The current load combination criteria for design of nuclear power plant structures(NPP) are not based on the probability-based design concept but rely on the conventional design concept. In this paper, a load combination criteria for design of NPP containment structures are proposed based on a FEM-based random vibration analysis. More accurate reliability analyses under various dynamic loads such as earthquake loads were made possible by incorporating the FEM and random vibration theory, which is different from the conventional reliability analysis method, In this paper, the toad factors for the design of NPP structures in Korea are proposed by considering appropriate load combination criteria for design.
Because the elevated temperature degrades the mechanical properties of materials used in containments, the global behavior of containments subjected to the internal pressure under high temperature is remarkably different from that subjected to the internal pressure only. This paper concentrates on the nonlinear finite element analyses of the nuclear power plant containment structures, and the importance for the consideration of the elevated temperature effect has been emphasized because severe accident usually accompanies internal high pressure together with a high temperature increase. In addition to the consideration of nonlinear effects in the containment structure such as the tension stiffening and bond-slip effects, the change in material properties under elevated temperature is also taken into account. This paper, accordingly, focuses on the three-dimensional nonlinear analyses with thermal effects. Upon the comparison of experiment data with numerical results for the SNL 1/4 PCCV tested by internal pressure only, three-dimensional analyses for the same structure have been performed by considering internal pressure and temperature loadings designed for two kinds of severe accidents of Saturated Station Condition (SSC) and Station Black-out Scenario (SBO). Through the difference in the structural behavior of containment structures according to the addition of temperature loading, the importance of elevated temperature effect on the ultimate resisting capacity of PCCV has been emphasized.
Tamayo, Jorge Luis Palomino;Awruch, Armando Miguel
Structural Engineering and Mechanics
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v.58
no.5
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pp.799-823
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2016
A finite element model for the non-linear dynamic analysis of a reinforced concrete (RC) containment shell of a nuclear power plant subjected to extreme loads such as impact and earthquake is presented in this work. The impact is modeled by using an uncoupled approach in which a load function is applied at the impact zone. The earthquake load is modeled by prescribing ground accelerations at the base of the structure. The nuclear containment is discretized spatially by using 20-node brick finite elements. The concrete in compression is modeled by using a modified $Dr{\ddot{u}}cker$-Prager elasto-plastic constitutive law where strain rate effects are considered. Cracking of concrete is modeled by using a smeared cracking approach where the tension-stiffening effect is included via a strain-softening rule. A model based on fracture mechanics, using the concept of constant fracture energy release, is used to relate the strain softening effect to the element size in order to guaranty mesh independency in the numerical prediction. The reinforcing bars are represented by incorporated membrane elements with a von Mises elasto-plastic law. Two benchmarks are used to verify the numerical implementation of the present model. Results are presented graphically in terms of displacement histories and cracking patterns. Finally, the influence of the shear transfer model used for cracked concrete as well as the effect due to a base slab incorporation in the numerical modeling are analyzed.
Due to the severe impacts of recent earthquakes, the use of seismic isolation is paramount for the safety of nuclear structures. The diversity observed in seismic events demands ongoing research to analyze the devastating attributes involved, and hence to enhance the sustainability of base-isolated nuclear power plants. This study reports the seismic performance of a seismically-isolated nuclear reactor containment building (NRCB) under strong short-period ground motions (SPGMs) and long-period ground motions (LPGMs). The United States Nuclear Regulatory Commission-based design response spectrum for the seismic design of nuclear power plants is stipulated as the reference spectrum for ground motion selection. Within the period range(s) of interest, the spectral matching of selected records with the target spectrum is ensured using the spectral-compatibility approach. NRC-compliant SPGMs and LPGMs from the mega-thrust Tohoku earthquake are used to obtain the structural response of the base-isolated NRCB. To account for the lack of earthquakes in low-to-moderate seismicity zones and the gap in the artificial synthesis of long-period records, wavelet-decomposition based autoregressive moving average modeling for artificial generation of real ground motions is performed. Based on analysis results from real and simulated SPGMs versus LPGMs, the performance of NRCBs is discussed with suggestions for future research and seismic provisions.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2000.04a
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pp.559-564
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2000
Nuclear power plant structures amy be exposed to aggressive environmental effects that may cause their strength and stiffness to decrease over their service lives. Although the physics of these damage mechanisms are reasonably well understood and quantitative evaluation of their effects on time-dependent structural behavior is possible in some instances, such evaluations are generally very difficult and remain novel. The final goal of this study is to develop the reliability analysis of RC containment structures. The cause of the degrading is first clarified and the reliability assessment has been conducted. By introducing stochastic analysis based on random vibration theory, the reliability analysis which can determine the failure probabilities has been established.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.5
no.2
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pp.147-154
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2001
The prestressed concrete containment is one of the most important structures in nuclear power plants, which is required to prevent release of radioactive or hazardous effluents to the environment even in the case of a severe accident. Numerical analyses are carried out by using the ABAQUS finite element program to assess the ultimate pressure capacity of the Y prestressed concrete containment with light water reactor at design criteria condition and aging condition considering varied properties of time-dependant materials respectively. From the results, it is verified that the structural capacity of the Y prestressed concrete containment building under the present, aging condition is still robust. In addition, the parameter studies for the reduction of the ultimate pressure capacity of containment building according to the degradation levels of the main structural materials are carried out. The results show that when the degradations of each materials are considered as individual and combined forms, the influence is large in the order of tendon, rebar and concrete degradation, and tendon-rebar, tendon-concrete and rebar-concrete degradation respectively.
This paper deals with application of a non-linear continuum model for reinforced concrete affected by alkali-aggregate reaction (AAR) to analysis of some nuclear structures. The macroscopic behaviour of the material affected by AAR is described by incorporating a homogenization/averaging procedure. The formulation addresses the main stages of the deformation process, i.e., a homogeneous deformation mode as well as that involving localized deformation, associated with formation of macrocracks. The formulation is applied to examine the mechanical behaviour of some reinforced concrete structures in nuclear power facilities located in Quebec (Canada). First, a containment structure is analyzed subjected to 45 years of continuing AAR. Later, an inelastic analysis is carried out for the spent fuel pool taking into account the interaction with the adjacent jointed rock mass foundation. In the latter case, the structure is said to be subjected to continuing AAR that is followed by a seismic event.
Kim Jongtae;Hong Seong-Wan;Kim Sang-Baik;Kim Hee-Dong;Lee Unjang;Royl P.;Travis J. R.
Nuclear Engineering and Technology
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v.36
no.1
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pp.24-35
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2004
In order to analyze the hydrogen distribution during a severe accident in the APR1400 containment, GASFLOW II was used. For the APR1400 NPP, a hydrogen mitigation system is considered from the design stage, but a fully time-dependent, three-dimensional analysis has not been performed yet. In this study GASFLOW code II is used for the three-dimensional analysis. The first step to analysis involving hydrogen behavior in a full containment with the GASLOW code is to generate a realistic geometry model, which includes nodalization and modeling of the internal structures such as walls, ceilings and equipment. Geometry modeling of the APR1400 is conducted using GUI program by overlapping the containment cut drawings in a graphical file format on the mesh view. The total number of mesh cells generated is 49,476. And the calculated free volume of the APR1400 containment by GASFLOW is almost the same as the value from the GOTHIC modeling. A hypothetical SB-LOCA scenario beyond design base accident was selected to analyze the hydrogen behavior with the hydrogen mitigation system. The source of hydrogen and steam for the GASFLOW II analysis is obtained from a MAAP calculation. Combustion pressure and temperature load possibilities within the compartments used in the GOTHIC analysis are studied based on the Sigma-Lambda criteria. Finally the effectiveness of HMS installed in the APR1400 containment is evaluated from the point of severe accident management
Dynamic parameters such as natural frequencies can provide global stiffness information of a structure, and thus be utilized in monitoring structural integrity of large structures such as a containment. To identify the dynamic parameters without interrupting normal operation, a modal analysis method based on ambient vibration measurements should be applied. In this study, dynamic parameters of the containment of Wolsong Unit 2 are identified using ambient vibration measurement data. The feasibility of the study is verified using a numerical model for the containment. From the modal analysis, dynamic parameters of the containment with acceptable correlation to analytical modes can be estimated.
Background: Fibers have been used in cement mixture to improve its toughness, ductility, and tensile strength, and to enhance the cracking and deformation characteristics of concrete structural members. The addition of fibers into conventional reinforced concrete can enhance the structural and functional performances of safety-related concrete structures in nuclear power plants. Methods: The effects of steel and polyamide fibers on the shear resisting capacity of a prestressed concrete containment vessel (PCCV) were investigated in this study. For a comparative evaluation between the shear performances of structural walls constructed with conventional concrete, steel fiber reinforced concrete, and polyamide fiber reinforced concrete, cyclic tests for wall specimens were conducted and hysteretic models were derived. Results: The shear resisting capacity of a PCCV constructed with fiber reinforced concrete can be improved considerably. When steel fiber reinforced concrete contains hooked steel fibers in a volume fraction of 1.0%, the maximum lateral displacement of a PCCV can be improved by > 50%, in comparison with that of a conventional PCCV. When polyamide fiber reinforced concrete contains polyamide fibers in a volume fraction of 1.5%, the maximum lateral displacement of a PCCV can be enhanced by ~40%. In particular, the energy dissipation capacity in a fiber reinforced PCCV can be enhanced by > 200%. Conclusion: The addition of fibers into conventional concrete increases the ductility and energy dissipation of wall structures significantly. Fibers can be effectively used to improve the structural performance of a PCCV subjected to strong ground motions. Steel fibers are more effective in enhancing the shear performance of a PCCV than polyamide fibers.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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