ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΣΕΙΣΜΙΚΗΣ ΑΠΟΚΡΙΣΗΣ ΤΟΥ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΚΟΥ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΥ ΣΤΟ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ ΔΟΜΗΜΑ ΠΥΡΗΝΙΚΟΥ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΑΝΤΙΣΕΙΣΜΙΚΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΕΡΓΩΝ» Μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΣΕΙΣΜΙΚΗΣ ΑΠΟΚΡΙΣΗΣ ΤΟΥ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΚΟΥ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΥ ΣΤΟ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ ΔΟΜΗΜΑ ΠΥΡΗΝΙΚΟΥ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑ Νίκος Ιωαννίδης Διπλ. Πολιτικός Μηχανικός ΠΘ Τριμελής εξεταστική επιτροπή: Αναστάσιος Σέξτος (επιβλέπων) Γεώργιος Μανώλης (επιβλέπων) Ασημίνα Αθανατοπούλου Θεσσαλονίκη, 2015

2 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα Διπλωματική Εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια του Μεταπτυχιακού Προγράμματος σπουδών Αντισεισμικός Σχεδιασμός Τεχνικών Έργων του τμήματος Πολιτικών Μηχανικών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Κίνητρο για την εκπόνηση της συγκεκριμένης εργασίας ήταν η διερεύνηση της απόκρισης των μηχανολογικών συστημάτων τα οποία υποστηρίζουν την λειτουργία ενός πυρηνικού εργοστασίου παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, σε σεισμό. Τα συστήματα αυτά είναι καίρια για την ασφαλή λειτουργία του εργοστασίου, και μαζί με τον αντιδραστήρα υποστηρίζονται από ένα δύσκαμπτο τοιχωματικό στατικό σύστημα από Ο/Σ και εσωκλείονται από ένα θόλο σκυροδέματος ώστε να αποφεύγεται η επαφή με το περιβάλλον. Η μελέτη αυτής της κατασκευής παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον λόγω της πολυπλοκότητας των συστημάτων που συνυπάρχουν τα οποία πρέπει να σχεδιαστούν με τον πιο λειτουργικό τρόπο, με στόχο παράλληλα την μεγιστοποίηση τη ασφάλειας. Θα ήθελα να ευχαριστήσω τους επιβλέποντες καθηγητές μου, κ Αναστάσιο Σέξτο και Γεώργιο Μανώλη για την ελευθερία που μου παρείχαν στην επιλογή του θέματος και του αντικείμενου της ανάλυσης, αλλά και για την καίρια βοήθεια και καθοδήγηση, όσες φορές η περιορισμένη βιβλιογραφία και η ιδιαιτερότητα του θέματος για το οποίο μικρή προηγούμενη εμπειρία είχα μου δημιουργούσε προβλήματα. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένεια μου και τους φίλους μου που με στήριξαν όλη αυτή την χρόνια της μεταπτυχιακής μου εκπαίδευσης. Θεσσαλονίκη, Νοέμβριος 2015 Νίκος Ιωαννίδης i

3 Περιεχόμενα ΠΡΟΛΟΓΟΣ... i Περιεχόμενα... ii Ευρετήριο Σχημάτων... iii Ευρετήριο Πινάκων... viii ΠΕΡΙΛΗΨΗ... ix ABSTRACT... xi ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΥΡΗΝΙΚΟΙ ΣΤΑΘΜΟΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Αλυσιδωτή Αντίδραση Έλεγχος της διαδικασίας Αντιδραστήρας Παραγωγή Ατμού Ασφάλεια Κτήριο Στέγασης του Αντιδραστήρα Υλικά κατασκευής Αντισεισμικός Σχεδιασμός Πυρηνικών Εργοστασίων Παραγωγής Ενέργειας Αλληλεπίδραση Εδάφους Θεμελίωσης ΚατασκευήςΣφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης. 2.1 Εδαφική ενίσχυση... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης. 2.2 Ανάπτυξη φαινομένων γεωμετρικής μη γραμμικότηταςσφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης. 2.3 Υπολογισμός της απόκρισης των δευτερευόντων συστημάτωνσφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης. 2.4 Σκοπός της εργασίας ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΟΥ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΑΤΟΣ Σκελετός από Οπλισμένο Σκυρόδεμα ii

4 3.2 Αντιδραστήρας Σωλήνωση του Συστήματος ψύξης Ατμοπαραγωγοί Αντλίες Δεξαμενή Ψυκτικού Έκτακτης Ανάγκης Βάσεις των ατμοπαραγωγών ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ Προσομοίωση Ανάλυση Περιγραφή του Προσομοιώματος του συστήματος Εδάφους Θεμελίωσης Κατασκευής, το οποίο χρησιμοποιήθηκε για να γίνουν οι αναλύσεις ΣΕΙΣΜΙΚΕΣ ΔΙΕΓΕΡΣΕΙΣ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ Δυναμική Φασματική Ανάλυση Χρονοϊστορίας Θεώρηση Πάκτωσης Αλληλεπίδραση Εδάφους Θεμελίωσης Κατασκευής, και Εδαφική Ενίσχυση Αλληλεπίδραση Εδάφους Θεμελίωσης Κατασκευής, και Εδαφική Ενίσχυση ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Βιβλιογραφία Ευρετήριο Σχημάτων iii

5 Σχήμα 1.1: Σχηματική απεικόνιση Πυρηνικού Σταθμού Παραγωγής Ενέργειας Πεπιεσμένου Ύδατος Σχήμα 1.2: Γενιές Πυρηνικών Σταθμών Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας (Wikipedia, n.d.) Σχήμα 1.3:Συνολικός Αριθμός ενεργών Πυρηνικών Σταθμών Παραγωγής Ενέργειας Σχήμα 1.4: Αντιδραστήρας Ζέοντος Ύδατος (BWR)(Lwrs et al., 2013) Σχήμα 1.5: Αντιδραστήρας Ύδατος Υπό Πίεση (PWR)(Lwrs et al., 2013) Σχήμα 1.6: Συστήματα Περιορισμού των Ραδιενεργών Υλικών Σχήμα 1.7: Πάνω: Όψη κτηρίου περιορισμού κατά την φάση κατασκευής. Κάτω: Όψη της φάσης σκυροδέτησης για την βάση του εσωτερικού του Κτηρίου Περιορισμού (Huterer et al., 1984) Σχήμα 1.8:Τοποθέτηση των οπλισμών στη Βάση της Εσωτερικης Κατασκευής (Huterer et al., 1984) Σχήμα 1.9: Ισομετρική Τρισδιάστατη Παρουσίαση Κτηρίου Περιορισμού (Containment Building) για Αντιδραστήρα Πεπιεσμένου Ύδατος (PWR) Σχήμα 2.1: Μονοβάθμιος ταλαντωτής με θεώρηση πάκτωσης στην βάση (Αριστερά) και με θεώρηση εύκαμπτης θεμελίωσης (Δεξιά) η οποία αντιπροσωπεύει το φαινόμενο της Αλληλεπίδρασης Εδάφους Κατασκευής Σχήμα 2.2: Φάσμα του Ευρωκώδικα 8 για κατηγορία εδάφους C Σχήμα 2.3: Σύγκριση ενός Τυπικού Φάσματος Αντισεισμικού Κανονισμού, με πραγματικά Φάσματα Σεισμικών διεγέρσεων καταστροφικών σεισμών με έντονα μακροπερίοδα στοιχεία.(mylonakis and Gazetas, 2000) Σχήμα 2.4:Κατάρρευση Γέφυρας Expressway Hansin, Σεισμός Kobe Σχήμα 2.5:Μετατόπιση σε μεγαλύτερη Φασματική Ενίσχυση λόγω Αλληλεπίδρασης Εδάφους Κατασκευής (Τfixed, Tssi) (Πιτιλάκης, 2015) Σχήμα 2.6:Όψη των 2 Αριθμητικών Προσομοιωμάτων που χρησιμοποιήθηκαν Σχήμα 3.1: Κατόψεις του Κτηρίου Περιορισμού, στο επίπεδο του εδάφους (Πάνω) και στο επίπεδο των σωληνώσεων του αντιδραστήρα (Κάτω) Σχήμα 3.2: Κατόψεις του Κτηρίου Περιορισμού, στο επίπεδο Συστήματος Σωληνώσεων του Κυρίου Κυκλώματος Ψύξης (Πάνω) και στο επίπεδο των Σωληνώσεων του Αντιδραστήρα (Κάτω) Σχήμα 3.3: Διαδοχικές τομές καθ υψος του τρισδιάστατου προσομοιώματος που χρησιμοποιείται για τις αναλύσεις iv

6 Σχήμα 3.4: Διαδοχικές Κάθετες τομές του τρισδιάστατου προσομοιώματος που χρησιμοποιείται για τις αναλύσεις Σχήμα 3.5: Διαστάσεις της Εσωτερικής Κατασκευής όπως προσομοιώθηκαν Σχήμα 3.6:Κατόψεις της Κατασκευής όπως προσομοιώθηκε Σχήμα 3.7: Χωρικό Τρισδιάστατο Προσομοίωμα του Αντιδραστήρα Σχήμα 3.8: Δισδιάστατη Οψη του Κύριου Κυκλώματος Ψύξης Σχήμα 3.9: Τρισδιάστατη Όψη του κύριου κυκλώματος ψύξης Σχήμα 3.10: (Δεξιά): Σχηματική αναπαράσταση του εσωτερικού Ατμοπαραγωγού, (Μέση): Δισδιάστατη Όψη του Ατμοπαραγωγού όπως παρουσιάζεται στην σχετική δημοσίευση, (Αριστερα): Τρισδιάστατο χωρικό μοντέλο που χρησιμοποιείται για τις αναλύσεις Σχήμα 3.11: (Δεξιά): Σχηματική Αναπαράσταση της Αντλίας και των Εσωτερικών στοιχείων της. (Αριστερά): Τρισδιάστατο χωρικό μοντέλο που χρησιμοποιείται για τις αναλύσεις Σχήμα 3.12:Δεξαμενή Ψυκτικού Έκτακτης Ανάγκης, (Αριστερά) όψη, (Δεξιά) τομή Σχήμα 3.13: Βάσεις των ατμοπαραγωγών. Τρισδιάστατο χωρικό μοντέλο που χρησιμοποιείται για τις αναλύσεις Σχήμα 3.14: (Επάνω)Τρισδιάστατο χωρικό μοντέλο που χρησιμοποιείται για τις αναλύσεις, (Κάτω): Τρισδιάστατη όψη του κύριου συστήματος ψύξης Σχήμα 4.1: Τετράεδρο C3D Σχήμα 4.2: Αυτόματη Πύκνωση Διακριτοποίησης στα σημεία οπου έρχονται σε επαφή στοιχεία Κελύφους (Shell Elements) με στοιχεία Στερεού Σώματος (Solid Elements).. 46 Σχήμα 4.3: Τετράπλευρο στοιχείο κελύφους S4R Σχήμα 4.4: Διακριτοποιημένος Φορέας Σχήμα 4.5: (Αριστερά):1η Iδιομορφή 5,23Hz, (Δεξιά): 2η Iδιομορφή 5,83Hz Σχήμα 4.6: Φάσμα Ευρωκώδικα 8 για Μέγιστη Εδαφική Επιτάχυνση ag=0.36 g και q=1,5 για Κατηγορία Εδάφους C Σχήμα 4.7: Τομή της κατασκευής του Δεύτερου προσομοιώματος, η Βαση είναι κοινή με το πρώτο προσομοίωμα Σχήμα 4.8: Τομή του Δευτερου Προσομοιώματος, φαίνεται η διακριτοποίηση του εδάφους. Το κόκκινο σημείο στην Βάση του Κτηρίου Περιορισμού είναι ο κόμβος που χρησιμοποιήθηκε για την καταγραφή των επιταχύνσεων που εισήχθησαν στην συνέχεια στο πρώτο προσομοίωμα για τις αναλύσεις. Το δεύτερο κόκκινο σημείο είναι η θέση v

7 του Κέντρου Μάζας της Εσωτερικης Κατασκευής και του Μηχανολογικού Εξοπλισμού Σχήμα 4.9: Συνολική Όψη του Δευτερου προσομοιώματος, φαίνεται η προσομοίωση του Εδάφους, και του Κτηρίου Περιορισμού Σχήμα 5.1: Φάσμα Σεισμών Πρώτης Κατηγορίας και Μέσο Φάσμα που προκύπτει από τον μέσο όρο των 10 Φασμάτων Σχήμα 5.2: Φάσμα Σεισμών Δεύτερης Κατηγορίας και Μέσο Φάσμα που προκύπτει από τον μέσο όρο των 10 Φασμάτων Σχήμα 5.3: Φάσμα Σεισμών Τρίτης Κατηγορίας και Μέσο Φάσμα που προκύπτει από τον μέσο όρο των 10 Φασμάτων Σχήμα 6.1: Μέγιστη Συνολικη Μετατόπιση, Δεξια φαίνεται η Μετατόπιση για διέγερση στον άξονα Χ ενώ Αριστερά για διέγερση στον Άξονα Υ. Οι χρωματικες διαβαθμίσεις ορίζονται από την τιμή της μετατόπισης ακολουθώντας τον κανόνα οτι το Μπλέ Χρώμα να συμβολίζει την Μηδενικη Μετατόπιση και το Κόκκινο Χρώμα την Μέγιστη Συνολικη Μετατόπιση Σχήμα 6.2: Διεύθυνση Χ: Μέγιστες Τάσεις για Δυναμική Φασματική Όψη του Εσωτερικού Δομήματος Σχήμα 6.3: Διεύθυνση Χ: Μέγιστες Τάσεις για Δυναμική Φασματική Τομή του Εσωτερικού Δομήματος Σχήμα 6.4: Διεύθυνση Υ: Μέγιστες Τάσεις για Δυναμική Φασματική Όψη του Εσωτερικού Δομήματος Σχήμα 6.5: Διεύθυνση Υ: Μέγιστες Τάσεις για Δυναμική Φασματική τομή του Εσωτερικού Δομήματος Σχήμα 6.6: Μέγιστη Απόκριση σε επίπεδο Μετατοπίσεων του Εσωτερικού Δομήματος και του Μηχανολογικού Εξοπλισμού απο Δυναμική Φασματική Ανάλυση στην Κατεύθυνση Χ. Φαίνεται ότι η απόκριση του Μηχανολογικού Εξοπλισμού Σχήμα 6.7: Λεπτομέρεια απόκρισης εύκαμπτου μέρους της Σωλήνωσης Σχήμα 6.8: Μέγιστη Απόκριση του Εσωτερικού Δομήματος και του Μηχανολογικού Εξοπλισμού απο Δυναμική Φασματική Ανάλυση στην Κατεύθυνση Υ Σχήμα 6.9:Δυναμική Φασματική Απόκριση του Συστήματος Σωλήνωσης για Τάση Von Misses, για διέγερση στην διεύθυνση Χ Σχήμα 6.10:Δυναμική Φασματική Απόκριση του Συστήματος Σωλήνωσης για Τάση Von Misses, για διέγερση στην διεύθυνση Υ vi

8 Σχήμα 6.11: Χρονοϊστορία μέγιστης μετατόπισης κορυφής για κατεύθυνση Χ (Επάνω) και κατεύθυνση Υ (κάτω) για την Σεισμική διέγερση ChiChi Tm Σχήμα 6.12: Χρονοϊστορία Επιτάχνυνσης Κορυφής για κατεύθυνση Χ (Επάνω) και κατεύθυνση Υ (κάτω) για την Σεισμική διέγερση ChiChi T m Σχήμα 6.13: Χρονοϊστορία Επιτάχυνσης του Δομήματος στο επίπεδο των αντλιών (Επάνω), επιτάχυνση πάνω στο σύστημα σωλήνωσης (Μεσαίο διάγραμμα), και στην βάση (Κάτω) για την Σεισμική διέγερση ChiChi Tm Σχήμα 6.14: Χρονοϊστορία μέγιστης μετατόπισης κορυφής για κατεύθυνση Χ (Επάνω) και κατεύθυνση Υ (κάτω) για την Σεισμική διέγερση Kobe Tm Σχήμα 6.15: Χρονοϊστορία Επιτάχνυνσης Κορυφής για κατεύθυνση Χ (Επάνω) και κατεύθυνση Υ (κάτω) για την Σεισμική διέγερση Kobe Tm Σχήμα 6.16: Χρονοϊστορία Επιτάχυνσης του Δομήματος στο επίπεδο των αντλιών (Επάνω), επιτάχυνση πάνω στο σύστημα σωλήνωσης (Μεσαίο διάγραμμα), και στην βάση (Κάτω) για την Σεισμική διέγερση Kobe Tm Σχήμα 6.17: Χρονοϊστορία μέγιστης μετατόπισης κορυφής για κατεύθυνση Χ (Επάνω) και κατεύθυνση Υ (κάτω) για την Σεισμική διέγερση Coalinga Tm Σχήμα 6.18: Χρονοϊστορία Επιτάχνυνσης Κορυφής για κατεύθυνση Χ (Επάνω) και κατεύθυνση Υ (κάτω) για την Σεισμική διέγερση Coalinga Tm Σχήμα 6.19: Χρονοϊστορία Επιτάχυνσης του Δομήματος στο επίπεδο των αντλιών (Επάνω), επιτάχυνση πάνω στο σύστημα σωλήνωσης (Μεσαίο διάγραμμα), και στην βάση (Κάτω) για την Σεισμική διέγερση Coalinga Tm Σχήμα 6.20: Χρονοϊστορία μέγιστης μετατόπισης κορυφής για κατεύθυνση Χ (Επάνω) και κατεύθυνση Υ (κάτω) για την Σεισμική διέγερση ChiChi Tm Σχήμα 6.21: Χρονοιστορία Επιτάχνυνσης Κορυφής για κατεύθυνση Χ (Επάνω) και κατεύθυνση Υ (κάτω) για την Σεισμική διέγερση ChiChi Tm Σχήμα 6.22: Χρονοϊστορία Επιτάχυνσης του Δομήματος στο επίπεδο των αντλιών (Επάνω), επιτάχυνση πάνω στο σύστημα σωλήνωσης (Μεσαίο διάγραμμα), και στην βάση (Κάτω) για την Σεισμική διέγερση Loma Prieta Tm Σχήμα 6.23: Χρονοϊστορία μέγιστης μετατόπισης κορυφής για κατεύθυνση Χ (Επάνω) και κατεύθυνση Υ (κάτω) για την Σεισμική διέγερση Kocaeli Tm Σχήμα 6.24: Χρονοϊστορία Επιτάχνυνσης Κορυφής για κατεύθυνση Χ (Επάνω) και κατεύθυνση Υ (κάτω) για την Σεισμική διέγερση Kocaeli Tm vii

9 Σχήμα 6.25: Χρονοϊστορία Επιτάχυνσης του Δομήματος στο επίπεδο των αντλιών (Επάνω), επιτάχυνση πάνω στο σύστημα σωλήνωσης (Μεσαίο διάγραμμα), και στην βάση (Κάτω) για την Σεισμική διέγερση Kocaeli Tm Σχήμα 6.26: Χρονοϊστορία μέγιστης μετατόπισης κορυφής για κατεύθυνση Χ (Επάνω) και κατεύθυνση Υ (κάτω) για την Σεισμική διέγερση Loma Prieta Τm Σχήμα 6.27: Χρονοϊστορία Επιτάχνυνσης Κορυφής για κατεύθυνση Χ (Επάνω) και κατεύθυνση Υ (κάτω) για την Σεισμική διέγερση Loma Prieta Τm Σχήμα 6.28: : Χρονοϊστορία Επιτάχυνσης του Δομήματος στο επίπεδο των αντλιών (Επάνω), επιτάχυνση πάνω στο σύστημα σωλήνωσης (Μεσαίο διάγραμμα), και στην βάση (Κάτω) για την Σεισμική διέγερση Loma Prieta Tm Ευρετήριο Πινάκων Πίνακας 1.1: Ενεργοί Πυρηνικοί Σταθμοί παραγωγής Ενέργειας σε σχέση με τον τύπο του Αντιδραστήρα σε απόλυτα νούμερα και ισχύ παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. (IAEA,2015)... 6 Πίνακας 4.1 Ιδιότητες σκυροδέματος C30/ Πίνακας 4.2: Ιδιότητες χάλυβα: S Πίνακας 5.1: Κατηγορίες Επιταχυνσιογραφημάτων ανάλογα με την Μέση Περίοδο Πίνακας 5.2: Πρώτη κατηγορία Σεισμών βάση κατηγοριοποίησης Μέσης Περιόδου Πίνακας 5.3: Δεύτερη Κατηγορία Σεισμών βάση κατηγοριοποίησης Μέσης Περιόδου.58 Πίνακας 5.4: Τρίτη κατηγορία Σεισμών βάση κατηγοριοποίησης Μέσης Περιόδου Πίνακας 6.1: Μέγιστες τάσεις στο Σύστημα Σωληνώσης από ανάλυση χρονοϊστορίας για την διεύθυνση Χ και τους Υψηλόσυχνους Σεισμούς (Πρώτη ομάδα) Πίνακας 6.2: Μέγιστες τάσεις στο Σύστημα Σωληνώσης από ανάλυση χρονοϊστορίας για την διεύθυνση Υ και τους Υψηλόσυχνους Σεισμούς (Πρώτη ομάδα) Πίνακας 6.3: Μέγιστες τάσεις στο Σύστημα Σωληνώσης από ανάλυση χρονοϊστορίας για την διεύθυνση Χ και τους Μεσόσυχνους Σεισμούς (Δεύτερη ομάδα) Πίνακας 6.4: Μέγιστες τάσεις στο Σύστημα Σωληνώσης από ανάλυση χρονοϊστορίας για την διεύθυνση Υ και τους Μεσόσυχνους Σεισμούς (Δεύτερη ομάδα) viii

10 Πίνακας 6.5: Μέγιστες τάσεις στο Σύστημα Σωληνώσης από ανάλυση χρονοϊστορίας για την διεύθυνση Χ και τους Χαμηλόσυχνους Σεισμούς (Τρίτη ομάδα) Πίνακας 6.6: Μέγιστες τάσεις στο Σύστημα Σωληνώσης από ανάλυση χρονοϊστορίας για την διεύθυνση Χ και τους Χαμηλόσυχνους Σεισμούς (Τρίτη ομάδα) ΠΕΡΙΛΗΨΗ Τίτλος: Μελέτη της σεισμικής απόκρισης του μηχανολογικού εξοπλισμού στο εσωτερικό δόμημα πυρηνικού αντιδραστήρα. Οι πυρηνικοί σταθμοί παραγωγής ενέργειας είναι μία αξιόπιστη και αποτελεσματική πηγή ενέργειας για τις σύγχρονες βιομηχανοποιημένες κοινωνίες οι οποίες παράλληλα με την οικονομική ανάπτυξη επιδιώκουν μειωμένες εκπομπές CO 2. Ο δικαιολογημένος σκεπτικισμός απέναντι στην πυρηνική ενέργεια από μια μεγάλη πλειοψηφία της κοινής γνώμης βασίζεται στο γεγονός ότι οι συνέπειες ακόμα και ενός μικρής κλίμακας πυρηνικού ατυχήματος, το οποίο έχει ως αποτέλεσμα την απελευθέρωση ραδιενεργών υλικών στην ατμόσφαιρα και τον χώρο περιμετρικά του εργοστασίου είναι πολύ μεγάλες. Για τον λόγο αυτό λαμβάνονται πολλά μέτρα προφύλαξης και αξιολογούνται πολλές οριακές καταστάσεις λειτουργίας στον σχεδιασμό του Κτηρίου Περιορισμού με στόχο την ελαχιστοποίηση του κινδύνου ακόμα και για ακραία φαινόμενα όπως είναι η η αλληλεπίδραση εδάφους θεμελίωσης κατασκευής. Σε αυτή την εργασία, μελετάται η απόκριση των εσωτερικών συστημάτων ενός πυρηνικού αντιδραστήρα πεπιεσμένου ύδατος. Πιο συγκεκριμένα εξετάζεται η συμπεριφορά των εσωτερικών συστημάτων τα οποία είναι ζωτικής σημασίας για την κανονική λειτουργία, όπως είναι το κύριο σύστημα ψύξης το οποίο αποτελείται τους εναλλάκτες/ατμοπαραγωγούς τις αντλίες και το κύριο σύστημα σωληνώσεων το οποίο συνδέει τα μηχανολογικά στοιχεία. Η κατασκευή που υποστηρίζει τον μηχανολογικό εξοπλισμό είναι ένα τοιχωματικό στατικό σύστημα από συμβατικά οπλισμένο σκυρόδεμα, η οποία προσομοιώνεται με ix

11 πεπερασμένα στοιχεία στερεού σώματος (Solid Elements) ενώ ο μηχανολογικός εξοπλισμός και το σύστημα σωληνώσεων προσομοιώνεται με στοιχεία κελύφους (Shell Elements). Προσομοιώνεται επίσης το εδαφικό προφίλ με τρισδιάστατα στοιχεία στερεού σώματος θεωρώντας δυνατή την ανάπτυξη φαινομένων γεωμετρικής μη γραμμικότητας όπως ολίσθηση τριβής και λικνισμό και ανασήκωση-αποκόλληση στην διεπιφάνεια θεμελίωσης. Το σύστημα διεγείρεται με επιλεγμένες σεισμικές διεγέρσεις από τη βάση δεδομένων PEER-NGA, και η σεισμική καταπόνηση αξιολογείται με βάση την αναπτυσσόμενη σεισμική τάση στο σύστημα σωληνώσεων. Αποδεικνύεται ότι η εμφάνιση μη γεωμετρικά γραμμικών φαινομένων όπως η ανασήκωση, η οποία συμβαίνει ακόμα και για μέτριας έντασης, χαμηλόσυχνες διεγέρσεις μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση μεγίστων για τις τάσεις στις γωνίες του συστήματος σωληνώσεων τα οποία θα μπορούσαν να θέσουν σε κίνδυνο την λειτουργία του εργοστασίου και τα οποία μειώνουν την ασφάλεια του συστήματος συνολικά Λέξεις κλειδιά: Σεισμική αξιολόγηση, Πυρηνικοί Σταθμοί Παραγωγής Ενέργειας, Κτήριο Περιορισμού, Μηχανολογικός Εξοπλισμός, Αλληλεπίδραση Εδάφους Κατασκευής, Σωληνώσεις, Γεωμετρική μη-γραμμικότητα. x

12 ABSTRACT Title: Seismic Evaluation of Mechanical Components and Piping inside a Nuclear Power Plant Containment Building Nuclear power plants are a reliable and efficient source of power for modern industrialized societies that pursue both economic growth reduced CO 2 emissions. There is, of course, much public skepticism regarding the consequences of even a minor nuclear accident, as that would result in the release of radioactive materials in the atmosphere as well as in the surrounding environment. For this reason, many precautionary measures are taken and limit states are assessed in the design of the containment structure in order to minimize risk even for extreme events, such as earthquake induced motions and soil-structure-interaction phenomena. In this work, we study the response of the internal sub-systems within a nuclear reactor facility that are associated with power generation. More specifically, the safety systems which are critical for normal operation such as the main cooling system, the steam generators and the emergency cooling injection tanks along with the piping connecting them all are studied. Basically, the internal structure is a R/C wall structural system that is modeled with solid quadrilateral finite elements, while the mechanical components are modeled with shell finite elements, as is the piping network system The underlying soil profile is also modeled with three-dimensional elements, considering geometrical nonlinearities (i.e., frictional sliding, rocking and complete separation) at the soil-foundation interface. The above soil-structure-inner support-equipment system is excited with a series of carefully selected, PEER-NGA retrieved earthquake ground motions and the seismic demand is assessed on the basis of stress in critical components. It is shown that the abrupt uplift that may take place even for moderate intensity, low mean frequency earthquake ground motions in case containment structures resting on soft soils may produce peaks in the elbow strain that could potentially jeopardize the operation of the containment building and the safety of the system as a whole. Keywords: Seismic Evaluation; Nuclear Power Plants; Containment Building; Mechanical Components; Piping; Soil-Structure-Interaction; 3D FEM xi

13 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από την ενέργεια που απελευθερώνεται από την σχάση πυρήνων είναι μια διαδικασία η οποία χρησιμοποιείται εδώ και 60 χρόνια από την ανθρωπότητα με τα αρκετά οφέλη της σε σχέση με τους υπόλοιπους συμβατικούς τρόπους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από την καύση υδρογονανθράκων η γαιανθράκων. Τα προτερήματα της πυρηνικής τεχνολογίας είναι αρκετά, η λειτουργία ενός πυρηνικού σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, συνεπάγεται μηδενική εκπομπή αέριων ρίπων στην ατμόσφαιρα σε αντίθεση με τους συμβατικούς σταθμούς οι οποίοι αναπόφευκτα οδηγούν σε ρύπανση του περιβάλλοντος το λιγότερο με διοξείδιο του άνθρακα. Παράλληλα, η αποφυγή της χρήσης ορυκτών καυσίμων ανεξαρτητοποιεί την παραγωγή ενέργειας από τις χώρες οι οποίες ουσιαστικά εξορύσσουν αυτά τα καύσιμα, ενώ παράλληλα δίνει την δυνατότητα να κατασκευαστούν οι μονάδες παραγωγής σε οποιαδήποτε απόσταση από τα λατομία εξόρυξης του καυσίμου, δίνοντας την δυνατότητα να γίνει σχεδιασμός ανάλογα με τις ανάγκες του συστήματος και όχι εκεί όπου υπάρχει το καύσιμο. Οι εξαιρετικά μεγάλες επιπτώσεις όμως που έχει το παραμικρό ατύχημα το οποίο θα έχει ως αποτέλεσμα την απελευθέρωση στο περιβάλλον ραδιενεργών στοιχείων, έχουν αποτέλεσμα την ανάγκη για να γίνει σχεδιασμός του εργοστασίου με όσο το δυνατόν πιο λεπτομερείς αναλύσεις για την ελαχιστοποίηση των όποιων αβεβαιοτήτων μπορεί να οδηγήσουν σε αστοχία. Επομένως για την ανάλυση και κατασκευή των πυρηνικών εργοστασίων χρησιμοποιείται η αιχμή της τεχνολογίας κάθε εποχής. Χρησιμοποιούνται εργαλεία ανάλυσης και μεθοδολογίες οι οποίες θεωρούνται υπερβολικές για συνηθισμένης σημαντικότητας κατασκευές. Όμως αυτό δεν σημαίνει ότι τα αποτελέσματα από την ανάλυση ειδικών κατασκευών και τα συμπεράσματα που βγαίνουν δεν έχουν εφαρμογή παρά μόνο σε αυτές τις ειδικές κατασκευές. Αντίθετα, τα υπολογιστικά 1

14 εργαλεία που παράγονται από αυτή την διαδικασία και τα γενικότερα συμπεράσματα, έχουν εφαρμογές και βελτιώνουν την ποιότητα όλων των κατασκευών (ΙΑΕΑ, n.d.). 1 ΠΥΡΗΝΙΚΟΙ ΣΤΑΘΜΟΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Αντίστοιχα με τους συμβατικούς θερμοηλεκτρικούς σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας η ηλεκτρική ενέργεια στους πυρηνικούς σταθμούς παραγωγής ενέργειας παράγεται μέσω της θέρμανσης και ατμοποίησης νερού, ο ατμός που παράγεται στη συνέχεια να μεταφέρεται μέσω αγωγών και θέτει σε κίνηση στροβίλους η κίνηση των οποίων ενεργοποιεί κάποια επαγωγικές γεννήτριες ηλεκτρικού ρεύματος, μετατρέποντας με αυτό τον τρόπο την θερμική ενέργεια, σε ηλεκτρική. Σχήμα 1.1: Σχηματική απεικόνιση Πυρηνικού Σταθμού Παραγωγής Ενέργειας Πεπιεσμένου Ύδατος. 1.1 Αλυσιδωτή Αντίδραση. Η παραπάνω διαδικασία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από θερμική για να λειτουργήσει απαιτεί προφανώς μια πηγή θερμότητας, η οποία στα συμβατικά εργοστάσια είναι η καύση κάποιου ορυκτού καύσιμου όπως ο λιγνίτης το πετρέλαιο η το φυσικό αέριο, ενώ αντίστοιχα για τα πυρηνικά εργοστάσια, η πηγή θερμότητας είναι η θερμότητα που εκλύεται από την αλυσιδωτή αντίδραση σχάσης πυρήνων 2

15 στοιχείων μεγάλου ατομικού αριθμού όπως το Ουράνιο και το Πλουτώνιο, τα οποία και ονομάζονται πυρηνικά καύσιμα. Η αλυσιδωτή αντίδραση ξεκινάει όταν βομβαρδιστεί το πυρηνικό καύσιμο με νετρόνια, τα νετρόνια διασπούν τους μεγάλους πυρήνες σε μικρότερους σε μια διαδικασία που ονομάζεται σχάση και αποτέλεσμα της είναι να απελευθερώνεται θερμότητα, μικρότεροι πυρήνες, και να απελευθερώνονται επιπλέον νετρόνια τα οποία διασπούν άλλους πυρήνες του αρχικού καυσίμου. Επειδή τα νετρόνια που απελευθερώνονται από την σχάση είναι μεγάλης ταχύτητας, για να αυξηθούν οι πιθανότητες σύγκρουσης με άλλους πυρήνες και για να συντηρηθεί η αλυσιδωτή αντίδραση χρησιμοποιείται κάποιος επιβραδυντής (moderator) ο οποίος περιβάλλει τα πυρηνικά καύσιμα. Ο τύπος του επιβραδυντή καθορίζει τον σχεδιασμό του πυρηνικού αντιδραστήρα αλλά και το πυρηνικό καύσιμο, οι επιβραδυντές που χρησιμοποιούνται συνήθως είναι το Ελαφρύ Υδωρ (H 2 O), Βαρύ Ύδωρ ( 2 H 2 O) και ο Γραφίτης (Williams, 2001). 1.2 Έλεγχος της διαδικασίας Είναι απόλυτα απαραίτητο η αλυσιδωτή αντίδραση να είναι πλήρως ελεγχόμενη και να μπορεί να σταματήσει η να περιοριστεί από τους χειριστές του εργοστασίου ανά πάσα στιγμή. Για τον σκοπό αυτό υπάρχει σύστημα ελέγχου το οποίο αποτελείται στην πιο απλή του μορφή από υλικά που απορροφούν τα νετρόνια που παράγονται από την σχάση αποτρέποντας τα από το να συνεχίσουν την διαδικασία σχάσης. Η υλοποίηση του συστήματος ελέγχου γίνεται με ράβδους η πλάκες κάποιου υλικού όπως το Βόριο η το Άφνιο οι οποίες εισάγονται ανάμεσα στις ράβδους του πυρηνικού καυσίμου μέσα στον αντιδραστήρα και ανάλογα με την τοποθέτηση τους περιορίζουν η σταματάνε πλήρως την αλυσιδωτή αντίδραση Για αντιδραστήρες Πεπιεσμένου Ύδατος, υπάρχει η δυνατότητα του ελέγχου της αντίδρασης εισάγοντας Βόριο στο νερό που χρησιμοποιείται στο κύκλωμα ψύξης, το βόριο απορροφάει ένα μέρος από τα νετρόνια και η μεταβολή στην συγκέντρωσή του δίνει την δυνατότητα στους χειριστές του σταθμού να ελέγχουν την ένταση της αλυσιδωτής αντίδρασης που συμβαίνει στον αντιδραστήρα (NRC: Glossary -- Control rod, n.d.). 3

16 1.3 Αντιδραστήρας Η αλυσιδωτή αντίδραση συμβαίνει στις ράβδους του καυσίμου μέσα στον αντιδραστήρα και παράγει την θερμική ενέργεια για την λειτουργία του εργοστασίου. Ο αντιδραστήρας αποτελείται από τις ράβδους του καυσίμου και τον επιβραδυντή (moderator) και περικλείεται από μεταλλικό περίβλημα το οποίο τον απομονώνει από το περιβάλλον. Η θερμική ενέργεια απομακρύνεται συνεχώς από τον αντιδραστήρα με κάποιο σύστημα ψύξης το οποίο άμεσα η έμμεσα παράγει ατμό ο οποίος θα χρησιμοποιηθεί στη συνέχεια για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Ο τρόπος με τον οποίον παράγεται ο ατμός καθώς και ο τρόπος και το υλικό με το οποίο γίνεται η απαγωγή της θερμότητας ορίζει τις διαφορετικές τεχνολογικές εφαρμογές πυρηνικών αντιδραστήρων που λειτουργούν, κατασκευάζονται η σχεδιάζονται αυτή τη στιγμή ώστε να κατασκευαστούν στο μέλλον σε κάποιες βασικές κατηγορίες οι οποίες είναι: Αντιδραστήρες Ύδατος: Αντιδραστήρες Ζέοντος Ύδατος (Boiling Water Reactor) Αντιδραστήρες Πεπιεσμένου Ύδατος (Pressurized Water Reactors) Αντιδραστήρες Πεπιεσμένου Βαρέως Ύδατος (Pressurized Heavy Water Reactors) Αντιδραστήρες Ύδατος με επιβραδυντή Γραφίτη Αντιδραστήρες Αεριόψυκτοι (Gas Cooled Reactors) Αντιδραστήρες Ταχέων Νετρονίων (Fast Breeder Reactors) Οι αντιδραστήρες ύδατος δεύτερης η τρίτης γενιάς είναι αυτοί που κατά κανόνα χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ενέργειας αυτή τη στιγμή, με πάνω από το 95% της παραγωγής να προέρχεται από αυτούς, οι αεριόψυκτοι αντιδραστήρες ακολουθούν με κάποιο μερίδιο περίπου στο 2% ενώ οι αντιδραστήρες ταχέων νετρονίων χρησιμοποιούνται ελάχιστα προς το παρόν αλλά συγκεντρώνουν μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον όσον αφορά την ανάπτυξη της τέταρτης γενιάς πυρηνικών αντιδραστήρων, οι οποίοι αναμένεται να έχουν μικρότερο μέγεθος, πολύ μεγάλο επίπεδο ασφάλειας, και αναμένεται να είναι οικονομικά ανταγωνιστικοί σε εφαρμογές όπου υπάρχει μικρή η μέση ανάγκη για ηλεκτρική ενέργεια. 4

17 Σχήμα 1.2: Γενιές Πυρηνικών Σταθμών Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας (Wikipedia, n.d.). 1.4 Παραγωγή Ατμού Όπως αναφέρθηκε η θερμική ενέργεια από την σχάση των πυρηνικών καυσίμων κατά την λειτουργία του εργοστασίου μεταφέρεται μέσω του συστήματος ψύξης του αντιδραστήρα και χρησιμοποιείται ώστε να δημιουργηθεί ατμός ο οποίος θα χρησιμοποιηθεί στη συνέχεια για να θέσει σε λειτουργία γεννήτριες παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος μέσω στροβίλου. Η διαδικασία της παραγωγής ατμού για τους αντιδραστήρες ζέοντος ύδατος γίνεται ταυτόχρονα με την ψύξη του αντιδραστήρα, ο ατμός παράγεται δηλαδή μέσα στο μεταλλικό κέλυφος που περικλείει τις ράβδους του καυσίμου ενώ για τους αντιδραστήρες πεπιεσμένου ύδατος χρησιμοποιείται ένα κύκλωμα ύδατος σε πίεση, ώστε να μην έρχεται σε βρασμό, για την ψύξη του αντιδραστήρα, και η παραγωγή του ατμού γίνεται σε ξεχωριστή διάταξη από εναλλάκτες/ατμοπαραγωγούς, οι οποίοι ολοκληρώνουν το σύστημα ψύξης συνδέοντας το πρώτο κύκλωμα του ύδατος υπό πίεση που κυκλοφορεί και ψύχει άμεσα τον αντιδραστήρα, με το δεύτερο κύκλωμα του ύδατος που γίνεται ατμός και θέτει σε κίνηση τους στροβίλους. Η αποσύζευξη των 2 κυκλωμάτων ψύξης για τους αντιδραστήρες πεπιεσμένου ύδατος έχει ως αποτέλεσμα να μην είναι αναγκαία η θωράκιση της αίθουσας όπου στεγάζονται οι στρόβιλοι ως προς την διαρροή ραδιενεργών υλικών καθώς ο ατμός δεν έρχεται σε ευθεία επαφή με το πυρηνικό καύσιμο και κατά συνέπεια δεν είναι 5

18 ραδιενεργός, όμως δημιουργεί μεγαλύτερες ανάγκες για το σύστημα σωληνώσεων, ενώ δημιουργείται η ανάγκη ύπαρξης ατμοπαραγωγών οι οποίοι βρίσκονται κοντά στον αντιδραστήρα με αποτέλεσμα να απαιτούνται μεγαλύτερες διαστάσεις για το κτήριο στέγασης των βασικών πυρηνικών μονάδων (Containment Building). Tα πλεονεκτήματα που έχει όμως η χρήση πεπιεσμένου ύδατος στον αποτελεσματικότερο έλεγχο της αντίδρασης έχουν οδηγήσει στο να κυριαρχήσει έναντι των υλοποιήσεων ζέοντος ύδατος, με τους περισσότερους σταθμούς σε λειτουργία αυτή τη στιγμή να είναι αυτής της τεχνολογίας, παράγοντας και το μεγαλύτερο μέρος της παραγόμενης από πυρηνική, ηλεκτρικής ενέργειας. Πίνακας 1.1: Ενεργοί Πυρηνικοί Σταθμοί παραγωγής Ενέργειας σε σχέση με τον τύπο του Αντιδραστήρα σε απόλυτα νούμερα και ισχύ παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. (IAEA,2015) Reactor Type Reactor Type Descriptive Name Number of Reactors Total Net Electrical Capacity [MW] BWR Boiling Light-Water-Cooled and Moderated Reactor FBR Fast Breeder Reactor GCR Gas-Cooled, Graphite- Moderated Reactor LWGR Light-Water-Cooled, Graphite- Moderated Reactor PHWR Pressurized Heavy-Water- Moderated and Cooled Reactor PWR Pressurized Light-Water- Moderated and Cooled Reactor Total Σχήμα 1.3:Συνολικός Αριθμός ενεργών Πυρηνικών Σταθμών Παραγωγής Ενέργειας.

19 Στα Σχήματα φαίνονται σχηματικά οι κύριοι τύποι σταθμών παραγωγής ενέργειας βάση της τεχνολογίας του αντιδραστήρα, και του συστήματος παραγωγής ατμού. Στο Σχήμα 1.4 φαίνεται η τυπική διάταξη αντιδραστήρα ζέοντος ύδατος (BWR) στην οποία η παραγωγή του ατμού γίνεται μέσα στο μεταλλικό περίβλημα που περιβάλλει τις ράβδους του καυσίμου. Στο Σχήμα 1.5 φαίνεται η διάταξη αντιδραστήρα ύδατος υπό πίεση (PWR), με χαρακτηριστική διαφορά σε σχέση με την πρώτη την ύπαρξη του ατμοπαραγωγού σαν επιπλέον μηχανολογική διάταξη. Στο Σχήμα 1.5 φαίνονται επίσης οι 2 βασικοί τύποι αντιδραστήρων ύδατος υπό πίεση οι οποίοι διαφέρουν ως προς τον σχεδιασμό του αντιδραστήρα καθώς στην πρώτη περίπτωση, αριστερά στο Σχήμα βρίσκονται όλες οι ράβδοι του καυσίμου σε ένα κοινό περίβλημα ενώ στην δεύτερη, δεξιά στο σχήμα η κάθε ράβδος καυσίμου έχει βρίσκεται ουσιαστικά στον δικό της σωλήνα περιορισμού. Η βασική διαφορά όσον αφορά την λειτουργικότητα ανάμεσα στους δύο τύπους αντιδραστήρα είναι ότι για την πρώτη περίπτωση, η αντικατάσταση των εξαντλημένων ράβδων καυσίμου απαιτεί την διακοπή της λειτουργίας του αντιδραστήρα καθώς πρέπει να ανοιχτεί το αεροστεγές περίβλημα, ενώ για την δεύτερη περίπτωση η αντικατάσταση μίας ράβδου καυσίμου μπορεί να γίνει χωρίς να επηρεάζεται η συνολική λειτουργία του αντιδραστήρα καθώς η κάθε ράβδος είναι πλήρως απομονωμένη από τις υπόλοιπες. Η βασική αυτή διαφορά έχει ως αποτέλεσμα την ύπαρξη μεγάλου αριθμού σωλήνων για την δεύτερη περίπτωση οι οποίοι κυκλοφορούν το νερό για την ψύξη κάθε μίας ράβδου ξεχωριστά κάτι που δημιουργεί ανάγκη για τον σχεδιασμό αυτών τόσο για τις συνθήκες λειτουργίας, όσο για την περίπτωση σεισμού. 7 Σχήμα 1.4: Αντιδραστήρας Ζέοντος Ύδατος (BWR)(Lwrs et al., 2013).

20 Σχήμα 1.5: Αντιδραστήρας Ύδατος Υπό Πίεση (PWR)(Lwrs et al., 2013). 1.5 Ασφάλεια Τα συστήματα ασφαλείας που χρησιμοποιούνται στους πυρηνικούς σταθμούς είναι πολυεπίπεδα. Βασίζονται στην συνύπαρξη καλού μηχανικού σχεδιασμού και υλοποίησης της εγκατάστασης, στον καθορισμό των κινδύνων και αξιολόγηση του βαθμού που μπορεί να επηρεαστεί από αυτούς η λειτουργία του εργοστασίου. Στην εκπαίδευση του προσωπικού που χειρίζεται και παρακολουθεί συνεχώς την διαδικασία παραγωγής ενέργειας και στον συνεχή προγραμματισμένο έλεγχο για την αξιολόγηση της κατάστασης στην οποία βρίσκονται όλα τα δομικά και μηχανολογικά στοιχεία της εγκατάστασης. Η ομαλή λειτουργία του εργοστασίου προϋποθέτει ότι η ενέργεια που παράγεται από την σχάση του πυρηνικού καυσίμου, απομακρύνεται με κάποιο σύστημα ψύξης και χρησιμοποιείται στη συνέχεια για την παραγωγή ατμού. Στην περίπτωση που σταματήσει για οποιονδήποτε λόγο η ψύξη του αντιδραστήρα, εφόσον συνεχίζεται η αντίδραση θα αναπτυχθούν μεγάλες θερμοκρασίες, οι οποίες μπορεί να καταστρέψουν τα συστήματα ελέγχου και περιορισμού της ραδιενέργειας δημιουργώντας κάποιο πυρηνικό ατύχημα. Το πρώτο μέτρο ασφαλείας επομένως είναι η δυνατότητα που πρέπει να έχουν οι χειριστές του συστήματος για άμεση διακοπή της σχάσης. Αυτό πετυχαίνεται με τις ράβδους ελέγχου και την εισαγωγή κρύου ύδατος με βόριο μέσα στο κύκλωμα ψύξης. 8

21 Με αυτό τον τρόπο, σταματάει η διαδικασία της σχάσης, αλλά συνεχίζει να εκλύεται θερμότητα περίπου 7% αυτής της πλήρους λειτουργίας, από τα πυρηνικά καύσιμα τα οποία παραμένουν ραδιενεργά (decay heat). Σε περίπτωση που χαθεί τελείως κάθε δυνατότητα αποβολής της θερμότητας μέσω κάποιου από τα εφεδρικά συστήματα ψύξης, η θερμότητα που εκλύεται είναι αρκετή ώστε να λιώσει τις ράβδους του καυσίμου, να διαπεράσει την μεταλλική θωράκιση του αντιδραστήρα, και τότε σαν τελευταία γραμμή άμυνας θα πρέπει να συγκρατηθεί μέσα στο κτήριο περιορισμού που περιέχει τον αντιδραστήρα και το σύστημα ψύξης και παραγωγής ατμού. Η διαβάθμιση των συστημάτων ασφαλείας τα οποία περιορίζουν την έκθεση και διασπορά των ραδιενεργών προϊόντων της σχάσης στο περιβάλλον είναι η εξής: 1 ο H δομή των κεραμικών τα οποία περιέχουν τα πυρηνικά καύσιμα και συνθέτουν τις ράβδους του καυσίμου. 2 ο Tο μεταλλικό περίβλημα το οποίο προστατεύει τα πυρηνικά καύσιμα. 3 ο Το μεταλλικό περίβλημα του πυρήνα και όλοι οι αγωγοί του συστήματος ψύξης. 4 ο Το κτήριο περιορισμού (Containment Building) το οποίο συνήθως κατασκευάζεται με προεντεταμένο σκυρόδεμα για λόγους αντοχής αλλά και περιορισμού της ρηγμάτωσης λειτουργίας, είτε από συμβατικά οπλισμένο σκυρόδεμα υπενδεδυμένο με μεταλλική πλάκα ώστε να είναι αεροστεγές. 9

22 Σχήμα 1.6: Συστήματα Περιορισμού των Ραδιενεργών Υλικών. 1.6 Κτήριο Στέγασης του Αντιδραστήρα Το κτήριο στέγασης του αντιδραστήρα στεγάζει και υποστηρίζει τον αντιδραστήρα και τα κύρια μηχανολογικά συστήματα που είναι απαραίτητα για την λειτουργία του, όπως είναι το σύστημα ελέγχου και επιβράδυνσης νετρονίων το δίκτυο των σωληνώσεων του συστήματος ψύξης όπως τις αντλίες κυκλοφορίας του συστήματος αυτού. Ενώ για την περίπτωση των αντιδραστήρων πεπιεσμένου ύδατος, οι οποίοι είναι και η πλειοψηφία, και των εναλλακτών/ατμοπαραγωγών. Τα παραπάνω συστήματα εσωκλείονται από ένα κέλυφος του οποίου ο κύριος σκοπός είναι να περιορίζει την πιθανότητα διαρροής στην ατμόσφαιρα ραδιενεργών υλικών σε περίπτωση που υπάρξει διάρρηξη της συνέχειας του συστήματος ψύξης του αντιδραστήρα αλλά παράλληλα και η προστασία του μηχανολογικού εξοπλισμού κατά την ομαλή λειτουργία από περιβαλλοντικά στοιχεία αλλά και οποιαδήποτε άλλο κίνδυνο του εξωτερικού περιβάλλοντος όπως θα μπορούσε να είναι κάποιο ατύχημα η και επιθετική ενέργεια εναντίον του εργοστασίου. 10

23 Σχήμα 1.7: Πάνω: Όψη κτηρίου περιορισμού κατά την φάση κατασκευής. Κάτω: Όψη της φάσης σκυροδέτησης για την βάση του εσωτερικού του Κτηρίου Περιορισμού (Huterer et al., 1984). 11

24 Σχήμα 1.8:Τοποθέτηση των οπλισμών στη Βάση της Εσωτερικης Κατασκευής (Huterer et al., 1984). Εσωτερική κατασκευή Η εσωτερική κατασκευή κατασκευάζεται από οπλισμένο σκυρόδεμα και βασικός στόχος σχεδιασμού είναι να υποστηρίζει όπως αναφέρθηκε τον μηχανολογικό εξοπλισμό ενώ η χωροταξία επιβάλλεται από την λειτουργικότητα του σταθμού και την ανάγκη για πρόσβαση σε όλους τους χώρους για λόγους συντήρησης και επιθεώρησης, ενώ παράλληλα καλύπτονται όσο το δυνατόν καλύτερα οι ανάγκες θωράκισης από ακτινοβολία των χώρων όπου γίνονται συχνότερα εργασίες με σκοπό την όσο το δυνατότερο μικρότερη έκθεση των εργαζομένων σε αυτή. Οι απαιτήσεις αυτές οδηγούν στην υλοποίηση ενός πλήρως τοιχωματικού στατικού συστήματος με μεταλλικές κατασκευές να συμπληρώνουν ανάγκες για κλίμακες και ορόφους επιθεώρησης των μηχανολογικών εγκαταστάσεων. Εναλλακτικά στατικά συστήματα με σύμμικτα τοιχώματα τα οποία αποτελούνται από έναν πυρήνα οπλισμένου σκυροδέματος ο οποίος ενισχύεται εξωτερικά με φύλλα χάλυβα μελετάται η συμπεριφορά τους, και παρουσιάζεται ερευνητικό ενδιαφέρον σε σχέση με την υλοποίηση τους σε σύγχρονους και μελλοντικούς πυρηνικούς αντιδραστήρες ισχύος (Booth et al., 2015). 12

25 Κέλυφος Όσον αφορά το κέλυφος που περικλείει την εσωτερική κατασκευή κατασκευάζεται συνήθως από προεντεταμένο σκυρόδεμα ενώ το συνολικό μέγεθος του είναι ανάλογο του μεγέθους του εξοπλισμού που περικλείεται αλλά και της αναμενόμενης πίεσης που αναμένεται να αναπτυχθεί σε περίπτωση ατυχήματος διαρροής ατμού. Το σχήμα του κελύφους τείνει να καθιερωθεί σαν κύλινδρος ο οποίος καταλήγει σε σφαιρικό θόλο ενώ παλαιότερες υλοποιήσεις περιελάμβαναν αρκετές διαφοροποιήσεις, από πλήρως σφαιρικές κατασκευές, μέχρι κυβικές. Επίσης σε κάποιες εφαρμογές αντιδραστήρων ζέοντος ύδατος, οι οποίοι έχουν μικρότερες μηχανολογικές απαιτήσεις σε όγκο, υπάρχουν εφαρμογές με μεταλλικό περίβλημα, το οποίο υποστηρίζεται από συμβατικά οπλισμένο σκυρόδεμα. Κρίσιμο στοιχείο στον σχεδιασμό όπως αναφέρθηκε του κτηρίου στέγασης και του κελύφους είναι η ανάγκη για πλήρως αεροστεγή διαχωρισμό του από το περιβάλλον. Όλες οι είσοδοι και ενώσεις των σωληνώσεων που διαπερνάνε το κέλυφος και τα ανοίγματα εσόδου προσωπικού η μηχανημάτων στο χώρο σχεδιάζονται με την λογική του πλήρους διαχωρισμού. Η ατμοσφαιρική πίεση μέσα στο χώρο ελέγχεται και κρατιέται συνήθως σε συνθήκες υποπίεσης η και πλήρους κενού αέρος. Αυτό γίνεται με στόχο την καλύτερη επόπτευση τυχόν διαρροών του συστήματος ψύξης αλλά και την μείωση της αύξησης της εσωτερικής πίεσης σε περίπτωση ατυχήματος σημαντικής διάρρηξης του συστήματος ψύξης το οποίο θα έχει ως αποτέλεσμα την απελευθέρωση ατμού στο εσωτερικό του κελύφους (International Atomic Energy Agency, 1998). Στατικό Σύστημα της ανωδομής Τα δύο στατικά συστήματα που περιγράφηκαν του κτηρίου στέγασης του αντιδραστήρα σχεδιάζονται ώστε να είναι στατικά ανεξάρτητα. Η μοναδική σύνδεση τους συμβαίνει στην βάση όπου πακτώνονται σε κοινή πλάκα οπλισμένου σκυροδέματος μεγάλου πάχους. Περιμετρικά αυτής της πλάκας, η οποία είναι συνήθως κυκλικής κάτοψης, γίνονται οι αγκυρώσεις των τενόντων προέντασης του κελύφους. Θεμελίωση 13

26 Παρ όλη την ανεξαρτησία σχετικής μετακίνησης της εσωτερικής κατασκευής και του κελύφους, η κοινή έδραση και ένωση τους στην πλάκα της βάσης, δημιουργεί μια αλληλεξάρτηση όσον αφορά την γενική συμπεριφορά του κτηρίου στέγασης του αντιδραστήρα συνολικά σε σχέση με την θεμελίωση του στο υποκείμενο έδαφος. Επομένως σε σχέση με το έδαφος θεμελίωσης η απόκριση του δύσκαμπτου και μεγάλης μάζας και διαστάσεων κτηρίου στέγασης του αντιδραστήρα αναμένεται να ενεργοποιήσει φαινόμενα αλληλεπίδρασης εδάφους θεμελίωσης κατασκευής σε ενδεχόμενο σεισμό ειδικά για μαλακότερα εδάφη. Τα οποία ενδεχομένως να συνδυαστούν και με εμφάνιση φαινομένων ανασήκωσης ολίσθησης η λικνισμού, δηλαδή γεωμετρικής μη γραμμικότητας. 1.7 Υλικά κατασκευής. Δομικά στοιχεία Τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή της εσωτερικής κατασκευής του κτηρίου περιορισμού, είναι όσον αφορά το δομικό μέρος, οπλισμένο σκυρόδεμα για τον κυρίως τοιχωματικό στατικό σύστημα της εσωτερικής κατασκευής. Όπως αναφέρθηκε η τοιχωματική κατασκευή εκτός από τον ρόλο της υποστήριξης του μηχανολογικού εξοπλισμού για κατακόρυφα και οριζόντια φορτία, χρησιμεύει και ως ασπίδα ενάντια στην ακτινοβολία προστατεύοντας τους εργαζομένους που βρίσκονται μέσα στο κτήριο. Τα διαφράγματα που ορίζουν και τα επίπεδα όπου βρίσκονται τα μηχανολογικά στοιχεία, υλοποιούνται είτε από πλάκες οπλισμένου σκυροδέματος με πάχος ανάλογο των φορτίων που καλούνται να φέρουν, είτε από δοκούς και δικτυώματα δομικού χάλυβα. Πλαίσια από δομικό χάλυβα χρησιμοποιούνται κυρίως και για την σύνδεση και αγκύρωση του μηχανολογικού εξοπλισμού στον σκελετό από οπλισμένο σκυρόδεμα. Όσον αφορά τον θόλο που περικλείει το εσωτερικό δόμημα είναι συνήθως κατασκευασμένος από προεντεταμένο σκυρόδεμα υψηλής αντοχής. Σε κάποιες 14

27 περιπτώσεις αντιδραστήρων ζέοντος ύδατος στις Ηνωμένες Πολιτείες έχουν κατασκευαστεί θόλοι από φύλλα δομικού χάλυβα τα οποία υποστηρίζονται και από κατασκευή οπλισμένου σκυροδέματος. Σε κάθε περίπτωση η υλοποίηση της σκυροδέτησης του κτηρίου περιορισμού είναι ένα σημαντικό και απαιτητικό στοιχείο του σχεδιασμού, καθώς υπάρχει ανάγκη για σκυροδέτηση μεγάλου όγκου σκυροδέματος, μεγάλη πολυπλοκότητα στην όπλιση αλλά και μεγάλο ποσοστό οπλισμού, ενώ συνήθως υπάρχει και η απαίτηση συνεχόμενης σκυροδέτησης για την αποφυγή αρμού διακοπής εργασιών. Μηχανολογικός εξοπλισμός Όσον αφορά τον μηχανολογικό εξοπλισμό, η επιλογή του υλικού με το οποίο κατασκευάζονται τα διάφορα εξαρτήματα γίνεται με βάση την αντοχή σε διάβρωση και οξείδωση λόγω των χημικών στοιχείων που κυκλοφορούν αλλά και της επιρροής της γήρανσης από την ακτινοβολία. Ενώ παράλληλα είναι απαραίτητη η καλή συμπεριφορά στις θερμοκρασίες λειτουργίας, αλλά και σε περίπτωση αύξησης της θερμοκρασίας που μπορεί είναι αποτέλεσμα κάποιου έκτακτου γεγονότος. Παράλληλα είναι επιθυμητή η χρήση όλκιμων υλικών όπως ο χάλυβας σε σχέση με τον χυτοσίδηρο, για όσα εξαρτήματα δέχονται δυναμικά φορτία, έτσι ώστε να υπάρχει η δυνατότητα να απορροφηθεί η ενέργεια που εισάγεται από τα δυναμικά φορτία που ξεπερνάνε ενδεχομένως την ελαστική αντοχή με πλαστικές παραμορφώσεις και όχι θραύση. Ένα παράδειγμα αυτής της αρχής είναι ο σχεδιασμός του συστήματος σωληνώσεων, το οποίο δέχεται δυναμικά φορτία έτσι και αλλιώς από την λειτουργία και τα υδροδυναμικά φαινόμενα που συμβαίνουν, το οποίο όμως σε περίπτωση σεισμού επιβαρύνεται ακόμα περισσότερο από την σεισμική επιτάχυνση που εισάγεται και αφορά την ταλάντωση της ίδιας της μάζας του, σε συνδυασμό με ενδεχόμενους καταναγκασμούς στις στηρίξεις. Για τον λόγο αυτό χρησιμοποιούνται κράματα χάλυβα με διάφορα υλικά τα οποία προσδίδουν αντοχή σε χημική διάβρωση ενώ ο σχεδιασμός του συστήματος γίνεται με βάση τον ASME Boiler and Pressure Vessel Code (ASME, 2010a) ο οποίος ορίζει την επιτρεπόμενη τάση για ελαστική απόκριση σε κάθε περίπτωση σεισμού η άλλου δυναμικού φορτίου, μέσω του (ASME, 2010b) 15

28 Στην περίπτωση που ξεπεραστεί για οποιοδήποτε λόγο η επιτρεπόμενη τάση, είναι απολύτως ανεπιθύμητη η ψαθυρή και απότομη μορφή αστοχίας, η οποία μπορεί να δημιουργήσει ρήξη στην συνέχεια του αγωγού, αντίθετα η επιθυμητή μορφή αστοχίας είναι η ελεγχόμενη ρηγμάτωση η οποία, εφόσον είναι αποτέλεσμα κόπωσης μέσω της διαρροής που θα έχει ως αποτέλεσμα θα προειδοποιήσει έγκαιρα τους διαχειριστές ώστε να γίνουν οι απαραίτητες εργασίες συντήρησης και αντικατάστασης. Για τους παραπάνω στόχους χρησιμοποιούνται χάλυβες υψηλής αντοχής και πλαστιμότητας 16

29 1.8 Αντισεισμικός Σχεδιασμός Πυρηνικών Εργοστασίων Παραγωγής Ενέργειας Λόγω των εξαιρετικά δυσμενών επιπτώσεων που έχει η παραμικρή διαρροή ραδιενεργών υλικών στην ατμόσφαιρα, η οποία ανάλογα με το μέγεθος της μπορεί να επηρεάσει πολύ μεγάλη περιοχή γύρω από το πυρηνικό εργοστάσιο, ενδεχομένως και σε παγκόσμια κλίμακα, τα μέτρα ασφαλείας που λαμβάνονται είναι πολλά αρκετά από τα οποία έχουν ήδη περιγραφεί. Πιο συγκεκριμένα όσον αφορά τον αντισεισμικό σχεδιασμό Στόχοι Αντισεισμικού Σχεδιασμού. Τα συστήματα που είναι απαραίτητα για την ψύξη του πυρήνα διατηρούνται σε λειτουργία. Υπάρχει η δυνατότητα ασφαλούς απενεργοποίησης του αντιδραστήρα. Οι συνέπειες από μια πιθανή διαρροή ραδιενεργών υλικών παραμένουν σε τοπική κλίμακα. Οι πρώτοι 2 στόχοι υλοποιούνται σε επίπεδο σχεδιασμού του μηχανολογικού εξοπλισμού ο οποίος υποστηρίζει την ψύξη του αντιδραστήρα, ώστε να είναι επαρκής ώστε να μην δημιουργείται κίνδυνος να χαθεί ο έλεγχος του αντιδραστήρα, να μην οδηγηθεί σε υπερθέρμανση ενώ παράλληλα να διατηρείται η δυνατότητα να γίνουν όλες οι ενέργειες ώστε να απενεργοποιηθεί ο αντιδραστήρας, σταματώντας την αλυσιδωτή αντίδραση της σχάσης με τους συμβατικούς τρόπους (ΙΑΕΑ, 2003). Ενώ ο τρίτος στόχος αναφέρεται στην πιθανότητα όπου υπάρχει κάποια ρήξη στην συνέχεια του μηχανολογικού εξοπλισμού και διαρροή ραδιενεργών υλικών, τα οποία θα πρέπει να περιοριστούν στον χώρο του κτηρίου περιορισμού αποφεύγοντας με κάθε τρόπο την απελευθέρωση τους στην ατμόσφαιρα με τις βαριές περιβαλλοντικές επιπτώσεις που αυτό συνεπάγεται. Η τελευταία γραμμή προστασίας απέναντι στην διαρροή αυτών των υλικών είναι το κτήριο που περικλείει τον αντιδραστήρα (Containment Building), το οποίο σχεδιάζεται ώστε να είναι μονωμένο με το περιβάλλον, και να μπορεί να αντέξει τις πιέσεις που θα αναπτυχθούν από την απελευθέρωση του υπό πίεση εντός του κυκλώματος ψύξης ύδατος. 17

30 Η κανονιστική απαίτηση για την συμπεριφορά των πυρηνικών εργοστασίων σε σεισμό ορίζεται σε 2 επίπεδα σεισμού, ανάλογα με την σεισμικότητα της περιοχής, με διαφορετικούς στόχους σεισμικής συμπεριφοράς. Για την πρώτη στάθμη αναφέρεται η απαίτηση το εργοστάσιο να παραμένει λειτουργικό χωρίς κάποια ενόχληση της λειτουργίας (Operation Base Earthquake). Ενώ η δεύτερη στάθμη (Safe Shutdown Earthquake) αναφέρεται σε έναν αρκετά σπάνιας έντασης σεισμό για τα δεδομένα σεισμικότητας της περιοχής, για τον οποίον θα πρέπει να παραμένουν λειτουργικά όλα τα συστήματα ελέγχου και ψύξης του αντιδραστήρα, ώστε να μπορεί να βγει εκτός λειτουργίας με ελεγχόμενο και ασφαλή τρόπο ενώ παράλληλα διατηρούνται λειτουργικά όλα τα συστήματα που είναι αναγκαία για την απομάκρυνση της θερμότητας που συνεχίζει να εκλύεται λόγω ραδιενέργειας μετά την διακοπή της αλυσιδωτής αντίδρασης (Decay Heat). Πιο συγκεκριμένα ορίζεται από την US Nuclear Regulatory Commission (USNRC), ότι ο σεισμός για τον οποίο ισχύει η δεύτερη στάθμη, SSE, σαν ο σεισμός με μέση πιθανότητα ετήσιας υπέρβασης 1x10-5, δηλαδή με περίοδο επαναφοράς 100,000 χρόνων (USNRC,1997). Βασικά στοιχεία εξοπλισμού για την ασφαλή απενεργοποίηση του αντιδραστήρα και γενικότερα εξοπλισμός που θα πρέπει να παραμένει λειτουργικός και άθικτος ορίζονται από (Huang et al., 2007). Ο αντιδραστήρας μαζί με το σύστημα εισαγωγής των ράβδων ελέγχου. Οι ατμοποιητές. Η δεξαμενή ψυκτικού υγρού έκτακτης ανάγκης. Οι σωληνώσεις. Το σύστημα μεταφοράς θερμότητας, δηλαδή το σύστημα ψύξης. Ο γερανός οροφής έκτακτης ανάγκης. 18

31 Σχήμα 1.9: Ισομετρική Τρισδιάστατη Παρουσίαση Κτηρίου Περιορισμού (Containment Building) για Αντιδραστήρα Πεπιεσμένου Ύδατος (PWR). 19

32 2 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΕΔΑΦΟΥΣ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ Σαν αλληλεπίδραση εδάφους θεμελίωσης κατασκευής ορίζεται το φαινόμενο που περιγράφει την αύξηση της ιδιοπεριόδου της κατασκευής λόγω της ενδοσιμότητας του εδάφους θεμελίωσης. Η αλληλεπίδραση αυτή αγνοείται από τους περισσότερους κανονισμούς καθώς γενικά θεωρείται ότι η αύξηση της ιδιοπεριόδου, οδηγεί το σύστημα σε χαμηλότερες περιοχές φασματικής επιτάχυνσης μειώνοντας την σεισμική καταπόνηση, έτσι θεωρείται σαν ένα φαινόμενο το οποίο τελικά αυξάνει τον συντελεστή ασφάλειας της κατασκευής. Σχήμα 2.1: Μονοβάθμιος ταλαντωτής με θεώρηση πάκτωσης στην βάση (Αριστερά) και με θεώρηση εύκαμπτης θεμελίωσης (Δεξιά) η οποία αντιπροσωπεύει το φαινόμενο της Αλληλεπίδρασης Εδάφους Κατασκευής. Η θεώρηση ότι η αύξηση της ιδιοπεριόδου του συστήματος είναι θετική οφείλεται στο γεγονός ότι τα φάσματα που προτείνονται από τους αντισεισμικούς κανονισμούς έχουν τρείς διακριτές περιοχές. Η πρώτη περιοχή είναι αυτή κατά την οποία όσο αυξάνεται η ευκαμψία του συστήματος, αυξάνεται η μέγιστη φασματική επιτάχυνση και κατά συνέπεια η σεισμική τέμνουσα βάσης. Η πρώτη αυτή περιοχή αναφέρεται σε αρκετά δύσκαμπτες κατασκευές με δεσπόζουσα ιδιοπερίοδο κάτω των 0,20 sec για το φάσμα του Ευρωκώδικα 8 και έδαφος κατηγορίας C. H δεύτερη περιοχή είναι το λεγόμενο πλατό στο οποίο η φασματική επιτάχυνση μεγιστοποιείται, σε αυτή την περιοχή βρίσκεται και η πλειοψηφία των συνηθισμένων κατασκευών, οι οποίες έχουν δεσπόζουσα ιδιοπερίοδο 0,20 έως 0,60 sec. Η τρίτη περιοχή του φάσματος 20

33 αναφέρεται σε ιδιοπεριόδους μεγαλύτερες των 0,60 sec και σε αυτήν υπάρχει μείωση της φασματικής μέγιστης επιτάχυνσης όσο αυξάνεται η ιδιοπερίοδος. Επομένως, για κάποια συνηθισμένη κατασκευή για την οποία υπολογίζεται η ιδιοπερίοδος της με την κλασική θεώρηση πάκτωσης στην θεμελίωση, και βρίσκεται στο πλατό του φάσματος, δεχόμενη την μέγιστη φασματική επιτάχυνση και σεισμική τέμνουσα, η ενδεχόμενη αύξηση της ιδιοπεριόδου θα οδηγήσει σε μικρότερες φασματικές επιταχύνσεις. Αυτή η λογική είχε οδηγήσει την επιστημονική κοινότητα αρχικά να θεωρήσει ότι η αλληλεπίδραση έχει πάντα ευεργετική επίδραση για τα σεισμικά φορτία που δέχονται οι κατασκευές. Σχήμα 2.2: Φάσμα του Ευρωκώδικα 8 για κατηγορία εδάφους C. Εκτός όμως από την προφανή παρατήρηση, ότι για δύσκαμπτες κατασκευές οι οποίες βρίσκονται στην πρώτη περιοχή του φάσματος μια ενδεχόμενη αύξηση της ιδιοπεριόδου οδηγεί μάλλον και σε αυξημένα σεισμικά φορτία, καθώς η μετατόπιση οδηγεί προς την περιοχή του πλατό, υπάρχουν και άλλες περιπτώσεις όπου το κανονιστικό φάσμα παρά το γεγονός ότι κατασκευάζεται με συντηρητικές παραδοχές αποδεικνύεται ανεπαρκές σε σχέση με την πραγματική διέγερση. Αυτό συμβαίνει όταν οι σεισμικές διεγέρσεις έχουν έντονα μακροπερίοδα στοιχεία, τα οποία έχουν ως αποτέλεσμα την ενίσχυση της απόκρισης εύκαμπτων κατασκευών 21

34 για τις οποίες το κανονιστικό φάσμα προβλέπει χαμηλότερη διέγερση. Τέτοιες διεγέρσεις είναι αποτέλεσμα μεγάλων και μακρινών σεισμών οι οποίοι κατά την διάδοση τους στο έδαφος φιλτράρονται και τα υψηλόσυχνα μέρη τους αποσβένονται, ενώ τα χαμηλόσυχνα ενισχύονται, με αποτέλεσμα το φάσμα της σεισμικής διέγερσης που φτάνει σε ένα μακρινό πεδίο να μην έχει την μορφή του κανονισμού, το οποίο ορίζεται με βάση πιο κοντινούς και μικρότερης έντασης σεισμούς οι οποίοι βέβαια συμβαίνουν και αρκετά συχνότερα. Σχήμα 2.3: Σύγκριση ενός Τυπικού Φάσματος Αντισεισμικού Κανονισμού, με πραγματικά Φάσματα Σεισμικών διεγέρσεων καταστροφικών σεισμών με έντονα μακροπερίοδα στοιχεία.(mylonakis and Gazetas, 2000). Περιπτώσεις όπως ο σεισμός του Kobe της Ιαπωνίας 1995 και η κατάρρευση της γέφυρας Expressway Hanshin, η οποία θεωρείται ότι τα αυξημένα σεισμικά φορτία που δέχτηκε λόγω της αύξησης της ιδιοπεριόδου του συστήματος λόγω του φαινομένου της αλληλεπίδρασης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.5 συνέβαλλαν στην κατάρρευση της. Τέτοιες περιπτώσεις οδήγησαν στον προβληματισμό σχετικά με το κατά πόσο τελικά το φαινόμενο της αλληλεπίδρασης δρα πάντα ανακουφιστικά σχετικά με τις σεισμικές 22

35 δράσεις στις κατασκευές, και οδήγησαν την επιστημονική κοινότητα στο να το εξετάσει με μεγαλύτερη προσοχή τις πιθανές αρνητικές συνέπειες που προκύπτουν υπό συγκεκριμένες συνθήκες σεισμικής διέγερσης και εδάφους (Mylonakis and Gazetas, 2000) Σχήμα 2.4:Κατάρρευση Γέφυρας Expressway Hansin, Σεισμός Kobe Σχήμα 2.5:Μετατόπιση σε μεγαλύτερη Φασματική Ενίσχυση λόγω Αλληλεπίδρασης Εδάφους Κατασκευής (Τfixed, Tssi) (Πιτιλάκης, 2015). 23

36 2.1 Σκοπός της εργασίας Σκοπός της εργασίας είναι η μελέτη της σεισμικής απόκρισης του μηχανολογικού εξοπλισμού που βρίσκεται στο εσωτερικό δόμημα ενός πυρηνικού αντιδραστήρα ζέοντος ύδατος. Εξετάζεται η επιρροή της εμφάνισης φαινομένων αλληλεπίδρασης εδάφους-θεμελίωσης-κατασκευής καθώς και φαινομένων γεωμετρικής μη γραμμικότητας, τα οποία εμφανίζονται όταν στην διεπιφάνεια θεμελίωσης εδάφους συμβαίνει αποκόλληση η ολίσθηση, η οποία μπορεί να έχει αποτέλεσμα την εμφάνιση φαινομένων λικνισμού. Γίνονται παραμετρικές αναλύσεις εξετάζοντας την επίδραση που έχει το φαινόμενο της αλληλεπίδρασης εδάφους θεμελίωσης κατασκευή, ως προς την απόκριση και την σεισμική καταπόνηση του μηχανολογικού εξοπλισμού που υπάρχει μέσα σε αυτό το κτήριο και κυρίως του συστήματος σωλήνωσης του κύριου συστήματος ψύξης, το οποίο ψύχει άμεσα τον αντιδραστήρα. Και εξασφαλίζει την ασφαλή και ελεγχόμενη λειτουργία του εργοστασίου αλλά και αποτελεί καίριο μέρος του συστήματος έκτακτης ψύξης για την αποφυγή της υπερθέρμανσης του αντιδραστήρα σε περίπτωση ατυχήματος. Η μεγάλη σημαντικότητα της καλής λειτουργίας των πυρηνικών εργοστασίων παραγωγής ενέργειας για κάθε είδους φόρτιση η οποία μπορεί να συμβεί στον χρόνο ζωής της κατασκευής, οδηγεί στην ανάγκη για να γίνουν αναλύσεις με όσο το δυνατόν περισσότερη λεπτομέρεια. Για αυτό τον λόγο υιοθετούνται μέθοδοι ανάλυσης οι οποίες θεωρούνται υπερβολικές και χρονοβόρες για τον σχεδιασμό συμβατικών κατασκευών. Αυτό όμως δε σημαίνει ότι τα συμπεράσματα που προκύπτουν ερευνώντας με μεγαλύτερη λεπτομέρεια κάποια φαινόμενα δεν μπορεί να έχουν εφαρμογή, παρά μόνο σε πολύ ειδικές κατασκευές όπως αυτή που εξετάζεται. Αντίθετα, μέσω της κατανόησης των μηχανισμών αστοχίας για τα στατικά συστήματα, των οριακών καταστάσεων για τα υλικά αλλά και μέσω της ανάπτυξης μεθόδων επίλυσης και αντίστοιχων υπολογιστικών εργαλείων, τα οποία να συμβαδίζουν με την ραγδαία ανάπτυξη της ισχύος των προσωπικών υπολογιστών τα τελευταία χρόνια, να μπορούν στη συνέχεια τα αποτελέσματα των χρονοβόρων πρωτογενών αναλύσεων, να χρησιμοποιηθούν για να υλοποιούνται ευκολότερα πιο 24

37 λεπτομερείς από τις συνηθισμένες συμβατικές αναλύσεις. Το αποτέλεσμα είναι να βελτιώνεται η ποιότητα, η ασφάλεια αλλά και η οικονομία στον σχεδιασμό συνηθισμένης σημαντικότητας κατασκευών. Στόχος της εργασίας λοιπόν, είναι η διερεύνηση της επιρροής φαινομένων αλληλεπίδρασης εδάφους θεμελίωσης κατασκευής, αλλά και την ενδεχόμενη εμφάνιση φαινομένων ανασήκωσης στην θεμελίωση, ολίσθησης και λικνισμού. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω παραμετρικής ανάλυσης. Η παραμετρική ανάλυση γίνεται σε τέσσερα βήματα και ανάλογες υποθέσεις. Η πρώτη ανάλυση είναι η δυναμική φασματική ανάλυση της εσωτερικής κατασκευής και του υποστηριζόμενου μηχανολογικού εξοπλισμού, αυτή η ανάλυση είναι ένα πρώτο βήμα για την διερεύνηση της σεισμικής απόκρισης οποιουδήποτε στατικού συστήματος, οπότε και αποτελεί οδηγό κατά κάποιο τρόπο για την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων των υπολοίπων αναλύσεων. Χρησιμοποιείται το σεισμικό φάσμα του Ευρωκώδικα 8, για έδαφος Κατηγορίας C για σεισμική επιτάχυνση ag=0.36 g. Η δεύτερη ανάλυση περιλαμβάνει γραμμική ανάλυση ιδιομορφικής ολοκλήρωσης χρονοϊστορίας με θεώρηση πάκτωσης στην βάση του κτηρίου, η ανάλυση χρονοϊστορίας γίνεται για 30 πραγματικές καταγραφές σεισμικών διεγέρσεων κατάλληλα προσαρμοσμένες για να αντιπροσωπεύουν επιτάχυνση ag=0.36 g. Η ανάλυση αυτή έχει ως στόχο να ορίσει την απόκριση του συστήματος χωρίς την επιρροή των φαινομένων αλληλεπίδρασης, αλλά ούτε και της εδαφικής ενίσχυσης. Ουσιαστικά είναι ισοδύναμη με την θεώρηση ότι το σύστημα θεμελιώνεται απευθείας στο βραχώδες υπόβαθρο με ακλόνητη θεμελίωση, πλήρως πακτωμένη με το έδαφος. Για την τρίτη ανάλυση γίνεται πάλι γραμμική ιδιομορφική ολοκλήρωση χρονοϊστορίας επιτάχυνσης, με χρονοϊστορίες οι οποίες συμπεριλαμβάνουν φαινόμενα αλληλεπίδρασης εδάφους θεμελίωσης κατασκευής. Οι χρονοϊστορίες που χρησιμοποιούνται βασίζονται στις 30 προηγούμενες οι οποίες όμως έχουν αναλυθεί σε δεύτερο προσομοίωμα το οποίο περιλαμβάνει την συνολική κατασκευή, δηλαδή την εσωτερική κατασκευή μαζί με τον μηχανολογικό εξοπλισμό, το κέλυφος και την βάση, το έδαφος και την αλληλεπίδραση του με την κατασκευή, αλλά και την εδαφική ενίσχυση. 25

38 Η τέταρτη ανάλυση γίνεται με παρόμοιο τρόπο με την τρίτη, όμως αυτή την φορά στο δεύτερο προσομοίωμα ο νόμος που ορίζει την διεπιφάνεια θεμελίωσης εδάφους είναι νόμος τριβής, και επιτρέπεται η σχετική ολίσθηση αλλά και η ανασήκωση. Πάλι οι αναλύσεις γίνονται ελαστικά για το προσομοίωμα της εσωτερικής κατασκευής εισάγοντας χρονοϊστορίες επιτάχυνσης από το δεύτερο προσομοίωμα στο οποίο έχει προηγηθεί μη γραμμική ανάλυση. Παραμετρική ανάλυση Case A: Δυναμική φασματική ανάλυση για το φάσμα του Ευρωκώδικα 8. Case B: Γραμμική ανάλυση ιδιομορφικής ολοκλήρωσης χρονοϊστορίας με θεώρηση πάκτωσης στην θεμελίωση. Case C: Γραμμική ανάλυση ιδιομορφικής ολοκλήρωσης χρονοϊστορίας η οποία περιέχει φαινόμενα αλληλεπίδρασης εδάφους θεμελίωσης κατασκευής. Case D: Γραμμική ανάλυση ιδιομορφικής ολοκλήρωσης χρονοϊστορίας η οποία περιέχει φαινόμενα αλληλεπίδρασης εδάφους θεμελίωσης κατασκευής και γεωμετρικής μη γραμμικότητας. Σχήμα 2.6:Όψη των 2 Αριθμητικών Προσομοιωμάτων που χρησιμοποιήθηκαν Δεξιά είναι το προσομοίωμα της Εσωτερικής Κατασκευής και του Μηχανολογικού Εξοπλισμού και Δεξια το προσομοίωμα της συνολικής κατασκευής και του υποκειμένου Εδάφους. 26

39 3 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΟΥ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΑΤΟΣ Το κτήριο που αναλύθηκε αναφέρεται σε έναν σύγχρονο πυρηνικό αντιδραστήρα πεπιεσμένου ύδατος τύπου CANDU. Δηλαδή έναν πυρηνικό αντιδραστήρα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας πεπιεσμένου ύδατος ο οποίος χρησιμοποιεί βαρύ ύδωρ σαν επιβραδυντή. Η ιδιαιτερότητα της κατασκευής του είναι ότι χρησιμοποιεί πολλές παράλληλες ράβδους καυσίμου οι οποίες συνδέονται η κάθε μία με ξεχωριστή σωλήνωση με το σύστημα ψύξης, μια ιδιαιτερότητα η οποία δίνει την δυνατότητα στον αντιδραστήρα να μην είναι απαραίτητο να βγει εκτός λειτουργίας για να γίνει η αντικατάσταση των εξαντλημένων ράβδων καυσίμου οπότε η λειτουργία του παραμένει συνεχής για όσο χρόνο επιλέγει ο διαχειριστής του συστήματος. Αυτό το χαρακτηριστικό όμως έχει ως αποτέλεσμα την ανάγκη για ύπαρξη ενός εκτεταμένου δικτύου σωληνώσεων μικρής σχετικά διαμέτρου οι οποίες διαπερνάνε τον αντιδραστήρα, καθώς και την ανάγκη για ύπαρξη κάποιου συλλέκτη και αντίστοιχα διανομέα ο οποίος να συγκεντρώνει και να μοιράζει το ψυκτικό υγρό από τις σωληνώσεις μικρής διαμέτρου στις σωληνώσεις οι οποίες καταλήγουν στους ατμοπαραγωγούς οι οποίες είναι μεγαλύτερης διαμέτρου. Ο λόγος που επιλέχτηκε ο συγκεκριμένος τύπος αντιδραστήρα για τις αναλύσεις είναι ακριβώς για να μελετηθεί η επιρροή των σεισμικών φορτίων σε ένα σχετικά περίπλοκο σύστημα σωληνώσεων το οποίο όμως λόγω της μεγάλης σημαντικότητας του να πρέπει να έχει πολύ καλή και ελεγχόμενη συμπεριφορά σε σεισμό και κατά συνέπεια να απαιτείται λεπτομερής ανάλυση αυτής της συμπεριφοράς. Πέρα από αυτή την ιδιαιτερότητα που έχει σχέση με την γεωμετρία του βασικού συστήματος ψύξης του αντιδραστήρα, τα υπόλοιπα στοιχεία της γεωμετρίας και χωροταξίας του κτηρίου περιορισμού είναι παρόμοια με κάθε άλλο αντιδραστήρα πεπιεσμένου ύδατος. Αρκετά στοιχεία για την κατασκευή του προσομοιώματος, κυρίως όσον αφορά την χωροταξία του μηχανολογικού εξοπλισμού και την γεωμετρία του δομήματος αντλήθηκαν από μια σχετική δημοσίευση (AECL EACL, 2004) ενώ οι λεπτομέρειες σχετικά με τις διατομές έγιναν με παραδοχές ως προς την λειτουργία που αναμένεται να έχουν τα διάφορα δομικά στοιχεία. Ενώ τέλος τα πάχη των σωληνώσεων 27

40 ορίστηκαν με την όχι λανθασμένη, αλλά ενδεχομένως απλή για ένα τόσο περίπλοκο σύστημα παραδοχή ότι καθορίζονται κυρίως από την αναμενόμενη πίεση λειτουργίας τους, βάση των οδηγιών που δίνει ο κανονισμός ASME BPVC Section III. Ο σχεδιασμός του κτηρίου καθώς και του μηχανολογικού εξοπλισμού έγινε τρισδιάστατα στο πρόγραμμα Solidworks Στην συνέχεια το τρισδιάστατο μοντέλο εισήχθη στην πλατφόρμα ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων Abaqus v6.14 όπου ο φορέας και ο μηχανολογικός εξοπλισμός διακριτοποιήθηκαν, ορίστηκαν τα υλικά και οι διατομές και έγιναν οι αναλύσεις. Γεωμετρία του φορέα Η γεωμετρία του φορέα όπως αναφέρθηκε στο πρώτο κεφάλαιο έχει στόχο την υποστήριξη του μηχανολογικού εξοπλισμού, ενώ λειτουργεί παράλληλα προστατευτικά ενάντια στην ιονίζουσα ακτινοβολία για τους εργαζομένους, ενώ ταυτόχρονα σχεδιάζεται για την μεγιστοποίηση της λειτουργικότητας στην κανονική λειτουργία αλλά και για την όσο το δυνατόν καλύτερη αντιμετώπιση έκτακτων καταστάσεων. Ο σχεδιασμός του δομήματος είναι επομένως πολυεπίπεδος όπως και οι ανάγκες που καλείται να ικανοποιήσει. Το αποτέλεσμα είναι ένα κτήριο από τοιχώματα οπλισμένου σκυροδέματος, αρκετά μεγάλου ύψους το οποίο είναι απαραίτητο ώστε να στηρίζονται οι μεγάλων διαστάσεων εναλλάκτες-ατμοπαραγωγοί, με αρκετά μεγάλο πάχος τοίχων για να καλύπτονται οι ανάγκες περιορισμού της ακτινοβολίας αλλά και να εξασφαλίζεται η απαραίτητη αντοχή και δυσκαμψία για την ανάληψη των φορτίων. Κατά σύνεπεια αναφερόμαστε σε ένα κτήριο μεγάλου ύψους μεγάλης μάζας αλλά και μεγάλης στιβαρότητας με αποτέλεσμα το δόμημα να χαρακτηρίζεται από χαμηλή δεσπόζουσα ιδιοπεριόδο. Κάτοψη του φορέα και γεωμετρία καθ ύψος. Ο φορέας είναι κυκλικής κάτοψής, όπως και συνηθίζεται για τέτοια δομήματα, ενώ στο κέντρο της κάτοψης και λίγο πάνω από το επίπεδο του εδάφους τοποθετείται ο αντιδραστήρας. Στο ίδιο επίπεδο με τον αντιδραστήρα υπάρχουν και οι ρομποτικοί μηχανισμοί τροφοδοσίας του με καύσιμο οι οποίοι καταλαμβάνουν τον συνεπίπεδο χώρο. Ακριβώς πάνω από τον αντιδραστήρα βρίσκεται το σύστημα των σωληνώσεων 28

41 του κυκλώματος ψύξης το οποίο καταλήγει στην κάτω είσοδο των ατμοπαραγωγών και συνδέεται επίσης με τις αντλίες οι οποίες δίνουν κίνηση στο σύστημα ψύξης. Οι αντλίες εδράζονται πάνω σε μια πλάκα οπλισμένου σκυροδέματος αρκετά μεγάλου πάχους (2 m), ώστε να μπορεί να φέρει το μεγάλο φορτίο από τις αντλίες. Ενώ οι ατμοπαραγωγοί στερεώνονται με μεταλλικές δοκούς από δομικό χάλυβα, πάνω στον σκελετό του δομήματος από τοίχωμα οπλισμένου σκυροδέματος. Από αυτό το επίπεδο και πάνω η κατασκευή παύει να είναι κανονική σε κάτοψη, καθώς η ανάγκη για στήριξη των δύο ατμοπαραγωγών, ένας για κάθε μία πλευρά του αντιδραστήρα, και οι οποίοι εκτίνονται αρκετά μέτρα προς επάνω, οδηγεί στην δημιουργία δύο τοιχωμάτων προβόλων τα οποία περιβάλλουν τους ατμοπαραγωγούς. Το συνολικό ύψος μιας τέτοιας κατασκευής είναι περίπου 40 μέτρα. Από το συνολικό ύψος, τα πρώτα 18 μέτρα μπορούν να θεωρηθούν κανονικά σε κάτοψή, ενώ τα 22 τελευταία μέτρα αφορούν κυρίως τους ατμοπαραγωγούς και κάποιες άλλες δεξαμενές έκτακτης εισαγωγής ψυκτικού υγρού τα οποία και λειτουργούν σαν πρόβολοι. Στην στάθμη των 18 μέτρων υπάρχει και η πλάκα πάνω στην οποία εδράζονται οι αντλίες του συστήματος ψύξης. Ο φορέας είναι απόλυτα συμμετρικός ως προς τον άξονα Υ Υ ο οποίος ορίζεται σαν αυτός που είναι κάθετος με το κύριο κύκλωμα του συστήματος ψύξης και περνάει από το κέντρο της κυκλικής κάτοψης. Αλλά είναι επίσης σχεδόν απόλυτα συμμετρικός και ως προς τον άξονα Χ Χ κάθετο στον Υ Υ. Η συμμετρία διαταράσσεται ελάχιστα λόγω της διαφορετικής κατανομής ορισμένων στοιχείων του μηχανολογικού εξοπλισμού στα 2 ημισφαίρια οι διαφορές όμως αναμένεται να είναι αμελητέες στην συνολική δυναμική απόκριση του δομήματος. Μάζα Η συνολική μάζα του εσωτερικού δομήματος υπολογίζεται ως t, σε αυτήν περιλαμβάνεται η μάζα του μηχανολογικού εξοπλισμού, πιο συγκεκριμένα υπολογίζεται ότι ο σκελετός από Οπλισμένο Σκυρόδεμα έχει μάζα t και αντιπροσωπεύει το 86% της συνολικής μάζας του εσωτερικού δομήματος, ενώ το υπόλοιπο 14% οφείλεται στον μηχανολογικό εξοπλισμό. Η μάζα του θόλου υπολογίζεται στους t περίπου ενώ η μάζα της πλάκας της βάσης υπολογίζεται 29

42 23.800t. Η συνολική μάζα ολόκληρου του κτηρίου περιορισμού προκύπτει άρα από την άθροιση των παραπάνω επιμέρους μαζών t. Σχήμα 3.1: Κατόψεις του Κτηρίου Περιορισμού, στο επίπεδο του εδάφους (Πάνω) και στο επίπεδο των σωληνώσεων του αντιδραστήρα (Κάτω). 30

43 Σχήμα 3.2: Κατόψεις του Κτηρίου Περιορισμού, στο επίπεδο Συστήματος Σωληνώσεων του Κυρίου Κυκλώματος Ψύξης (Πάνω) και στο επίπεδο των Σωληνώσεων του Αντιδραστήρα (Κάτω). 31

44 32 Σχήμα 3.3: Διαδοχικές τομές καθ υψος του τρισδιάστατου προσομοιώματος που χρησιμοποιείται για τις αναλύσεις

45 33 Σχήμα 3.4: Διαδοχικές Κάθετες τομές του τρισδιάστατου προσομοιώματος που χρησιμοποιείται για τις αναλύσεις

46 3.1 Σκελετός από Οπλισμένο Σκυρόδεμα Τα στοιχεία για τον σκελετό του εσωτερικού δομήματος, από οπλισμένο σκυρόδεμα πάρθηκαν από την δημοσίευση (AECL EACL, 2004), με βάση τις κατόψεις και τις τομές που παρουσιάστηκαν παραπάνω κατασκευάστηκε τρισδιάστατο χωρικό μοντέλο στο σχεδιαστικό πρόγραμμα Solidworks Σχήμα 3.5: Διαστάσεις της Εσωτερικής Κατασκευής όπως προσομοιώθηκαν. Σχήμα 3.6:Κατόψεις της Κατασκευής όπως προσομοιώθηκε. 34

47 3.2 Αντιδραστήρας Ο αντιδραστήρας όπως αναφέρθηκε αποτελείται από ράβδους καυσίμου τοποθετημένες οριζόντια, και για κάθε μία ράβδο αντιστοιχεί και μία σωλήνωση του συστήματος ψύξης. Σχήμα 3.7: Χωρικό Τρισδιάστατο Προσομοίωμα του Αντιδραστήρα. Ο αντιδραστήρας όπως αναφέρθηκε βρίσκεται πάνω από το επίπεδο του εδάφους και πάνω κέντρο της κάτοψης. Χαρακτηρίζεται από κυλινδρική διατομή ενώ βρίσκεται μέσα σε ειδικό θάλαμο από Οπλισμένο Σκυρόδεμα. Λόγω της θέσης του αντιδραστήρα στο κέντρο και χαμηλά μέσα στο δόμημα, η επιρροή των σεισμικών δυνάμεων σε αυτόν είναι μικρή, ο λόγος που προσομοιώνεται είναι για την πληρότητα του μοντέλου, αλλά και για να υπάρχει μια ρεαλιστική προσομοίωση της σύνδεσης των αγωγών του συστήματος ψύξης με τον αντιδραστήρα. Ο αντιδραστήρας προσομοιώνεται με πεπερασμένα στοιχεία κελύφους. 3.3 Σωλήνωση του Συστήματος ψύξης Το σύστημα ψύξης έχει ως στόχο την απομάκρυνση της θερμότητας που απελευθερώνεται μέσα στον αντιδραστήρα από την πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση. Η λειτουργία του βασίζεται στην μεταφορά του ψυκτικού υγρού, το οποίο είναι συνήθως νερό, από τον αντιδραστήρα, στους ατμοπαραγωγούς. Το ψυκτικό υγρό βρίσκεται σε θερμοκρασία 270 ο -320 ο για λόγους θερμοδυναμικής απόδοσης και κρατιέται υπό πίεση για να μην έρχεται σε βρασμό. Η πίεση που ασκείται από το υπό πίεση ρευστό στο εσωτερικό του αγωγού θεωρήθηκε ότι είναι αυτή που καθορίζει το 35

48 πάχος του αγωγού, σε συνάρτηση πάντα με το υλικό που χρησιμοποιείται για την κατασκευή των αγωγών. Η πίεση που ασκεί το ρευστό στους αγωγούς είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας και του ρευστού, το οποίο όπως αναφέρθηκε είναι νερό. Το πρόβλημα άρα του σχεδιασμού του δικτύου των σωληνώσεων μπορεί να εκτιμηθεί από την θερμοκρασία λειτουργίας η οποία ορίζει την πίεση λειτουργίας, την διάμετρο του αγωγού, και το υλικό κατασκευής του. Αυτά τα στοιχεία χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό του πάχους των σωληνώσεων χρησιμοποιώντας δεδομένα από την δημοσίευση (AECL EACL, 2004) και την διαδικασία που προτείνει ο ASME (ASME, 2010a) για τον υπολογισμό του ελάχιστου πάχους αγωγού. Σχήμα 3.8: Δισδιάστατη Οψη του Κύριου Κυκλώματος Ψύξης 36

49 Σχήμα 3.9: Τρισδιάστατη Όψη του κύριου κυκλώματος ψύξης. Τα κύρια στοιχεία του συστήματος σχεδιάστηκαν αρχικά στο σχεδιαστικό πρόγραμμα Solidworks 2015, και στην συνέχεια το τρισδιάστατο χωρικό προσομοίωμα μεταφέρθηκε στο Abaqus όπου και διακριτοποιήθηκε με στοιχεία Shell. Η βάση του συστήματος σωληνώσεων είναι ο αντιδραστήρας, οι σωλήνες μικρότερης διατομής που τον διαπερνάνε ενώνονται στη συνέχεια με τους συλλέκτες οι οποίοι συλλέγουν το ψυκτικό υγρό και το μεταβιβάζουν στους μεγαλύτερης διατομής σωλήνες οι οποίοι τροφοδοτούν στη συνέχεια τους ατμοπαραγωγούς. Από τους ατμοπαραγωγούς το χαμηλότερης θερμοκρασίας πια ψυκτικό υγρό, μεταφέρεται στις αντλίες όπου το προωθούν στον διανομέα, για να μεταφερθεί στη συνέχεια μέσω των αγωγών μικρότερης διατομής μέσα στον αντιδραστήρα οπού θερμαίνεται πάλι και έτσι ολοκληρώνεται ένας κύκλος στο κύριο σύστημα ψύξης. Για τις ανάγκες της προσομοίωσης δεν έγινε πλήρης λεπτομερής προσομοίωση των μικρών αγωγών που περνάνε μέσα από τον αντιδραστήρα καθώς ήταν πολύ μεγάλου πλήθους και θα δημιουργούνταν προβλήματα και στον σχεδιασμό αλλά και στην 37

50 ανάλυση του συστήματος, η προσομοίωση έγινε με λιγότερους αγωγούς και μεγαλύτερης διατομής σε σχέση με τους πραγματικούς. Ολόκληρο το σύστημα ψύξης υποστηρίζεται περιμετρικά από πλαίσιο μεταλλικών δοκών από δομικό χάλυβα το οποίο στη συνέχεια συνδέεται με τα τοιχώματα οπλισμένου σκυροδέματος του δομήματος με στόχο τον περιορισμό των μετατοπίσεων. Το πλαίσιο αυτό θεωρείται ότι συνδέεται μονολιθικά με το σύστημα σωληνώσεων. Η συνολική μάζα των σωληνώσεων προσομοιώθηκε προστιθέμενη στο ειδικό βάρος του υλικού του σωλήνα. 3.4 Ατμοπαραγωγοί Οι ατμοπαραγωγοί είναι οι συσκευές στις οποίες καταλήγουν οι αγωγοί του βασικού συστήματος ψύξης από τον αντιδραστήρα. Στην ίδια συσκευή καταλήγει και το δεύτερο κύκλωμα ψύξης από νερό το οποίο μέσα σε στον ατμοπαραγωγό μετατρέπεται σε ατμό, απορροφώντας ενέργεια και κατά συνέπεια ψύχοντας το νερό του πρώτου κυκλώματος ψύξης, η βασική λειτουργία του άρα είναι αυτή του εναλλάκτη θερμότητας. Πρόκειται για μια κυλινδρική κατασκευή 2 επιπέδων η οποία έχει μια εσωτερική δομή στην οποία η σωλήνωση η οποία μεταφέρει το θερμό νερό από το βασικό σύστημα ψύξης περνάει από μια σπειροειδή διάταξη στο κάτω μέρος του ατμοπαραγωγού, η οποία είναι βυθισμένη μέσα στο νερό του δεύτερου κυκλώματος ψύξης το οποίο είναι σε υγρή μορφή κοντά στο σημείο βρασμού, το οποίο και φτάνει με την επιπλέον θερμότητα που δέχεται, και κατά συνέπεια μετατρέπεται σε ατμό, ο οποίος αφού φιλτράρεται, βγαίνει από το πάνω μέρος του ατμοπαραγωγού και στη συνέχεια οδηγείται στους στρόβιλους οι οποίοι βρίσκονται σε διαφορετικό κτήριο. Προσομοίωση Η κυλινδρική αυτή κατασκευή προσομοιώθηκε χωρίς την εσωτερική δομή, αλλά μόνο με τα ακροφύσια τα οποία συνδέονται με την σωλήνωση του συστήματος ψύξης. Για να προσομοιωθεί η δυσκαμψία της εσωτερικής δομής, θεωρήθηκε ένα ικανά μεγάλο πάχος για την εξωτερική επιφάνεια. 38

51 Η συνολική μάζα προέκυψε με την παραδοχή ότι το 50% του συνολικού όγκου του καταλαμβάνεται από νερό, και άρα έχει το ανάλογο ειδικό βάρος, ενώ το υπόλοιπο από χάλυβα. Ολόκληρη η μάζα υπολογίστηκε και προσομοιώθηκε σαν προσαρμοσμένο ειδικό βάρος στο υλικό του χάλυβα της εξωτερικής επιφάνειας (Usmani, n.d.). Στη συνέχεια έγινε διακριτοποίηση με στοιχεία Shell. Η στερέωση των ατμοπαραγωγών στον σκελετό από οπλισμένο σκυρόδεμα του εσωτερικού δομήματος γίνεται με δοκούς από δομικό χάλυβα κοίλης ορθογωνικής διατομής, οι οποίες προσομοιώνονται με στοιχεία Shell και πακτώνονται στο τοίχωμα. Σχήμα 3.10: (Δεξιά): Σχηματική αναπαράσταση του εσωτερικού Ατμοπαραγωγού, (Μέση): Δισδιάστατη Όψη του Ατμοπαραγωγού όπως παρουσιάζεται στην σχετική δημοσίευση, (Αριστερα): Τρισδιάστατο χωρικό μοντέλο που χρησιμοποιείται για τις αναλύσεις. 39

52 3.5 Αντλίες Αφού ψυχθεί το νερό του βασικού συστήματος ψύξης μέσα στον ατμοπαραγωγό προωθείται ξανά προς τον αντιδραστήρα, η κίνηση ολόκληρου του συστήματος υποστηρίζεται από τις αντλίες οι οποίες είναι συνολικά τέσσερις στο υπο εξέταση πυρηνικό εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Οι αντλίες είναι από τα πιο καίρια μηχανολογικά στοιχεία για την ομαλή λειτουργία καθώς εάν σταματήσουν για κάποιο λόγο να κινούνται, το σύστημα ψύξης παύει να ανακυκλώνεται με άμεση συνέπεια την άνοδο της θερμοκρασίας η οποία θα έχει ως αποτέλεσμα την υπερθέρμανση του αντιδραστήρα. Οι αντλίες προφανώς καταναλώνουν ηλεκτρική ενέργεια για την λειτουργία τους οπότε είναι απαραίτητο να διασφαλίζεται η παροχή ηλεκτρικού ρεύματος σε αυτές. Προσομοίωση Οι αντλίες προσομοιώθηκαν ακολουθώντας την ίδια λογική με αυτή της προσομοίωσης των ατμοπαραγωγών, η εσωτερική πολύπλοκή δομή της αντλίας αγνοήθηκε από την ανάλυση που έγινε. Οι αντλίες και τα δυναμικά γυροσκοπικά φαινόμενα που αναπτύσσονται από την λειτουργία της παράλληλα με την δυναμική αλληλεπίδραση της με το ρευστό που θέτει σε κίνηση είναι αντικείμενο μελέτης, αλλά εξετάζεται κυρίως για την κατάσταση λειτουργίας. Για την περίπτωση σεισμικής διέγερσης που εξετάζεται εδώ θεωρήθηκαν απλά σαν πολύ δύσκαμπτα σώματα και για αυτό τον λόγο δόθηκε μεγάλη τιμή στο πάχος της εξωτερικής επιφάνειας που τις περιγράφει. Η συνολική μάζα προέκυψε από την παραδοχή ότι το 80% του συνολικού όγκου του σώματος της αντλίας είναι από χάλυβα και ο υπόλοιπος όγκος καταλαμβάνεται από νερό. Υπολογίστηκε η μάζα ολόκληρης της αντλίας η οποία και στη συνέχεια μοιράστηκε σαν προσαρμοσμένο ειδικό βάρος στο υλικό του χάλυβα της εξωτερικής επιφάνειας 40

53 Σχήμα 3.11: (Δεξιά): Σχηματική Αναπαράσταση της Αντλίας και των Εσωτερικών στοιχείων της. (Αριστερά): Τρισδιάστατο χωρικό μοντέλο που χρησιμοποιείται για τις αναλύσεις. Η διακριτοποίηση έγινε με στοιχεία Shell. Η στερέωση των αντλιών στον σκελετό από οπλισμένο σκυρόδεμα του εσωτερικού δομήματος γίνεται με πλαίσιο δοκών από δομικό χάλυβα κοίλης ορθογωνικής διατομής, οι οποίες προσομοιώνονται με στοιχεία Shell και πακτώνονται στο τοίχωμα. 3.6 Δεξαμενή Ψυκτικού Έκτακτης Ανάγκης Όπως αναφέρθηκε, το κύκλωμα σωληνώσεων που χρησιμοποιείται για την ψύξη του αντιδραστήρα βρίσκεται υπο πίεση, σε περίπτωση που υπάρξει διαρροή στο βασικό κύκλωμα ψύξης η πίεση αυτή θα πέσει. Η δεξαμενή ψυκτικού έκτακτης ανάγκης περιέχει υγρό το οποίο βρίσκεται σε ορισμένη θερμοκρασία αρκετά μικρότερη αυτής του κυρίου κυκλώματος ψύξης. Η δεξαμενή αυτή είναι συνδεδεμένη συνεχώς με το σύστημα ψύξης ώστε σε περίπτωση που ανιχνευθεί κάποια ορισμένη οριακή πτώση στην πίεση να εισαχθεί άμεσα το εφεδρικό ψυκτικό υγρό σε αυτό μειώνοντας την θερμοκρασία του συστήματος ψύξης σε πολύ μικρό χρόνο. 41

54 Η δεξαμενή αυτή προσομοιώθηκε κυρίως για την επιρροή που έχει η μάζα του υγρού αυτού η οποία είναι αναρτημένη σε αρκετά μεγάλο ύψος στην δυναμική απόκριση του εσωτερικού δομήματος. Σχήμα 3.12:Δεξαμενή Ψυκτικού Έκτακτης Ανάγκης, (Αριστερά) όψη, (Δεξιά) τομή 3.7 Βάσεις των ατμοπαραγωγών Οι ατμοπαραγωγοί όπως αναφέρθηκε βρίσκονται σε αρκετά μεγάλο ύψος, 15,8μ σε σχέση με την βάση του εσωτερικού δομήματος. Για να υποστηριχτούν χρησιμοποιούνται σαν βάση υποστυλώματα από κοίλη κυκλική διατομή Σχήμα 3.13: Βάσεις των ατμοπαραγωγών. Τρισδιάστατο χωρικό μοντέλο που χρησιμοποιείται για τις αναλύσεις. 42

55 Πλήρης όψη του συστήματος ψύξης Σχήμα 3.14: (Επάνω)Τρισδιάστατο χωρικό μοντέλο που χρησιμοποιείται για τις αναλύσεις, (Κάτω): Τρισδιάστατη όψη του κύριου συστήματος ψύξης. 43

56 4 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ 4.1 Προσομοίωση Αφού έγινε η τρισδιάστατη σχεδίαση της εσωτερικής κατασκευής όπως περιγράφθηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο στο πρόγραμμα σχεδίασης Solidworks 2015 (CAD), το μοντέλο εισήχθη στη συνέχεια στο πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων Abaqus v6.14 (CAE) για την περεταίρω επεξεργασία του σε επίπεδο προσομοίωσης. Η επικοινωνία ανάμεσα στα 2 λογισμικά, το σχεδιαστικό και των πεπερασμένων στοιχείων έγινε με αρχεία ACIS (.sat) τα οποία επιλέχθηκαν καθώς ήταν ο πιο εύκολος και αποτελεσματικός τρόπος για την μεταφορά των τρισδιάστατων μοντέλων. Τα συγκεκριμένα λογισμικά δίνουν την δυνατότητα επικοινωνίας μέσω και άλλων πρωτοκόλλων τύπων αρχείου, τα οποία ενδεχομένως να είναι δυνατόν να μεταφέρουν και περισσότερες πληροφορίες όπως είναι τα υλικά. Το Abaqus v6.14 είναι μια ολοκληρωμένη εφαρμογή ανάλυσης Πεπερασμένων Στοιχείων η οποία έχει δυνατότητες προ-επεξεργασίας, επίλυσης και μετεπεξεργασίας των αποτελεσμάτων (Simulia, 2014) Με τους τρείς αυτούς όρους ουσιαστικά αναφέρεται η διαδικασία κατά την οποία ορίζεται το αριθμητικό προσομοίωμα: η γεωμετρία, τα υλικά και οι συνοριακές συνθήκες, γίνεται η ανάλυση και διαβάζονται τα αποτελέσματα αυτής. Το πρώτο σκέλος, που αναφέρεται και ως προ-επεξεργασία, γίνεται μέσω της εφαρμογής ABAQUS/CAE, τουλάχιστον όσον αφορά τις συνοριακές συνθήκες και τα υλικά, καθώς η τρισδιάστατη γεωμετρία του μοντέλου του εσωτερικού της εσωτερικής κατασκευής ορίστηκε ήδη στο σχεδιαστικό πρόγραμμα Solidworks Αλλά και κυρίως γίνεται η διακριτοποίηση του μοντέλου και η μετατροπή του από ένα τρισδιάστατο σχέδιο σε ένα μαθηματικό προσομοίωμα που είναι και το σημαντικότερο βήμα για μια αριθμητική ανάλυση. 44

57 Παράλληλα σε αυτό το βήμα, της προ-επεξεργασίας δηλαδή, ορίζονται και οι συνθήκες φόρτισης οι οποίες καλύπτουν όλο το φάσμα των φορτίσεων για έργα πολιτικού μηχανικού και όχι μόνο. Η ολοκλήρωση της προ-επεξεργασίας γίνεται με την εξαγωγή του αρχείου.inp το οποίο συγκεντρώνει όλες τις παραμέτρους τις οποίες όρισε ο χρήστης σε ένα αρχείο ουσιαστικά κειμένου, το οποίο στη συνέχεια θα εισαχθεί για επεξεργασία στον βασικό επιλύτη ABAQUS/Standard η ABAQUS/Explicit. Είναι βασικό να αναφερθεί ότι για την περίπτωση που οι αναλύσεις είναι αρκετές και χρονοβόρες, η αναφέρονται σε πολλές και φορτίσεις και χρονοϊστορίες φορτίσεων ο διαδραστικός προεπεξεργαστής φαίνεται δύσχρηστος και μάλλον αργός για την παραμετροποίηση του προσομοιώματος, για αυτό τον λόγο είναι αρκετά βολική η χρήση της δυνατότητας που δίνεται να επέμβει ο χρήστης στο αρχείο.inp για τον αναπρογραμματισμό των βημάτων (scripting) μέσω της γλώσσας Python. Μια τακτική που επιταχύνει αρκετά την διαδικασία. Παραδείγματα για αυτή την διαδικασία υπάρχουν αρκετά και στο Scripting Manual του λογισμικού Abaqus αλλά και στο διαδίκτυο. Και αφού γίνει η ανάλυση ολοκληρώνεται το πακέτο λογισμικού με το ABAQUS/Viewer έναν μετ-επεξεργαστή ο οποίος και διαβάζει το αρχείο.odb που περιέχει τα αποτελέσματα της ανάλυσης. Το επόμενο βήμα που έγινε ήταν η διακριτοποίηση του φορέα Η διακριτοποίηση του σκελετού από Ο/Σ έγινε με πεπερασμένα στοιχεία στερεού σώματος, (Solid Elements). Χρησιμοποιήθηκαν τετράεδρα στοιχεία δεύτερης τάξης τύπου C3D10, δηλαδή με 3 κόμβους ανα πλευρά και συνολικά 10. Η επιλογή των τετράεδρων στοιχείων έγινε λόγω της δυσκολίας που υπήρχε στην διακριτοποίηση με οκτάεδρα στοιχεία με το αυτόματο εργαλείο διακριτοποίησης (Auto Mesh) του προγράμματος Abaqus. 45

58 Σχήμα 4.1: Τετράεδρο C3D10. Για την διακριτοποίηση των στοιχείων στερεού σώματος, επιλέχθηκε πλευρά στοιχείου ίση με 2,5 m. Το λογισμικό αυτόματα κάνει πύκνωση της διακριτοποίησης στα σημεία που έρχονται σε επαφή τα στοιχεία κελύφους με αυτά του στερεού σώματος Σχήμα 4.2: Αυτόματη Πύκνωση Διακριτοποίησης στα σημεία οπου έρχονται σε επαφή στοιχεία Κελύφους (Shell Elements) με στοιχεία Στερεού Σώματος (Solid Elements). Για τον μηχανολογικό εξοπλισμό, και τις δοκούς από χάλυβα, χρησιμοποιήθηκαν πεπερασμένα στοιχεία κελύφους, (Shell Elements) τύπου S4R, με 4 πλευρές και 4 κόμβους 46

59 Σχήμα 4.3: Τετράπλευρο στοιχείο κελύφους S4R. Η διακριτοποίηση των στοιχείων έγινε για τα στοιχεία δομικού χάλυβα με πλευρά 2,5 m, για τα μηχανολογικά μέρη με πλευρά ίση με 0,5 m. Ενώ για τις σωληνώσεις η διακριτοποίηση έγινε ανάλογα με την ακτίνα, για τις σωληνώσεις με ακτίνα 0,6 m η διακριτοποίηση έγινε με πλευρά 0,25 m για αυτές με ακτίνα 0,4 m η διακριτοποίηση έγινε με πλευρά 0,15 m. Σχήμα 4.4: Διακριτοποιημένος Φορέας. Συνολικά για την προσομοίωση του φορέα χρησιμοποιήθηκαν περίπου πεπερασμένα στοιχεία με κόμβους. 47

60 Ιδιότητες Υλικών Για να ολοκληρωθεί πλήρως ο ορισμός του αριθμητικού προσομοιώματος πρέπει να γίνει ο ορισμός των υλικών κατασκευής αλλά και του πάχους για τα στοιχεία κελύφους. Όπως αναφέρθηκε το εσωτερικό δόμημα κατασκευάζεται από σκυρόδεμα συμβατικής αντοχής, οπότε για την ανάλυση χρησιμοποιούνται ιδιότητες σκυροδέματος C30/35. Όσον αφορά τις χαλύβδινες δοκούς του οπλισμού θεωρείται ότι είναι κατασκευασμένες από δομικό χάλυβα S275, με τις ανάλογες μηχανικές ιδιότητες, ίδιος χάλυβας θα χρησιμοποιηθεί και για τις δοκούς που υποστηρίζουν τον μηχανολογικό εξοπλισμό και τον συνδέουν με τον σκελετό από σκυρόδεμα. Όσον αφορά τον μηχανολογικό εξοπλισμό, ο οποίος κατασκευάζεται από χάλυβα με διάφορες προσμίξεις οι οποίες έχουν σχέση με το περιβάλλον στο οποίο θα βρίσκεται κατά την λειτουργία, η προσομοίωση του σε επίπεδο μηχανικών χαρακτηριστικών είναι ίδια με αυτή του δομικού χάλυβα, καθώς και η θερμοκρασία λειτουργίας δεν είναι αρκετά μεγάλη ώστε να έχει συμβεί σημαντική διαφοροποίηση του μέτρου ελαστικότητας η του λόγου Poisson. Ιδιότητες σκυροδέματος: C30/35 Πίνακας 4.1 Ιδιότητες σκυροδέματος C30/35 Modulus of Elasticity, E 22,8 GPa Poisson's Ratio, U 0,2 Density 2500 Kg/m³ Shear Modulus, G 14,58 GPa Ιδιότητες χάλυβα: S275 Πίνακας 4.2: Ιδιότητες χάλυβα: S275 Modulus of Elasticity, E 205,8 GPa Poisson's Ratio, U 0,3 Density 8000 Kg/m³ Shear Modulus, G 80,76 GPa 48

61 4.2 Ανάλυση Ο μεγάλος αριθμός των πεπερασμένων στοιχείων είναι απαγορευτικός για να γίνει απευθείας μια μη γραμμική ανάλυση χρονοϊστορίας, οπότε οι αναλύσεις γίνονται με την αρκετά πιο οικονομική σε επίπεδο υπολογισμών ιδιομορφική ολοκλήρωση χρονοϊστορίας. Επίσης γίνεται και δυναμική φασματική ανάλυση χρησιμοποιώντας το φάσμα του Ευρωκώδικα 8, για κατηγορία εδάφους C. Για να γίνει η ιδιομορφική ανάλυση χρονοιστορίας πρέπει πρώτα να εξαχθούν οι ιδιομορφές του συστήματος. Αυτό γίνεται μέσω αριθμητικής μεθόδου ανάλυσης γραμμικής παρεμβολής (linear perturbation). Εξάγονται 60 ιδιομορφές για τις ανάγκες των αναλύσεων με θεώρηση πάκτωσης στην βάση της εσωτερικής κατασκευής, ο αριθμός των χρησιμοποιούμενων ιδιομορφών έχει στόχο να καλυφθεί η απόκριση των εσωτερικών μηχανολογικών συστημάτων. Η μέγιστη συχνότητα που λαμβάνεται υπόψη είναι αυτή των 20 Hz. Παρατηρήθηκε με δοκιμές ότι η σεισμική απόκριση σε επίπεδο σεισμικών τάσεων πάνω στον μηχανολογικό εξοπλισμό ήταν αμετάβλητη, με διαφορά κάτω του 0,1%, για την αύξηση απο 60 σε 80 χρησιμοποιούμενες ιδιομορφές. Η απόσβεση του συστήματος ορίζεται σταθερή για κάθε ιδιομορφή και ίση με το 5% της κρίσιμης, που δε διαφέρει από το 4% που προτείνει το NUREG, 2007 (Nuclear Regulatory Commission, 2007). Σχήμα 4.5: (Αριστερά):1η Iδιομορφή 5,23Hz, (Δεξιά): 2η Iδιομορφή 5,83Hz 49

62 Δυναμική φασματική Ανάλυση Η πρώτη ανάλυση που γίνεται για το κτήριο της εσωτερικής κατασκευής και τον μηχανολογικό εξοπλισμό είναι η δυναμική φασματική για τις 60 ιδιομορφές που υπολογίστηκαν. Χρησιμοποιείται ο κανόνας SRSS για την ιδιομορφική επαλληλία ενώ η εφαρμογή της γίνεται για τον άξονα Χ και τον άξονα Υ ξεχωριστά. Δεν γίνεται χωρική επαλληλία για ταυτόχρονη σεισμική δράση και στους 2 άξονες. Το φάσμα που χρησιμοποιείται είναι του Ευρωκώδικα 8, για έδαφος κατηγορίας C και για μέγιστη επιτάχυνση στο βράχο ag=0,36 g. Ο συντελεστής απομείωσης που χρησιμοποιείται για την κατασκευή του φάσματος είναι ίσος με q=1,5 καθώς δεν αναμένεται να εμφανιστούν βλάβες οι οποίες να οδηγήσουν τον σκελετό από Ο/Σ να πλαστικοποιηθεί, άρα το σύστημα παραμένει ουσιαστικά ελαστικό, και μάλιστα αποδεικνύεται από τις αναλύσεις ότι δεν σημειώνεται ιδιαίτερη τάση ρηγμάτωση του σκυροδέματος για την δυναμική φασματική ανάλυση. Σχήμα 4.6: Φάσμα Ευρωκώδικα 8 για Μέγιστη Εδαφική Επιτάχυνση ag=0.36 g και q=1,5 για Κατηγορία Εδάφους C. Ολοκλήρωση χρονοϊστορίας Το δεύτερο βήμα που απαιτείται από την παραμετρική ανάλυση είναι η ιδιομορφική ολοκλήρωση χρονοϊστορίας η οποία χρησιμοποιεί 60 ιδιομορφές. Η ολοκλήρωση γίνεται για 30 σεισμικές διεγέρσεις σε όρους επιτάχυνσης, οι οποίες περιγράφονται 50

63 στο επόμενο κεφάλαιο, από τις οποίες χρησιμοποιούνται 20 s για κάθε ανάλυση η οποία γίνεται με χρονικό βήμα 0,05 s. Η ελαστική αυτή ιδιομορφικη ανάλυση, θεωρείται ότι είναι δόκιμη για το συγκεκριμένο πρόβλημα, καθώς ο σκελετός της εσωτερικής κατασκευής, αλλά και ο μηχανολογικός εξοπλισμός αναμένεται να αποκριθούν με ελαστικό τρόπο. Η κάθε ανάλυση εκμεταλλεύεται την δυνατότητα που δίνει το λογισμικό Abaqus για επιδιόρθωση της επιτάχυνσης ώστε να μην εμφανίζονται παραμένουσες μετακινήσεις οι οποίες είναι αποτέλεσμα των αρχικών και τελικών τιμών της χρονοϊστορίας της επιτάχυνσης (baseline correction). Τελικά η διέγερση εφαρμόζεται σαν επιτάχυνση στην βάση της εσωτερικής κατασκευής η οποία θεωρείται και πακτωμένη, για τον υπολογισμό των ιδιομορφών. Η διεγέρσεις εφαρμόζονται στην κατεύθυνση του άξονα Χ και του άξονα Υ ξεχωριστά. Αλληλεπίδραση Εδάφους Θεμελίωσης Κατασκευής Η προσομοίωση της επίδρασης της γραμμικής, σε σχέση την γεωμετρία, αλληλεπίδρασης εδάφους θεμελίωσης κατασκευής, στην εσωτερική κατασκευή γίνεται με έμμεσο τρόπο. Επειδή όπως αναφέρθηκε ήταν υπολογιστικά δύσκολο να γίνει η προσομοίωση του εδάφους με επιπλέον πεπερασμένα στοιχεία, χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα από δεύτερο υπολογιστικό προσομοίωμα, το οποίο αποτελείται από το εξωτερικό του κτηρίου περιορισμού, δηλαδή το κέλυφος, την βάση, και την μάζα της εσωτερικής κατασκευής και του μηχανολογικού εξοπλισμού, και το υποκείμενο έδαφος. Η μάζα της εσωτερικής κατασκευής προσομοιώνεται σαν συγκεντρωμένη μάζα η οποία εισάγεται σαν κόμβος, ο οποίος βρίσκεται χωρικά στο σημείο οπού βρίσκεται το κέντρο μάζας της εσωτερικής κατασκευής. Ο κόμβος αυτός δένεται στη συνέχεια με εισαγωγή καταναγκασμού (Constraint), με την βάση. Η διαδικασία της προσομοίωσης έγινε ως εξής, οι 30 σεισμικές διεγέρσεις εφαρμόζονται στην βάση του εδαφικού προσομοιώματος και καταγράφεται η επιτάχυνση σε έναν κεντρικό κόμβο της βάσης του κτηρίου περιορισμού. Η ανάλυση 51

64 γίνεται με ιδιομορφική ολοκλήρωση καθώς θεωρείται ότι η σύνδεση της κατασκευής με το έδαφος γίνεται μονολιθικά, δηλαδή οι 2 μετακινήσεις στην διεπιφάνεια είναι μηδενικές. Η επιτάχυνση που καταγράφεται στην βάση της κατασκευής του κτηρίου περιορισμού, θεωρείται ότι περιέχει όλη την επιρροή των φαινομένων αλληλεπίδρασης εδάφους θεμελίωσης κατασκευής. Στην συνέχεια η επιτάχυνση αυτή εισάγεται σαν επιτάχυνση στην βάση του προσομοιώματος της εσωτερικής κατασκευής και γίνεται γραμμική ολοκλήρωση χρονοϊστορίας όπως έχει ήδη περιγραφεί. Μη Γραμμική Αλληλεπίδραση Εδάφους Θεμελίωσης Η προσομοίωση των γεωμετρικά μη γραμμικών φαινομένων τα οποία συμβαίνουν όταν καταγράφεται αποκόλληση στην θεμελίωση του κτηρίου και μπορεί να εμφανιστούν φαινόμενα όπως ολίσθηση η λικνισμός είναι μια πλήρως μη γραμμική διαδικασία της οποίας η ανάλυση σε επίπεδο χρονοϊστορίας γίνεται μόνο με απευθείας ολοκλήρωση. Η απευθείας ολοκλήρωση όμως είναι μια πολύ απαιτητική υπολογιστική διαδικασία, και γίνεται ακόμα πιο έντονα απαιτητική όταν αναφέρεται σε μεγάλα υπολογιστικά προσομοιώματα με πολλά πεπερασμένα στοιχεία όπως είναι αυτό της εσωτερικής κατασκευής. Παράλληλα εφόσον η μη γραμμικότητα περιορίζεται σε μια ορισμένη διεπιφάνεια επαφής θεμελίωσης και εδάφους, είναι άστοχο να γίνεται μη γραμμική ολοκλήρωση για ολόκληρη την κατασκευή η οποία παραμένει ελαστική. Για να παρακαμφθεί αυτό το πρόβλημα χρησιμοποιείται η μεθοδολογία που περιγράφθηκε στην προηγούμενη παράγραφο η οποία περιλαμβάνει δεύτερο προσομοίωμα της συνολικής κατασκευής και του υποκείμενου εδάφους. Με την ιδιαιτερότητα αυτή την φορά ότι στην διεπιφάνεια θεμελίωσης εδάφους οι 2 επιφάνειες έχουν την δυνατότητα αποκόλλησης εφόσον ξεπεραστεί δύναμη τριβής που υπάρχει ανάμεσα τους και ορίζεται από την κάθετη τάση, για κάθε βήμα και απο τον συντελεστή τριβής. 52

65 Το συγκεκριμένο σύστημα δεν αναλύεται με ιδιομορφική ανάλυση γιατί δεν είναι θετικά ορισμένο και κατά συνέπεια αντιστρέψιμο το μητρώο δυσκαμψίας επομένως χρησιμοποιείται ο αλγόριθμος του βασικού πεπλεγμένου δυναμικού επιλύτη του προγράμματος Abaqus, (Dynamic, Implicit) με την επιλογή για μη γεωμετρική μη γραμμικότητα (NL Geometry) ενεργοποιημένη. Γίνεται καταγραφή της χρονοϊστορίας της επιτάχυνσης σε κεντρικό κόμβο της βάση της κατασκευής η οποία θεωρείται οτι περιέχει την απόκριση λόγω της επιρροής και του φαινομένου της αλληλεπίδρασης εδάφους θεμελίωσης κατασκευής αλλά και της γεωμετρικής μη γραμμικότητας και των φαινομένων που συνοδεύουν την εμφάνιση ολίσθησης και λικνισμού, η οποία στη συνέχεια εισάγεται στο προσομοίωμα της εσωτερικής κατασκευής σαν επιτάχυνση στην βάση της και γίνεται ελαστική πια ιδιομορφική ολοκλήρωση. 4.3 Περιγραφή του Προσομοιώματος του συστήματος Εδάφους Θεμελίωσης Κατασκευής, το οποίο χρησιμοποιήθηκε για να γίνουν οι αναλύσεις. Το προσομοίωμα αυτό δημιουργήθηκε για την παραμετρική μελέτη της απόκρισης της κατασκευής του πυρηνικού αντιδραστήρα σε σχέση με το φαινόμενο αλληλεπίδρασης εδάφους θεμελίωσης κατασκευής λαμβάνοντας υπόψη φαινόμενα γεωμετρικής μη γραμμικότητας, (Αθανασίου, 2015). Περιλαμβάνει Το έδαφος, θεωρείται ότι είναι Αμμώδες (σκληρή άμμος) με ταχύτητα διάδοσης διατμητικών κυμάτων Vs=300 m/s, πυκνότητας 2010 kg/m³ και λόγου Poisson 0,33 το οποίο κατηγοριοποιείται βάση του Ευρωκώδικα σαν Κατηγορίας C. Το δυναμικό μέτρο ελαστικότητας που χρησιμοποιείται για τις αναλύσεις είναι απομοιωμένο στο 70% του στατικού Ο συγκεκριμένος τύπος εδάφους επιλέχθηκε για τις αναλύσεις επειδή βάση της διερεύνησης που έγινε για αυτές τις 30 σεισμικές διεγέρσεις, εμφανίζονται φαινόμενα γεωμετρικής μη γραμμικότητας ολίσθησης και λικνισμού. Το έδαφος προσομοιώνεται σαν κύλινδρος, με ακτίνα 135 m, αρκετή ώστε να αποφεύγονται φαινόμενα ανάκλασης των σεισμικών κυμάτων στα όρια του προσομοιώματος και με βάθος 100 m. 53

66 Την κατασκευή, δηλαδή το κέλυφος και την θεμελίωση. Η θεμελίωση είναι από οπλισμένο σκυρόδεμα και προσομοιώνεται με στοιχεία στερεού σώματος (Solid Elements), ενώ το κέλυφος είναι από προεντεταμένο σκυρόδεμα και προσομοιώνεται με στοιχεία κελύφους (Shell Elements). H εσωτερική κατασκευή προσομοιώνεται σαν συγκεντρωμένη μάζα σε κόμβο ο οποίος τοποθετείται στο σημείο όπου υπολογίζεται ότι βρίσκεται το κέντρο μάζας της κατασκευής, αυτό βρίσκεται ακριβώς στο κέντρο της κυκλικής κάτοψης, καθώς η εσωτερική κατασκευή είναι σχεδόν πλήρως συμμετρική ως προς τους άξονες Χ και Υ, και σε ύψος 17,5 m. Η διεπιφάνεια προσομοιώθηκε με 2 νόμους ανάλογα με την θεωρούμενη συμπεριφορά από την ανάλυση. Για την γραμμική ανάλυση της αλληλεπίδρασης εδάφους θεμελίωσης κατασκευής στην διεπιφάνεια ορίστηκε ο καταναγκασμός TIE, ο οποίος ουσιαστικά θεωρεί ότι είναι μονολιθική η σύνδεση στην διεπιφάνεια των 2 σωμάτων, εξισώνοντας τις μετακινήσεις ανάμεσα στους κόμβους των 2 επιφανειών. Ο δεύτερος νόμος ήταν για την περίπτωση της ανάλυσης γεωμετρικής μη γραμμικότητας και είναι νόμος τριβής. Στην διεπιφάνεια αρα επιτρέπεται η αποκόλληση και η ολίσθηση, εφόσον ξεπερνιούνται οι δυνάμεις τριβής που αναπτύσσονται, ο συντελεστής τριβής για αυτή την περίπτωση είναι ίσος με μ κ =0,7. 54

67 Σχήμα 4.7: Τομή της κατασκευής του Δεύτερου προσομοιώματος, η Βαση είναι κοινή με το πρώτο προσομοίωμα. Σχήμα 4.8: Τομή του Δευτερου Προσομοιώματος, φαίνεται η διακριτοποίηση του εδάφους. Το κόκκινο σημείο στην Βάση του Κτηρίου Περιορισμού είναι ο κόμβος που χρησιμοποιήθηκε για την καταγραφή των επιταχύνσεων που εισήχθησαν στην συνέχεια στο πρώτο προσομοίωμα για τις αναλύσεις. Το δεύτερο κόκκινο σημείο είναι η θέση του Κέντρου Μάζας της Εσωτερικης Κατασκευής και του Μηχανολογικού Εξοπλισμού. 55

68 56 Σχήμα 4.9: Συνολική Όψη του Δευτερου προσομοιώματος, φαίνεται η προσομοίωση του Εδάφους, και του Κτηρίου Περιορισμού.

69 5 ΣΕΙΣΜΙΚΕΣ ΔΙΕΓΕΡΣΕΙΣ Για την ανάλυση επιλέχθηκαν 3 ομάδες των 10 επιταχυνσιογραφημάτων τα οποία είναι κατάλληλα κλιμακωμένα σε επιτάχυνση εδάφους ag=0.36 g. Η τιμή της επιτάχυνσης εδάφους που επιλέγεται είναι ίση με την επιτάχυνση για την Τρίτη Σεισμική Ζώνη για τον ελληνικό χώρο, η οποία είναι και η μεγαλύτερη. Οι σεισμοί αυτοί προέρχονται από την εργασία των (Katsanos et al., 2014) και το χαρακτηριστικό τους είναι ότι είναι διαχωρισμένοι ως προς το συχνοτικό τους περιεχόμενο σε τρείς ομάδες, υψηλόσυχνων μεσαίας συχνότητας και χαμηλόσυχνων διεγέρσεων. Ο διαχωρισμός αυτός γίνεται με βάση την μέση περίοδο η οποία προκύπτει από την μεσοσταθμική ανάλυση των πλατών φάσματος Fourier της κάθε καταγραφής. Όπου: Τ m = C i 2 1 f i C i 2, για 0.25Hz f i 20Hz με Δf 0.05 Hz (5-1) Ci : Τα πλάτη του φάσματος Fourier fi : Η αντίστοιχη συχνότητα για το κάθε πλάτος Fourier Έτσι προκύπτουν τρείς κατηγορίες ως εξής: Πίνακας 5.1: Κατηγορίες Επιταχυνσιογραφημάτων ανάλογα με την Μέση Περίοδο. Κατηγορία Μέση περίοδος T m (s)

70 Πίνακας 5.2: Πρώτη κατηγορία Σεισμών βάση κατηγοριοποίησης Μέσης Περιόδου. Σεισμική Διέγερση Μέγεθος, M w Επικεντρική Απόσταση (km) Κατηγορία εδάφους Parkfield ( ) 6,19 34,01 D San Fernando ( ) 6,61 25,36 C Managua, Nicaragua ( ) 6,24 5,68 D Friuli, Italy ( ) 6,5 20,23 C Tabas, Iran ( ) 7,35 20,63 C Coyote Lake ( ) 5,74 10,94 D Imperial Valley ( ) 6,53 17,65 D Loma Prieta ( ) 6,93 30,89 D Kobe, Japan ( ) 6,9 24,2 D Chi-Chi, Taiwan ( ) 7,62 4,96 C Πίνακας 5.3: Δεύτερη Κατηγορία Σεισμών βάση κατηγοριοποίησης Μέσης Περιόδου. Σεισμική Διέγερση Μέγεθος, M w Επικεντρική Απόσταση (km) Κατηγορία εδάφους San Fernando ( ) 6,61 26,1 C Imperial Valley ( ) 6,53 12,99 D Coalinga ( ) 6,36 37,97 C Whittier Narrows ( ) 5,99 20,68 D Loma Prieta ( ) 6,93 28,11 D Northridge ( ) 6,69 13,39 D Kobe, Japan ( ) 6,9 46,73 D Kocaeli, Turkey ( ) 7,51 99,69 D Chi-Chi HWA ( ) 7,62 69,11 C Chi-Chi TCU ( ) 7,62 43,31 C Πίνακας 5.4: Τρίτη κατηγορία Σεισμών βάση κατηγοριοποίησης Μέσης Περιόδου. Σεισμική Διέγερση Μέγεθος, M w Επικεντρική Απόσταση (km) Κατηγορία εδάφους Imperial Valley BRA ( ) 6,53 43,15 D Imperial Valley ECC ( ) 6,53 29,07 D Imperial Valley EMO ( ) 6,53 19,44 D Coalinga ( ) 6,36 52,86 D Loma Prieta ( ) 6,93 63,49 E Northridge ( ) 6,69 21,55 D Kobe, Japan ( ) 6,9 43,58 D Kocaeli, Turkey ( ) 7,51 95,02 D Chi-Chi, Taiwan ( ) 7,62 39,7 C Taiwan - SMART1-40 ( ) 6,32 68,38 D 58

71 Η κατηγορία εδάφους που παρουσιάζεται στους Πίνακες είναι ορισμένη σύμφωνα με την κατάταξη εδαφών κατά NEHRP: Έδαφος τύπου Α (Vs, m/s) Έδαφος τύπου B (760 m/s<vs, m/s) Έδαφος τύπου C (360 m/s<vs, m/s) Έδαφος τύπου D (180 m/s<vs, m/s) Έδαφος τύπου E Vs, m/s) Στα Σχήματα παρουσιάζονται τα φάσματα για κάθε μία από τις 30 Σεισμικές Διεγέρσεις ανά ομάδες των 10 σύμφωνα με την ομαδοποίηση που περιγράφθηκε καθώς και το μέσο φάσμα που προκύπτει σαν μέσος όρος των 10 φασματικών τιμών. Σχήμα 5.1: Φάσμα Σεισμών Πρώτης Κατηγορίας και Μέσο Φάσμα που προκύπτει από τον μέσο όρο των 10 Φασμάτων. 59

72 Σχήμα 5.2: Φάσμα Σεισμών Δεύτερης Κατηγορίας και Μέσο Φάσμα που προκύπτει από τον μέσο όρο των 10 Φασμάτων. Σχήμα 5.3: Φάσμα Σεισμών Τρίτης Κατηγορίας και Μέσο Φάσμα που προκύπτει από τον μέσο όρο των 10 Φασμάτων. 60

73 6 ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ 6.1 Δυναμική Φασματική Έγινε δυναμική φασματική ανάλυση της εσωτερικής κατασκευής, με κανόνα ιδιομορφικής επαλληλίας SRSS για 60 ιδιομορφές. Από την δυναμική φασματική ανάλυση έγινε μια αξιολόγηση της απόκρισης για σεισμό του κτηρίου και φάνηκαν τα χαρακτηριστικά του. Ήδη από την εξαγωγή των ιδιομορφών του συστήματος, αλλά και από το γεγονός ότι είναι ένα τοιχωματικό σύστημα φάνηκε ότι πρόκειται για ένα δύσκαμπτο σύστημα. Η δεσπόζουσα ιδιοπερίοδος που υπολογίστηκε ήταν στα 5,23 Hz (Τ 1 =0,19 s), για την κατεύθυνση Χ και 5,83 Hz (T 2 =0.17 s) Hz για την κατεύθυνση Y, και οι δυο είναι μεταφορικές. Έγινε ανάλυση για την κατεύθυνση Χ και Υ. Η μέγιστη μετατόπιση για το στατικό σύστημα σημειώθηκε στην κορυφή και ήταν Umax=1,01 cm, όταν η διέγερση εφαρμόστηκε στην κατεύθυνση Χ και Umax=1,2 cm για την κατεύθυνση Υ. Η μετατόπιση αυτή αναγόμενη στο ύψος της κατασκευής το οποίο είναι 40 m, είναι ίση με 3*10-5 δηλαδή ουσιαστικά μηδενική. Αλλά ακόμα και αν την ανάγουμε στα τελευταία 22 μέτρα όπου συμβαίνουν και οι μεγαλύτερες μετατοπίσεις είναι της τάξης του 5*10-5 εξίσου ελάχιστη. Άρα ένα συμπέρασμα που προκύπτει είναι ότι οι σεισμικές μετατοπίσεις του κτηρίου, τουλάχιστον για την το επίπεδο της σεισμικής καταπόνησης που εξετάζεται είναι μηδενικές. Όσον αφορά τις τάσεις που αναπτύσσονται στο σκυρόδεμα, παρουσιάζονται στα Σχήματα σε επίπεδο ελάχιστων κύριων τάσεων για τις διευθύνσεις Χ και Υ όπου φαίνεται ότι η τιμή τους είναι αρκετά μικρή, και ότι κυρίως συγκεντρώνονται στον κορμό της κατασκευής. Η μέγιστη κύρια εφελκυστική τάση για φασματική διέγερση στην κατεύθυνση Χ προκύπτει περίπου 9 MPa, ενώ για την κατεύθυνση Υ προκύπτει 7 MPa. Επιβεβαιώνεται έτσι η καλή συμπεριφορά του δομήματος το οποίο αναμένεται να αποκριθεί ελαστικά για τον μεσαίου μεγέθους σεισμό που του ασκήθηκε. Όσον αφορά την απόκριση του μηχανολογικού εξοπλισμού αυτή όπως φαίνεται στο Σχήμα 6.6 και 6.8 ακολουθεί την απόκριση του κτηρίου στο οποίο είναι πακτωμένος. 61

74 Τα μοναδικά στοιχεία για τα οποία η απόκριση τους διαφοροποιείται είναι, όπως φαίνεται στο Σχήμα 6.7, κάποια εύκαμπτα σημεία του συστήματος σωλήνωσης. Η καλή πάκτωση άρα του μηχανολογικού εξοπλισμού σε ένα δύσκαμπτο κτήριο είναι θετική σχετικά με την σεισμική απόκριση. Τέλος παρουσιάζεται στο Σχήμα 6.9 και 6.10 η απόκριση του συστήματος σωλήνωσης για τάση Von Misses. Η τάση αυτή συγκρίνεται με την επιτρεπόμενη τάση για ένταση λειτουργίας για το συγκεκριμένο υλικό κατασκευής, SA-106, Grade B, η οποία βάση του κανονισμού ASME (ASME, 2010b) είναι 129 MPa. Παρατηρείται ότι η μέγιστη τάση για το σύστημα σωληνώσεων αναπτύσσεται για διέγερση στην διεύθυνση X και είναι 63 MPa, αντίστοιχα για την διεύθυνση Υ η μέγιστη τάση είναι 37 MPa. Ο κανονισμός προβλέπει ότι για τυχαίες φορτίσεις μικρής διάρκειας σε συνδυασμό με τα φορτία λειτουργίας η επιτρεπόμενη τάση μπορεί να ξεπεραστεί έως και 3 φορές εφόσον δεν φτάνει στην τάση διαρροής του υλικού, επομένως εάν υποθέσουμε ότι το σύστημα είναι κοντά στην επιτρεπόμενη τάση από τα φορτία λειτουργίας την στιγμή που συμβαίνει ο σεισμός ο συνδυασμός των δράσεων δεν ξεπερνάει σε καμία περίπτωση τα όρια που θέτει ο κανονισμός. Σχήμα 6.1: Μέγιστη Συνολικη Μετατόπιση, Δεξια φαίνεται η Μετατόπιση για διέγερση στον άξονα Χ ενώ Αριστερά για διέγερση στον Άξονα Υ. Οι χρωματικες διαβαθμίσεις ορίζονται από την τιμή της μετατόπισης ακολουθώντας τον κανόνα οτι το Μπλέ Χρώμα να συμβολίζει την Μηδενικη Μετατόπιση και το Κόκκινο Χρώμα την Μέγιστη Συνολικη Μετατόπιση. 62

75 Σχήμα 6.2: Διεύθυνση Χ: Μέγιστες Τάσεις για Δυναμική Φασματική Όψη του Εσωτερικού Δομήματος. Σχήμα 6.3: Διεύθυνση Χ: Μέγιστες Τάσεις για Δυναμική Φασματική Τομή του Εσωτερικού Δομήματος. 63

76 Σχήμα 6.4: Διεύθυνση Υ: Μέγιστες Τάσεις για Δυναμική Φασματική Όψη του Εσωτερικού Δομήματος. Σχήμα 6.5: Διεύθυνση Υ: Μέγιστες Τάσεις για Δυναμική Φασματική τομή του Εσωτερικού Δομήματος. 64

77 Σχήμα 6.6: Μέγιστη Απόκριση σε επίπεδο Μετατοπίσεων του Εσωτερικού Δομήματος και του Μηχανολογικού Εξοπλισμού απο Δυναμική Φασματική Ανάλυση στην Κατεύθυνση Χ. Φαίνεται ότι η απόκριση του Μηχανολογικού Εξοπλισμού Σχήμα 6.7: Λεπτομέρεια απόκρισης εύκαμπτου μέρους της Σωλήνωσης. 65

78 Σχήμα 6.8: Μέγιστη Απόκριση του Εσωτερικού Δομήματος και του Μηχανολογικού Εξοπλισμού απο Δυναμική Φασματική Ανάλυση στην Κατεύθυνση Υ. 66 Σχήμα 6.9:Δυναμική Φασματική Απόκριση του Συστήματος Σωλήνωσης για Τάση Von Misses, για διέγερση στην διεύθυνση Χ.

79 67 Σχήμα 6.10:Δυναμική Φασματική Απόκριση του Συστήματος Σωλήνωσης για Τάση Von Misses, για διέγερση στην διεύθυνση Υ.

80 6.2 Ανάλυση Χρονοϊστορίας Παρουσιάζονται στην συνέχεια τα αποτελέσματα από τις αναλύσεις χρονοϊστορίας που έγιναν για τις 30 σεισμικές διεγέρσεις, και τις 3 διαφορετικές θεωρήσεις για το σεισμικό σήμα που δέχεται η βάση της κατασκευής. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται σε τρείς ομάδες, ανάλογες με τον διαχωρισμό που προηγήθηκε και εξηγείται στο Κεφάλαιο 5. Δηλαδή με τις σεισμικές διεγέρσεις διαχωρισμένες ανάλογα με την μέση περίοδο τους, σε υψηλόσυχνες, μέσης συχνότητας και χαμηλής συχνότητας διεγέρσεις. Παρουσιάζονται αποτελέσματα σε μορφή πίνακα για την μέγιστη απόκριση του συστήματος σωληνώσεων βάση του κριτηρίου Von Misses, για τις τρείς ομάδες ξεχωριστά, για τις 2 διευθύνσεις Χ και Υ για τις οποίες ασκήθηκαν οι σεισμικές διεγέρσεις Παρουσιάζονται επίσης οι χρονοϊστορίες της απόκρισης της κορυφής της κατασκευής, σε όρους μετακινήσεων, για τις 2 σεισμικές διεγέρσεις, κάθε ομάδας, οι οποίες έδωσαν τις μεγαλύτερες τάσεις για το σύστημα σωληνώσεων Θεώρηση Πάκτωσης Η θεώρηση πάκτωσης σε σκληρό έδαφος, είναι η πρώτη ομάδα αναλύσεων χρονοϊστορίας που έγιναν και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της. Σε αυτή την ανάλυση δεν εμφανίζονται καθόλου φαινόμενα αλληλεπίδρασης και εδαφικής ενίσχυσης ούτε φαινόμενα γεωμετρικής μη γραμμικότητας, θεωρείται ότι είναι μια ανάλυση βάσης, καθώς δίνει την δυνατότητα με αυτό τον τρόπο να σχολιαστούν τα αποτελέσματα των άλλων αναλύσεων βάση αυτής. Σε επίπεδο αποτελεσμάτων ήταν η ανάλυση που έδωσε την πιο χαμηλή απόκριση για τις περισσότερες αναλύσεις. Η μοναδική περίπτωση για την οποία τα αποτελέσματα της δεν έδωσαν την χαμηλότερη απόκριση ήταν για την υψηλόσυχνη πρώτη ομάδα σεισμικών διεγέρσεων για την οποία η τέταρτη ανάλυση, αυτή που επιτρέπεται η σχετική ολίσθηση δίνει στις περισσότερες περιπτώσεις την χαμηλότερη απόκριση. Η εξήγηση για αυτό το 68

81 αποτέλεσμα είναι ότι οι υψηλόσυχνες διεγέρσεις φιλτράρονται από την δυνατότητα έστω και μικρής ολίσθησης στην διεπιφάνεια θεμελίωσης εδάφους Αλληλεπίδραση Εδάφους Θεμελίωσης Κατασκευής, και Εδαφική Ενίσχυση Τα αποτελέσματα δείχνουν την ανάπτυξη του φαινομένου της Αλληλεπίδρασης Εδάφους Θεμελίωσης Κατασκευής σε συνδυασμό με το φαινόμενο της εδαφικής ενίσχυσης. Παρατηρείται αύξηση στην μέγιστη τάση που αναπτύσσεται στο σύστημα σωλήνωσης για κάθε ένα κάθε μίας Τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την υπόθεση ότι εφόσον δεν αναπτύσσονται έντονα μη γραμμικά φαινόμενα στην διεπιφάνεια θεμελίωσης εδάφους, η δυνατότητα που υπάρχει στην πραγματικότητα να εμφανίζονται μικρές σχετικές μετακινήσεις και ολισθήσεις είναι θετική για την σεισμική απόκριση της κατασκευής, καθώς κάποιες σεισμικές δράσεις έτσι αποσβένονται και δεν επιβαρύνουν την κατασκευή, παρέχοντας ένα φαινόμενο αντίστοιχο με αυτό της σεισμικής μόνωσης εφεδράνων τριβής. Επομένως, η παραδοχή που γίνεται για τις συνηθισμένες αναλύσεις, ότι υπάρχει απόλυτο συμβιβαστό στις μετακινήσεις θεμελίωσης εδάφους είναι συντηρητική Αλληλεπίδραση Εδάφους Θεμελίωσης Κατασκευής, και Εδαφική Ενίσχυση Αποδεικνύεται ότι για την πλειοψηφία των περιπτώσεων η θεώρηση επιτρεπτών σχετικών μετατοπίσεων στη διεπιφάνεια έχει αποτελέσματα τα οποία ακυρώνουν την επιρροή της αλληλεπίδρασης εδάφους θεμελίωσης κατασκευής και της εδαφικής ενίσχυσης, δηλαδή της δεύτερης ομάδας αναλύσεων που έγινε, και για σεισμικές διεγέρσεις υψηλού συχνοτικού περιεχομένου όπως είναι αυτές της πρώτης ομάδας σεισμών που εξετάστηκε, η απόκριση είναι χαμηλότερη ακόμα και από την αντίστοιχη απόκριση για θεώρηση πάκτωσης, δηλαδή την πρώτη ομάδα αναλύσεων που έγινε. 69

82 Η εικόνα αυτή όμως αλλάζει στην περίπτωση που υπάρχουν έντονα γεωμετρικά μη γραμμικά φαινόμενα όπως λικνισμός, οπότε και η ανασήκωση στην θεμελίωση και στην συνέχεια η επαναφορά, έχει την μορφή κρούσης η οποία εισάγει επιπλέον ταλαντώσεις στην κατασκευή, οι οποίες μάλιστα έχουν και αρκετά υψηλόσυχνο συχνοτικό περιεχόμενο, και άρα επηρεάζουν έντονα τα εσωτερικά δευτερεύοντα συστήματα όπως είναι το σύστημα σωληνώσεων. Τα γεωμετρικώς μη γραμμικά φαινόμενα εμφανίζονται συναρτήσει του συχνοτικού περιεχομένου της διέγερσης, όπως έχει υποδειχτεί ήδη από (Αθανασίου, 2015) ότι εμφανίζονται για διεγέρσεις χαμηλόσυχνες, δηλαδή της τρίτης κατηγορίας των σεισμών που εξετάζονται, και για σχετικά μαλακό έδαφος. 70

83 Πίνακας 6.1: Μέγιστες τάσεις στο Σύστημα Σωληνώσης από ανάλυση χρονοϊστορίας για την διεύθυνση Χ και τους Υψηλόσυχνους Σεισμούς (Πρώτη ομάδα). Tm 1 Μέγιστη Τάση απο Xρονοιστορία NL Δυν. Φασμ. Πακτ. SSI NLSSI U1 U1 U1 U1 ChiChi - 63,2 28,1 32,5 18,0 Mpa Coyotelk - 63,2 25,0 31,0 10,5 Mpa Friuli - 63,2 16,7 28,8 22,0 Mpa Impvall - 63,2 14,8 20,2 18,8 Mpa Kobe - 63,2 22,1 32,7 24,4 Mpa Lomap - 63,2 22,2 31,0 14,5 Mpa Managua - 63,2 15,0 21,0 12,7 Mpa Park - 63,2 24,0 30,0 12,0 Mpa Sfern - 63,2 18,5 25,0 20,0 Mpa Tabas - 63,2 12,5 16,0 12,7 Mpa AVERAGE 63,2 19,9 26,8 16,6 Mpa MAX 63,2 28,1 32,7 24,4 Mpa Πίνακας 6.2: Μέγιστες τάσεις στο Σύστημα Σωληνώσης από ανάλυση χρονοϊστορίας για την διεύθυνση Υ και τους Υψηλόσυχνους Σεισμούς (Πρώτη ομάδα). Tm 1 Μέγιστη Τάση απο Χρονοιστορία NL Δυν. Φασμ. Fixed SSI NLSSI U2 U2 U2 U2 ChiChi - 36,8 18,0 25,0 13,5 Mpa Coyotelk - 36,8 17,0 21,6 9,0 Mpa Friuli - 36,8 14,0 20,5 18,3 Mpa Impvall - 36,8 14,6 18,6 22,4 Mpa Kobe - 36,8 19,5 25,8 19,2 Mpa Lomap - 36,8 19,2 24,8 11,0 Mpa Managua - 36,8 13,2 19,0 10,6 Mpa Park - 36,8 15,0 18,0 8,0 Mpa Sfern - 36,8 10,8 15,7 14,5 Mpa Tabas - 36,8 9,5 12,9 9,9 Mpa AVERAGE 36,8 15,1 20,2 13,6 Mpa MAX 36,8 19,5 25,8 22,4 Mpa 71

84 Πίνακας 6.3: Μέγιστες τάσεις στο Σύστημα Σωληνώσης από ανάλυση χρονοϊστορίας για την διεύθυνση Χ και τους Μεσόσυχνους Σεισμούς (Δεύτερη ομάδα). Tm 2 Μέγιστη Τάση απο Χρονοιστορία NL Δυν. Φασμ. Πακτ. SSI NLSSI U1 U1 U1 U1 ChiChi HWA - 63,2 12,0 18,5 21,0 Mpa ChiChi TCU - 63,2 12,5 19,8 16,0 Mpa Coalinga S 63,2 16,7 30,8 30,0 Mpa ImpVall - 63,2 21,0 24,0 20,0 Mpa Kobe - 63,2 13,0 21,7 13,0 Mpa Kocaeli - 63,2 19,5 28,5 16,0 Mpa LomaP S-R 63,2 15,4 30,0 41,1 Mpa North - 63,2 17,0 22,0 14,0 Mpa Sfern S-R 63,2 12,5 27,6 14,0 Mpa Whittier S-R 63,2 12,1 24,5 30,0 Mpa AVERAGE 63,2 15,2 24,7 21,5 Mpa MAX 63,2 21,0 30,8 41,1 Mpa Πίνακας 6.4: Μέγιστες τάσεις στο Σύστημα Σωληνώσης από ανάλυση χρονοϊστορίας για την διεύθυνση Υ και τους Μεσόσυχνους Σεισμούς (Δεύτερη ομάδα). Tm 2 Μέγιστη Τάση απο χρονοιστορία NL Δυν. Φασμ. Fixed SSI NLSSI U2 U2 U2 U2 ChiChi HWA - 36,8 10,0 14,0 17,0 Mpa ChiChi TCU - 36,8 8,0 12,3 12,0 Mpa Coalinga S 36,8 10,0 22,0 24,0 Mpa ImpVall - 36,8 14,0 18,0 16,0 Mpa Kobe - 36,8 92,0 12,5 11,4 Mpa Kocaeli - 36,8 10,0 16,0 13,7 Mpa LomaP S-R 36,8 10,7 21,5 30,0 Mpa North - 36,8 16,3 20,8 11,2 Mpa Sfern S-R 36,8 8,6 21,2 11,2 Mpa Whittier S-R 36,8 10,3 18,5 20,1 Mpa AVERAGE 36,8 19,0 17,7 16,7 Mpa MAX 36,8 92,0 22,0 30,0 Mpa 72

85 Πίνακας 6.5: Μέγιστες τάσεις στο Σύστημα Σωληνώσης από ανάλυση χρονοϊστορίας για την διεύθυνση Χ και τους Χαμηλόσυχνους Σεισμούς (Τρίτη ομάδα). Tm 3 Μέγιστη Τάση απο χρονοιστορία NL Δυν. Φασμ. Πακτ. SSI NLSSI U1 U1 U1 U1 ChiChi - 63,2 12,5 22,7 29,9 Mpa Coalinga R-S 63,2 12,1 23,6 42,2 Mpa Impval EMO S 63,2 12,9 19,0 20,3 Mpa Impval ECC R-S 63,2 14,0 24,4 56,6 Mpa Impval BRA - 63,2 19,5 20,4 16,8 Mpa Kobe R-S 63,2 11,2 33,8 56,7 Mpa Kocaeli S 63,2 12,9 29,6 79,5 Mpa lomap R-S 63,2 10,5 37,5 51,0 Mpa North R-S 63,2 11,5 18,5 28,1 Mpa Smart R-S 63,2 11,2 28,9 49,4 Mpa AVERAGE 63,2 12,8 25,8 43,1 Mpa MAX 63,2 19,5 37,5 79,5 Mpa Πίνακας 6.6: Μέγιστες τάσεις στο Σύστημα Σωληνώσης από ανάλυση χρονοϊστορίας για την διεύθυνση Χ και τους Χαμηλόσυχνους Σεισμούς (Τρίτη ομάδα). Μέγιστη Τάση απο χρονοιστορία NL Δυν. Φασμ. Fixed SSI NLSSI U2 U2 U2 U2 ChiChi - 36,8 9,8 18,0 18,0 Mpa Coalinga R-S 36,8 10,9 19,2 34,4 Mpa Impval EMO S 36,8 9,8 15,7 17,6 Mpa Impval ECC R-S 36,8 12,8 19,2 38,7 Mpa Impval BRA - 36,8 14,5 14,0 14,5 Mpa Kobe R-S 36,8 9,5 30,0 37,8 Mpa Kocaeli S 36,8 11,7 26,0 43,1 Mpa lomap R-S 36,8 9,0 32,0 37,7 Mpa North R-S 36,8 10,0 16,2 23,0 Mpa Smart R-S 36,8 6,9 25,7 32,4 Mpa AVERAGE 36,8 10,5 21,6 29,7 Mpa MAX 36,8 14,5 32,0 43,1 Mpa 73

86 Σχήμα 6.11: Χρονοϊστορία μέγιστης μετατόπισης κορυφής για κατεύθυνση Χ (Επάνω) και κατεύθυνση Υ (κάτω) για την Σεισμική διέγερση ChiChi Tm 1. 74

87 75 Σχήμα 6.12: Χρονοϊστορία Επιτάχνυνσης Κορυφής για κατεύθυνση Χ (Επάνω) και κατεύθυνση Υ (κάτω) για την Σεισμική διέγερση ChiChi T m1.

88 76 Σχήμα 6.13: Χρονοϊστορία Επιτάχυνσης του Δομήματος στο επίπεδο των αντλιών (Επάνω), επιτάχυνση πάνω στο σύστημα σωλήνωσης (Μεσαίο διάγραμμα), και στην βάση (Κάτω) για την Σεισμική διέγερση ChiChi Tm 1

89 Σχήμα 6.14: Χρονοϊστορία μέγιστης μετατόπισης κορυφής για κατεύθυνση Χ (Επάνω) και κατεύθυνση Υ (κάτω) για την Σεισμική διέγερση Kobe Tm 1. 77

90 Σχήμα 6.15: Χρονοϊστορία Επιτάχνυνσης Κορυφής για κατεύθυνση Χ (Επάνω) και κατεύθυνση Υ (κάτω) για την Σεισμική διέγερση Kobe Tm 1. 78

91 79 Σχήμα 6.16: Χρονοϊστορία Επιτάχυνσης του Δομήματος στο επίπεδο των αντλιών (Επάνω), επιτάχυνση πάνω στο σύστημα σωλήνωσης (Μεσαίο διάγραμμα), και στην βάση (Κάτω) για την Σεισμική διέγερση Kobe Tm 1.

92 Σχήμα 6.17: Χρονοϊστορία μέγιστης μετατόπισης κορυφής για κατεύθυνση Χ (Επάνω) και κατεύθυνση Υ (κάτω) για την Σεισμική διέγερση Coalinga Tm 2. 80

93 81 Σχήμα 6.18: Χρονοϊστορία Επιτάχνυνσης Κορυφής για κατεύθυνση Χ (Επάνω) και κατεύθυνση Υ (κάτω) για την Σεισμική διέγερση Coalinga Tm 2.

94 82 Σχήμα 6.19: Χρονοϊστορία Επιτάχυνσης του Δομήματος στο επίπεδο των αντλιών (Επάνω), επιτάχυνση πάνω στο σύστημα σωλήνωσης (Μεσαίο διάγραμμα), και στην βάση (Κάτω) για την Σεισμική διέγερση Coalinga Tm2.

95 Σχήμα 6.20: Χρονοϊστορία μέγιστης μετατόπισης κορυφής για κατεύθυνση Χ (Επάνω) και κατεύθυνση Υ (κάτω) για την Σεισμική διέγερση ChiChi Tm1. 83

96 Σχήμα 6.21: Χρονοιστορία Επιτάχνυνσης Κορυφής για κατεύθυνση Χ (Επάνω) και κατεύθυνση Υ (κάτω) για την Σεισμική διέγερση ChiChi Tm1. 84

97 85 Σχήμα 6.22: Χρονοϊστορία Επιτάχυνσης του Δομήματος στο επίπεδο των αντλιών (Επάνω), επιτάχυνση πάνω στο σύστημα σωλήνωσης (Μεσαίο διάγραμμα), και στην βάση (Κάτω) για την Σεισμική διέγερση Loma Prieta Tm 2

98 Σχήμα 6.23: Χρονοϊστορία μέγιστης μετατόπισης κορυφής για κατεύθυνση Χ (Επάνω) και κατεύθυνση Υ (κάτω) για την Σεισμική διέγερση Kocaeli Tm 3. 86

99 Σχήμα 6.24: Χρονοϊστορία Επιτάχνυνσης Κορυφής για κατεύθυνση Χ (Επάνω) και κατεύθυνση Υ (κάτω) για την Σεισμική διέγερση Kocaeli Tm 3. 87

100 Σχήμα 6.25: Χρονοϊστορία Επιτάχυνσης του Δομήματος στο επίπεδο των αντλιών (Επάνω), επιτάχυνση πάνω στο σύστημα σωλήνωσης (Μεσαίο διάγραμμα), και στην βάση (Κάτω) για την Σεισμική διέγερση Kocaeli Tm 3. 88

101 Σχήμα 6.26: Χρονοϊστορία μέγιστης μετατόπισης κορυφής για κατεύθυνση Χ (Επάνω) και κατεύθυνση Υ (κάτω) για την Σεισμική διέγερση Loma Prieta Τm 3. 89

102 Σχήμα 6.27: Χρονοϊστορία Επιτάχνυνσης Κορυφής για κατεύθυνση Χ (Επάνω) και κατεύθυνση Υ (κάτω) για την Σεισμική διέγερση Loma Prieta Τm 3. 90

103 Ε 91 Σχήμα 6.28: : Χρονοϊστορία Επιτάχυνσης του Δομήματος στο επίπεδο των αντλιών (Επάνω), επιτάχυνση πάνω στο σύστημα σωλήνωσης (Μεσαίο διάγραμμα), και στην βάση (Κάτω) για την Σεισμική διέγερση Loma Prieta Tm 3