The effect of an allowable crack width on concrete structures of pools in nuclear facilities

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2013
Major/Subject
Talonrakennustekniikka
Mcode
Rak-43
Degree programme
Language
fi
Pages
79 + [36]
Series
Abstract
In Finland the requirements for water tightness and leak control in nuclear facility pool structures follow the guidelines in YVL E.6, set by the Radiation and Nuclear Safety Authority (STUK). According to the guide, the largest bending cracks must be limited to 0,2 mm and the largest through cracks to 0,1 mm. This Master's thesis outlines the design criteria for waterproof concrete structures according to different design standards in different countries. According to eurocode and the German DIN, leaks are generally prevented if the height of the compression area of the cross section fulfils minimum requirements. Leaks are also generally prevented if the width of through cracks is limited. According to these standards, the recommended crack width value depends on the hydrostatic pressure and structure thickness ratio. Comparing these requirements to the guidelines in YVL E.6, the crack width requirements set by STUK seem conservative when taking into account the height and thickness ratio in typical nuclear facility pool structures. In this research potential minimum reinforcement requirements for nuclear pool structures are also studied. To achieve this, the research compares different design standards and guides from different countries. Generally, standards do not consider crack width requirements in formulas for calculating the minimum reinforcement. In the research two German guides, which consider crack width requirements, were found. These guides are based on the DIN -standard. The study also focuses on how different crack width requirements affect the concrete in nuclear facility pool structures. This research thus investigates a simplified pool model in serviceability state. The study contained non-linear FEM-analyses, using SOFiSTiK design software. The purpose was to examine how different crack width requirements affect the needed reinforcement. In the case of the simplified pool structure, a 0.2 mm crack width requirement resulted in 42% higher amount of steel than a 0.3 mm requirement when defining the needed reinforcement in a chosen way. A separate 0.1 mm requirement for through cracks resulted in additional reinforcement in the walls in areas with through cracks which formed near the joints of the walls. According to the results, a linear analysis with reduced temperature load (factor 0.5) is a rather good estimate for the needed reinforcement.

Säteilyturvakeskus (STUK) asettaa YVL E.6 -ohjeen luonnoksessa vaatimuksia ydinlaitosten altaiden tiiviydestä ja vuodonvalvonnasta. Ohjeen mukaan, betonin halkeilua on rajoitettava siten, että suurimmat sallitut karakteristiset halkeamat ovat läpihalkeamien osalta enintään 0,1 mm ja taivutushalkeamien osalta enintään 0,2 mm. Tässä diplomityössä selvitettiin eri maissa sovellettavat vesitiiviiden betonirakenteiden laskennallisen halkeamaleveyden suunnittelukriteerit. Eurokoodin ja saksalaisen DIN -normin mukaan, veden läpäisy on pääasiassa estetty, jos rakenteen poikkileikkauksen puristetun osan korkeus täyttää sille asetetut minimivaatimukset. Veden läpäisy läpihalkeamista on taas pääasiassa estetty, jos läpihalkeamien leveyttä rajoitetaan. Näissä normeissa halkeamaleveyden suositeltavat arvot määritellään hydrostaattisen painekorkeuden suhteena säiliörakenteen seinän paksuuteen. Voidaan todeta, että STUK:n asettama vaatimus läpihalkeamille vaikuttaa konservatiiviselta verrattuna naiden normien vaatimuksiin, kun huomioidaan tyypillisen ydinvoimalaitoksen altaan seinän korkeuden suhde paksuuteen. Työssä tutkittiin myös mahdollisia minimiraudoitusvaatimuksia ydinlaitosten altaille. Tämä tehtiin vertailemalla eri maissa sovellettavia suunnittelunormeja ja -ohjeita. Yleensä normit eivät huomioi halkeamaleveysvaatimuksia minimiraudoituksen laskentakaavoissa. Tutkimuksessa löydettiin kuitenkin kaksi DIN-standardiin perustuvaa saksalaista ohjetta jotka huomioivat nämä halkeamaleveysvaatimukset. Lisäksi tutkittiin mallialtaan avulla käytön aikaisten kuormien vaikutusta tyypillisen polttoainealtaan betonirakenteisiin normaalissa ja poikkeuksellisessa kaytt6tilanteessa. Tämä tehtiin epälineaarisella FEM -analyysilla SOFiSTiK -tietokoneohjelmalla. Tämän tarkoituksena oli selvittää, miten eri halkeamaleveysvaatimukset vaikuttavat tarvittavaan raudoitukseen. Mallialtaan tapauksessa, 0,2 mm halkeamaleveysvaatimus johti valitun raudoituksen määrittämistavan mukaan 42 % suurempaan raudoitusmäärään kuin 0,3 mm vaatimus. Erillinen 0,1 mm vaatimus läpihalkeamille johti vielä lisäraudoitukseen altaan seinien liivihaljetuilla alueilla. Läpihalkeamia syntyivät altaan seinien liittymäkohtien läheisyydessä. Analyysin perusteella todettiin myös, että lineaarinen mitoitus redusoidulla lämpökuormalla (kerroin 0,5) antaa suhteellisen hyvän arvion raudoitustarpeesta.
Description
Supervisor
Puttonen, Jari
Thesis advisor
Nissinen, Hannu
Tiirola, Olli
Keywords
crack width requirements, halkeamaleveysvaatimukset, minimum reinforcement, minimiraudoitusvaatimukset, waterproof concrete structures, vesitiiviit betonirakenteet, non-linear FEM -analysis, epälineaarinen FEM -analyysi, nuclear facility pool, ydinlaitoksen allas
Other note
Citation