автореферат диссертации по строительству, 05.23.17, диссертация на тему:Динамика сооружений и оборудования АЭС при экстремальных внешних воздействиях

На правах рукописи

ПЕТРЕНКО Андрей Валерьевич

ДИНАМИКА СООРУЖЕНИЙ И ОБОРУДОВАНИЯ АЭС ПРИ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Специальность 05.23.17 - «Строительная механика»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2005

Работа выполнена в ООО «ЦКТИ-Вибросейсм» (Санкт-Петербург)

Научный руководитель:

кандидат техн. наук, доцент

БИРБРАЕР Адольф Никитич

Официальные оппоненты:

доктор техн. наук, профессор

Лалин Владимир Владимирович

кандидат техн. наук, вед. научн. сотр.

Цейтлин Борис Вениаминович

Ведущая организация:

ФГУП «Атомэнергопроект» (Москва)

Защита диссертации состоится 12 апреля 2005 г. в 1600 часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.15 в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29, III 1С, ауд. 411.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Автореферат разослан "_" марта 2005 г.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью учреждения, в двух экземплярах просим направить по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор техн. наук, профессор Андреев А.Е.

Основные сокращения, использованные в тексте автореферата: РО - реакторное отделение ПА - поэтажная акселерограмма

УС - удар самолета ПС - поэтажный спектр ответа

СК - система координат ВУВ - воздушная ударная волна

АЭС - атомная электростанция ККСК - квадратный корень суммы квадратов ЭВДВ - экстремальные внешние динамические воздействия ЛСТ - линейно-спектральная теория сейсмостойкости

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Важнейшей задачей при проектировании и эксплуатации атомных электростанций (АЭС) является обеспечение их безопасности, надежности и экологической приемлемости при всех режимах эксплуатации, в том числе при экстремальных внешних динамических воздействиях (ЭВДВ) природного и техногенного характера. Для этого необходимо обеспечить как прочность сооружений, так и работоспособность находящегося в них оборудования, отвечающего за радиационную безопасность. Одним из наиболее опасных и интенсивных природных воздействий является землетрясение. Наиболее опасными техногенными воздействиями считаются удар падающего самолета (УС) и воздушная ударная волна (ВУВ).

В последнее время для расчетов как сооружений, так и находящегося в них оборудования АЭС при ЭВДВ используются детальные математические модели, отражающие не только поведение конструкций в целом, но и локальные эффекты. С помощью таких моделей обнаруживаются неизвестные ранее явления и закономерности, влияющие на безопасность АЭС и требующие изучения.

Одним из примеров этого является возникновение статистической зависимости компонент сейсмических поэтажных акселерограмм сооружений (ПА). Ее учет влияет на задание сейсмического воздействия при расчете оборудования и трубопроводов АЭС и на их напряженно-деформированное состояние.

Другой пример связан с расчетами на ЭВДВ сооружений и находящегося в них оборудования АЭС по линейно-спектральной теории (ЛСТ). Она разработана более полувека назад для простейших динамических моделей. Поэтому ее применимость и ограничения при современном уровне детального проектирования нуждаются в дополнительной проверке и обосновании, в особенности для реализации крупных проектов строительства АЭС последних лет.

В настоящее время актуальна задача продления ресурса энергоблоков действующих АЭС. При этом часто возникает проблема обоснования их безопасности при более интенсивных ЭВДВ, чем принималось при проектировании. В связи с этим нужно, во-первых, определить запасы прочности, заложенные в конструкциях благодаря применявшимся ранее методам проектирования и расчета, например ЛСТ. Во-вторых, необходимо обосновать безопасность АЭС при более высоких уровнях ЭВДВ. В-третьих, следует разрабатывать новые эффективные методы обеспечения безопасности сооружений и находящегося в них оборудования при ЭВДВ. В частности, использование высоковязких демпферов может значительно сократить затраты на перепроектирование АЭС на более высокий уровень ЭВДВ.

Диссертация посвящена решению названных выше проблем, что и определяет ее актуальность.

Цель диссертационной работы

Совершенствование методики расчета сооружений и находящегося в них оборудования АЭС при действии экстремальных внешних динамических воздействий (ЭВДВ). Разработка и обоснование эффективности метода снижения вынужденных колебаний сооружений с помощью высоковязких демпферов при ЭВДВ.

Задачи исследования

1. Анализ методов суммирования модальных откликов в линейно-спектральной теории сейсмостойкости для проектирования сейсмостойких АЭС при использовании детальных пространственных математических моделей: сравнение точности методов, проверка выполнения основополагающих допущений, определение пределов применимости.

2. Проверка выполнения основной гипотезы, использующейся при проектировании сейсмостойких АЭС: о статистической независимости компонент акселерограмм на грунте и поэтажных акселерограмм при землетрясении. Изучение возможных причин невыполнения этой гипотезы и их зависимости от реализации землетрясения и свойств системы «здание - грунтовое основание».

3. Изучение зависимости колебаний сооружений АЭС от вариации жесткости грунта при землетрясении, ударе самолета и взрывной ударной волне.

4. Разработка и обоснование эффективности применения высоковязких демпферов, связывающих различные структурные элементы сооружений АЭС, для снижения вынужденных колебаний сооружений при землетрясении, ударе самолета и взрывной ударной волне.

Методы исследования

Решение поставленных задач достигнуто с помощью численного моделирования и анализа колебаний и напряженно-деформированного состояния сооружений АЭС и находящегося в них оборудования на основе детальных пространственных моделей при экстремальных внешних динамических воздействиях; путем аналитического исследования статистической зависимости компонент акселерограмм землетрясений; посредством вероятностного анализа 1054 записей землетрясений, зарегистрированных за последние 30 лет на территории Европы.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Проведен качественный и количественный сравнительный анализ всех методов суммирования модальных откликов линейно-спектральной теории, предусмотренных отечественными, международными и зарубежными нормами проектирования АЭС, на базе рассмотрения детальных пространственных моделей двух зданий реакторных отделений и типового оборудования АЭС (трубопровод, теплообменник и цилиндр низкого давления турбоагрегата). Дана оценка точности всех методов и основополагающего для них уравнения Розенблюэта, сформулированы рекомендации об их применимости.

2. Проверена основная гипотеза, использующаяся при проектировании АЭС: о независимости компонент акселерограмм на грунте при землетрясении. Аналитически скорректирован нормативный критерий выполнения этой гипотезы с учетом зависимости от используемой системы координат, а также определена оценка вероятности выполнения гипотезы путем обработки 1054 записей землетрясений, зарегистрированных за последние 30 лет в Европе.

3. На примере двух зданий реакторных отделений и машинного зала АЭС установлена возможность статистической зависимости компонент поэтажных акселерограмм, основные причины этого явления и степень влияния на него реализации сейсмического процесса и грунтовых условий. Продемонстрировано влияние такой зависимости на напряженно-деформированное состояние типового оборудования АЭС, и даны рекомендации по ее учету.

4. На примере здания реакторного отделения исследована зависимость интенсивности колебаний сооружения от жесткости грунта при основных видах экстремальных внешних воздействий на основе поэтажных акселерограмм и спектров ответа. Установлена необходимость учета вариации жесткости не только при землетрясении, но и при ударе самолета и взрывной ударной волне.

5. На примере типового здания реакторного отделения АЭС разработан и обоснован эффективный метод снижения вынужденных колебаний сооружения при экстремальных внешних воздействиях путем установки высоковязких демпферов, связывающих различные структурные элементы сооружения.

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждена сопоставлением с аналитическими и экспериментальными данными, опубликованными в технической литературе, а также использованием надежных и апробированных вычислительных программ и методов моделирования. Для расчетов колебаний и напряженно-деформированного состояния сооружений с находящимся в них оборудованием применялся конечно-элементный программный комплекс SOLVIA фирмы SOLVIA ENGINEERING AB (Швеция), проходящий в настоящее время аттестацию в Госатомнадзоре РФ.

На защиту выносятся:

1. Результаты качественного и количественного сравнительного анализа методов суммирования модальных откликов в линейно-спектральной теории сейсмостойкости, рекомендованных отечественными и зарубежными нормами проектирования АЭС, при использовании детальных пространственных моделей зданий и оборудования; рекомендации о применимости каждого метода.

2. Обоснование гипотезы о статистической независимости компонент сейсмических акселерограмм на грунте, используемой при проектировании АЭС, с помощью: а) корректировки критерия выполнения гипотезы с учетом используемой системы координат; б) оценки вероятности выполнения гипотезы по скорректированному критерию.

3. Доказательство возможности возникновения статистической зависимости компонент поэтажных акселерограмм, а также установленные причины этого явления и влияние на него реализации сейсмического процесса и грунтовых условий. Значимость такой зависимости с точки зрения напряженно-деформированного состояния типового оборудования АЭС, рекомендации по ее учету.

4. Результаты исследования зависимости интенсивности колебаний сооружений АЭС от жесткости грунта при землетрясении, ударе самолета и взрывной ударной волне; рекомендации по учету грунтовых условий при проектировании АЭС с учетом рассмотренных воздействий.

5. Применение высоковязких демпферов, связывающих различные структурные элементы сооружений; качественное и количественное обоснование его эф-

6

фективности для снижения вынужденных колебаний сооружения при экстремальных внешних воздействиях.

Внедрение результатов

Результаты исследований методов суммирования модальных откликов в линейно-спектральной теории сейсмостойкости и влияния грунтовых условий на поэтажные спектры при землетрясении, ударе самолета и взрывной ударной волне использованы ФГУП «Атомэнергопроект» (Москва) и ООО «ЦКТИ-Вибросейсм» (СПб) при проектировании АЭС.

Результаты исследований по использованию высоковязких демпферов внедрены 0 0 0 «ЦКТИ-Вибросейсм» при разработке методик их применения.

Апробация работы

По результатам исследований сделаны девять докладов на конференциях:

• Семинар «Сейсмостойкость и сейсмозащита зданий и сооружений», заседание секции «Строительная механика» Дома ученых им. М. Горького РАН, ноябрь 2004, С-Петербург;

• Международный симпозиум «Сейсмическая переоценка существующих АЭС. МАГАТЭ, Вена, август 2003 (два доклада);

• 17-ая Международная Конференция «Структурная механика в реакторострое-нии» (SMIRT), Прага, август 2003;

• Семинар ЦНИИСК им. Кучеренко «Совершенствование и развитие нормативной базы по сейсмостойкому строительству», Москва, апрель 2003;

• У-я Российская национальная конференция по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию с международным участием, Сочи, сентябрь 2003 (три доклада);

• Совещание-семинар МПС и ЖКХ Республики Алтай в соответствии с ФЦП «Сейсмобезопасность территории России», Горно-Алтайск, январь 2004.

Публикация результатов

Материал диссертации опубликован в девяти научных трудах.

Структура и объем работы

Диссертация содержит 203 страницы машинописного текста, 161 рисунок и 31 таблицу. Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Библиографический список включает 115 ссылок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы тема и задачи исследования, актуальность работы, показаны ее научная новизна, теоретическая и практическая значимость.

Первая глава представляет собой обзор и анализ литературы по теме диссертации, на основе которых сформулированы задачи исследования.

Теория сейсмостойкости развивалась на протяжении всего XX в. В ее создании принимали участие многие ученые зарубежных стран: М. Био, Дж. Блюм, Н. Ньюмарк, Н.Мононобе, Ф.Омори, Э.Розенблюэт, Дж.Хаузнер и др. Большой вклад внесли также ученые бывшего СССР: И.И. Гольденблат, В.К. Егупов, К.С. Завриев, И.Л. Корчинский, СВ. Медведев, Л.Г. Назаров, Ш.Г. Напетваридзе, Н.Л. Николаенко, СВ. Поляков, А.П. Синицын и др.

Важнейшим шагом в развитии методов сейсмических расчетов сыграло появление линейно-спектральной теории сейсмостойкости (ЛСТ), основанной на использовании спектров ответа, предложенных М.А. Био и X. Беньоффом. В работе дана общая оценка современного состояния ЛСТ. На основе научных pa6oi Э. Ро-зенблюэта, Э. Ванмарке, А. Гупты, А. Дер Керигяна, П. Мертенса и др., а также российских и зарубежных нормативных документов сформулированы основные требования, предъявляемые в настоящее время к сейсмическим расчетам сооружений и находящегося в них оборудования по ЛСТ.

Существует несколько проблем, связанных с применением ЛСТ. Первая касается методов суммирования модальных откликов. В настоящее время все методы, используемые в нормах ведущих стран для проектирования оборудования, систем и сооружений АЭС, основаны на уравнении Розенблюэта. Такими методами являются: «квадратный корень из суммы квадратов» (ККСК), «метод 10%», «Группировки». «Двойных сумм», «CQC», метод Гупты, упрощенные методы Гупты. Но базисное уравнение Розенблюэта было получено как приближенное, и само нуждается в обосновании и анализе точности.

Другая проблема связана со статистической зависимостью компонент сейсмических акселерограмм. При расчете по ЛСТ с помощью методов суммирования модальных откликов вычисляются сейсмические отклики системы на каждую из трех компонент сейсмического воздействия, которые затем необходимо сложить. При этом общепринято считать отклики статистически независимыми, что регламентировано нормами проектирования АЭС. Исследования записей землетрясений показывают, что на поверхности грунта компоненты сейсмических колебаний дей-

ствительно можно считать статистически независимыми. Но, проходя через упругую систему (здание), акселерограммы видоизменяются, и факт статистической независимости компонент поэтажных акселерограмм (IIA) требует проверки. Отметим, что предположение о такой независимости используется также при «генерировании» искусственных I1A с использованием поэтажных спектров ответа (ПС) для последующего расчета оборудования методом интегрирования уравнений движения. Поэтому необходимо оценить влияние возможной статистической зависимости компонент ПА на сейсмостойкость оборудования, рассчитанного как по ЛСТ, так и путем непосредственного интегрирования уравнений движения.

Еще одна проблема связана с зависимостью интенсивности колебаний сооружений от характеристик грунтового основания. Общепризнанно его сильное влияние при сейсмическом воздействии. В соответствии с рекомендациями, данными в работах Дж. Стивенсона и других исследователей, а также нормами США, при проектировании АЭС при землетрясении следует учесть три варианта модуля сдвига грунта: средний и две его вариации. По при таких экстремальных внешних динамических воздействиях (ЭВДВ), как удар самолета (УС) и взрывная ударная волна (ВУВ), подобных рекомендаций нет. Распространено мнение, что в силу высокочастотного характера этих воздействий влияние вариации грунтовых условий на ПС незначительно, и можно ограничиться рассмотрением «средних» грунтов. Такая точка зрения требует проверки.

В настоящее время, помимо методов обеспечения сейсмостойкости сооружений путем увеличения их несущей способности, часто применяются системы сейсмозащиты, снижающие инерционные нагрузки при землетрясении. Таким системам посвящены работы ЯМ. Айзенберга, Т.А. Белаш. B.C. Беляева, Ф.Д. Зе-ленкова, Б.Г. Коренева, И.Л. Корчинского, В.В. Назина, B.C. Полякова, О.А. Савинова, В.И. Смирнова, A.M. Уздина, Ю.Д. Черепинского и других авторов.

Одним из перспективных направлений сейсмозащиты является применение элементов с повышенным демпфированием - высоковязких демпферов «ВД», разработанных в ООО «ЦКТИ-Вибросейсм» и проверенных совместно с фирмой GmbH «GERB» и компанией Tshikawadzima Harima Heavy Industries Co. Они широко используются при обеспечении сейсмостойкости трубопроводов.

Предложено В.В.Костаревым использовать такие демпферы в типовом здании реакторного отделения (РО) АЭС, связав с их помощью защитную оболочку с внутренними конструкциями, с целью снижения интенсивности колебаний здания,

а также усилий в несущих конструкциях. Такое решение требует качественного и количественного обоснования.

На основании обзора литературы и анализа состояния вопроса, выполненных в главе 1, сформулированы задачи исследования.

Вторая глава посвящена анализу действующих нормативных методов суммирования модальных откликов при расчетах по ЛСТ. Их целью является вычисление сейсмического отклика Я системы на одну компоненту землетрясения с учетом корреляции между собственными формами. Все рассматриваемые методы являются аппроксимацией уравнения Розенблюэта с коэффициентами корреляции Еу

п - число учитываемых форм, Т - длительность колебаний,./?,(/) и - отклики форм / и /, а <7„ О} их среднеквадратические отклонения. Поскольку уравнение изменения модального отклика системы аналогично уравнению движения линейного осциллятора, то для вычисления коэффициентов корреляции е^ модальных откликов можно рассматривать пары линейных осцилляторов. Если зафиксировать в формуле (1) частоту ¡'-й формы и варьировать ч а сут фордат о получим так называемые функции коэффициентов корреляции. С их помощью в диссертации на примере записей 5 известных землетрясений выделены основные факторы, влияющие на взаимную корреляцию модальных откликов. Полученные функции сравнивались с функциями коэффициентов корреляции каждого из методов суммирования, что позволило сделать качественные выводы об их преимуществах и недостатках.

Для проверки сделанных выводов был проведен сейсмический расчет сооружений и оборудования АЭС: двух типовых зданий РО, трубопровода, теплообменника, цилиндра низкого давления турбоагрегата (рис. 1-3, 6). Использовались акселерограммы и соответствующие им спектры отклика. Учитывались формы колебаний Рис. Модель РО № 1 систем с частотами вплоть до частоты ускорения нулевого периода. В качестве отклика в системах оценивались погонные усилия и реакции для зданий, реакции для трубопровода и эквивалентные напряжения для обо-

10

Табл. 1. Разброс ошибок погонной РУДОвания. Отклики в рамках ЛСТ были

силы по ЛСТ по сравнению с интегрированием по акселерограмме

Метод Ошибка,%

Мах Мт

ур. Розенблюэта 38 -15

«ККСК» 574 -55

«10%» 861 -20

«Группировка» 860 -45

«Двойные суммы» 862 -19

«с.дс» 55 1 -22

метод Гупты | 131 -20

определены с помощью базисного уравнения Розенблюэта, а также методов «ККСК», «10%», «Группировки», «Двойных сумм» (со знаком модуля). CQC, метода Гупгы, упрощений метода Гупты с использованием методов «10%» и «Группировки». Для оценки точности они сравнивались с результатами, полученными модальным интегрированием уравнений дви-

жения. В частности, расчет РО №1 АЭС на вертикальное сейсмическое воздействие определил диапазон разброса ошибок методов ЛСТ в определении вертикальной погонной силы в стенах по сравнению с интегрированием по акселерограмме землетрясения (табл.1).

Проведенный анализ результатов сейсмических расчетов позволил определить точность базисного уравнения Розенблтоэта, лежащею в основе всех рассматриваемых методов ЛСТ (неконсервативная ошибка до -24%), а также показал необходимость учета «высших» форм колебаний, не находимых явно (они давали до 95% сейсмического отклика). При этом основными факторами, определяющими отклик системы, оказались демпфирование и распределение энергии сейсмического процесса по частоте, а учет длительности землетрясения при заданном спектре ответа был не существенен. Метод «10%» в рассмотренных системах дал в целом консервативные результаты, но они в ряде случаев были в несколько раз завышенными (ошибка до 861%). Упрощенный метод Гупты с методом «10%» не уменьшил консерватизм метода «10%». Метод «Двойных сумм» со знаком модуля был излишне консервативен, а методы «Группировки», «CQC» и «ККСК»в ряде случаев привели к значительным неконсервативным ошибкам, и использовать их не рекомендуется. С учетом всех расчетов установлено, что метод

I упты дал наилучшие результаты, наиболее близкие к уравнению Розенблюэта и

11

Рис 3 Цилицпр низкого давления гурбоагрегата АЭС

расчету интегрированием на акселерограмму

В третьей главе проверяется выполнение основной гипотезы, использующейся при проектировании сейсмостойких АЭС: о независимости компонент акселерограмм на грунте и поэтажных акселерограмм при землетрясении. В настоящее время принято считать, что компоненты землетрясения статистически независимы или слабо зависимы. Известно, что это справедливо, если одна ш компонент записана в направлении на эпицентр, другая горизошалыю и перпендикулярно первой, а третья - вертикально. Но опицентры землетрясений расположены случайным образом по отношению к направлениям записи на ссйсмостанциях, и неясно, останутся ли компоненты акселерограммы статист-чески независимыми при переходе к иной системе координат (СК)

Как мера статистической зависимости между компонентами акселерограммы используется коэффициент корреляции-

где г, 1 = {х, у, г], Г Ф Е{} - символ математического ожидания: тги т., - математические ожидания случайных величин ускорений соответственно,

их среднеквадратические отклонения Согласно нормам, для сейсмических акселерограмм на ]рунте должен выполняться критерий

I Гринято использовать СК с двумя горизонтальными осями X, У в плоскости поверхности Земли, являющейся границей упругого полупространства, и вертикальной осью Z, т.е. нормалью к ней. Рассматривая наряду с исходной СК (ХУЖ) другую (ЦУЖ), полученную поворотом на угол а вокруг оси Z (рис 4), были найдены

выражения для максимума модуля коэффициента корреляции

а) для любых двух горизонтальных компонент акселерограммы

тах

ЖЩ) 12

(4)

й"! ттття гопизонтя ттъной и вептикя тты:

Ргх~РхуР)

V

Тем самым показано, что нормативный критерий независимости компо-

X

и

нент может удовлетворяется в исходной СК, но одновременно нарушаться в некоторой другой СК. Более обос-

нованным является использование

Рис.4. Исходная система координат

усовершенствованного критерия,

и повернутая вокруг вертикальной оси

сводящегося к формулам (4, 5).

Для проверки выполнения нормативного критерия независимости компонент и обоснования его усовершенствованного вида были изучены записи из Европейской базы данных о сильных землетрясениях, произошедших на территории Европы за последние 30 лет (1054 шт.). С их помощью найдены плошости вероятноаи модулей коэффициентов корреляции, и вычислена опенка вероятности выполнения нормативного критерия (табл 2):

Табл. 2. Оценка вероятности независимости компонент землетрясения

Проведенные исследования подтвердили обоснованность гипотезы о статистической независимости компонент сейсмических колебаний на грунте и использование усовершенствованного вида нормативного критерия

Однако эту гипотезу приняю распространять и на сейсмические колебания внутри зданий и сооружений, что, в частности, лежит в основе ЛСТ. В работе указан ряд причин, по которым даже статисгически независимые компоненты исходных акселерограмм, записанных на грунте, пройдя через упругую систему (здание), могут стать статистически зависимыми. Все они сводятся к тому, что сейсмическое воздействие в одном глобальном направлении вызывает отклик конструкции в другом глобальном направлении.

Система координат

Рху Ргх Руг

Исходная (действующий критерий)

0.84 0.84 0.88

Соответствующая максимальной корреляции (усовершенст вованный критерий)

0.64 0.73 0.73

Рис. 5 Модель машинного зала АЭС

Для анализа возможности возникновения сильно зависимых компонент ПА были проведены сейсмические расчеты двух различных зданий РО и машинного зала. Для них были разработаны детальные математические модели (рис. 1, 2, 5). Землетрясение задавалось с помощью искусственных акселерограмм Результа-

ты проведенных расчетов подтвердили возможность возникновения сильно зависимых компонент IIA и предполагаемые причины этого явления. Соответствующий модуль коэффициента корреляции в некоторых случаях достигал 0.8.

На примере здания РО №2 было показано, что эффект зависимости компонент ПА не вызван особенностями использованной расчетной акселерограммы А для изучения влияния на данный эффект грунтовых условий было рассмотрено пять вариантов жесткости грунта (от очень мягкого до скалы). Оказалось, что при всех жесткостях основания в здании РО существуют зоны, где модуль коэффициента корреляции компонент ПА достигает значений 0 7-0 8 Для мест установки наиболее отвегствешюго оборудования (реактора, главных циркуляционных насосов, системы аварийного охлаждения зоны и системы пассивного отвода тепла) было получено, что критерий независимости компонент ПА нарушался в 34% случаев

Посредством сейсмического анализа оборудования с различными динамическими характеристиками - жестких систем (первая собственная частота выше 20 Гц); гибкой трубопроводной системы; подогревателя низкого давления АЭС (рис. 6) - показано, что при оценке напряженно- деформированною состояния оборудования при землетрясении без учета статистической зависимости компонент ПА можно получить существенную неконсервативную ошибку (до 70%) Но действующие нормы влиянием этого фактора пренебрегают.

Рис. 6. Модель теплообменника

Были выработаны рекомендации по учету данного явления при проектировании сейсмостойких АЭС.

В четвертой главе на примере здания РО №2 (рис 2) изучена зависимость интенсивности вынужденных колебаний конструкций АЭС от жесткости грунта при землетрясении, УС и ВУВ. Рассмотрены пять вариантов грунта - от очень мягкого до скалы. Использовались акселерограмма землетрясения, закон изменения силы во времени при ударе самолетов Lear Jet и Cessna, зависимость от времени давления на поверхности здания пои ВУВ.

J_I_I I I I

К=1.3е+8 Па

— К=8.0е+8 Па К»1.2в+9 Па

- - К=21е+9 Па -скала

Анализ ПС, определяющих колебания сооружения и инерционные нагрузки на оборудование, выявил сильное влияние жесткости грунта не только при сейсмическом воздействии, но и при УС и ВУВ (рис. 7). Следовательно, вариацию жесткости основания нужно учитывать не только при рас-Рис. 7 ПС герметичного объема при ВУВ (горизонталь, демпфирование 2%, К - модуль сдвига грунта) четах на землегрясение, но

и при УС и ВУВ.

В пятой главе на примере типового здания РО № 1 (рис. 1) изучено предложенное В.В. Костаревым применение демпферов «ВД», связывающих различные структурные элементы здания (рис. 8), для снижения ответных колебаний при землетрясении, УС и ВУВ. Учитывались два варианта грунта: мягкий и скальный.

Для общей оценки эффективности работы демпферов была рассмотрена простейшая система, состоящая из двух линейных осцилляторов, моделирующих систему «оболочка - внутренние конструкции РО». Осцилляторы соединялись связью, эквивалентной некоторому числу демпферов «ВД». Варьируя отношения масс и частот осцилляторов, изучалась эффективность связи при разных уровнях демпфирования в системе с точки зрения снижения максимальною ускорения одного из осцилляторов. Установлена возможность снижения колебаний конструкции при соединении не только с более жесткой, но и с более податливой системой.

С помощью стержневой и детальной моделей здания показана принципиальная эффективность использования демпферов, и найдено их оптимальное количество, исходя из двух требований: 1 - снижения ответного ускорения первого осциллятора, 2 - снижения передаваемой ему сейсмической энергии. Оптимальное число демпферов составило 90 штук.

Был проведен сравнительный анализ колебаний и внутренних усилий здания, а также нагрузок на оборудование как без демпферов, так и при выбранном их числе, при землетрясении, УС и ВУВ. Эффективность высоковязких демпферов «ВД» была наибольшей в случае скального основания.

Были рассмотрены два удара самолета типа Phantom в различные точки здания. Установлено, что для отметок внутренних конструкций введение связи из 90 демпферов приводит к снижению максимальных ускорения на ПС и максимальные ускорения во времени. При этом, однако, ПС становятся более пологими, и их максимумы смещаются, так что в некоторых диапазонах частот они оказались выше исходных ПС.

Воздействие ВУВ задавалось изменяющимся во времени давлением, полученным из решения задачи об обтекании взрывной волной цилиндра с заданным радиусом. При этом введение демпферной связи увеличивало инерционную нагрузку на оборудование на отдельных перекрытиях РО.

На основе полученных выше данных для здания РО на скальном основании построены обобщенные расширенные огибающие ПС от землетрясения. УС и ВУВ (рис. 9). Максимальные ускорения для отметок приведены в табл.3. Как видно, при установке демпферов ускорения, т.е. инерционные нагрузки на оборудование, существенно ниже, чем без них. Для данного здания определяющим внешним воздействием явилось землетрясение интенсивностью 8 баллов (по шкале MSK64). Поэтому нежелательные изменения ПС при введении связи из демпферов «ВД» в условиях действия ВУВ и УС оказались несущественными.

Дополнительно был изучен вариант установки демпферов на отметке Б

(рис. 8), где расположены четыре главных циркуляционных насоса, от которых за-

16

висит безотказная работа АЭС. Он оказался весьма эффективным, хотя немного уоупал первому по снижению пиков ПС. Допустимо связь из демпферов частично выполнить на одной отметке, а частично - на другой, в зависимости от удобства ее расположения.

В приложении приведены результаты сравнения методов ЛСТ для двух зданий РО и типового оборудования АЭС.

Табл 3. Максимальные ускорения при землетрясении, УС и ВУВ (скала)

Место в здании РО Максимальные ускорения отметок здания, м/с2 Максимальные спектральные ускорения, м/с2

бе! демпферов 90 демпферов без демпферов 90 демпферов

Отметка внут- А 10 2 68 82 5 48.5

ренних конст- Б 82 56 67.2 39.0

рукций В 6.8 5.0 58,9 35,0

Зенит оболочки 97 94 81.7 79.1

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

На основе исследований, выполненных в диссертационной работе, получены следующие основные результаты.

1. Проведен качественный и количественный сравнительный анализ всех нормативных методов суммирования модальных откликов линейно-спектральной теории для расчета сооружений и оборудования АЭС (как посредством исследования функций коэффициентов корреляции, так и на основе детальных пространственных математических моделей зданий и оборудования АЭС). Демпфирование и распределение энергии сейсмического процесса по частоте (форма спектра ответ или функции спектральной плотности) явились основными факторами, определяющими сейсмический отклик системы. Из расчетов детальных моделей рассмотренных систем определена величина неконсервативной ошибки уравнения

20 30

частота, Гц

Рис. 9. ПС для верха внутренних конструкций РО при землетрясении, УС и ВУВ (для демпфирования 2%, скальное основание)

Розенблюэта, лежащего в основе всех нормативных методов (до -24% по сравнению с результатами, полученными интегрированием). Показано, что наиболее совершенным из нормативных методов суммирования является метод Гупты.

2. Предложен усовершенствованный критерий независимости компонент сейсмической акселерограммы и обоснован для воздействия на грунте. На примере двух зданий реакторных отделений и машинного зала показано, что этот критерий может нарушаться для компонент поэтажных акселерограмм (более чем в одной трети случаев для здания реакторного отделения в местах установки особо ответственного оборудования), установлены причины этого явления. Рекомендуется при выполнении динамического расчета зданий и сооружений АЭС оценивать зоны с возможной сильной статистической зависимостью компонент поэтажных акселерограмм. В этих зонах следует отыскивать главные оси воздействия и задавать направления сейсмических компонент в этих осях или вычислять поэтажные спек-гры ответ совместно с коэффициентами корреляции. Показана возможность получения неконсервативных результатов при расчетах оборудования в условиях статистически зависимых компонент поэтажных акселерограмм (ошибка до -70%).

3. На примере здания реакторного отделения АЭС исследована зависимость вынужденных колебаний системы от жесткости грунта при экстремальных динамических воздействиях, учитываемых в проектах АЭС. Показано, что эта жесткость оказывает существенное влияние не только при сейсмическом воздействии, но и при взрывной ударной волне и ударе самолета. Рекомендуется при всех этих воздействиях учитывать вариацию свойств грунтового основания.

4. Разработан метод применения высоковязких демпферов типа "ВД", связывающих различные структурные элементы сооружений АЭС, для снижения колебаний сооружения и инерционных нагрузок на оборудование при экстремальных внешних воздействиях На примере типового здания реакторного отделения АЭС установлена эффективность такого метода при условии достаточно жесткого грунтового основания (на этажах ускорения снижаются до 50%, а соответствующие максимальные спектральные ускорения - до 70%).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Петренко А.В., Бирбраер А.Н. Сравнение методов линейно-спектральной теории при использовании детальных пространственных магематических моделей // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. - М: ВНИИНТПИ, 2004. -

№6,-С 27-31

2 Петренко А В , Бирбраер А Н Проверка гипотезы о статистической независимости компонент поэтажных акселерограмм при сейсмическом воздействии // Сейсмостойкое строительство Безопасность сооружений - М ВНИИНТПИ, 2003 -№5,-0 17-19

3 New method for essential reduction of seismic loads on NPP's structures, systems and components / Kostarev V , Petrenko A , Vasilyev P // The 17th International Conference on Structural Mechanics m Reactor Technology (SMiRT) Transactions vol К #K13 1

Prague IASMiRT,2003-pp 1-5

4 Effect of strong correlation between response seismic accelerations and its importance for evaluating of general equipment for reactor building components / BirbraerA Petrenko A // International Symposium on Seismic Evaluation of Existing Nuclear Fa cilitics Book ot invited and contributed papers # IALA-CN-106 Vienna, IAEA, 2003

pp 371-374

5 A new method for essential reduction of seismic and external loads on NPP's structures systems and components / Kostarev V , Petrenko A , Vasilyev P , Birbraer A // International Symposium on Seismic Evaluation of Existing Nuclear Facilities Book of invited and contributed papers #IAEACN-106 -Vienna, IAFA, 2003-pp 362-365

6 ПетренкоАВ Исследование зависимости поэтажных спектров отклика при особых динамических воздействиях or жесткости грунтового основания // Прочность и ресурс энергооборудования Труды ЦКТИ - СПб, ОАО «НПО ЦКТИ», 2002 Вып 291 -С205-214

7 Бирбраер А Н , Петренко А В Статистическая независимость компонент сейс мических аксе программ на грунте и этажах зданий и ее значимость для сейсмостойкости оборудования АЭС // Методы повышения технического уровня и надежности элементов энергооборудования ТЭС и АЭС Труды ЦКТИ СПб, ОАО «НПО ЦКТИ», 2004 - Вып 293 - С 49 - 64

8 Костарев В В , Петренко А В , Васильев П С Метод эффективного снижения сейсмических и особых динамических нагрузок на здания, сооружения и оборудование с использованием высоковязких демпферов // V я Российская национальная

19

конференция по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию с международным участием: Тезисы докладов. - М: ВНИИНТПИ, 2003. - С 136. 9 Петренко А.В., Бирбраер А.Н. Анализ точности методов суммирования модальных откликов в линейно-спектральной теории сейсмостойкости // У-я Российская национальная конференция по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию с международным участием: Тезисы докладов. - М: ВНИИНТПИ, 2003. - С.97.

Подписано в печать И- . Формат 60x84/16. Печать офсетная.

Уч. печ. л. . Тираж /00 . Заказ У/ .

Отпечатано с готовою оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая, 29.

05.2-3

**50

uu

11

У

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1 СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ АЭС ПРИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯХ И ОСОБЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ.

1.1 Сейсмические расчеты сооружений и оборудования по спектрам отклика.

1.2 Гипотеза о статистической независимости поэтажных акселерограмм при расчетах оборудования на сейсмостойкость.

1.3 Зависимость интенсивности колебаний сооружений и нагрузок на оборудование АЭС от жесткости грунтового основания при расчетах на землетрясение, падение самолета и действие воздушной ударной волны.

1.4 Использование высоковязких демпферов для снижения интенсивности колебаний сооружений и оборудования АЭС при землетрясении и других особых динамических воздействиях.

1.4.1 Современные методы активной сейсмозащиты.

1.4.2 Технология высоковязких демпферов, их применение для оборудования и трубопроводов.

1.5 Постановка задач исследования.

Глава 2 АНАЛИЗ ТОЧНОСТИ МЕТОДОВ СУММИРОВАНИЯ МОДАЛЬНЫХ

ОТКЛИКОВ ПРИ РАСЧЕТЕ КОНСТРУКЦИЙ ПО ЛСТ.

2.1 Предварительные замечания.

2.2 Зависимость модальной корреляции от частоты и демпфирования.

2.3 Зависимость модальной корреляции от длительности землетрясения.

2.4 Зависимость модальной корреляции от формы спектра землетрясения.

2.5 Недостатки и достоинства рассматриваемых методов суммирования модальных откликов.

2.5.1 Методы «10% близости».

2.5.2 Методы «Двойных сумм» и CQC.

2.5.3 Метод Гупты.

2.5.4 Упрощения метода Гупты.

2.5.5 Эффекты, учитываемые методами.

2.6. Примеры расчетов.

2.6.1 Опыт предыдущих исследований.

2.6.2 Пример расчета трубопровода АЭС.

2.6.3 Пример расчета подогревателя низкого давления АЭС

2.6.4 Пример расчета цилиндра низкого давления турбоагрегата АЭС.

2.6.5 Пример расчета здания реакторного отделения № 1 АЭС.

2.6.6 Пример расчета здания реакторного отделения № 2 АЭС.

2.7 Выводы по главе 2.

Глава 3 ПРОВЕРКА ГИПОТЕЗЫ О СТАТИСТИЧЕСКОЙ НЕЗАВИСИМОСТИ КОМПОНЕНТ АКСЕЛЕРОГРАММ ПРИ РАСЧЕТАХ СООРУЖЕНИЙ И ОБОРУДОВАНИЯ НА СЕЙСМОСТОЙКОСТЬ.

3.1 Коэффициенты корреляции компонент акселерограммы и их зависимость от выбора системы координат.

3.2 Причины возникновения корреляции компонент поэтажных акселерограмм.

3.3 Определение коэффициентов корреляции компонент ПА на примере зданий реактора АЭС.

3.4. Зависимость коэффициентов корреляции компонент ПА от конкретной реализации сейсмического воздействия.

3.5 Влияние грунтовых условий на эффект возникновения статистической зависимости компонент поэтажных акселерограмм.

3.6 Влияние статистической зависимости компонент ПА на результаты сейсмического расчета оборудования, установленного в зданиях и сооружениях.

3.7 Выводы.

Глава 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ИНТЕНСИВНОСТИ КОЛЕБАНИЙ

СООРУЖЕНИЙ И ИНЕРЦИОННЫХ НАГРУЗОК НА ОБОРУДОВАНИЕ ОТ ЖЕСТКОСТИ ГРУНТОВОГО ОСНОВАНИЯ ПРИ ОСОБЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ.

4.1 Предварительные замечания.

4.2 Расчетная модель сооружения и свойства грунтового основания.

4.3 Зависимость ПСО при сейсмическом воздействии от жесткости грунтового основания.

4.4 Зависимость ПСО при воздействии воздушной ударной волны от жесткости грунтового основания.

4.5 Зависимость ПСО при ударе самолета от жесткости грунтового основания.

4.6 Выводы.

Глава 5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЫСОКОВЯЗКИХ ДЕМПФЕРОВ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ

ИНТЕНСИВНОСТИ КОЛЕБАНИЙ СООРУЖЕНИЙ И НАГРУЗОК НА ОБОРУДОВАНИЕ

АЭС ПРИ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ВНЕШНИХ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ.

5.1 Конструктивные особенности здания реакторного отделения АЭС.

5.2 Изучение эффективности демпфера «ВД» на примере системы с двумя степенями свободы.

5.3 Изучение эффективности демпфера ВД с помощью стержневой и пространственной моделей здания РО.

5.4 Изучение поведения здания РО с вязко-упругой связью при землетрясении, воздействии воздушной ударной волны и падении самолета.

5.4.1 Сейсмическое воздействие.

5.4.2 Воздействие при падении самолета.

5.4.3 Воздействие воздушной ударной волны.

5.4.4 Обобщенные спектры ответа при землетрясении, падении самолета и ВУВ

5.4.5 Нагрузки на демпферы при экстремальных внешних воздействиях.

5.5 Альтернативный вариант установки связи с демпферами.

5.6 Выводы.

Важнейшей задачей при проектировании и эксплуатации атомных электростанций (АЭС) является обеспечение их безопасности, надежности и экологической приемлемости при всех режимах эксплуатации [55], в том числе при экстремальных внешних динамических воздействиях (ЭВДВ) природного и техногенного характера [64]. Для этого необходимо обеспечить как прочность сооружений, так и работоспособность находящегося в них оборудования, отвечающего за радиационную безопасность [23, 24]. Одним из наиболее опасных и интенсивных природных воздействий является землетрясение[41, 49]. Наиболее опасными техногенными воздействиями считаются удар падающего самолета (УС) и воздушная ударная волна (ВУВ) [41].

Актуальность проведенных исследований обусловлена следующим.

В последнее время для расчетов при ЭВДВ как сооружений, так и находящегося в них оборудования АЭС, используются детальные математические модели, отражающие не только поведение конструкций в целом, но и локальные эффекты. С помощью таких моделей обнаруживаются неизвестные ранее явления и закономерности, влияющие на безопасность АЭС и требующие изучения.

Одним из примеров этого является возникновение статистической зависимости компонент сейсмических поэтажных акселерограмм (ПА) сооружений. Ее учет влияет на задание сейсмического воздействия при расчете оборудования и трубопроводов АЭС и на их напряженно-деформированное состояние.

Другой пример связан с расчетами на ЭВДВ сооружений и находящегося в них оборудования АЭС по линейно-спектральной теории (ЛСТ). Она разработана более полувека назад для простейших динамических моделей. Поэтому ее применимость и ограничения при современном уровне детального проектирования нуждаются в дополнительной проверке и обосновании, в особенности для реализации крупных проектов строительства АЭС в последние годы.

В настоящее время актуальна задача продления ресурса энергоблоков действующих АЭС. Как правило, возникает проблема обоснования их безопасности при более интенсивных ЭВДВ, чем принималось при проектировании. В связи с этим нужно, во-первых, определить запасы прочности, заложенные в конструкциях благодаря применявшимся ранее методам проектирования и расчета, например ЛСТ. Во-вторых, необходимо обосновать безопасность АЭС при более высоких уровнях ЭВДВ. В-третьих, следует разрабатывать новые эффективные методы обеспечения безопасности сооружений и находящегося в них оборудования при ЭВДВ. В частности, использование высоковязких демпферов может значительно сократить затраты на перепроектирование АЭС на более высокий уровень ЭВДВ.

Диссертация посвящена решению названных выше проблем, что и определяет ее актуальность.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Проведен качественный и количественный сравнительный анализ всех методов суммирования модальных откликов линейно-спектральной теории, предусмотренных отечественными, международными и зарубежными нормами проектирования АЭС, на базе рассмотрения детальных пространственных моделей двух зданий реакторных отделений и типового оборудования АЭС (трубопровод, теплообменник и цилиндр низкого давления турбоагрегата). Дана оценка точности всех методов и основополагающего для них уравнения Розенблюэта, сформулированы рекомендации об их применимости.

2. Обоснована основная гипотеза, использующаяся при проектировании АЭС: о независимости компонент акселерограмм на грунте при землетрясении. Аналитически скорректирован нормативный критерий выполнения этой гипотезы с учетом зависимости от используемой системы координат, а также определена оценка вероятности выполнения гипотезы путем обработки 1054 записей землетрясений, зарегистрированных за последние 30 лет на территории Европы.

3. На примере двух зданий реакторных отделений и машинного зала АЭС установлены возможность возникновения статистической зависимости компонент поэтажных акселерограмм, основные причины этого явления и степень влияния на него реализации сейсмического процесса и грунтовых условий. Продемонстрировано влияние такой зависимости на напряженно-деформированное состояние типового оборудования АЭС, и даны рекомендации по ее учету.

4. На примере здания реакторного отделения исследована зависимость интенсивности колебаний сооружения от жесткости грунта при основных видах экстремальных внешних воздействий на основе поэтажных акселерограмм и спектров ответа. Установлена необходимость учета этого фактора не только при сейсмическом воздействии, но и при ударе самолета и взрывной ударной волне.

5. На примере типового здания реакторного отделения АЭС разработан и обоснован эффективный метод снижения вынужденных колебаний сооружения при экстремальных внешних воздействиях с помощью высоковязких демпферов, связывающих различные структурные элементы сооружения.

Теоретическая и практическая значимость (внедрение результатов)

Результаты исследований методов суммирования модальных откликов в линейно-спектральной теории сейсмостойкости и влияния грунтовых условий на поэтажные спектры при землетрясении, ударе самолета и взрывной ударной волне использованы ФГУП «Атом-энергопроект» (Москва) и ООО «ЦКТИ-Вибросейсм» (Санкт-Петербург) при проектировании АЭС.

Результаты исследований по использованию высоковязких демпферов внедрены ООО «ЦКТИ-Вибросейсм» при разработке методик их применения.

Апробация работы и публикации

По результатам исследований сделаны девять докладов на конференциях:

• Семинар «Сейсмостойкость и сейсмозащита зданий и сооружений», заседание секции «Строительная механика» Дома ученых им. М. Горького РАН, ноябрь 2004, С-Петербург;

• Международный симпозиум «Сейсмическая переоценка существующих АЭС, МАГАТЭ, Вена, август 2003 (два доклада);

• 17-ая Международная Конференция «Структурная механика в реакторостроении» (SMIRT), Прага, август 2003;

• Научно-технический семинар ЦНИИСК им. Кучеренко «Совершенствование и развитие нормативной базы по сейсмостойкому строительству», Москва, апрель 2003;

• V-я Российская национальная конференция по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию с международным участием, Сочи, сентябрь 2003 (три доклада);

• Совещание-семинар МПС и ЖКХ Республики Алтай в соответствии с ФЦП «Сейсмобе-зопасность территории России», Горно-Алтайск, январь 2004.

Основные результаты исследований диссертации были опубликованы в 9-ти печатных работах, в том числе в трудах 2-х международных конференций.

5.6 Выводы

Для типового здания РО АЭС рассмотрена возможность установки связи внутренних конструкций герметичного объема с защитной оболочкой с помощью высоковязких демпферов «ВД». Полученные результаты исследований свидетельствуют о целесообразности применения такой связи в случае достаточно жесткого грунтового основания, когда взаимные колебания конструкций друг относительно друга при экстремальных внешних воздействиях будут наибольшими.

Поскольку выявлена сильная зависимость эффективности работы такой связи от грунтовых условий, то для ее применения при проектировании АЭС необходимо располагать достоверными сведениями о свойствах грунтов основания.

На основе исследований, выполненных в диссертационной работе, получены следующие основные результаты:

1. Проведен качественный и количественный сравнительный анализ всех нормативных методов суммирования модальных откликов в линейно-спектральной теории сейсмостойкости, использующихся при проектировании оборудования, систем и сооружений АЭС. Анализ проводился как посредством исследования функций коэффициентов корреляции, так и на основе расчетов детальных пространственных математических моделей двух зданий РО и оборудования АЭС (подогреватель низкого давления, трубопровод, цилиндр низкого давления турбоагрегата).

1.1 Установлено, что основными факторами, определяющими корреляцию модальных откликов, а, следовательно, и сейсмический отклик системы в целом, являются демпфирование и распределение энергии сейсмического процесса по частоте, т.е. форма спектра отклика (или вид функции спектральной плотности). Напротив, влияние длительности сейсмического воздействия, явно учитывающееся в методе «Двойных сумм» Розенблюэта, оказалось несущественным;

1.2 При интегрировании уравнений движения одновременный расчет на все три компоненты воздействия привел к результатам (реакциям), отличающимся на величину порядка 30% от результатов расчета отдельно на каждую из трех компонент (с последующим суммированием результатов по ККСК);

1.3 Показано, что обязателен учет высших форм, явно не находимых в расчете (вклад по высшим формам в расчете достигает 97 % по реакциям);

1.4 На примере расчетов определена величина неконсервативной ошибки уравнения Розенб-люта, лежащего в основе всех методов суммирования по JICT в современных нормативных документах. Для внутренних усилий ошибка составила 15% (в направлении воздействия), для реакций 22%, а для эквивалентных напряжений 24%. Это означает, что при использовании любого нормативного метода суммирования ошибка будет не меньше этой величины;

1.5 Наиболее совершенным из нормативных методов суммирования является метод Гупты;

1.6 Метод CQC при расчете оборудования оказался близким по точности к ККСК, поэтому его рекомендуется исключить из использования;

1.7 Метод «Двойных сумм» с использованием модуля, т.е. в формулировке, данной в нормах комиссии по атомной энергии США (NRC), является излишне консервативным. Учет в нем длительности сейсмического воздействия не дает существенного приближения к «точному решению», поэтому его рекомендуется исключить из использования;

1.8 Метод «10%» в рассмотренных в настоящей работе системах дает в целом консервативные результаты, однако они могут оказаться весьма завышенными (ошибка в определении напряжений/нормальной силы - до 850%);

1.9 Методы «Группировки» и «ККСК», предусмотренные Российскими нормами, могут давать большие ошибки как в консервативную, так и в неконсервативную стороны (ошибка по нормальной силе до 55% не в запас). В связи с этим можно рекомендовать заменить их в нормах более точными методами (метод Гупты);

1.10 Упрощенный метод Гупты с правилом «Группировки» следует исключить из использования. Упрощение метода Гупты при использовании метода «10%» для группы низкочастотных собственных форм не является существенным улучшением метода «10%».

2 Проверена основная гипотезы, использующаяся при проектировании сейсмостойких АЭС: о независимости компонент акселерограмм на грунте и поэтажных акселерограмм при землетрясении.

2.1 Показано, что нормативный критерий статистической независимости компонент сейсмической акселерограммы на грунте, в котором учитываются коэффициенты их корреляции в исходной системе координат, следует рассматривать как условный, поскольку они зависят от выбранного направления осей системы;

2.1 Предложен усовершенствованный критерий независимости компонент сейсмической акселерограммы и обоснован для воздействия на грунте. Вычислена оценка вероятности выполнения такого критерия (на основе статистической обработки 1054 записей сильных землетрясений последних 30 лет на территории Европы);

2.2 На примере двух зданий реакторных отделений и машинного зала показано, что этот критерий может нарушаться для компонент поэтажных акселерограмм (более чем в одной трети случаев для здания реакторного отделения в местах установки особо ответственного оборудования), установлены причины этого явления. Рекомендуется при выполнении динамического расчета зданий и сооружений АЭС оценивать зоны с возможной сильной статистической зависимостью компонент поэтажных акселерограмм. В этих зонах следует уделять особое внимание анализу сейсмостойкости оборудования с учетом фактической корреляции компонент поэтажных акселерограмм. Предлагается три способа ее учета: а) использование отличных от принятых (ККСК и «100-40-40») правил суммирования откликов от компонент сейсмического воздействия; б) вычисление поэтажных спектров ответа совместно с коэффициентами корреляции для последующей генерации статистически зависимых поэтажных акселерограмм; в) вычисление поэтажных спектров ответа в «главных осях» воздействия на отметках зданий и сооружений;

2.3 На примере динамического расчета здания реакторного отделения установлено, что возникновение сильно коррелированных компонент ПА не зависит от конкретной реализации сейсмического процесса, но сильно зависит от грунтовых условий. Вычисление коэффициентов корреляции при пяти вариантах жесткости грунта (от очень мягкого до скалы) показало, что во всех случаях в здании существуют зоны, где компоненты ПА сильно статистически зависимы (модуль коэффициента корреляции ~ 0.8-5-0.9).

2.4 Путем анализа сейсмостойкости оборудования при статистически зависимых компонентах акселерограмм показана возможность получения неконсервативной оценки напряженно-деформированного состояния (ошибка до -70%).

3. На примере динамического расчета здания реакторного отделения АЭС исследована зависимость интенсивности колебаний сооружения и инерционных нагрузок на оборудование от вариации жесткости грунтового основания при экстремальных динамических воздействиях, учитываемых в проектах АЭС. Показано, что, в отличие от преобладающей в настоящее время точки зрения, вариация жесткости основания существенно влияет на нагрузки не только при сейсмическом воздействии, но и при взрывной ударной волне и ударе самолета. Рекомендуется при всех этих воздействиях выполнять комплекс расчетов с учетом вариации свойств грунтового основания.

4. На примере типового здания реакторного отделения АЭС установлена эффективность применения высоковязких демпферов типа «ВД» для снижения интенсивности колебаний сооружения и инерционных нагрузок на оборудование при экстремальных внешних динамических воздействиях.

4.1. На основе рассмотрения простейшей системы осцилляторов, соединенных связью из демпферов, показано, что принципиально можно добиться снижения сейсмических колебаний конструкции, соединив ее не только с более жесткой, но и с более податливой системой.

4.2 Для исследуемого здания реакторного отделения обнаружена сильная зависимость работы вязко-упругой демпферной связи от грунтовых условий. Поэтому при реализации такой конструкции необходимо располагать достоверными сведениями о свойствах грунтов. Для данного здания высокая эффективность демпферов наблюдалась при скальном основании.

4.3 Показано, что при ударе самолета и взрывной ударной волне демпферы не всегда способны снижать ускорения, передающиеся на установленное в здании оборудование. Вместе с тем установлено, что, поскольку сейсмическое воздействие обладает большей энергией, чем удар самолета и взрывная ударная волна, то при одновременном учете всех трех воздействий применение демпферов в данном здании эффективно при условии его расположения на достаточно жестком грунтовом основании.

1. UBC. Uniform Building Code. Vol. 2. "Structural engineering design provisions" / 1.ternational Conference of Building Officials. - Whittier: ICBO, 1997.-492 p.

2. IBC International Building Code / International Code Council. - ICC, Inc., 2000. - 756 p.

3. Adams V., Askenazi A. Building Better Products with Finite Element Analysis. — Onword Press, 1999.-587 p.

4. ASCE 4-98 STANDARD «Seismic Analysis of Safety Related Nuclear Structures and Commentary» /American Society of Civil Engineers. — Reston: ASCE, 1998. — 132 p.

5. Anderson T.L. Fracture Mechanics. CRC Press, 1995. - 688 p.

6. Seismic analysis of the safety related piping and PCLS of the WWER-440 NPP / A. Berkovski et al. // The 14th International Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology (SMiRT): Transactions. Lyon, 1997. - Vol. K, pp. k-593-1 - k-593-8.

7. NUREG/ CR-6645. BNL-NUREG-52576. Reevaluation of regulatory guidance on modal response combination methods for seismic response spectrum analysis / BNL. -US NRC, 1999.-159p.

8. CQC modal combination rule for high-frequency modes / A. Der Kiureghian // The 11th International Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology (SMiRT): Transactions, Volume K. Tokyo, 1991. - pp. 231-236.

9. Gupta A. K. Response Spectrum Method in Seismic Analysis and Design of Structures. Black Well Scientific Publications, Inc., 1990. - 170 p.

10. Bathe K.J. Finite element procedures in engineering analysis. — New Jersey: Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, 1982. 735 p.

11. IAEA SAFETY SERIES. No NS-G-1.6 "Seismic Design and Qualification for Nuclear Power Plants" / International Atomic Energy Agency. Vienna: IAEA, 2003. - 59 p.

12. Reduction of operational vibration of feed-water piping system of VVER-440/213 at PAKS / T. Katona et al. // The 10th ECEE: Proceedings. Vienna, 1994. — pp. 2847 - 2852.

13. Application of mathematical model for high viscous damper to dynamic analysis of NPP piping / V. Kostarev et al. // The 10th ECEE: Proceedings. Vienna, 1994. - pp. 1981 - 1986.

14. Viscous dampers in applications for pipe- lines and other components in Czechoslovak nuclear power plants / R. Masopust et al. // ASME PVP. Prague, 1994. - Vol. 237-2 "Seismic Engineering", pp. 17-22.

15. Application of HVD on piping system and Isolation Floor System / Y. Ochi, A. Kashiwazaki, V. Kostarev // The 9th EAEE: Proceedings. Moscow, 1990. - Vol. 3, pp. 78 - 89.

16. Th-spec — computer code for generation of acceleration time history compatible with target response spectra: QA Verification manual / Stevenson & Associates (Romania), Doc. # THSPEC01File6.Doc. Bucharest, 2002. - 76 p.

17. NUREG-0800. Standard Review Plan. Sections 3.7.2 "Seismic System Analysis" / U.S. Nuclear regulatory Commission. Washington: U.S. NRC, 1989. - pp. 3.7.2.-1 - 3.7.2.-25.

18. Wolf J. P. Dynamic Soil-Structure Interaction.-New Jersey: Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, 1985.-466p.

19. ПНАЭ Г-7-008-89 "Правила устройства и безопасной эксплуатации оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок" / Госатомнадзор России, М: 1999. - 126 с.

20. ОПБ-88/97, НП-001-97 (ПНАЭ Г-01-011-97) "Общие положения обеспечения безопасности атомных станций" / Госатомнадзор России. М: 1997. - 31 с.

21. Бирбраер А.Н. Расчёт конструкций на сейсмостойкость. СПб: Наука, 1998.-255с.

22. Бирбраер А. Н., Шульман С. Г. Прочность и надежность конструкций АЭС при особых динамических воздействиях. — М.:"Энергоатомиздат", 1989. — 304с.

23. IAEA SAFETY STANDARDS SERIES. No NS-G-3.3 "Evaluation of Seismic Hazards for Nuclear Power Plants" / International Atomic Energy Agency. — Vienna: IAEA, 2002. — 31 p.

24. РБ Г 05-039-96. Руководство по анализу опасности аварийных взрывов и определению параметров их механического действия / Госатомнадзор РФ. — М., 2000. — 72 с.

25. РБ-006-98. «Определение исходных сейсмических колебаний грунта для проектных основ»: Руководство по ядерной и радиационной безопасности / М.: НТЦ ЯРБ, 2000. — 76 с.

26. СНиП II-11-77* «Защитные сооружения гражданской обороны» / ГОССТРОЙ СССР. -М., 1987.-61 с.

27. Comparative study for methods to determine the seismic response of NPP structures / P. Var-pasuo //The 13th International Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology (SMiRT): Transactions. Porto Alegre, 1995. - Vol. K, pp. 229 - 234.

28. Сейсмостойкость зданий и инженерных сооружений / под. ред. И.И. Гольденблата. -М.: Стройиздат, 1972 -216с.

29. Report of the ASCE committee on impactive and impulsive loads / Transactions of second ASCE conference on the civil engineering and nuclear power. Knoxville, 1980. - Vol. 5,235 p.

30. СНиП II-7-81 * «Строительство в сейсмических районах» / ГОССТРОЙ РОССИИ. М.: 2000. - 98 с.

31. Вибрация энергетических машин: Справочное пособие / Под ред. Н. В. Григорьева. Л.: Машиностроение, 1974. - 464 с.

32. Ядерные энергетические установки: Учеб.пособие для ВУЗов / Под общ. ред. Н. А. Доллежаля. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 629 с.

33. Методы и результаты расчетов строительных конструкций АЭС на особые динамические воздействия / А.Н.Бирбраер, А.Ю.Роледер и др. // Тяжелое машиностроение, 2000. №8 — сс. 15-22.

34. Иванов В.А. Эксплуатация АЭС: Учебник для ВУЗов.-СПб: Энергоатомиздат, 1994.-384с.

35. Ивович В.А., Онищенко В.Я. Защита от вибрации в машиностроении.- М.: Машиностроение, 1990. 272 с.

36. SOLVIA Verification Manual "Linear Examples": Report / Solvia Engineering AB, Doc. #SE 99-4. Vasteras, 2000. - pp. 1. -1-12.

37. Калиберда И.В. Оценка параметров внешних воздействий природного и техногенного происхождения. Безопасность объектов использования атомной энергии. — М.: Логос, 2002. — 544 с.

38. Нашиф А., Джоунс Д., Хендерсон Дж. Демпфирование колебаний: Пер. с англ. — М.: Мир, 1988.-448 с.

39. Роледер А.Ю., Архипов С.Б. Расчет поэтажных спектров отклика для Тяньваньской АЭС / Вестник международной академии. СПб: МАИСУ, 2001. — сс 12 - 18.

40. Корчинский И.Л. Параметры сейсмоколебаний, необходимые для расчета сооружений / Оценка сейсмической опасности: Вопросы инженерной сейсмологии. — М.:Наука, 1983. — Вып. 24. — сс132 — 141.

41. Вибрации в технике: В 6 т. Т. 6: Защита от вибрации и ударов: Справочник / В.К. Аста-шев и др. Под ред. К.В.Фролова М.: Машиностроение, 1995. — 509 с.

42. Сейсмический риск и инженерные решения: Пер. с англ. / под ред. Ц. Ломнитца, Э. Ро-зенблюта.-М.: Недра, 1981.-375с.

43. Маргулова Т.Х. Атомные электрические станции: Учебник. М.: ИздАТ, 1994. - 296 с.

44. Structural analysis and design of nuclear plants facilities / Chief Editor J. D. Stevenson. -Reston: ASCE, 1980. 553 p.

45. СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия» / Мин. строительства РФ. М., 1996. 60 с.

46. State-of-the-art on the development and application of seismic vibration control techniques and some innovative strengthening methods for civil and industrial structures / A. Martelli //

47. The 17th International Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology

48. SMiRT): Transactions, vol. K, #K13-4. Prague, IASMiRT, 2003. - pp. 1-8.

49. Некоторые итоги обеспечения сейсмостойкости АЭС в России / И. В. Калиберда и др. // Вестник Госатомнадзора России. М.: ГАН, 2004. - № 2. - с. 7 - 15.

50. Rivin E.I. Passive Vibration Isolation. NY: ASME Press, 2003. - 426 p.

51. Ньюмарк H., Розенблюэт Э. Основы сейсмостойкого строительства: Сокр. пер. с англ. — М.: Стройиздат, 1980. 344 с.

52. Перельмутер А.В., Сливкер В.И. Расчетные модели сооружений и возможность их анализа. Киев: ВПП "Компас", 2001. - 448 с.

53. Федеральный закон № 170-ФЗ «Об использовании атомной энергии» / Президент РФ. — М.: 1995.-32 с.

54. Поляков B.C. Последствия сильных землетрясений. — М.: Стройиздат, 1978. — 311 с.

55. Поляков B.C., Килимник Л.Ш., Черкашин А.В. Современные методы сейсмозащиты зданий. М.: Стройиздат, 1989. — 320с.

56. Поляков С.В., Сейсмостойкие конструкции зданий: учебное пособие для ВУЗов.- М.: Высшая школа, 1983.-304с.

57. Сейсмостойкие сооружения и теория сейсмостойкости / по материалам V МКС под ред. С.В. Полякова. -М.: Стройиздат, 1978. 272с.

58. Современное состояние теории сейсмостойкости и сейсмостойкие сооружения / под ред. С.В. Полякова по материалам IV МКС. М.: Стройиздат, 1973. - 280с.

59. Самарин А.А. Вибрации трубопроводов энергетических установок и методы их устранения. М.: Энергия, 1979. - 288 с.

60. Светлицкий В.А. Случайные колебания механических систем. — М.: Машиностроение, 1991.-320с.

61. Сергеев С.И. Демпфирование механических колебаний. М.: Физматгиз, 1959. — 406 с.

62. ПНАЭ Г-05-35-94. Учет внешних воздействий природного и техногенного происхождения на ядерно- и радиационно опасные объекты / Госатомнадзор России. 2000 г. 40 с.

63. Тепловые и атомные электрические станции: Справочник / под общ. ред. В.А.Григорьева, В.М.Зорина. М.: Энергоатомиздат, 1982.-624с.

64. Тимошенко С.П., Янг Д. X., Уивер У. Колебания в инженерном деле: Пер. с англ.- М.: Машиностроение, 1985.-472с.

65. Regulatory Guide 1.61 Damping values for seismic design of nuclear power plants // US Nuclear Regulatory Commission. — Washington, 1973. — pp. 1.61-1 — 1.61-2.

66. Regulatory Guide 1.60 Design response spectra for seismic design of nuclear power plants // US Nuclear Regulatory Commission. Washington, 1973. - pp. 1.60-1 - 1.60-5.

67. ПНАЭ Г-7-002-86. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомныхэнергетических установок / Госатомэнергонадзор СССР. — М.: Энергоатомиздат, 1989. —525с.

68. Vibration Isolation Systems / GERB Schwingungsisolierungen GmbH & Co KG, 9th edition. -Berlin: 1994.-104 p.

69. Стационарные паровые турбины / Трухний А.Д., Лосев С.М., под ред. Б.М.Трояновского. М.: Энергоатомиздат, 1981.-456 с.

70. Паровые и газовые турбины: Учебник для ВУЗов / Под ред. А. Г. Костюка, В. В. Фролова. -М.: Энергоатомиздат, 1985.- 352с.

71. НП-031-01 "Нормы проектирования сейсмостойких атомных станций" / Госатомнадзор России. М.: 2001. - 25 с.

72. Regulatory Guide 1.92 "Combining modal responses and spatial components in seismic response analysis" / US Nuclear Regulatory Commission. Washington, 1976. - pp. 1.92-1 - 1.92-5.

73. NUREG-0800. Standard Review Plan. Sections 3.7.1 "Seismic Design Parameters" / U.S. Nuclear regulatory Commission. Washington: U.S. NRC, 1989. -pp. 3.7.1.-1 -3.7.1.-12.

74. Использование технологии высоковязкого демпфера для повышения динамической надежности трубопроводов / Берковский A.M., Васильев П.С., Костарев В.В., Щукин А.Ю. // Химическая техника. — 2002. — №4 — с. 30-35.

75. Горбунов-Посадов М.И., Маликова Т.А., Соломин В.И. Расчет конструкций на упругом основании. М.: Стройиздат, 1984. - 679 с.

76. Кислый А. А. Здания с многослойным сейсмоизолирующим поясом сплошного типа / Строительная механика и расчет сооружений. — М :Стройиздат, 1990. —№4-с 79-83.

77. Сейсмоизоляция и адаптивные системы сейсмозащиты / под ред. Я.М. Айзенберга. — М.: Наука, 1983.-142 с.

78. Тяпин А. Г. Влияние глубины заложения фундамента на реакцию сооружений при сейсмических воздействиях / Строительная механика и расчет сооружений. — М.: Стройиздат, 1990.-№4,-с 32-37.

79. Зеленьков Ф.Д. Предохранение зданий и сооружений от разрушения с помощью сейс-моамортизатора.- М.: Наука, 1979.-52с.

80. Кириков Б.А. Древнейшие и новейшие сейсмостойкие конструкции.-М.: Наука, 1990.-72с.

81. Вентцель А.Д. Курс теории случайных процессов: Учеб. пособие для университетов.-М.: Наука. Физматлит, 1990.-400с.

82. Вентцель Е.С. Теория вероятностей: Учебник для ВУЗов.-М.: Высшая школа, 1998.-576с.

83. Concepts and applications of finite elements analysis / R.D.Cook, D.S.Malkus, M.E.Plesha, R.J.Witt; John Wiley & Sons, Inc., 2002. 719 p.

84. Кириллов И.И., Иванов B.A., Кириллов А.И. Паровые турбины и паротурбинные установки. — Л.: Машиностроение, 1978. — 276 с.

85. Пути повышения сейсмозащищенности АЭС нового поколения / В. С. Беляев и др. // Строительство в России: Прогресс в науке и технике. — М.: Российская инженерная академия, 1994.-№ 1-е. 41-43.

86. Nawrotzki P. Passive control systems for buildings in seismically active regions // European Conference on Computational Mechanics. Krakow, 2001. - pp 1-13.

87. The generalized algebraic modal combination (GAC) rule validation program / Mertens P.G. et al. // The 11th International Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology (SMiRT): Transactions, Volume K. Tokyo, 1991.- pp 273-278.

88. Advanced structural analysis. Dynamic soil structure interaction: Lecture Notes / O.Coman, Technical University of Civil Engineering, Bucharest, 2001. 50 p.

89. European Strong-Motion Database: Environment and Climate Research Programme. European Council, 2000.

90. Норри Д., де Фриз Ж. Введение в метод конечных элементов: Пер. с англ.- М.: Мир, 1981.-304с.

91. Батэ К.Ю., Вильсон E.JI. Численные методы анализа и метод конечных элементов: Пер. с англ.- М.: Стройиздат, 1982.- 448 с.

92. Стренг Г., Фикс Д. Теория метода конечных элементов: Пер. с англ.- М.: Мир, 1977.-351с.

93. IAEA SAFETY STANDARDS SERIES. 50-SG-D5"External Man-Induced Events in relation to Nuclear Power Plants Design" / International Atomic Energy Agency .-Vienna: IAEA, 1996.-70p.

94. Попов H. H., Расторгуев Б. С. Вопросы расчета и конструирования специальных сооружений. М.: "Стройиздат", 1980. - 190 с.

95. ACS SASSI MAIN. An Advanced Computational Software for 3D Dynamic Analysis Including Soil-Structure Interaction: User Manual / Advanced Computational Software, Inc. 1998. 325p.

96. Повышение динамической надежности и продление срока службы трубопроводов при использовании технологии высоковязкого демпфера / В.В.Костарев и др. // Тяжелое машиностроение, 2000. №8 - с 26-33.

97. Клаф Р., Пензиен Дж. Динамика сооружений / Пер. с англ. М.:Стройиздат, 1979. -320с.

98. Повышение надежности и ресурса трубопроводов с использованием технологии высоковязкого демпфера / В.Н.Алексеев и др. // Прочность и ресурс энергооборудования: Труды НПО ЦКТИ. СПб: НПО ЦКТИ, 2002. - Вып. 291-с 215-230.

99. Сейсмоизоляция особо ответственных зданий и сооружений / В. С. Беляев и др. // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. М: ВНИИНТПИ, 1998. -№ 1.- с26-33.

100. Строительная механика. Тонкостенные пространственные системы: Учебник для ВУЗов / А.В.Александров, Б.Я.Лащеников, Н.Н. Шапошников. — М.: Стройиздат, 1983. — 488 с.

101. Seismoisolation of nuclear and non-nuclear structures / V.S.Belyaev et al. // Post-SMiRT Seminar on Seismic Isolation, Energy Dissipation and Control Of Vibrations of Structures: Proceedings. Capri, 1993. -pp 445-451.

102. БелашТ.А., Айзенберг Я.М.Эффективные энергопоглощающие устройства из природных материалов в системах сейсмоизоляции // Строительная механика. — М : Стройиздат, 1992. -№ 2-е 53-57.

103. Т.А.Белаш, И.У.Альберт, В.Е.Кондаков Экспериментальное исследование демпферов сухого трения // Сейсмостойкое строительство. М: ВНИИНТПИ, 1992. - № 1.-е 28-32.

104. ASME Boiler and Pressure Vessel Code: An international code: Rules for construction of nuclear facility components. / American Society of Mechanical Engineers. -N.Y.: ASME, 2004. -Section III. Division I. Appendices. Appendix N. pp 292-357.

105. PEER Strong Motion Database / Pacific Earthquake Engineering Research Center. Berkeley, 2000. - http://peer.berkeley.edu/smcat/

106. IAEA SAFETY REPORTS SERIES. No 28 "Seismic Evaluation of Existing Nuclear Power Plants" / International Atomic Energy Agency. Vienna: IAEA, 2003. - 60 p.

107. Проектирование сейсмостойких гидротехнических, транспортных и специальных сооружений / Гольденблат И.И., Карцивадзе Г.Н., Напетваридзе Ш.Г., Николаенко Н.А. — М.: Стройиздат, 1971. — 277 с.

108. ПиН АЭ-5.6. Нормы строительного проектирования АЭС с реакторами различного типа. Госатомэнергонадзор СССР, 1986. - 21 с.

109. Femap User Guide "Version 8.3'V EDS PLM Solutions. Exton: EDS.Inc, 2003. - 337 p.