К расчету железобетонных преднапряженных защитных оболочек атомных станций

Abstract

RU: Цель. Целью данной работы является разработка расчетной модели преднапряженной железобетонной защитной оболочки атомного реактора для достоверной оценки ее напряженно-деформированного состояния и работоспособности (выполнения локализующей функции) во всех режимах эксплуатации, включая сочетание нагрузок при проектной аварии и проектном землетрясении. Методика. В результате анализа технической документации и в соответствии с целью работы были определены методологические основы, информационная структура, спектр решаемых задач и технология программной реализации модели. В процессе выполнения работы были разработаны требования к расчетной модели: учет геометрических особенностей сооружения (утолщения в зонах люков, проходок; приопорное (стилобатное) утолщение; геометрия анкерного карниза; геометрия подкрановой балки; податливость приопорной зоны защитной оболочки (ЗО)); учет конструктивных особенностей сооружения (неоднородная структура по толщине стенки и купола - гермооблицовка, железобетон, каналообразователи СПЗО, армоканаты); учет особенностей системы преднапряжения защитной оболочки (моделирование реальной траектории арматурных канатов (АК); возможность снижения усилия в АК по длине из-за трения между АК и каналообразователем; исключение из работы любых АК; задания любой конфигурации усилий в АК; возможность определения минимально необходимых усилий в АК для обеспечения локализующей функции защитной оболочки при сочетании максимальной проектной аварии с проектным землетрясением). Степень дискретизации расчетной модели была определена исходя из возможности моделирования с достаточной степенью достоверности сложной геометрической формы сооружения; возможности моделирования с достаточной степенью достоверности отдельных конструктивных элементов; обеспечения необходимой точности расчета при минимальном количестве узлов и конечных элементов. Результаты. Разработаны компьютерные модели в составе: внутренняя стальная гермооблицовка, железобетонные ограждающие конструкции с преднапряженными армоканатами и наружным и внутренним слоями с ненапрягаемой арматурой. Выполнена комплексная верификация разработанных моделей. Выполнены расчеты ЗО трех типов энергоблоков АЭС с различной величиной усилия натяжения армоканатов на основные и аварийные сочетания нагрузок. Определены минимально допустимые усилия в канатах, которые обеспечивают локализующие функции защитной оболочки во всех режимах эксплуатации, включая сочетание нагрузок при максимальной проектной аварии и проектном землетрясении. Научная новизна. Разработаны аналитические модели цилиндрических защитных оболочек энергоблоков атомных электростанций, позволяющие исследовать закономерности влияния различных сочетаний воздействий на их напряженно-деформированое состояние, несущую способность и выполнение локализующих функций. Разработан алгоритм проверки несущей способности железобетонных ЗО и определения максимальных усилий в канатах при аварийных воздействиях. Практическая значимость. Выполнен расчет напряженно-деформированного состояния защитной оболочки от сочетания особых воздействий, что позволило продлить ресурс ЗО ряда АЭС Украины. Разработанные компьютерные модели защитной оболочки также использованы для альтернативных экспертных расчетов при выполнении государственных экспертиз ядерной и радиационной безопасности атомных станций.

UK: Мета. Метою даної роботи є розробка розрахункової моделі попередньо напруженої залізобетонної захисної оболонки атомного реактора для достовірної оцінки її напружено-деформованого стану і працездатності (виконання локалізуючої функції) для всіх режимів експлуатації, включаючи сполучення навантажень при проектній аварії та проектному землетрусі. Методика. В результаті аналізу технічної документації та відповідно до мети роботи були визначені методологічні основи, інформаційна структура, спектр вирішуваних завдань і технологія програмної реалізації моделі. В процесі виконання робіт були розроблені вимоги до розрахункової моделі: врахування геометричних особливостей споруди (потовщення в зонах люків, проходок; приопорне (стилобатне) потовщення; геометрія анкерного карниза; геометрія підкранової балки; податливість приопорної зони захисної оболонки (ЗО)); врахування конструктивних особливостей споруди (неоднорідна структура по товщині стінки і купола - гермооблицювання, залізобетон, каналоутворювачі СПЗО, армоканати); врахування особливостей системи попереднього напруження захисної оболонки (моделювання реальної траєкторії арматурних канатів (АК); можливість зниження зусилля в АК по довжині через тертя між АК і каналоутворювачем; виключення з роботи будь-яких АК; задання будь-якої конфігурації зусиль в АК; можливість визначення мінімально необхідних зусиль в АК для забезпечення локалізуючої функції захисної оболонки при поєднанні максимальної проектної аварії з проектним землетрусом). Ступінь дискретизації розрахункової моделі була визначена виходячи з можливості моделювання з достатнім ступенем вірогідності складної геометричної форми споруди; можливості моделювання з достатнім ступенем вірогідності окремих конструктивних елементів; забезпечення необхідної точності розрахунку при мінімальній кількості вузлів і скінчених елементів. Результати. Розроблено аналітичні моделі у складі: внутрішнє сталеве гермооблицювання, залізобетонні огороджувальны конструкції з попереднього напруженими армоканатами та зовнішнім і внутрішнім шарами з ненапружуваною арматурою. Виконано комплексне тестування розроблених моделей. Виконано розрахунки трьох типів енергоблоків АЕС з різною величиною зусилля натягу армоканатів на основні та аварійні сполучення навантажень. Визначено мінімально допустимі зусилля в канатах, які забезпечують працездатність захисної оболонки у всіх режимах експлуатації, включаючи сполучення навантажень при максимальній проектній аварії і проектному землетрусі. Наукова новизна. Розроблено аналітичні моделі циліндрічних захисних оболонок енергоблоків атомних електростанцій, що дозволяють досліджувати закономірності впливу різних сполучень навантажень на їх напружено-деформований стан, несучу здатність та виконання локалізуючих функцій. Розроблено алгоритм перевірки несучої здатності залізобетонних ЗО і визначення максимальних зусиль у канатах при аварійних діях. Практична значимість. Виконано розрахунок напружено-деформованого стану захисної оболонки від сполучення особливих дій, що дозволило подовжити ресурс ЗО низки АЕС України. Розроблені комп'ютерні моделі захисної оболонки також були використані для альтернативних експертних розрахунків при виконанні державних експертиз ядерної та радіаційної безпеки атомних станцій.

EN: Goal. The aim of this work is to develop a design computational model of the reinforced concrete prestressed containment of a nuclear unit for real evaluation its stress-strain state and reliable performance in all operating conditions, including a combination of loads under design accident and design earthquake. Techniques. Based on results of the technical documentation analysis and in accordance with the purpose of performed work were determined methodological basis, informational structure, the range of tasks and technology for software model implementation. During the work performance, the requirements for the calculation model were developed: taking into accunt the geometric features of structures (thickening in areas hatches, penetrations; bearing (stylobate) thickening; geometry of anchor cornice; geometry of crane girders; suppleness of bearing zone of the containment); taking into accunt design features of the facilities (non-uniform structure through the wall thickness and the dome: tight lining; concrete; channel form of the containment prestressing system (CPS); reinforcing ropes); taking into accunt the features of containment prestressing system (simulation of the actual trajectory of reinforcing ropes (RR), a possibility to reduce the stresses in the RR along its length due to the friction between the RR and channel form; disable any RR; originating any forces configuration in the RR, the ability to calculate the minimum required forces in RR for proper function of containment under a combination of maximum design accident and the design earthquake). The degree of calculation model sampling has been determined based on the modeling capabilities with a sufficient degree of reliability for complex geometric shapes facilities; modeling capabilities with a sufficient degree of reliability of individual structural elements; maintain the accuracy of calculation of a minimum number of finite elements and nodes. Results. The computantional models consisting of: internal steel tight lining, concrete walling with prestressed reinforcing ropes and an outer and an internal layers with an ordinary reinforcement were developed. A comprehensive verification of the developed models were curried out. Calculations of the three types of unit of the NPPs with different values of forces in reinforcing ropes under the main and acsidentl load combinations were carried out. A minimum acceptable forces to the ropes that ensure operability of the containment during all modes of operation, including the combination of loads with a maximum design accident and design earthquake were determined. Scientific novelty. The analytical models of the cylindrical containments of the NPP units that allowing to research the regularities of influence of the various combinations of loads on their stress-straine mode, bearing capacity and proper contaainment functions were developed. An algorithm of checking the bearing capacity of the reinforced concrete contaiments and determining the maximum forces into the ropes under acident actions were developed. Practical significance. The calculation of stress-strain state of the containment under the combination of special actions were performed that allowing to extend the resource of the several nuclear power plants in Ukraine. The developed computer models of containment were used for alternative calculations during performance of the of state nuclear and radiation safety examination.