автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.02, диссертация на тему:Методика оценки безопасности АЭС при ударах разрушающихся объектов

На правах рукописи

ВОЛКОДАВ Иван Алексеевич

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ БЕЗОПАСНОСТИ АЭС ПРИ УДАРАХ РАЗРУШАЮЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ

Специальность 05.26.02 - Безопасность в чрезвычайных ситуациях

(энергетика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степеии кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2011

Работа выполнена на кафедре «Гражданское строительство и прикладная экология» в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Научный руководитель -- кандидат техн.наук, доцент

Бирбраер Адольф Никитич

Официальные оппоненты: -доктор техн. наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ

Беляев Вячеслав Семёнович

- кандидат техн. наук

Попов Александр Иванович

Ведущая организация -ОАО «Атомэнергопроект», г. Москва.

Защита диссертации состоится 24 мая 2011 г. в 18-00 на заседании диссертационного совета Д 212.229.04 в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу:

195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29,

в аудитории 411 ПГК.

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

Автореферат разослан «22» апреля 2011 г.

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

Факс: (812) 552-6552

E-mail: kgl210@mail.ru

Ученый секретарь диссертационного совета

К.А. Григорьев

РОССИЙСКИ -ГОСУДАРСТВ-'. ■ ■ : Ч БИБЛИОГг:..- А

2011 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Энергетическая стратегии России до 2030 г. предусматривает увеличение производства электроэнергии на атомных станциях до 356-437 млрд. кВт-ч/год. Кроме ввода новых атомных мощностей, предусматривается модернизация и продление срока эксплуатации действующих энергоблоков, строительство объектов хранения радиоактивных отходов (РАО) и отработавшего ядерного топлива (ОЯТ).

Непременным требованием при проектировании атомных электростанций (АЭС) является обеспечение безопасности при возникновении аварийных и чрезвычайных ситуаций. При проектировании новых и модернизации существующих энергоблоков необходимо учитывать современные требования к безопасности АЭС при экстремальных воздействиях, в том числе при падении на АЭС летательного аппарата, ударах предметов, подхваченных ураганом или торнадо; разлете осколков при взрывах; обрушении конструкций, падении грузов при транспортировке, и др. Основное внимание уделено объектам, которые сами разрушаются при ударе о преграду («разрушающимся»).

Наиболее опасным случаем удара разрушающегося объекта является падение на АЭС самолёта. Расчёт на такое воздействие особенно актуален при проверке действующих объектов, спроектированных при менее строгих, чем современные, требованиях безопасности. Так, в проектах АЭС, построенных до середины 80-х гт. XX века, согласно действовавшим в то время нормам безопасности, падение самолёта не учитывалось.

Безопасность АЭС в этом случае подразумевает обеспечение прочности и герметичности защитных строительных конструкций, а также сохранение работоспособности технологического оборудования при инерционных нагрузках, вызванных вибрациями здания вследствие удара. Для проверки безопасности требуется выполнение расчетов прочности и колебаний строительных конструкций. Применяющиеся в настоящее время методы определения нагрузок на сооружения при ударах летящих объектов, определения прочности и колебаний строительных конструкций основаны на ряде существенных упрощений и допущений и не позволяют в полной мере произвести оценку безопасности АЭС.

Диссертация посвящена актуальной проблеме обеспечения безопасности АЭС в чрезвычайных ситуациях природного и техногенного происхождения, вызванных ударами разрушающихся объектов.

Цель работы заключается в разработке методики оценки безопасности АЭС при ударах разрушающихся летящих объектов, основанной на расчётах прочности и колебаний защитных конструкций и нагрузок на оборудование.

Поставлены и решены следующие основные задачи:

- разработана математическая модель совместного движения объекта и защитной конструкции и установлены зависимости для определения нагрузки при ударе разрушающегося летящего объекта с учетом его собственного веса, наклона, массы и податливости преграды, угла их соударения;

- определено влияние закона изменения нагрузки при ударе разрушающихся объектов, расчётных характеристик материалов защитной конструкции, её локальных повреждений (вплоть до пробивания) на поэтажные спектры отклика (ПС), определяющие инерционные нагрузки на оборудование;

- разработаны методики расчётов прочности и колебаний зданий и сооружений АЭС для оценки их безопасности.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- усовершенствована методика оценки безопасности АЭС при ударах разрушающихся объектов, основанная на расчетах совместного движения летящего объекта и защитной конструкции;

- получены зависимости для определения нагрузки при ударе объектов с произвольной, постоянной и линейно изменяющейся по длине массой и прочностью в податливую защитную конструкцию;

- разработана математическая модель совместного движения наклонной защитной конструкции и разрушающегося летящего объекта при ударах под углами к нормали меньше и больше угла трения;

- установлено влияние податливости преграды на нагрузку, создаваемую при действии поражающего фактора (летящего объекта); разработан метод расчёта совместного движения объекта и защитной конструкции и нагрузок на неё с использованием схематизации по методу конечных элементов;

- разработана методика расчёта пробивания железобетонной конструкции разрушающимся объектом на основе комбинации конечно-элементного расчета в упругой стадии и схематизации с шарнирами пластичности в неупругой;

- разработаны рекомендации по определению влияния пробивания защитной конструкции, выбору ее расчётных характеристик и способа задания нагрузки на значения поэтажных спектров отклика при колебаниях зданий АЭС;

- предложен новый способ задания расчётных нагрузок при ударе самолёта, основанный на статистической обработке законов изменения нагрузок при ударах самолетов одного класса.

Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается корректным использованием методов системного анализа и математического

аппарата при проведении исследований и доказательствах теоретических положений, результатами компьютерных расчётов, реализованных с помощью верифицированного программного обеспечения.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель совместного движения системы «ударяющий объект - защитная конструкция», описываемая дифференциальными уравнениями с учетом веса объекта и наклона конструкции.

2. Зависимости для определения нагрузок на преграду при ударах разрушающихся летящих объектов простейших форм: с постоянной и линейно изменяющейся по длине погонной массой и прочностью.

3. Метод вычисления совместного движения объекта и преграды и нагрузок на неё с использованием конечно-элементной схематизации преграды.

4. Методика расчёта характеристик «эквивалентного» разрушающегося объекта по закону изменения нагрузки при его ударе в недеформируемую преграду.

5. Усовершенствованная методика расчёта последовательного пробивания системы преград на основе конечно-элементного упругого расчёта.

6. Результаты анализа влияния схематизации сооружения и упрощений закона изменения нагрузки в расчётах поэтажных спектров при ударе самолета.

7. Новый способ задания расчетных нагрузок при ударах самолетов различных видов, основанный на статистической обработке законов изменения нагрузок при их ударах.

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследований, выполнении исследований, разработке математической модели совместного движения системы «ударяющий объект - защитная конструкция», обработке, формулировке и обобщении полученных результатов.

Практическая значимость. Основные результаты исследований были реализованы в ОАО «СПбАЭП» при расчётах прочности и колебаний зданий Кольской, Белоярской и Ленинградской АЭС-2, необходимых для оценки безопасности.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях студентов и аспирантов «XXXVI Неделя науки СПбГПУ» и «XXXVII Неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, 2007 и 2008); 65-й Научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов ГОУ «СПбГАСУ» (Санкт-Петербург, 2008); Научно-техническом семинаре «Кафедра СКиМ. 75 лет на факультете» (Санкт-Петербург, 2009); в ОАО «СПбАЭП» и на кафедрах ГСиПЭ и УЗЧС СПбГПУ в 2009-2010 гг.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 публикации в центральных изданиях, включённых в перечень периодических изданий ВАК.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографического списка из 67 наименований. Объём диссертации составляет 167 страниц машинописного текста, включая 82 рисунка и 25 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, дана общая характеристика работы, сформулирована цель и основные задачи исследования.

В первой главе выполнен обзор состояния проблемы и рассмотрена существующая методика оценки и обеспечения безопасности АЭС при ударных воздействиях, на их основе сформулированы задачи исследования.

Наиболее опасным элементом АЭС является ядерный реактор. Здание реакторного отделения проектируется наиболее защшцённым, в том числе от воздействия таких поражающих факторов, как удары летящих объектов. Однако в составе АЭС с реакторами разного типа имеются относительно менее защищенные здания, относящиеся к 1 и 2 классам безопасности: спецкорпус, хранилище РАО и ОЯТ, здание электротехнических устройств управления, вспомогательный корпус и др. Их повреждение также способно привести к возникновению аварий.

Проблемы безопасности АЭС, в том числе вопросы обеспечения прочности их строительных конструкций и работоспособности технологического оборудования при экстремальных воздействиях, рассмотрены в работах С. Б. Архипова, B.C. Беляева, А. Н. Бирбраера, С. Е. Бугаенко, С. JI. Буторина, А. С. Дмитриева, М.В. Караковского, А. П. Кириллова, А. В. Петренко, А. И. Попова, А. Ю. Роледера, А. Е. Саргсяна, Б. В. Цейтлина, Г. С. Шульмана, С. Г. Шульма-на, J. Bauer, К. Drittler, Р. Gruner, J. D. Riera, F. Scharpf, G. J. Schuëller, R. Schwarz, H. Shibata, J. D. Stevenson, P. Varpassuo, N. F. Zom и других авторов.

Удар разрушающихся объектов рассматривался применительно к падению на АЭС самолета. Впервые нагрузка при его ударе в недеформируемую преграду была найдена Риерой. Он схематизировал фюзеляж самолёта в виде жестко-пластического стержня с погонной массой р. [£(/)] и разрушающей нагрузкой P[<f(0], зависящими от длины. Нагрузка на преграду

= + (1) где Ç(t) и Ç(t) - перемещение и скорость не разрушенной части фюзеляжа.

Результаты, позже полученные при иных схематизация* самолета и предположениях о направлении удара, мало отличаются от (1). Во всех случаях рас-

сматривался удар в вертикальную преграду без учёта влияния веса самолёта. При ударе объекта, летящего с малой скоростью, вносимая этим погрешность может оказаться значительной, что критично при расчётах в случае обрушения (свободного падения) строительных конструкций и грузов при транспортировке. В связи с этим необходимо разработать способ вычисления нагрузки с учетом веса летящего объекта и наклона преграды.

При расчете совместного движения летящего объекта и конструкции последнюю часто заменяют системой с одной степенью свободы, параметры которой в упругой стадии деформации можно определить по методу Бубнова-Галеркина, приняв форму перемещений конструкции в виде функции перемещений при статическом приложении нагрузки. Но если размеры «пятна удара» существенно меньше ударяемой поверхности, то из-за действия сил инерции формы статических и динамических перемещений конструкции могут сильно отличаться. Поэтому необходимо разработать методику вычисления перемещения ударяющего объекта и конструкции, а также нагрузок на неё с использованием её конечно-элементной схематизации.

При расчетах конструкции на динамические нагрузки с учетом неупругих деформаций её часто заменяют эквивалентным упругопластическим осциллятором, применяя схематизацию с шарнирами пластичности. В имеющихся публикациях параметры осциллятора определялись аналитически, что применимо только для простейших конструкций (балок и пластинок с элементарными граничными условиями). В связи с этим требуется разработать процедуру определения параметров эквивалентного упругопластического осциллятора на основе конечно-элементного расчета конструкции.

При расчетах поэтажных спектров отклика (ПС), используемых для проверки работоспособности оборудования АЭС при колебаниях здания, вызванных ударом самолёта, используют упрощенные (сглаженные) законы изменения нагрузки. Считается, что такое упрощение мало сказывается на результатах расчета. Однако справедливость этого допущения не очевидна и необходима его проверка.

Во второй главе разработана методика определения нагрузок на строительные конструкции при ударах разрушающихся летящих объектов на основе уточнённых дифференциальных уравнений совместного движения.

При ударе летящего объекта в преграду, нормаль к которой наклонена к горизонтали на угол а, нагрузка на преграду с учетом веса объекта

т = J^tfO] + ешт + а при £(/) > 0;

\gmc sin а при £(/) = О,

где тс - масса летящего объекта (самолета); т\[ф)] - масса смятой части.

Нагрузка (2) отличается от решения Риеры (1) наличием последнего слагаемого в правой части, пока £(() > 0, и тем, что не обращается в ноль при £(/) = 0.

Чтобы использовать формулу (2), необходимо вычислить закон движения объекта в процессе разрушения. Для объектов простейшей формы получены законы изменения нагрузки в замкнутом виде. Если прочность объекта Р\ и погонная масса ¡л\ постоянны по длине, то при ударе со скоростью у0

т = К + у ['(*' + к вт а + 2(а( + у0 )2 ] при ¿(0 > 0 ; [¿тл^та при £(7) = 0.

При линейно изменяющихся по длине прочности = ар£ и погонной массе = нагрузка вычисляется по формуле (2), где

£ = (А2 + (g/^)2 sin( Л/ - у) + (g/Я) sin g)/л; ^ = Vv02 + (gM)2 eos(At-y);

Я = ^lap/mc; y = arctg(g/(v0¿)).

Уточненное значение нагрузки можно получить, рассматривая совместное движение разрушающегося летящего объекта и конструкции. При схематизации последней по методу конечных элементов (МКЭ) и в случае приложения нагрузки в одной точке конечно-элементной сетки в направлении по к-ой степени свободы, движение объекта и конструкции описывается системой уравнений

[М] {х} + [К] {х} = {У}(р(£) + ¿W) + gmx (£) sin а), (5)

(6)

1

±kkjXj - РмЮ-^+^РШ + gmk sin а

j=\ ЩУЬ)

Мк+т,({)

где [/Г] - матрица жесткостей; {У} - вектор, к-й элемент которого 1, а остальные Ji = 0 (/ Ф к)\ [М] - диагональная переменная матрица масс, диагональные элементы которой, кроме /с-го, равны Ми=Мп а к-й элемент, соответствующий точке удара, = Мк т2(£) - масса неразрушенной части летящего объекта. Интегрирование системы должно производиться с начальными условиями £(0) = 0; £(0) = у0 ; х, (0) = 0; х, (0) = 0; г = 1...п.

Система уравнений (5)-(6) является нелинейной и должна интегрироваться каким-либо пошаговым методом. При высоком порядке системы это связано с достаточно серьезными вычислительными сложностями. Задачу можно упростить, воспользовавшись тем, что часто масса разрушенной части объекта невелика по сравнению с массой «пятна удара», принадлежащего защитной конструкции. В этом случае можно произвести расчет итерационным способом, позволяющим раздельно определять перемещения конструкции и смятие объекта. Этапы расчета:

1) рассчитать по формуле (2) нагрузку Л(0)(/) при ударе объекта в неподвижную преграду;

2) вычислить перемещения линейной конструкции под действием нагрузки Л(0)(г) и найти закон изменения ускорений точки удара хк{();

3) численно интегрировать уравнение (6), найти перемещение ф) и скорость £(г). По ним найти по формуле (2) скорректированный закон нагрузки Л(1)(0> а также полную массу разрушенной части объекта тх\

4) добавить половину массы т\ к массе точки удара для получения скорректированной матрицы масс [Л/!)];

5) вернуться к шагу 2 и повторить расчет при нагрузке

Если площадь пятна удара соизмерима с размерами конструкции, то задачу можно упростить, сведя систему с помощью метода Бубнова-Галеркина к эквивалентной системе с одной степенью свободы с массой тк и жесткостью кк (рис. 1). С учетом веса объекта движение конструкции, наклоненной под углом а, описывается системой дифференциальных уравнений: 1

Рис. 1. Замена конструкции системой с одной степенью свободы

х, -

4 =

тк +ш,(£) 1

тк +/я,(£)

[-ккХк +/>(£)+ £>(£)+ £»«,(£) Sin 4

ккхк - m - K P(Ç) + gmt sin a

Нагрузка на конструкцию может быть найдена по формуле:

R(t) = [р(£) + е^) + gmx (£) sin a + т{ {Ç)co2kxk ] / [l + Sm (£)] ,

(7)

(8)

(9)

где со2к - квадрат собственной круговой частоты конструкции, - отноше-

ние масс смятой части объекта и конструкции:

ак2 =кк/тк

= (ОЧ-

НО)

При ударе разрушающегося объекта в податливую преграду под углом к нормали (р меньшим угла трения (р^, проскальзывание объекта по преграде не происходит. Составляющие Кх и Яу нагрузки на преграду, наклоненную на угол а, вычисляются по формулам:

Rx = щ'Хк + к* ~ёткsin« ;

Яу = ЩУк +Rh-gmkcosa. (11)

Перемещения конструкции хк и ук, линейное и угловое перемещение объекта £ и <р находятся путем интегрирования системы уравнений:

= -2фВ, + g{mk + тс)(хк cosa-j/jt sina)-g(S2 - fyn2)cos(a + <р);

К +Щ)хк =-Rkx(xk) + [P + 42v(£)]cos<p-Tsm<p + g(mk+ml)sma; (15)

(тк + щ)ук =-Rky(yk) + [P + i2ju(4)]sin<p + Tcos<p + g(mk+m])cosa, (16)

где Р и Т - силы, действующие со стороны неразрушенной части объекта. Начальные условия интегрирования: ^(0) = 0; xt(0) = 0; ,yfc(0) = 0; ^(0) = 0;

При начальном угле удара щ > (р^ объект в процессе смятия будет проскальзывать относительно преграды. Принято, что в момент удара вектор скорости направлен по оси летящего объекта, а его угловая скорость отсутствует. Положение объекта определяется координатами £ (р, и перемещением относительно преграды 77. Перемещения объекта и конструкции описываются системой дифференциальных уравнений

xk(mk +тс) + £т2 cos <р-ф{фп2 -S2)sm<p = ¿¡2jj(<!;)cos<p + + ф2(<*т2 - S2) cos <р + 2£фт2 sin <р - Rb(xk) + g(mk + mc)s\na ; (17)

xk(mk +mc) + ^m2 cos<p-p(<!?n2-S2)sm<p = £2ti(<!;)cos<p + + ф2(фп2 -S2)cos<р + 2£фт2 sin<p - R^x^ + g(mk + mc)sina ;

У к (mk + mc)+ S"19 + Ф^&Ч. ~ ^2) cos 9 ~ sin iP + + ф2(<*т2 -S2)sin<p-2£pm2 cos<p-Rky(yk) +g(mk +mc)cosa;

(12)

(13)

(14)

£(0) = 0; £(0) = v0; <p(0) = <p0; ф(0) = ф0; Г(0) = 0.

yk(mk +тс) + £т2зт<р + ф(фп2 - S2) cos р + тст} = ¿¡2 sin <p +

(18)

+ ф2 {¿pn2 - S2)sm<p - 2£фтг cosq)-Rky{yk) +g{mk-\-mc)cosa\

.. , . rn.rj .. .. ••

-xk(sm <p+ ) + ykcos<p + Tjcos<p~£ cosp +

gn2-s2 gn2-s2

- 2^(1 + ™гТ) „ sin <p) + g(cos(cr + <p)~ тЛ sin a); &n2-S2 &n2-S2

Ук =fxk--— + g(cos a - / sin a);

(20)

R = mkxk+Rkx-gmksma-,

yk(mc -m2)sm<p + fj(mc-m2)sin<p +xk(mc-m2)cos<p =

(21)

= £2¿i + P-¿¡¿i((yk + rj)sin<p + xk cos<p) -R{cosq> +

(22)

+ / sin <p) + g(mc - m2) sin(a + ф);

T = (mc-m2)[(yk + rj)cos<p - xk sinq>] + &((yk + fj)cos<p -

(23)

- xk sin <p) - g(mc ~m2) cos (a + <p)~ i?(sin p - / cos p),

где /= tg^p - коэффициент трения. Для интегрирования системы к начальным условиям системы (12) - (16) добавляются: 7(0) = 0; 77(0) = 0; Л(0) = 0.

Приведенные решения, в отличие от уже имеющихся, учитывают угол наклона преграды а и вес объекта, что важно при расчетах таких строительных конструкций АЭС, как купол защитной оболочки реакторного отделения. Эти решения позволяют также использовать полученные зависимости для определения нагрузок при падении грузов и обрушении строительных конструкций.

В третьей главе исследованы способы схематизации железобетонной конструкции в виде эквивалентного упругого или упругопластического осциллятора для упрощения расчётов при ударах летящих объектов.

На примере прямоугольной пластинки изложен способ определения массы и жесткости эквивалентного линейно-упругого осциллятора на основе статического конечно-элементного расчёта, который применим для любой упругой конструкции. Жесткость осциллятора может быть найдена из выражения для эквивалентной частоты, определяемой посредством метода Бубнова-Галеркина:

где \\>ет(х,у) -перемещение пластинки (по МКЭ) при статическом приложении нагрузки 1 Н, равномерно распределенной по площади «пятна удара» 5 -общая площадь пластинки; ¡х - масса единицы площади пластинки. В формуле (24) числитель должен быть умножен на 1 Н.

Числитель в (24) - это среднее перемещение н^ под пятном удара. Обратная величина к представляет собой эквивалентную жесткость Кэ. Эквивалентная масса вычисляется через эквивалентную частоту:

(24)

тэ = т23/Кэ.

(25)

Формулу (24) можно трактовать как выражение квадрата частоты по методу Релея-Ритца, поскольку числитель - это удвоенная работа внешних сил, равная потенциальной энергии пластинки, а знаменатель - ее удвоенная кинетическая энергия пластинки. Такая трактовка удобна, так как многие вычислительные программы непосредственно выдают значение работы внешних сил.

Для расчёта неупругих перемещений конструкции при кратковременных динамических нагрузках применена схематизация с шарнирами пластичности. До достижения в конструкции определенных значений внутренних усилий она рассматривается как линейно-упругая, после чего в ней мгновенно образуются шарниры пластичности, за счет поворотов в которых происходят перемещения конструкции. Сама конструкция превращается в изменяемую систему (механизм), т.е. в систему с одной степенью свободы. Критерием отказа конструкции является превышение неупругими перемещениями допускаемых значений.

В простейшем случае - для шарнир- д

но-опертой балки - шарнир пластично- /?к сти мгновенно образуется при достижении изгибающим моментом предельного значения. Для этого случая в нормах рекомендована зависимость восстанавливающей силы от перемещения в виде идеальной упругопластической диа- Рис. 2. Трёхлинейная диаграмма упру-граммы (диаграмма Прандтля). гопластического осциллятора

При неодновременном образовании шарниров пластичности в пролёте и на опорах балки с двумя заделками на концах она частично превращается в механизм, а частично остается упругой. При этом зависимость «сила - перемещение» имеет вид трёхлинейной диаграммы (рис. 2), где участки 1-2 и 2-3 соответствуют упругопластической стадии. Согласно нормам, отказ балки определяется по условию достижения углом поворота в пластических шарнирах щ предельного значения:

А

3 4|

у 2 11

х

- >

О

, 0.035 + ^^- при г. >0.018 0.2

(26)

при <0.018

где - относительная высота сжатой зоны бетона. Предельное неупругое перемещение конструкции

^=^,..¡»/2, (27)

где /?ш - длина звена механизма при образовании шарниров.

Часто сложные многозвенные диаграммы (рис. 3) упрощают теми или иными способами, сводя к диаграмме Прандтля.

а) 6) в)

Рис. 3. Упрощение диаграммы «сила-перемещение»: а - неупругая стадия сразу после упругой; б - продолжение упругого участка до точки «эффективной текучести» Г; в - эквивалентный участок О-Г со сниженной жёсткостью

Показано, что при всех способах упрощения площадь под наклонной линией, соответствующей эквивалентной жёсткости, меньше, чем под исходной линией на упругопластической стадии. Следовательно, работа упругой деформации меньше, чем на упругой и упругопластической стадиях при использовании исходной линии. Поэтому рассматриваемые упрощения ведут к определению максимального неупругого перемещения с запасом.

Неупругий расчет плит также выполнен с использованием схем с шарнирами пластичности. Допущения, принятые при схематизации плит - те же, что и для балок: при определенных значениях внутренних усилий в плите происходит её излом и она разделяется на отдельные абсолютно жесткие диски, соединенные между собой прямолинейными шарнирами пластичности. При этом плита превращается в механизм, перемещению которого препятствуют погонные изгибающие моменты в шарнирах, т.е. в эквивалентный неупругий осциллятор. Так, при ударе в точку защемленной по контуру плиты ее излом происходит в виде кругового конуса, ограниченного круговым шарниром пластичности с центром в точке удара и радиусом, равным расстоянию до ближайшего края, и разбитого на сегменты радиальными шарнирами пластичности. Масса эквивалентного неупругого осциллятора равна 1/6 массы выламываемой части, а сила сопротивления

(28)

где М<] - предельный момент, воспринимаемый сечением железобетонного элемента в упругой стадии.

Вследствие того, что в разных точках плиты предельные значения изгибающего момента достигаются не одновременно, зависимость «сила - переме-

щение» для эквивалентного осциллятора имеет криволинейный упругопласти-ческий участок. Способы ее приближенной замены диаграммой Прандтля аналогичны применяемым для балок. При всех этих способах площадь под наклонной частью диаграммы Прандтля, численно равная работе упругой деформации, меньше, чем суммарная площадь под исходной кривой в упругой и уп-ругопластической стадиях. Поэтому, как и для балок, рассматриваемые приближения приведут к определению значений неупругих деформаций с запасом.

В четвёртой главе произведены расчёты прочности и колебаний зданий АЭС, необходимые для оценки безопасности и учитывающие совместное движение объекта и защитной конструкции. Основное внимание уделено следующим задачам: определение расчётных нагрузок на защитные конструкции при этом воздействии, параметров вынужденных колебаний зданий и сооружений АЭС и динамических нагрузок на оборудование, важное для безопасности.

Предложена методика решения «обратной задачи», а именно, подбора по заданному закону изменения нагрузки параметров «эквивалентного самолёта» (зависимости его массы и прочности от длины), удар которого в недеформи-руемую преграду даст такую же нагрузку. Для этого приближенно задается закон изменения скорости самолета в процессе удара в виде кубического полинома. Его коэффициенты определяются из условия равенства приближенной и действительной скоростей нулю в момент окончания действия нагрузки, а также равенства начальной кинетической энергии самолета и работы заданной нагрузки по разрушению его фюзеляжа.

При подстановке этого закона скорости и найденного по нему закона перемещений в формулу Риеры (1) подобрано такое распределение прочности Р(Ç) и погонной массы fj(Ç) самолета, при котором получен заданный закон изменения нагрузки R(t). На рис. 4 приведена приближенная нагрузка для самолета «Lear Jet-23», построенная по нагрузке, заданной в нормах Франции.

С использованием найденных параметров самолета возможен расчет конструкций с учетом их податливости и неупругих перемещений. Установлено, что при увеличении податливости рассчитываемой конструкции нагрузка на неё несколько уменьшается.

12

О

lili Приближенная "У /

- Нормы Францик МАГАТЭ

V

\\

/г-1 \

II

\

О

0.04 0.08

Время t, с

Рис. 4. Нагрузка при ударе самолета «Lear Jet 23»

0.12

На примере расчёта несущей способности ограждающих конструкций спецкорпуса 4-го блока Белоярской АЭС сравнены три способа расчёта: квазистатический с использованием коэффициента динамичности; прямое пошаговое интегрирование уравнений движения с помощью МКЭ; способ, учитывающий одновременное разрушение самолёта и движение преграды.

Установлено, что первые два способа приводят к примерно одинаковому требуемому армированию конструкции. Расчёт одновременного разрушения самолёта и деформации преграды позволил снизить необходимое армирование на 40% и предложить более экономичную конструкцию. Подтвержден вывод о том, что уменьшение расчётной жёсткости конструкции приводит к уменьшению нагрузки на неё.

Усовершенствована методика расчёта последовательного пробивания самолётом ряда строительных конструкций. Существующие методики такого расчета основаны на аналитических решениях, а потому имеют ограниченное приме-| нение (простейшие конструкции со стандартными граничными условиями). В | отличие от этого, предлагаемая методика основана на конечно-элементном расчете сооружения, а потому не имеет прежних ограничений. | Рассмотрены вопросы расчета колебаний здания при ударе самолёта и по-

| этажных спектров отклика, посредством которых задаются динамические нагруз-| ки на расположенное внутри оборудование. Расчет произведен на примере здания | спецкорпуса 4-го блока Белоярской АЭС (рис. 5) с помощью программного I комплекса М8С/ИА8ТЯАN. Изучено | влияние на значения ПС двух факто-| ров: выбора расчетной модели соору-| жения и упрощения закона нагрузки : при ударе самолёта. | Установлено, что пренебрежение

! при расчёте поэтажных спектров ! снижением жёсткости конструкций I вследствие неупругой работы желе! зобетона приводит к завышению зна-I чений ускорений и, следовательно, I расчетных нагрузок на оборудование, важное для безопасности АЭС (кривая ! «Без учёта трещин» на рис. 6).

: В то же время допущение работы защитных конструкций в пластической ! стадии, позволяющее использовать дополнительные ресурсы их прочности, ! может привести к повышению поэтажных спектров отклика на некоторых час-

Рис. 5. Расчётная модель и схема нагру-жения при ударе самолёта Lear Jet-23

тотах. Так, в примере расчета, выполненного с учетом пластической работы ударяемой железобетонной конструкции (кривая «5020» на рис. 6), в диапазоне частот 35-45 Гц поэтажные спектры отклика понизились по сравнению с упругой конструкцией (кривая «5025» на рис. 6), но в диапазоне 45-55 Гц - повысились.

5025 - 5020 -Без учета трещин

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 Частота Гц

Рис. 6. Спектры ускорений на отметке установки оборудования при различных вариантах жёсткости строительных конструкций

При последовательном пробивании конструкций самолетом поэтажные спектры также могут оказаться выше, чем при сохранении их цельности (рис. 7).

5025 - 5020 -Без учета трещин Последовательное пробиванне

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 Частота Гц

Рис. 7. Сравнение вариантов поэтажных спектров при допущении и недопущении разрушения части конструкций

Таким образом, хотя возможность последовательного пробивания защитных конструкций позволяет наиболее полно использовать их несущую способность, но это может привести к увеличению динамических нагрузок на оборудование, расположенное внутри здания. Поэтому при допущении пробивания части не-

ответственных конструкций выбор варианта обеспечения безопасности рассматриваемого элемента АЭС следует производить на основании комплексного технико-экономического анализа.

0 25 02

<и О. 2 0 1 а

0 05 0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 Частота, Гц

Рис. 8. Спектры ускорений на отметке установки оборудования

Произведено сравнение поэтажных спектров на одной из отметок спецкорпуса при ударе самолета Lear Jet-Tb (рис. 8) с использованием двух вариантов нагрузки, показанных на рис. 3: заданной в нормах Франции и упрощённой, приведенной в рекомендациях МАГАТЭ. Полученные поэтажные спектры значительно различаются, причем использование упрощенной нагрузки привело к существенному снижению спектров ускорений, что может привести к недооценке нагрузок на оборудование.

Нагрузки при ударе самолёта принципиально не могут быть заданы точно, так как заранее неизвестен ни тип, ни характеристики падающего самолёта. Поэтому сам расчет на это воздействие становится условным. Для оценки безопасности АЭС предлагается при задании нагрузки использовать следующую процедуру.

1. Разделить самолеты на классы (коммерческие различной величины, авиация общего применения, военные различного назначения и пр.).

2. Для самолетов одного класса, при необходимости варьируя их параметры, рассчитать нагрузки при ударе в недеформируемую преграду.

3. Выполнить статистическую обработку этих нагрузок и построить нагрузку с заданной обеспеченностью (вероятностью непревышения). Эта нагрузка и должна рассматриваться как расчетная для самолетов данного класса.

4. Для учёта в расчетах на удар самолета податливости конструкции и её пробивания, необходимо подобрать параметры «эквивалентного самолета».

Рассмотрено применение разработанных методов определения нагрузок для случая удара в защитные конструкции разрушающегося объекта, летящего с

малой скоростью - рассчитана прочность монолитной плиты покрытия спецкорпуса Кольской АЭС при падении на неё стеновой панели расположенного рядом здания. Установлено, что расчет совместного движения панели и защитной конструкции наилучшим образом учитывает ресурсы несущей способности и, в отличие от стандартных квазистатических методов расчёта, позволяет обосновать прочность рассматриваемой защитной конструкции.

Получено, что при ударе объекта, летящего с малой скоростью, основной вклад в значение нагрузки, определяемой по формуле Риеры (1), вносит прочность тела (первый член в правой части), а не динамический (второй) член, как при ударе быстролетящего объекта (самолёта).

В пятой главе изложена усовершенствованная методика оценки безопасности АЭС при ударах разрушающихся объектов для случая удара самолёта. Основные этапы разработанной методики представлены в виде блок-схемы на рис. 9 и заключаются в следующем.

Существующая методика используется до момента определения типов самолётов, падение которых возможно. Затем выполняется процедура определения расчётных нагрузок для самолётов одного класса. Для определения погонной массы и прочности «эквивалентного самолёта» решается «обратная задача».

Следующим этапом методики является аппроксимация защитной конструкции в виде системы с одной или несколькими степенями свободы. Выбор аппроксимации производится исходя из соотношения габаритов конструкции и «пятна удара» бьющего самолёта.

Далее производится динамический расчёт схематизированной защитной конструкции на полученную нагрузку с учётом совместного движения защитной конструкции и бьющего самолёта.

Если в результате расчёта несущая способность защитной конструкции обеспечена, тогда выполняется расчёт динамических нагрузок на оборудование, определяемых поэтажными спектрами отклика. При необходимости усиления оборудования для обеспечения безопасности проверяемого элемента АЭС в проект вносятся соответствующие изменения.

В случае если несущая способность защитной конструкции не обеспечена, возможно два варианта:

а) разрушение защитной конструкции допускается, тогда на следующем этапе определяются динамические нагрузки на оборудование, для расчёта поэтажных спектров отклика принимается нагрузка с учётом пробивания защитной конструкции; при необходимости производится усиление оборудования;

б) несущая способность защитной конструкции не обеспечена при недопустимости пробивания, тогда проектируется её усиление, затем уточняются

расчётные характеристики усиленной защитной конструкции и осуществляется её расчёт; если после очередного усиления несущая способность конструкции обеспечена, тогда повторяется расчёт динамических нагрузок на оборудование и при необходимости производится усиление оборудования.

При допущении пробивания неответственных защитных конструкций выбор варианта обеспечения безопасности рассматриваемого элемента АЭС должен быть основан на комплексном технико-экономическом анализе, предусматривающем определение затрат на усиление защитной конструкции, усиление оборудования, ликвидацию последствий пробивания и возможных ущербов.

В заключении сформулированы основные результаты исследований.

1. Разработана методика оценки безопасности АЭС, основанная на математической модели совместного движения разрушающегося объекта и защитной конструкции, а также нагрузок на последнюю при ударах разрушающихся объектов с учетом веса объекта, наклона конструкции и схематизации её по методу конечных элементов. Методика позволяет произвести оценку безопасности при ударах в наклонные поверхности, падении грузов и обрушении строительных конструкций. Получены зависимости для вычисления нагрузок при ударах объектов простейшей формы.

2. Усовершенствованы способы упрощенной схематизации железобетонных защитных конструкций в виде эквивалентных линейно-упругого и упруго-пластического осцилляторов с использованием шарниров пластичности, применяемой при динамических расчетах. Предложен универсальный способ определения параметров эквивалентного линейно-упругого осциллятора, основанный на статическом конечно-элементном расчёте.

3. Разработана методика решения «обратной задачи», заключающаяся в подборе по заданному закону нагрузки параметров (распределения массы и прочности) «эквивалентного» разрушающегося объекта для расчёта прочности и колебаний защитных конструкций с учетом их податливости и неупругих перемещений.

4. На примере расчета несущей способности защитных конструкций спецкорпуса 4-го блока Белоярской АЭС при ударе самолета показано, что учет одновременного разрушения самолёта и движения защитной конструкции позволяет более точно оценить её несущую способность и предложить более экономичную конструкцию при соблюдении требований безопасности. Установлено, что при ударе объекта, летящего с малой скоростью, основной вклад в нагрузку вносит сила его разрушения, а не динамическая составляющая.

5. Определено влияние выбора расчётных характеристик защитной конструкции и использования упрощенного закона изменения нагрузки на результаты расчёта колебаний зданий и сооружений АЭС, вызванных ударом самолета, и поэтажных спектров отклика, определяющих инерционные нагрузки на расположенное внутри оборудование: учёт снижения расчётной жёсткости конструкций приводит к снижению значений ПС; расчет с использованием упрощенного и сглаженного закона изменения нагрузки при ударе самолёта приводит к существенному занижению ПС. Выявлено, что при последовательном пробивании самолетом строительных конструкций нагрузки на оборудование могут оказаться выше, чем при сохранении цельности защитных конструкций, а потому решение о допустимости такого пробивания следует принимать на основе комплексного технико-экономического анализа.

6. Предложен способ задания расчётных нагрузок при ударе самолёта, основанный на статистической обработке законов изменения нагрузок при ударах самолетов определенного типа, в результате которой определяется стандартный расчётный закон изменения нагрузки с заданной обеспеченностью, позволяющий подобрать параметры «эквивалентного самолета». Такой способ задания нагрузок при падении самолёта позволяет произвести более полную оценку безопасности элементов АЭС.

7. Использование разработанной методики позволило выполнить расчёты прочности и колебаний зданий Кольской, Белоярской и Ленинградской АЭС-2 для оценки безопасности их элементов при ударе самолёта малой гражданской авиации и обрушении вышележащих строительных конструкций. Результаты работы могут быть использованы для оценки безопасности при разработке проектов новых АЭС, а также для обоснования безопасности при продлении срока службы действующих энергоблоков АЭС.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Бирбраер А. Н. Нагрузки на строительные конструкции при ударах разрушающихся летящих тел / А.Н. Бирбраер, И.А. Волкодав // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений.- 2008.- № 2.- С. 53-57.

2. Бирбраер А. Н. Пробивание строительных конструкций разрушающимся летящим телом / А.Н. Бирбраер, И.А. Волкодав // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений.- 2009.- № 2.- С. 24-28.

3. Бирбраер А. Н. Оценка прочности строительных конструкций АЭС при ударах разрушающихся тел / А.Н. Бирбраер, И.А. Волкодав // Научно-технические ведомости СПбГПУ.- 2009.- № 4-1 (89).- С. 68-74.

4. Бирбраер А.Н. Последовательное пробивание системы преград самолётом / А.Н. Бирбраер, И.А. Волкодав // XXXVI Неделя науки СПбГПУ: Материалы Всероссийской межвузовской научной конференции студентов и аспирантов. Ч. I. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2007 - С. 71-72.

5. Бирбраер А.Н. Методы расчета железобетонных конструкций на сопротивление обрушению / А.Н. Бирбраер, И.А. Волкодав // XXXVII Неделя науки СПбГПУ: Материалы Всероссийской межвузовской научной конференции студентов и аспирантов. Ч. I. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2008.- С. 109-110.

6. Волкодав И.А. Корректировка жесткостных характеристик элементов при расчете конструкций из монолитного железобетона / И.А. Волкодав, Ю.С. Мелентьева // XXXVII Неделя науки СПбГПУ: Материалы Всероссийской межвузовской научной конференции студентов и аспирантов. Ч. I. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2008,-С.114-116.

7. Бирбраер А.Н. Методы расчёта строительных конструкций при ударах разрушающихся летящих тел / А.Н. Бирбраер, И.А. Волкодав // Кафедра СКиМ. 75 лет на факультете: сборник материалов научно-технического семинара. 29-30 октября 2009 г., Санкт-Петербург. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2009 - С. 36-41.

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Подписано в печать 20.04.2011. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 1019.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

2010200466

Введение.

Глава 1. Современное состояние проблемы обеспечения безопасности АЭС и постановка задачи исследования.

1.1. Анализ и классификация чрезвычайных ситуаций на АЭС.

1.2. Летящие объекты, учитываемые при обеспечении безопасности АЭС.

1.3. Оценка безопасности АЭС при ударах разрушающихся объектов.

1.3.1. Падение самолета на АЭС.

1.3.2. Колебания здания и динамические нагрузки на расположенное внутри оборудование.

1.3.3. Воздействия, связанные с авиационным топливом.

1.4. Возможные ущербы при падении на АЭС разрушающихся объектов.

1.5. Основные методы теории механического удара.

1.5.1. Основные методы теории механического удара.

1.5.2. Соударение абсолютно твёрдых тел.

1.5.3. Модель деформируемого летящего тела и абсолютно жёсткой преграды.

1.5.3.1. Метод Релея.

1.5.3.2. Нелинейная модель Герца.

1.5.3.3. Продольный удар упругих стержней.

1.5.3.4. Жесткопластическая модель тела.

1.5.3.4.1. Жесткопластическая модель тела с одной степенью свободы.

1.5.3.4.2. Продольный удар жесткопластического стержня.

1.5.4. Учёт деформируемости преграды при ударе летящего объекта.

1.5.4.1. Метод Кокса.

1.5.4.2. Метод Бубнова-Галёркина.

1.5.5. Учёт деформируемости летящего объекта и преграды.

1.6. Анализ прочности строительных конструкций при ударах летящих объектов.

1.7. Нормативные критерии прочности железобетонных конструкций.

1.8. Анализ существующей методики оценки безопасности АЭС при ударах разрушающихся объектов.

1.9. Постановка задач исследования.

Глава 2. Нагрузки на защитные конструкции при ударах разрушающихся объектов.

2.1. Удар по нормали к наклонной недеформируемой преграде.

2.2. Решение уравнения движения объекта в квадратурах.

2.3. Удар объекта с постоянными по длине массой и прочностью.

2.4. Удар объекта с линейно изменяющимися по длине массой и прочностью.

2.5. Учёт податливости преграды при ударе разрушающегося объекта по нормали.

2.6. Удар разрушающегося объекта в податливую преграду под углом к нормали, не превосходящим угла трения.

2.7. Удар разрушающегося объекта в податливую преграду под углом к нормали, большим угла трения.

2.8. Выводы по главе 2.

Глава 3. Проблемы схематизации железобетонных конструкций при расчётах на удары летящих объектов.

3.1. Предварительные з амечания.

3.2. Схематизация конструкции в виде эквивалентного линейного осциллятора.

3.3. Пластическая стадия.•.

3.3.1. Предварительные замечания.

3.3.2. Неупругий расчёт балок.

3.3.3. Схематизация плит при неупругом расчёте.

3.4. Выводы по главе 3.

Глава 4. Проблемы расчёта конструкций для оценки безопасности АЭС при ударах разрушающихся объектов.

4.1. Предварительные замечания.

4.2. Нагрузка при ударе самолёта в недеформируемую преграду.

4.3. «Обратная задача»-определение характеристик летящего объекта по нагрузке на преграду.

4.4. Влияние податливости преграды на нагрузку при ударе самолёта.

4.5. Анализ прочности защитных конструкций при ударе самолёта.

4.5.1. Постановка задачи.

4.5.2. Исходные данные для расчёта защитной конструкции.

4.5.3. Квазистатический расчёт конструкции на удар самолёта.

4.5.4. Прямое интегрирование уравнений движения по времени.

4.5.5. Одновременное разрушение самолёта и деформация преграды.

- 4.5.6. Воздействие пожара при разливе авиационного топлива.

4.5.7. Сопоставление расчётов прочности различными методами.

4.6. Последовательное пробивание системы конструкций.

4.7. Колебания здания и динамические нагрузки на оборудование при ударе самолёта

4.7.1. Описание конечно-элементной модели здания спецкорпуса.

4.7.2. Влияние выбора расчётных характеристик ударяемой конструкции на спектры отклика.

4.7.3. Влияние закона изменения нагрузки на спектры отклика.

4.7.4. О задании расчётных нагрузок при ударе самолёта.

4.8. Нагрузки при обрушении строительных конструкций.

4.9. Падение панели на горизонтальную преграду.

4.9.1. Исходные данные для расчёта защитной конструкции.

4.9.2. Панель - абсолютно твёрдое тело, преграда податливая.

4.9.3. Расчёт на нагрузку при падении разрушающейся панели на недеформируемую преграду.

4.9.4. Одновременное разрушение падающей панели и деформация преграды.

4.10. Выводы по главе 4.

Глава 5. Методика оценки безопасности АЭС при ударах разрушающихся объектов.

Энергетическая стратегии России до 2030 г. предусматривает увеличение производства электроэнергии на атомных станциях до 356-437 млрд. кВт-ч/год. Кроме ввода новых, стратегией предусматривается модернизация и продление срока эксплуатации действующих энергоблоков, строительство объектов хранения радиоактивных отходов (РАО) и отработавшего ядерного топлива (ОЯТ).

Непременным требованием при проектировании атомных электростанций (АЭС) является гарантия сохранения безопасности при возникновении чрезвычайных ситуаций (ЧС). При этом современные требования по обеспечению безопасности часто являются более строгими, чем те, которые действовали при проектировании и строительстве эксплуатируемых в настоящее время объектов. В связи с этим необходимо разработать методы учета экстремальных внешних воздействий (ЭВ), позволяющие предотвратить недопустимые повреждения вновь проектируемых, а также выявить запасы уже эксплуатируемых объектов с целью обеспечения их безопасности.

Одним из видов экстремальных воздействий, учитываемых согласно нормам проектирования ядерно- и радиационно-опасных объектов [25], являются удары летящих объектов.

Одной из важнейших задач, решаемых при проектировании АЭС, является обеспечение безопасности в чрезвычайных ситуациях, возникающих при ударах летящих объектов, которые появляются при различных техногенных и природных воздействиях, например:

- падение на АЭС летательного аппарата;

- удар предмета, подхваченного ураганом или торнадо;

- разлет осколков при взрывах;

- обрушение конструкций;

- падение грузов при транспортировке, и т.д.

По возможным последствиям экстремального воздействия наиболее опасным среди перечисленных воздействий считается удар падающего самолёта.

Особенность определения нагрузок на защитные конструкции при ударах разрушающихся объектов связана с тем, что значительная часть их кинетической энергии расходуется на собственное разрушение. Зарубежными и отечественными исследователями разработаны методики определения таких нагрузок применительно к удару самолёта. В них, однако, рассматривался только удар быстролетящего тела по нормали к вертикальной недеформируемой преграде.

При этом не учитывались собственный вес тела и зависимость нагрузки от податливости преграды. Поэтому при расчёте наклонных строительных конструкций (например, купольной части защитной оболочки АЭС) эти методики являются не вполне строгими. Они также не могут быть применены при ударе сравнительно медленно летящих тел (например, обрушающихся строительных конструкций и падающих грузов).

Еще одной проблемой при учете ударов разрушающихся объектов является анализ последовательного пробивания объектом системы преград. Такая задача представляет интерес в тех случаях, когда ответственные помещения здания АЭС, повреждение которых не допускается, обстроены снаружи неответственными помещениями, которые могут быть разрушены. Способы таких расчётов разрабатывались ранее, однако они основаны на ряде сильных допущений и требуют уточнения с целью повышения точности оценки безопасности и предотвращения чрезвычайных ситуаций.

Наконец, удар в здание АЭС летящего объекта с большой кинетической энергией, например, самолёта, вызывает его интенсивные колебания. В результате возникают динамические нагрузки на находящееся внутри оборудование. Необходимо определять эти нагрузки, чтобы с их учетом проектировать оборудование, важное для обеспечения безопасности рассматриваемого объекта.

Проблемы безопасности АЭС и других радиационно-опасных объектов, в том числе вопросы обеспечения прочности их строительных конструкций и работоспособности технологического оборудования при экстремальных воздействиях, рассмотрены в работах С. Б. Архипова, B.C. Беляева, А. Н. Бирбраера, С. Е. Бугаенко, С. JI. Буторина, А. С. Дмитриева, М.В. Караковского, А. П. Кириллова, A.B. Петренко, А.И. Попова, А. Ю. Роледера, А. Е. Саргсяна, Б. В. Цейтлина, Г. С. Шульмана, С. Г. Шульмана, J. Bauer, К. Drittler, Р. Gruner, J. D. Riera, F. Scharpf, G. J. Schuëller, R. Schwarz, H. Shibata, J. D. Stevenson, P. Varpassuo, N. F. Zom и других авторов.

Настоящая диссертация посвящена актуальной проблеме обеспечения безопасности АЭС в чрезвычайных ситуациях природного и техногенного происхождения, вызванных ударами разрушающихся объектов.

Основные результаты диссертационной работы.

1. Разработана методика оценки безопасности АЭС, основанная на математической модели совместного движения разрушающегося объекта и защитной конструкции, а также нагрузок на последнюю при ударах разрушающихся объектов с учетом веса объекта, наклона конструкции и схематизации её по методу конечных элементов. Методика позволяет произвести оценку безопасности при ударах в наклонные поверхности, падении грузов и обрушении строительных конструкций. Получены зависимости для вычисления нагрузок при ударах объектов простейшей формы.

2. Усовершенствованы способы упрощенной схематизации железобетонных защитных конструкций в виде эквивалентных линейно-упругого и упруго-пластического осцилляторов с использованием шарниров пластичности, применяемой при динамических расчетах. Предложен универсальный способ определения параметров эквивалентного линейно-упругого осциллятора, основанный на статическом конечно-элементном расчёте и позволяющий определить эти параметры практически для любых конструкций, а не только для простейших, параметры которых определяются из аналитических решений.

3. Разработана методика решения «обратной задачи», заключающаяся в подборе по заданному закону нагрузки параметров (распределения массы и прочности) «эквивалентного» разрушающегося объекта для расчёта прочности и колебаний защитных конструкций с учетом их податливости и неупругих перемещений.

4. На примере расчета несущей способности защитных конструкций спецкорпуса 4-го блока Белоярской АЭС при ударе самолета показано, что учет одновременного разрушения самолёта и движения защитной конструкции позволяет более точно оценить её несущую способность и предложить более экономичную конструкцию при соблюдении требований безопасности. Установлено, что при ударе объекта, летящего с малой скоростью, основной вклад в нагрузку вносит сила его разрушения, а не динамическая составляющая.

5. Определено влияние выбора расчётных характеристик защитной конструкции и использования упрощенного закона изменения нагрузки на результаты расчёта колебаний зданий и сооружений АЭС, вызванных ударом самолета, и поэтажных спектров отклика, определяющих инерционные нагрузки на расположенное внутри оборудование: учёт снижения расчётной жёсткости конструкций приводит к снижению значений ПС; расчет с использованием упрощенного и сглаженного закона изменения нагрузки при ударе самолёта приводит к существенному занижению ПС. Выявлено, что при последовательном пробивании самолетом строительных конструкций нагрузки на оборудование могут оказаться выше, чем при сохранении цельности защитных конструкций, а потому решение о допустимости такого пробивания следует принимать на основе комплексного технико-экономического анализа.

6. Предложен способ задания расчётных нагрузок при ударе самолёта, основанный на статистической обработке законов изменения нагрузок при ударах самолетов определенного типа, в результате которой определяется стандартный расчётный закон изменения нагрузки с заданной обеспеченностью, позволяющий подобрать параметры «эквивалентного самолета». Такой способ задания нагрузок при падении самолёта позволяет произвести более полную оценку безопасности элементов АЭС.

7. Использование разработанной методики позволило выполнить расчёты прочности и колебаний зданий Кольской, Белоярской и Ленинградской АЭС-2 для оценки безопасности их элементов при ударе самолёта малой гражданской авиации и обрушении вышележащих строительных конструкций. Результаты работы могут быть использованы для оценки безопасности при разработке проектов новых АЭС, а также для обоснования безопасности при продлении срока службы действующих энергоблоков АЭС.

Заключение

1. Аварии и катастрофы. Предупреждение и ликвидация последствий. / под общ. ред. В. А. Котляревского, А. В. Забегаева. Уч. пос. в 6-ти томах. -М.: Изд-во АСВ, 1995-2003. - Том 1. - С. 168-183.

2. Аварии и катастрофы. Предупреждение и ликвидация последствий. / под общ. ред. В. А. Котляревского, А. В. Забегаева. — Уч. пос. в 6-ти томах. -М.: Изд-во АСВ, 1995-2003. Том 5. - С. 187-205.

3. Бедняков В.Г. Динамика сооружений атомных станций при особых воздействиях / А.Е. Саргсян, В.Г. Бедняков, В.А. Кириллов // Сооружение атомных электростанций : экспресс-информация. — М. : Информэнерго, 1991 (Энергетика и электрификация).

4. Белобров И. К. Влияние быстрых загружений на прочность железобетонных балок / И. К. Белобров, В. И. Щербина // Влияние скорости загружения, гибкости и крутящих моментов на прочность железобетонных конструкций. -М. : Стройиздат, 1970. С. 37-87.

5. Беляев В.В. Российская современная авиация / В.В. Беляев, В.Е. Ильин -М.: ACT, «Астрель», 2001. 320 с.

6. Бирбраер А.Н., А.Ю. Роледер. Безопасность атомных электрических станций при экстремальных внешних воздействиях Электронный ресурс. СПб, 2010. - Режим доступа: http://www.biosphere21century.ru/articles/209

7. Бирбраер А.Н. Вероятностный анализ безопасности атомных станций при ударе самолета // Изв. ВНИИГ им. Веденеева. 1991. - Т. 225. - С. 22-28.

8. Бирбраер А. Н. К определению динамических нагрузок на строительные конструкции атомных электростанций при ударах летящих тел / А. Н. Бирбраер, А. Ю. Роледер, Г. С. Шульман // Изв. ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева. 1991. -Т. 225.-С. 92-100.

9. Бирбраер А. Н. Обеспечение безопасности АЭС при ударе падающего самолета / А. Н Бирбраер, И. А Любивый, С. А. Хомич // Проектирование архитектурно-строительной части ТЭС и АЭС. М.: Энергоатомиздат, 1984. - С. 27-38.

10. Бирбраер А. Н. Оценка надежности сооружений и оборудования АЭС при ударе падающего самолета / А. Н. Бирбраер, С. Г. Шульман // Энергетическое строительство. 1985. - № 9. - С. 45-48.

11. Бирбраер А. Н. Прочность и надежность конструкций АЭС при особых динамических воздействиях / А. Н. Бирбраер, С. Г. Шульман. М. : Энергоатомиздат, 1989. - 304 с.

12. Бирбраер А. Н. Экстремальные воздействия на сооружения / А. Н. Бирбраер, А. Ю. Роледер. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2009. - 593 с.

13. Болотин В.В. Методы теории вероятности и теории надёжности в расчётах сооружений. М.: Стройиздат, 1982. - 351 с.

14. Болотин В. В. Ресурс машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1990. -448 с.

15. Буторин С. Л. Методы анализа безопасности АЭС при авиакатастрофах / С. Л. Буторин, Г. С. Шульман, С. Г. Шульман. М.: Энергоатомиздат, 2006. — 326 с.

16. Гвоздев А. А. Расчет несущей способности конструкций по методу предельного равновесия. М. : Стройиздат, 1949. - 280 с.

17. Диалог с общественностью о безопасности атомной энергетики: Уроки Чернобыля / Р. Арутюнян и др. . // Бюлл. по атомной энергии. 2003. - № 2. -С. 54-58.

18. Динамический расчет сооружений на специальные воздействия / М. Ф. Барштейн и др. . М. : Стройиздат, 1981. - 215 с.

19. Караковский М. В. О динамическом взаимодействии жесткопластического стержня с плоской конструкцией / М. В. Караковский, Г. С. Шульман // Изв. ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева. 1993. - Т. 227. - С. 75-80.

20. Ибрагимов М.Х. Вероятностный анализ безопасности АЭС / М.Х. Ибрагимов, В.И. Рачков // Энергетика и электрификация : Обзор.информ. М. : Ин-формэнерго, 1989. - С.38-41.

21. Новое о прочности железобетона / А. А. Гвоздев и др. . М. : Стройиз-дат, 1977. - 272 с.

22. НП-031-01. Нормы проектирования сейсмостойких атомных станций Электронный ресурс. М., 2002. - Режим доступа: http://www.gostrf.com/Basesdoc/41/41357/index.htm.

23. НП-064-05. Учет внешних воздействий природного и техногенного происхождения на объекты использования атомной энергии Электронный ресурс. — М., 2006. Режим доступа: http://www.gostrf.com/Basesdoc/47/47336/index.htm.

24. Пановко Я. Г. Введение в теорию механического удара. М. : Наука, 1977. - 232 с.

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

26. ПиН АЭ-5.6. Нормы строительного проектирования АЭС с реакторами различного типа. М. : Госатомэнергонадзор СССР, 1986. — 21 с.

27. Попов Н. Н. Вопросы расчета и конструирования специальных сооружений : учеб. пособие для вузов / Н. Н. Попов, Б. С. Расторгуев. М.: Стройиздат, 1980. - 190 с.

28. Попов H. H. Расчет конструкций специальных сооружений : учеб. пособие для вузов / H. Н. Попов, Б. С. Расторгуев. М. : Стройиздат, 1990. - 208 с.

29. Прочность и надежность конструкций АЭС при экстремальных воздействиях / С. Е. Бугаенко и др.. М. : Энергоатомиздат, 2005. - 575 с.

30. Пособие по определению пределов огнестойкости конструкций, пределов распространения огня по конструкциям и групп возгораемости материалов (к СНиП П-2-80) Электронный ресурс. М., 1984.

31. Режим доступа: http://doc-load.ru/SNiP/raznoc/II-2-80.htm.

32. Правила безопасной перевозки радиоактивных материалов : нормы безопасности № ST-1. Вена: МАГАТЭ, 1996. 220 с.

33. Расчет защитной оболочки АЭС по уточненному ударному импульсу с учетом неупругих свойств железобетона / Ю. Э. Сеницкий и др. . // Энергетическое строительство. 1984. - № 2. - С. 28-30.

34. Ржаницын А. Р. Предельное равновесие пластин и оболочек. М. : Наука, 1983.-288 с.

35. Ржаницын А. Р. Теория расчета строительных конструкций на надежность. М.: Стройиздат, 1978.-239 с.

36. SCAD Office. Вычислительный комплекс SCAD. M. : АСВ, 2008. - 656 с.

37. Справочник по динамике сооружений / Под общ. ред. Б. Г. Коренева, И. М. Рабиновича. М. : Стройиздат, 1972. - 511 с.

38. Справочник по теории упругости : (для инженеров-строителей) / Под. ред. П. М. Варвака, А. Ф. Рябова. Киев : Буд1вельник, 1971. - 420 с.

39. СНиП П-11-77*. Защитные сооружения гражданской обороны. М. : ЦИТП Госстроя СССР, 1985. - 62 с.

40. СП 52-101-2003. Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры Электронный ресурс. М., 2004. - Режим доступа: http://www.gostrf.com/Basesdoc/41/41734/index.htm.

41. СП 52-103-2007. Железобетонные монолитные конструкции зданий Электронный ресурс. М., 2007. - Режим доступа: http://www.tehlit.ru/llibnormadoc/51/51493/.

42. Тимошенко С. П. Колебания в инженерном деле. М.: Наука, 1967. - 444 с.

43. Тихонов И. Н. Расчёт сечений железобетонных элементов при действии кратковременных динамических нагрузок // Бетон и железобетон. 1991. — №9. -С. 18-20.

44. Учет экстремальных метеорологических явлений при выборе площадок АЭС : (без учета тропических циклонов) : руководство по безопасности №50-SG-SllA. Вена : МАГАТЭ, 1983.-76 с.

45. ASCE Standard 4-98. Seismic Analysis of Safety-Related Nuclear Structures and Commentary on Standard for Analysis of Safety Related Nuclear Structures // American Society of Civil Engineers. New York, 1987. - 101 p.

46. Bauer J. Analysis of Reinforced Concrete Structures Subjected to Aircraft Impact Loading / J. Bauer, F. Scharpf, R. Schwarz // Trans, of the 7th SMIRT. Chicago, 1983.-J. 39/4.

47. Brandes K. Strain Rate Dependent Energy Absorbtion Capacity of Reinforced Concrete Members Under Aircraft Impact / K. Brandes, E. Limberger, J. Herter // Trans. Of the 7th SMIRT. Chicago, 1983. - J. 9/5.

48. Drittler K. Calculation of the Total Force Acting upon a Rigid Wall by Projectiles / K. Drittler, P. Gruner // Nuclear Engineering and Design. 1976. - Vol. 37. -P. 231-234.

49. Drittler K. The force resulting from impact of fast-flying military aircraft upon a rigid wall / K. Drittler, P. Gruner // Nucl. Engng. and Des. 1976. - Vol. 37. - P. 245-248.

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

51. Eurocode 2: Design of concrete structures. EN 1992-1-1: General rules, and rules for buildings Электронный ресурс. / European Committee for Standardization. 2004. - Режим доступа:http://eurocodes.jrc.ec.europa.eu/docAVS2008/EN1992lWalraven.pdf.

52. External Events Excluding Earthquakes in the Design of Nuclear Power Plant. IAEA Safety Standards Series. Safety Guide No. NS-G-1.5 / IAEA. Vienna, 2003. 105 p.

53. External Human-Induced Events in Site Evaluation for Nuclear Power Plants. IAEA Safety Standards Series. Safety Guide No NS-G-3.1 / International Atomic Energy Agency. Vienna, 2002. - 57 p.

54. Full-Scale Aircraft Test for Calculation of Impact Force / Sugano T. et al. . // Nucl. Engng. and Des. 1993. - Vol. 140. - P. 373-385.

55. Kobayashi, T. Probability Analysis of an Aircraft Crash to a Nuclear Power Plant//Nucl. Engng. and Des. 1988. Vol. 110. P. 207-211.

56. MSC/NASTRAN Basic Dynamic Analysis. User's Guide. Version 90. The MacNeal-Schwendler Corporation, Los Angeles, California, July 1997.

57. Nachtsheim W. Selected Results of Meppen Slab Test State of Interpretation, Comparison With Computational Investigations / W. Nachtsheim, F. Stangenberg // Trans. Of the 7th SMIRT. - Chicago, 1983. - J 8/1.

58. Règles de conception et de construction du genie civil des centrales nucléaires, Rep. RCC. G 85-Rev. 2, Electricité de France Paris, 1988.

59. Report of the ASCE Committee on the Impactive and Impulsive Loads // Proc. of the Second ASCEE Conference «Civil Engineering and Nuclear Power». Knox-ville ; Tennessee, 1980. - Vol. 5. - P. 3-11.

60. Richtlinie fur den Schütz von Kernkraftwerken gegen Druckwellen aus chemi-shen Reaktionen durch Auslegung der Kernkraftwerke hinsichtlich ihrer Festigkeit // Bundesanzeigeno. Bonn, 1976. - №. 179. - S. 1-3.

61. Riera J. D. A Critical Reappraisal of Nuclear Power Plant Safety Against Accidental Aircraft Impact // Nucl. Engng. and Des. 1980. - Vol. 57. - P. 193-206.

62. Sandia National Laboratories Website Электронный ресурс. Режим доступа: https://share.sandia.gOv/news/resources/video-gallery/index.html#rocketsled.

63. U.S. Nuclear Regulatory Commission Standard Revue Plan. NUREG-0800 (Revision 2). July 1987.

64. Zorn N. F. On the Failure Probability of the Containment under Accidental Aircraft Impact / N. F. Zorn, G. J. Schuller // Nuclear Engineering and Design. 1986. -Vol. 91.-P. 277-286.