Seismic analysis and design methods of reinforced concrete structures for nuclear power plants in compliance with Regulatory Guides on nuclear safety

Abstract

Regulatory Guides on nuclear safety are a set of guides known as YVL guides, which are published by Radiation and Nuclear Safety Authority of Finland. YVL guides specify detailed safety requirements concerning the implementation of safety level in accordance with the Nuclear Energy Act (990/1987). This thesis studies the impact of YVL guide compliant seismic analysis methods on design of reinforced concrete structures and the quantities of required reinforcement. The considered methods are equivalent static, response spectrum and time history analyses.

This thesis comprises of literature review and case study. Literature review provides the necessary theoretical foundation for seismic analysis and reinforcement calculations based on results of the analysis methods. Case study consists of seismic analyses and reinforcement calculations for two buildings to evaluate the impact of the methods on the reinforcement quantities and computational efficiency. Computational models were developed with Patran software, seismic analyses were performed with MSC Nastran and the reinforcement calculations with IVODIM software. The reinforcement quantities obtained with each method were compared, and the efficiency of the methods was evaluated based on computational time costs.

The findings showed that equivalent static analysis was computationally efficient, but significantly overestimated reinforcement. Response spectrum analysis produced more reasonable reinforcement with low computational cost but resulted in an excessive amount of overall reinforcement. Time history analysis had a moderate time cost and provided optimized reinforcement. While time history analysis had the highest computational cost, the study confirms that redundant time steps can be omitted without compromising accuracy, significantly reducing computational time.

The findings support the use of time history analysis in seismic design of nuclear power plants. This method offers economic benefits by optimizing reinforcement, which can lower construction costs. Modern computers can handle the computational demands efficiently and the use of time history analysis should not be limited by time or budget constraints in nuclear projects.

Ydinturvallisuusohjeet ovat Säteilyturvakeskuksen julkaisemat ohjeet, joissa esitetään ydinenergialain (990/1987) mukaisen turvallisuustason toteuttamista koskevat yksityiskohtaiset turvallisuusvaatimukset. Tässä työssä tutkitaan ydinturvallisuusohjeiden mukaisten seismisten analyysimenetelmien vaikutusta teräsbetonirakenteiden raudoituksen laskentaan ja laskettuihin raudoitusmääriin. Työssä käsiteltävät menetelmät ovat korvausvoima-, vastespektri- ja aikahistoria-analyysit.

Tämä työ koostuu kirjallisuuskatsauksesta, jota täydentää kahden esimerkkirakennuksen vertailulaskennat. Kirjallisuuskatsauksessa käsitellään maanjäristysanalyysien teoriapohja sekä vaaditun raudoituksen laskenta eri analyysimenetelmien tulosten perusteella. Vertailulaskennoissa esimerkkirakennuksille toteutettiin maanjäristysanalyysit eri menetelmiä käyttäen ja laskettiin teräsbetonirakenteiden vaadittu raudoitus, jotta voitiin selvittää menetelmien vaikutus raudoitusmääriin ja laskennan tehokkuuteen. Laskentamallit tehtiin Patran ohjelmalla, maanjäristysanalyysit MSC Nastran ohjelmalla ja vaaditun raudoituksen laskenta IVODIM ohjelmalla. Eri menetelmillä saatuja raudoitusmääriä verrattiin ja menetelmien tehokkuutta arvioitiin käytetyn laskenta-ajan perusteella.

Tulokset osoittivat, että korvausvoimamenetelmä oli laskenta-ajaltaan tehokas, mutta tuotti huomattavan ylimitoitetun raudoituksen. Vastespektrimenetelmä oli tehokas ja vähemmän konservatiivinen kuin korvausvoimamenetelmä. Aikahistoriamenetelmä oli laskenta-ajaltaan kohtalaisen tehokas tuottaen optimoidun raudoitusmäärän. Vaikka aikahistoriamenetelmä oli vähiten tehokas laskenta-ajan perusteella, työssä osoitettiin, että laskenta-aikaa voidaan pienentää huomattavasti menettämättä tarkkuutta eliminoimalla merkityksettömät aika-askeleet raudoituksen laskennasta.

Tulokset tukevat aikahistoriamenetelmän käyttöä ydinvoimalaitosten seismisessä suunnittelussa. Menetelmää käyttämällä raudoitusmäärät saadaan optimoitua, joka voi pienentää rakentamiskustannuksia. Nykytietokoneiden kapasiteetti riittää hyvin menetelmän tehokkaaseen käyttöön, eikä aikahistoriamenetelmän käyttöä tulisi rajoittaa ydinvoimalaitosprojekteissa aikataulun tai budjetin asettamilla rajoitteilla.