnuje provozní obsah vody v nádobách a potrubí), část užitného zatížení a zatížení sněhem

4 Obr. 4 Tvar kmitu f 11 = 3,330 Hz Obr. 5 Tvar kmitu f 15 = 3,796 Hz 5 SEISMICKÁ ODEZVA Seizmická analýza výpočtového modelu byla provedena s použitím metody lineárních spekter odezvy v absolutních zrychleních. Výpočet odezvy byl proveden odděleně pro tři ortogonální směry (x, y, z) metodou modální superpozice. Modální odezvy pro jednotlivé směry buzení se kombinovaly podle pravidla SRSS. Výsledná odezva se určila z prostorových složkových odezev rovněž s použitím pravidla SRSS. Ve výpočtech byly uvažovány všechny vlastní tvary kmitů s hodnotou poměrné efektivní modální hmotnosti větší než 0,1 %. Obr. 6 Spektrum odezvy pro buzení ve směru x Metodika výpočtu pro potřeby posouzení seizmické odolnosti byla zpracovaná Ing. Masopustem v práci [1]. 6 KOMBINACE ODEZEV Odezva konstrukce na seismické zatížení byla kombinována s odezvou na statické zatížení. Odezva konstrukce na statické zatížení se řešila s použitím téhož výpočtového modelu. Při kombinaci odezev byl využit princip superpozice účinků. Hodnoty seismické odezvy byly přičteny nebo odečteny od hodnot statické odezvy. Kombinace statické a seizmické odezvy byly podkladem pro posouzení spolehlivosti konstrukce. Hraniční seizmická odolnost stavebních konštrukcí HCLPF je determinovaná nejnižší seizmickou odolností prvku dané konstrukce jako celku a vyjadřuje poměrnou odolnost prvku na zadané seizmické zatížení vyjádřené v násobku v násobku gravitačného zrychlení. Uvedená metodika dáva dobrý odhad odolnosti konstrukce, ale nevystihuje přesně rezervu v odolnosti prvků na kombinované případy namáhání (např. namáhání železobetonového průřezu na excentrický tlak-tah), protože pevnostní podmínky mají nelineární charakter. Posouzení bylo provedeno v souladu s platnými normami. Hodnoty hraniční seismické odolnosti pro jednotlivé prvky nebo části byly stanoveny dle metodiky, ve které hraniční seismická odolnost objektů HCLPF je rovna 0,10 g

5 Obr. 7 Pole posunutí u z kombinace S+D Ilustrativní výsledky kombinace odezev jsou zde prezentovány graficky. Na obr. 7 je uvedeno pole posunutí u z pro případ kombinace statická odezva plus dynamická odezva. Posouzení všech prvků konstrukce bylo provedeno s využitím maker v tabulkovém editoru MS EXCEL. Výsledná dokumentace představuje několik tisíc stran tabulek výsledků, viz obr. 9. Obr. 9 Ukázka tabulek vyhodnocení ocelových konstrukcí

6 7 POTŘEBNÉ PROSTŘEDKY PRO VÝPOČET Značně rozsáhlé výpočty byly provedeny na cenově přístupném počítači s procesorem AMD Athlon 64 FX 51, s 4GB RAM a 1000 GB diskového prostoru pod operačním systémem Windows XP 64 Bit Edition. Byla použita 32 bitová verze ANSYS 8.1. Jeden komplexní výpočet modální analýza, spektrální odezva a kombinace bez vyhodnocení se dal provést během 5 dní a vyžadoval 750 GB prostoru na diskovém poli. 8 ZÁVĚRY Seismická odezva rozsáhlé skupiny stavebních objektů byla stanovena pomocí metody lineárních spekter odezvy s využitím modelů sestavených MKP v programovém systému ANSYS. Způsob výpočtu si vyžádal enormní požadavky na diskový prostor a výkon počítače. Uvedený výpočet ilustruje současné možnosti řešení obdobných úloh v podmínkách, kdy není možné si pořídit drahé pracovní stanice. PODĚKOVÁNÍ: Příspěvek vznikl za podpory grantového projektu GA ČR č. 105/04/1424 Odezva technologických konstrukcí a budov na zatížení technickou seismicitou. LITERATURA [1] Masopust, R. a kol. Metodologie pro hodnocení seizmické odolnosti EDU Blok č. 1-4, Aplikace metod SMA a GIP vč. určení referenčního zemětřesení. Stevenson & Associates, Plzeň, 2001 [2] ASCE 4-86, Seismic Analysis of Safety Related Nuclear Structures, ASCE Standard, [3] David, M. Projekt seizmické kvalifikace JR Dukovany. Proj. inž. a konz. kancelář David, 1996 Budnitz, R., J., et al.: An Approach to the Quantification of Seismic Margins in Nuclear Power Plants, NUREG/CR-4334, US Nuclear Regulatory Commission, August [4] Králik, J. Earthquake Response Analysis of Nuclear Power Plants Buildings. Methodology. STU Bratislava, júl, [5] NEHRP Recommended Provisions for Seismic Regulations for New Buildings and Other Structures, 1997 Edition. Part I: Provisions (FEMA 302). [6] ACI , Code Requirements for Nuclear Safety Related Concrete Structures, American Concrete Institute, Detroit, [7] ACI , Building Code Requirements for Reinforced Concrete, American Concrete Institute, Detroid, [8] Masopust, R. Criteria for Seismic Evaluation and Potential Design Fixes for VVER Type Nuclear Power Plants, Stevenson & Associates, Prepared for IAEA Vienna, [9] Králik, J. Earthquake Response Analysis of Nuclear Power Plant Buildings. In.: 11th European Conference on Earthquake Engineering, FAEE Paris, 1998, Paris - 6 -