85. Расчеты объектов атомной энергетики в ПК ЛИРА 10

Основные объекты в сфере атомной энергетики:

• Атомные электростанции (АЭС) – это объекты, которые генерируют электроэнергию, как действующие, так и находящиеся в процессе строительства. К ним относятся, например, Балаковская, Курская и Нововоронежская АЭС.

• Ядерные объекты включают в себя реакторы АЭС, исследовательские реакторы и комплексы, предназначенные для переработки ядерного топлива.

• Объекты для размещения ядерных материалов, облученных тепловыделяющих сборок (ОТВС) и радиоактивных отходов (РАО).

• Предприятия ядерного топливного цикла, куда входят горно-химические комбинаты, заводы, занимающиеся обогащением урана, и фабрики по производству топлива.

• Суда, оснащенные атомной энергетикой, включают в себя атомные ледоколы, подводные лодки и корабли с ядерными реакторами.

Проектирование строительных объектов в сфере атомной энергетики связано с рядом усложняющих факторов. Так, в отличие от других зданий и сооружений промышленного и гражданского строительства, при расчетном обосновании надежности сооружений атомной энергетики предъявляются дополнительные требования в области атомной и радиационной безопасности в соответствии с различными требованиями МАГАТЭ и внутренними документами РФ, регулируемыми ФБУ «НТЦ ЯРБ» - уполномоченного органа государственного регулирования безопасности при использовании атомной энергии.

Существуют также и дополнительные требования к проектировщикам и программному обеспечению:

• Программное обеспечение должно быть аттестовано в ФБУ «НТЦ ЯРБ»;

• Проектировщики, осуществляющие расчетное обоснование таких объектов, должны быть обучены аттестованными разработчиками программных комплексов. Компании, в которых работают такие сотрудники, должны быть включены в аттестационные паспорта [1].

Основные базовые расчеты объектов атомной энергетики практически ничем не отличаются от расчетов зданий и сооружений из других отраслей. Это расчеты, регламентируемые СП 20.13330.2016 [2]:

• Статические расчеты на постоянные и длительные нагрузки - вес конструкций и оборудования;

• Статические и динамические расчеты на кратковременные нагрузки снеговые, ветровые и температурные климатические воздействия;

• Особые случаи нагрузок, такие как сейсмические или аварийные нагрузки и воздействия.

Важной отличительной особенностью основного статического расчета объектов атомной энергетики является наличие особых требований ко второму предельному состоянию, в частности к трещинообразованию: объекты хранения радиоактивных и других опасных материалов должны быть спроектированы таким образом, чтобы была исключена возможность образования трещин в том числе и при особых воздействиях. В связи с этим, пользователь ПК ЛИРА 10 должен выставить определенную комбинацию режимов расчета, которая почти всегда не используются при расчетах зданий и сооружений из других отраслей:

После выполнения основных типовых расчетов объекты атомной энергетики должны быть рассчитаны на особые нагрузки и воздействия, объем которых зависит от назначения объекта:

• Сейсмические воздействия уровня ПЗ и МРЗ [3];

• Воздействие экстремальных климатических температур;

• Воздействие экстремальных снегопадов и снегозапасов;

• Воздействие аварийных температур;

• Воздействие ударной воздушной волны;

• Ураганный ветер;

• Смерч;

• Взрывные воздействия;

• Падение самолета;

• Динамические воздействия, возникающие при разрыве трубопроводов

• и др.

Рассмотрим одно из особых воздействий – удар падающего самолета по защитной оболочке реактора АЭС:

Для расчета строительных конструкций на динамическое воздействие от падающего самолета в ПК ЛИРА 10 реализован модуль Динамика+. Продолжительность и амплитуда воздействия будет зависеть от множества факторов [4], для некоторых самолетов воздействие будет выглядеть следующим образом:

При проведении аттестации ПК ЛИРА 10 [5] был выполнен расчет защитной оболочки реактора на воздействие падающего военного самолета Phantom RF-4E:

При решении задачи в динамике во времени пользователю доступен анализ ускорений, скоростей и перемещений в каждый момент времени, то же касается и напряженного состояния:

Также, пользователь может проанализировать напряжения по сечению в каждый момент времени.

Верификационный тест, результаты расчета по которому приведены выше, можно скачать по ссылке.

Рассмотрим еще один вид динамического воздействия на объекты атомной энергетики – это взрывное воздействие. Различают два основных типа взрывов – детонационный и дефлаграционный [4, 6] (Рис.7):

В ПК ЛИРА 10 можно задать как детонационный и дефлаграционный вид воздействия. Характер и амплитуда нагрузки зависят от следующих факторов [7]:

• Удаленность объекта исследований от эпицентра взрыва;

• Характер источника взрыва (что именно взорвалось и какого тротилового эквивалента);

• На какую поверхность задается воздействие – фронтальная или тыльная сторона объекта (по аналогии с ветровыми воздействиями – наветренная или подветренная сторона)

На рис. 8-9 приведен пример задания взрывных воздействий в динамике во времени:

Как видно из рис. 8 для тыловой части объекта воздействие задается не с начала момента интегрирования, а с неким запозданием, в отличие от фронтального участка (рис. 9):

В результатах расчета пользователь может проанализировать работу конструкций в том числе в нелинейной постановке:

По рис. 10 видно, что в ПК ЛИРА 10 можно проанализировать как напряжения, так и деформации в любой момент времени, при этом можно выключить основной или армирующий материал для удобства анализа мозаик.

Помимо расчета строительных конструкций для зданий и сооружений атомной промышленности важной задачей является сохранность оборудования. Для расчета креплений или опор под оборудование необходимо выполнять построение спектров ответа [8]. Если для определения поэтажных спектров ответа используется линейный спектральный метод, необходимо представить обоснование консерватизма этого метода по отношению к методу прямого интегрирования во времени. Также, должны быть приведены сведения о методах получения расчетных поэтажных спектров ответа (критерии получения огибающих, их сглаживания, расширения пиков) и методах определения расчетных поэтажных акселерограмм, соответствующих расчетным спектрам ответа.

Например, на некоторой отметке защитной оболочки реакторного отделения АЭС (рис. 11) требуется обеспечить надежность функционирования оборудования:

Для расчета креплений оборудования необходимо построить спектры ответа в местах расположения оборудования. Для этого ПК ЛИРА 10 может построить огибающую спектров реакции для всех выделенных узлов (рис. 12-13):

Выводы:

1. Надежность строительных конструкций объектов в сфере атомной энергетики может быть обеспечена при использовании ПК ЛИРА 10

2. В ПК ЛИРА 10 реализованы инструменты для основных видов расчета: статика, динамика и устойчивость

3. Объекты атомной энергетики необходимо рассчитывать как в линейной, так и нелинейной постановке – В ПК ЛИРА 10 можно выполнять такие расчеты как в статической, так и в динамической постановке.

4. Специализированные расчеты объектов атомной энергетики можно выполнять в ПК ЛИРА 10 с применением модулей: Динамика+, Монтаж, физическая и геометрическая нелинейность, Грунт, Вариация моделей, Сечения, Теплопроводность

5. При обеспечении надежности крепления оборудования объектов атомной энергетики в ПК ЛИРА 10 есть возможность построения спектров реакции

6. При выполнении расчетов стальных и железобетонных конструкций в ПК ЛИРА 10 реализована гибкая настройка параметров конструирования, позволяющая выполнять требования нормативных документов в области атомной энергетики

Список источников:

1. Аттестационный паспорт программы для ЭВМ «ЛИРА 10» №538 от 28.12.2021

2. СП 20.13330.2016 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*

3. НП-031-01 Нормы проектирования сейсмостойких атомных станций

4. Бирбраер А. Н. Экстремальные воздействия на сооружения / А.Н. Бирбраер, А.Ю. Роледер., СПб.: Издательство Политехнического университета, 2009, 594 с.

5. Колесников А.В. Программный комплекс ЛИРА 10. Верификационный отчет. Том 2. Верификационные тесты, инвентарный номер 244288-2 от 02.12.2021, 435 с.

6. Динамический расчет сооружений на специальные воздействия /М.Ф. Барштейн, Н.М. Бородачев, Л.Х. Блюмина и пд.; Под ред. Б.Г. Коренева, И.М. Рабиновича. – М.: Стройиздат, 1981. – 215 с. – (Справочник проектировщика)

7. Б.С. Расторгуев, А.И. Плотников, Д.З. Хуснутдинов Проектирование зданий и сооружений при аварийных взрывных воздействиях. Учебное пособие. – М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2007. – 152 с.

8. НП-006-16. Федеральные нормы и правила в области использования атомной энергии Требования к содержанию отчета по обоснованию безопасности блока атомной станции с реактором типа ВВЭР (Приказ Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 13 февраля 2017 г. N 53)