Ydinvoimalaitoksen sisäsuojakuoren rakenteellinen suunnittelu

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
2011
Major/Subject
Talonrakennustekniikka
Mcode
Rak-43
Degree programme
Language
fi
Pages
92 s. + liitt. 37 s.
Series
Abstract
This thesis applies the theory of structural design to analyse of the inner containment of the reactor building in a nuclear facility. In Finland, the planning of a nuclear plant is supervised and regulated by the Radiation and Nuclear Safety Authority (STUK). Designing a nuclear facility begins with defining the site-specific requirements of the plant. When approved by STUK, the ASME standard is applied to the dimensioning of the inner containment, supplemented by the Euro code. The ASME standard divides the loads of the containment into two categories: loads during operation, which are not multiplied by safety factors; and environment and accident loads, which are multiplied by safety factors. The dimensioning of compressive resistance is based on the combined effect of the dead load of the containment and it's and pre-stressing forces. The required thickness of the shell is determined by compression and shear resistances. As an alternative to increasing the thickness, the shell can also be strengthened by additional compression and shear steel reinforcement. An important parameter affecting the design is the permissible shear stress of the concrete used in the structure. This study presents the dimensioning equations based on the combination of different stress variables. In addition to normal forces and moments, the equations take into account the force resultants of pre-stressing and its losses. The force resultants in the containment comprise the force resultants of the membrane and bending state, splitting forces, steering forces, and friction and locking losses. The fire safety of the containment is based on a performance-based design philophy. The application examined in this study is containment with an ellipsoid geometry that is closely comparable with the shape of the chain curve loaded by its dead load. The examined shell had a height of 62 m, a width of 51 m and a thickness of 1.7 m. The concrete chosen for the vertical structures in the shell was high strength concrete C70/85-1 and, for the base plate, C35/45-1. The ducts of anchored tendons are grouted with grease. The analyses were made using the finite element method and STAAD.Pro and Abaqus software, and the dimensioning was performed according to the Euro code. The types of element that were used consisted of 8-node and 6-node solid elements and bar rod elements. The loading consisted of the dead load of the containment and its interior pressure loading. The critical structural property in the observed case was shear capacity, which was exceeded by 62%. The tensile strength was exceeded by 27% in the no-crack mode. However, only 42% of the compression capacity was used, and the percentage of used tendon capacity was 70%, including the 20% decrease of capacity from losses. The results show that a thickness of 1.7 m is not sufficient for the inner containment, but the tendons will sustain. As a conclusion, either the shell thickness should be increased in the examined case or shear steel reinforcement should be added to the structure. When losses remained at the moderate level of 6~12 per cent, the optimal amount of parts acting as a stress platform was observed to be four horizontal pilasters around the shell and a horizontal beam placed in the lower edge of its calotte shaped upper dome.

Diplomityö käsittelee ydinvoimalaitoksen sisäsuojakuoren rakenteellisen suunnittelun teoriaa ja analysointia. Suomessa ydinvoimalaitoksen suunnittelun ohjeistusta ja valvontaa hoitaa Säteilyturvakeskus. Suunnittelu aloitetaan määrittämällä laitoksen paikkakohtaiset vaatimukset. Mitoituksessa sovelletaan STUK:n niin hyväksyessä ASME:n normia ydinvoimalaitoksen suojakuorelle täydennettynä eurokoodilla. Kuormat voidaan jaotella ASME-normissa kahteen ryhmään, käytönaikaisiin kuormiin, joita ei kerrota varmuuskertoimella ja varmuuskertoimella kerrottaviin ympäristö- ja onnettomuuskuormiin. Puristuskestävyyden kannalta mitoittava kuormitusyhdistelmä muodostuu omasta painosta ja jännevoimasta. Puristus- ja leikkauskestävyys määrittää kuorelta vaadittavan paksuuden. Paksuuden kasvattamisen vaihtoehtona kuoreen voidaan lisätä sekä puristusteräksiä että leikkausraudoitusta. Tärkeä mitoitukseen vaikuttava parametri on betonille sallittu leikkausjännitys. Työssä on johdettu eri rasitussuureiden yhdistelyyn perustuvat yhteisvaikutusyhtälöt, joissa otetaan huomioon normaalivoimien ja momentin lisäksi jännittämisestä ja jännityshäviöistä syntyvät voimaresultantit. Kuoren voimaresultantit koostuvat kalvo- ja taivutustilan voimaresultanteista, halkaisuvoimista, ohjausvoimista, sekä kitka- ja lukitushäviöistä. Sisäsuojakuoren palomitoitus tehdään toiminnallisena. Työssä on sovelluksena tarkasteltu sisäsuojakuorta, jolle on valittu ellipsoidin muotoinen geometria, joka on lähellä kuoren omaa painoa vastaavan ketjukäyrän muotoa. Tarkastellun kuoren korkeus on 62 m, leveys 51 m sekä paksuus 1.7 m. Sisäsuojakuoren pystyrakenteiden betoniksi valittiin korkealujuusbetoni C70/85-1 ja pohjalaatan betoniksi C35/45-1. Ankkurijänteet ovat rasvapunosjänteitä. Analyysit tehtiin elementtimenetelmällä käyttämällä STAAD.Pro- ja Abaqus-ohjelmia. Mitoitus suoritettiin eurokoodilla. Elementtityyppeinä olivat käytössä kahdeksan- ja kuusisolmuiset tilavuuselementit ja sauvaelementit. Kuormitus muodostui kuoren omasta painosta ja kuoren sisäisestä painekuormasta. Tarkastetulle rakenteelle kriittiseksi muodostui leikkauskapasiteetti, joka esimerkissä ylittyi 62 %:lla. Vetokestävyys ylittyi halkeamattomassa tilassa 27 %:lla. Sen sijaan puristuskapasiteetista käytettiin vain 42 %:a. Jänteiden kapasiteetista oli käytössä 70 %, joka sisälsi 20 %:n suuruiset häviöt. Tulosten perusteella kuoren paksuus 1.7 m ei olisi riittävä, mutta jänteet kestäisivät. Tämän perusteella tarkastellussa tapauksessa tulisi kasvattaa kuoren paksuutta tai lisätä leikkausraudoitus. Jännitysalustana toimivien pilasterien optimimääriksi saatiin vaakasuuntaan kuoren ympärille 4 kpl sekä kuoren kalotin muotoisen yläosan alareunaan jännitysalustaksi vaakapalkki, joka jakaa kuoren kahteen osaan, häviöiden ollessa kohtuulliset 6 % - 12 %.
Description
Supervisor
Puttonen, Jari
Thesis advisor
Saarinen, Olli
Keywords
Other note
Citation