Особенности проектирования АЭС

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

1. Задачи и методы защиты АЭС от авиакатастроф

2. Виды самолетов, удар которых учитывается в проектах АЭС

3. Нагрузки и воздействия при падении самолета

4. Требования к расчетам на удар самолета

5. Особенности проектирования АЭС на экстремальные воздействия

6. Динамический расчет железобетонной защитной оболочки на удар самолета

7. Учет неупругих деформаций конструкций при ударе самолета

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Любые виды промышленной деятельности характеризуются наличием риска возникновения аварий с серьезными последствиями. Для каждого вида деятельности риск специфичен, также как и меры по его уменьшению. Так, в химической промышленности это риск утечки токсичных веществ в окружающую среду, риск пожаров и взрывов на химических заводах. Ядерная промышленность не является исключением.

Особенностью объектов ядерной энергетики, основную часть которых представляют атомные станции, является образование и накопление значительных количеств радиоактивных веществ в процессе их эксплуатации. Большую их часть составляют продукты деления урана с суммарной активностью порядка 1020 Беккерелей (Бк)*. Именно по этой причине с АС связан специфический риск - потенциальная радиологическая опасность для населения и окружающей среды в случае выхода радиоактивных продуктов за пределы АС.

Многолетний опыт эксплуатации АС показывает, что при работе в нормальных режимах они оказывают незначительное влияние на окружающую среду (радиационное воздействие от них составляет величины, не превышающие 0,1-0,01 от фоновых значений природной радиации). В отличии от электростанций, работающих на органическом топливе, АС не потребляют кислород, не выбрасывают в атмосферу золу, углекислый и сернистый газы и окись азота. Радиоактивные выбросы атомной станции в атмосферу создают в десятки раз меньшую дозу облучения на местности, чем тепловая станция той же мощности.

Тем не менее, при эксплуатации АС не включается вероятность возникновения инцидентов и аварий, включая тяжелые аварии, связанные с повреждением тепловыделяющих элементов и выходом из них радиоактивных веществ. Тяжелые аварии проходят очень редко, но величины их последствий при этом очень велики.

В данной работе мы рассмотрим конструктивные методы повышения устойчивости АЭС к внешнему удару от падающего самолета. Это техногенное воздействие является одним из самых опасных. Его обязательный учет предусмотрен российскими нормами проектирования АЭС, а также зарубежными нормами, отраженными в рекомендациях МАГАТЭ(Международное агентство по атомной энергии) .

Падение самолета создает очень тяжелые динамические нагрузки на строительные конструкции и оборудование АЭС, но в то же время вероятность его реализации чрезвычайно мала. В связи с этим решение о включении этого события в проектные основы конкретной АЭС должно приниматься на основе анализа воздушной обстановки в ее окрестностях. Однако, согласно российским нормам, независимо от реального воздушного движения в окрестностях АЭС, в проекте должен быть учтен удар легкого самолета массой до 5000 кг, используемого на внутренних авиалиниях. Это же требование содержится в нормах некоторых других стран (например, Франции). Учет такого удара позволяет одновременно обеспечить защиту от летящих тел другой природы с близкими массами и скоростями (например, поднятых в воздух ураганом или торнадо; образовавшихся при обрушении вышерасположенных строительных конструкций; при злонамеренных действиях людей и т.п.). авиакатастрофа самолет проектирование падение

1. Задачи и методы защиты АЭС от авиакатостров

АЭС имеет три (в новейших проектах - даже четыре) дублированные системы безопасности, любой из которых достаточно, чтобы остановить реактор и поддерживать его в остановленном состоянии. Для защиты от удара самолета эти системы обычно размещают в отдельных зданиях, которые располагают на генплане станции таким образом, чтобы они не могли быть одновременно выведены из строя.

Тем не менее, отдельные системы, важные для безопасности, расположены в одном здании. Прежде всего, это находящаяся в реакторном отделении ЯППУ (Ядерная паропроизводящая установка), хранилище отработавшего топлива и др.

2. Виды самолетов рассматривающиеся при падение на АЭС

В настоящее время принято рассматривать падение на АЭС самолетов трех видов: относящихся к авиации общего назначения, к военной и к коммерческой. Под авиацией общего назначения понимают малые (в том числе частные и спортивные) самолеты.

Согласно требованиям норм , а также международной практике, удар такого самолета обязательно учитывается в проекте любой АЭС, поскольку аварийность этого вида авиации особенно велика.

Необходимость учета самолетов двух других видов - военных и коммерческих - определяется исходя из воздушной обстановки в окрестности площадки АЭС. Военные самолеты имеют меньшую массу, чем коммерческие, но более высокую скорость. Несмотря на меньшую массу, нагрузка при ударе военных самолетов оказывается больше, чем самолетов коммерческой авиации. При определении нагрузок на строительные конструкции скорость самолета чаще всего принимают не максимально возможной, а равной скорости взлета-посадки, так как случаев падения коммерческих самолетов с большей скоростью не зафиксировано. Но если имеются данные о возможности падения самолета с большей скоростью, это должно быть учтено.

Lear Jet-23. Самолеты авиации общего назначения . Учет падения самолета этого типа предусмотрен нормами Франции и Рекомендациями МАГАТЭ . Он вмещает 5?7 пассажиров, двух членов экипажа. Его длина 13.8 м, высота 3.84 м, размах крыльев 10.85 м. Максимальная взлетная масса 5670 кг. Самолет имеет два турбореактивных двигателя длиной 1 м, диаметром0.45 м и массой 180 кг.

Нагрузка при ударе соответствует скорости удара v = 360 км/ч. Согласно нормам Франции площадь пятна удара S = 12 м2 (прямоугольник с длинной горизонтальной стороной l = 10 м и вертикальной h = 1.2 м). Для АЭС, расположенных дальше 5 км от аэропорта, направление удара принимается от 0 до 45° к вертикали, а ближе 5 км рассматривается также траектория под углом 80° к вертикали.

Boeing 747-400 «Jumbo Jet» ? широкофюзеляжный авиалайнер, один из крупнейших современных пассажирских самолетов,способный перевозить более 500 пассажиров.

Его взлетный вес более 390 000 кг.

О его величине можно судить по рисунку, где силуэт самолета показан в сопоставлении с размерами сооружений одной из АЭС. Круглое здание перед ним - реакторное отделение диаметром около 50 м. Максимальное значение нагрузки 250 МН Угол падения самолета от 0 до10° к горизонту.

Площадь пятна удара сначала составляет 50 м2 (круг), затем, при разрушении крыльев, увеличивается до 100 м2 (круг в сочетании с прямоугольником), а затем вновь уменьшается до 50 м2 и приобретает форму круга.

Кроме механического воздействия должен быть также учтен взрыв и/или пожар 75 000 кг топлива (авиационного керосина), которое несет самолет.

Суммарная масса самолета составляет 20000 кг, скорость 215 м/с [110]. Угол падения составляет от 0 до 45° к горизонту. Пятно удара обычно принимают в виде круга площадью 7 м2.

Кроме приведенной нагрузки, соответствующей разрушению фюзеляжа, учитывают удар двигателя с массой 1665 кг, диаметром 0.91 м и скоростью 100 м/с. Угол удара от 0 до 45° к горизонту.

3. Нагрузки и воздействия при падении самолета

Падение самолета на АЭС создает целый комплекс нагрузок и воздействий. Прежде всего это механические нагрузки на строительные конструкции, которые разделяются на два вида: за счет разрушения фюзеляжа и за счет удара твердого обломка самолета (чаще всего рассматривают удар турбины двигателя). При определении нагрузок первого вида фюзеляж самолета рассматривают как легко разрушающееся тело. Помимо механических нагрузок необходимо учитывать возможность пожара и/или взрыва авиационного топлива, количество которого может измеряться тоннами.

Помимо нагрузки, вызванной разрушением фюзеляжа самолета, учитывают удар его обломка (обычно двигателя), чаще всего рассматриваемого как абсолютно твердое тело. Кроме того, учитываются также воздействия, создаваемые горением и/или взрывом его топлива, а также возможность проникновения топлива или его паров внутрь станции через вентиляционные и технологические отверстия, что может привести к внутренним пожарам или к отказу оборудования.

Рассматривая нагрузки при ударе самолетов разных типов, можно выделить некоторые их общие черты. Прежде всего следует отметить, что эти нагрузки очень велики и при этом локализованы в пределах небольшого «пятна удара». Поэтому обеспечение прочности строительных конструкций при их действии представляет значительную сложность. Кроме того, удар самолета вызывает интенсивные колебания даже таких больших и тяжелых сооружений, как реакторное отделение АЭС, в связи с чем появляется проблема обеспечения работоспособности ответственного оборудования при этом динамическом воздействии. Нагрузки имеют ярко выраженный динамический характер. Их длительность измеряется для малых самолетов сотыми, а для больших - десятыми долями секунды. Поэтому реакция конструкции на эти нагрузки зависит от ее собственных частот, и расчеты на их действие необходимо выполнять динамическими методами.

Удар самолета создает очень большие нагрузки на сооружения. В связи с этим необходимо проверять не только прочность отдельных конструкций, но также прочность и устойчивость здания в целом и его фундаментов. Рассматриваемые воздействия имеют ярко выраженный динамический характер. Для снижения трудоемкости расчетов предпочтительно проверить прочность всех строительных конструкций здания сразу, по единой конечно-элементной расчетной схеме. Однако чтобы достаточно точно определить внутренние усилия во всех конструкциях реального сложного сооружения, необходима расчетная схема с очень большим числом степеней свободы, а значит, значительные вычислительные возможности. По этой причине часто здание подразделяют на первичные конструкции и закрепленные на них подконструкции (или основную систему и подсистемы) и выполняют расчет в две стадии. На первой используется «грубая» расчетная схема для первичных конструкций, в которой вторичные учтены упрощенно. С ее помощью рассчитывают вынужденные колебания здания и находят законы движения его точек (чаще всего - ускорения, или «поэтажные акселерограммы», ПА), по которым вычисляют поэтажные спектры отклика (ПС). Затем, используя их в качестве возмущающего воздействия, выполняют расчет вторичных конструкций. Расчет с применением ПА и ПС ничем в принципе не отличается от расчета конструкций на сейсмостойкость. Если в качестве характеристики возмущения использован ПС, то это предполагает расчет по линейно-спектральной теории.

4. Требования к расчетам на удар самолета

Обеспечение прочности строительных конструкций при ударе самолета регламентируется нормами. При данном воздействии, как и при всех иных, требования норм направлены на безусловную гарантию безопасной остановки реактора и поддержание его в остановленном состоянии, отсутствие выхода радиоактивных продуктов за установленные пределы. Для этого должно быть предотвращено сквозное пробивание самолетом или его обломками ограждающих строительных конструкций, обеспечено отсутствие растрескивания последних и разлета обломков бетона изнутри (если они представляют опасность), предотвращение попадания внутрь здания авиационного топлива, что может повлечь за собой взрыв или пожар. В настоящее время обычно используют консервативное предположение о том, что удар нанесен в наиболее опасное место и под наиболее неблагоприятным наклоном к строительной конструкции в пределах возможных углов падения самолета. При этом считается, что угол падения гражданского самолета составляет от 0 до 10° к горизонту, а военного - от 0 до 45°.

Напряженно-деформированное состояние строительных конструкций зависит от характеристик грунтового основания, на котором возведено здание. Однако они не могут быть определены абсолютно точно и обычно имеют достаточно большой разброс. При расчете АЭС на сейсмическое воздействие, учет которого в проекте обязателен, вариация характеристик основания оказывает существенное влияние на результат и должна приниматься во внимание. Но при ударе самолета влияние этой вариации невелико, поэтому можно принимать средние значения характеристик .

В сочетания нагрузок, действующих одновременно с ударом самолета, достаточно включать только постоянные и длительно действующие нагрузки: собственный вес, вес оборудования, нагрузки при нормальных условиях эксплуатации АЭС и т. п.

Максимальные внутренние усилия в строительных конструкциях достигаются вблизи места удара, а в остальной части здания малы. В этом состоит отличие данного воздействия от сейсмического, например, при котором внутренние усилия в различных частях здания имеют примерно одинаковый порядок величин. Такую особенность распределения внутренних усилий следует иметь в виду при разработке математических моделей рассчитываемых конструкций. Они могут быть линейно-упругими, за исключением, возможно, области, ближайшей к месту удара.

Напряженно-деформированное состояние конструкции при нагрузке, создаваемой разрушением фюзеляжа, можно найти квази статическим или динамическим методом. Квазистатический расчет производится с применением коэффициента динамичности, на который следует умножить максимальное значение динамической нагрузки, и полученную эквивалентную нагрузку приложить к конструкции как статическую. Преимущество такого расчета состоит в его относительной простоте, а также в том, что эквивалентную статическую нагрузку проще рассматривать в сочетании с другими, также статическими нагрузками. Однако этот метод не учитывает действующие на конструкцию инерционные силы, которые могут быть значительными. Кроме того, невозможно учесть тот факт, что вследствие колебаний конструкции большие усилия могут возникать не только в тех же местах, что и при статическом действии нагрузки, но и в иных.

Значительно более точным, но и более сложным является динамический расчет при задании нагрузки, зависящей от времени. Внутренние усилия в конструкции, получаемые в результате такого расчета, также зависят от времени. Поэтому для проверки ее прочности требуется найти момент времени, когда эти усилия наиболее неблагоприятны, и по ним подобрать геометрические размеры сечений и армирование. Поскольку в разных точках конструкции эти моменты времени могут не совпадать, то обычно приходится рассматривать несколько вариантов внутренних усилий. Такой анализ является достаточно трудоемким, но при ударе самолета его упрощает то, что наибольшие внутренние усилия достигаются, как правило, в «пятне удара» и вблизи него, а с удалением от него быстро убывают. Это позволяет ограничить область, в которой необходимо производить анализ усилий.

Нормы допускают при расчетах на удар самолета работу железобетонных конструкций за пределами упругих деформаций, не ограничивают ширину раскрытия трещин (при условии отсутствия опасности неконтролируемых протечек радиоактивных жидкостей и газов). Очевидно, что точно определить неупругие деформации можно только посредством нелинейного динамического расчета. При использовании квазистатического метода иногда учитывают неупругие деформации полуэмпирическим методом, вводя понижающие коэффициенты к нагрузке или повышающие - к прочностным характеристикам материалов. Но соответствующие коэффициенты сильно зависят от особенностей конструкции, и их следует использовать с осторожностью.

Для того чтобы произвести динамический расчет конструкции, особенно с учетом ее неупругой работы, необходимо располагать достаточно мощной вычислительной техникой и совершенным программным обеспечением. Для уменьшения требований к вычислительным средствам иногда «вырезают» из всей конструкции рассчитываемую часть, по контуру которой задают те или иные граничные условия (чаще всего заделку или шарнирное опирание). Но при этом надо иметь в виду, что такой прием вносит неопределенность в результаты расчета, так как они зависят и от размера «вырезанного» участка, и от принятых условий закрепления его границ. Для исключения этой неопределенности предпочтительнее все же выполнять динамический расчет здания или ударяемой конструкции в целом.

5. Особенности проектирования АЭС на экстремальные воздействия

Для обеспечения безопасности АЭС при ЭВ проектировщик может использовать либо специальные защитные устройства, либо уже имеющиеся системы, обеспечивающие безопасность при внутренних событиях. В обоих случаях проектирование должно производиться исходя из принципа единичного отказа. Этого можно достигнуть посредством дублирования систем. Имеются два основных пути обеспечения защиты АЭС от ЭВ: либо посредством специальных защитных барьеров (например, наружная железобетонная защитная оболочка реакторного отделения ), либо путем проектирования систем исходя из требования, чтобы они могли противостоять ЭВ (включая их дублирование, разнотипность и пространственное разделение).

Решение должно представлять собой баланс между требованиями безопасности, эксплуатационными требованиями и другими важными факторами. Например, можно обеспечить способность АЭС выдерживать локально действующие ЭВ (например, удар самолета) путем физического разделения дублирующих систем, что позволит предотвратить их одновременный выход из строя при падении самолета или его обломков, а также при воздействии авиационного топлива.

Так располагают дублирующие системы электроснабжения ответственных потребителей (дизель-генераторы), насосные станции ответственного водоснабжения, системы автоматики и пр. При проектировании таких отдельно стоящих сооружений ЭВ можно не учитывать.

Иногда дублирующие системы располагают в одном здании, например, в обстройке реакторного отделения, но также настолько удаляют их друг от друга, чтобы они не могли быть все одновременно разрушены ударом самолета или ВУВ. При этом можно допустить разрушение части этих систем.

Однако надо учитывать, что, например, удар самолета вызывает интенсивные колебания здания, а потому на оставшиеся не разрушенными системы будут действовать динамические инерционные нагрузки. Наконец, часть систем принципиально не может быть разделена в пространстве. В этом случае защита от ЭВ обеспечивается за счет надлежащего выбора конструктивно-компоновочных решений зданий и обеспечения прочности строительных конструкций при нагрузках, создаваемых ЭВ. Это прежде всего относится к зданию реактора, в котором располагается ядерная паропроизводящая установка (ЯППУ). По технологическим требованиям, а также для упрощения защиты от ЭВ применяется особая компоновка здания.

Здание реактора - круглое в плане и состоит из трех частей. Центральная часть - это строительные конструкции, на которых располагается реактор водо-водяного типа (ВВЭР) и технологические системы, необходимые для его эксплуатации, безопасной остановки, в том числе при максимальной проектной аварии (МПА), и для поддержания в остановленном состоянии. Внутренние конструкции окружены герметичной железобетонной предварительно напряженной защитной оболочкой. Ее предназначение - удержать внутри радиоактивные вещества в случае МПА. На АЭС типа ВВЭР в качестве МПА рассматривается разрыв первого (радиоактивного) контура. На описываемой АЭС давление под оболочкой при МПА повышается примерно до 0.4 МПа, а температура - до 100 °С. Для обеспечения герметичности оболочки предусмотрена ее внутренняя металлическая облицовка, которая продолжается внутри фундаментной плиты, создавая замкнутый контур герметизации. Предварительное напряжение бетона осуществляется с помощью заложенных в оболочку тросов, натяжение которых производится из галереи под фундаментной плитой. Герметичная оболочка в свою очередь находится внутри второй, наружной, железобетонной оболочки, назначение которой - защита внутренней оболочки и всего здания от внешних природных и техногенных воздействий. Она рассчитывается на все внешние ЭВ, в том числе ВУВ и удар самолета (нагрузки за счет разрушения фюзеляжа, обломков и воздействие авиационного топлива).

Но кроме внутренних усилий в строительных конструкциях удар самолета и ВУВ вызывают колебания здания, создающие динамические нагрузки на технологическое оборудование. Для их уменьшения три части здания разделены швами и соединены между собой только на уровне фундаментной плиты.

В результате динамическая нагрузка передается от наружной оболочки к внутренним конструкциям, на которых установлены ответственные системы, не непосредственно, а через фундамент. При жестком основании под фундаментной плитой это значительно снижает интенсивность вынужденных колебаний. Для обеспечения безопасности от воздействий, связанных с авиационным топливом, необходимо, прежде всего, предотвратить его проникание внутрь здания. Кроме того, должна быть обеспечена прочность строительных конструкций при взрыве топлива, для чего они должны быть рассчитаны на соответствующее давление. Необходимо также предусмотреть противопожарные меры, в том числе - защиту от воздействия продуктов сгорания.

Опасность с их стороны можно не учитывать только при условии, что дублирующие системы достаточно удалены друг от друга. Например, если дублирующие дизель-генераторные станции электроснабжения ответственных потребителей разнесены на достаточное расстояние, то можно не учитывать возможность попадания продуктов сгорания в вентиляцию, всасывающие трубопроводы, их коррозионное действие и пр. Но в то же время необходимо предотвратить возможность оседания сажи на контактах электрических устройств, что может привести к ложным срабатываниям аппаратуры.

Особое внимание следует уделить предотвращению отказов по общим причинам больших и разветвленных систем, таких как система охлаждения реактора, насосные станции, трубопроводные системы, связанные с главным циркуляционным контуром, и т.п. Можно использовать сочетание следующих стратегий защиты.

? Надлежащее дублирование систем. Степень дублирования следует определять исходя из принципа единичного отказа. В виде исключения от него можно отступить, если вероятность ЭВ очень мала и системы являются пассивными.

? Значительное пространственное разделение дублирующих систем. Это позволяет предотвратить как их отказ по общей причине под действием локального ЭВ (например, удар летящего тела), так и влияние отказа по внутренним причинам одной системы на остальные (например, воздействие возгорания одной кабельной трассы на дублирующие). Необходимое расстояние между дублирующими системами следует определять на основе тщательного анализа радиуса действия каждого ЭВ.

? Разнотипность дублирующих систем (например, использование в одной трубопроводной трассе клапанов с электрическим приводом, а в другой - с пневматическим). Это особенно желательно при ЭВ, которое может вызвать отказы по общей причине. Если возможно, разнотипность систем следует сочетать с их пространственным разделением.

Дополнительная безопасность обеспечивается путем принятия профилактических и административных мер (например, уменьшение количества горючих и взрывоопасных материалов на самой площадке АЭС и вблизи нее; запрещение провоза рядом с нею взрывоопасных и токсичных материалов и т.п.). При этом эффективность административных мер сильно зависит от строгости их выполнения. В частности, необходимо гарантировать, что они останутся в силе при смене администрации.

Для обеспечения безопасности следует также предусмотреть:

? гарантированную возможность попадания после ЭВ на главный щит управления АЭС, а также во все помещения и к оборудованию, которые необходимы для управления станцией;

? АЭС должна быть спроектирована так, чтобы в результате ЭВ она не получила повреждений, которые делают невозможным контроль ее безопасности;

? относительно систем, отнесенных к ЭВ-4, следует принять допущение, что во время ЭВ они функционируют или отключены, что более неблагоприятно для защиты АЭС.

При проектировании защиты от ЭВ следует, по возможности, стремиться к тому, чтобы она в минимальной степени усложняла работу АЭС при прочих событиях, включенных в проектные основы. Например, защитные барьеры могут затруднять доступ для инспекции и обслуживания систем; рассредоточение систем по территории может потребовать увеличения численности персонала, необходимого для их инспектирования и обследования, удлинения трубопроводных и кабельных трасс, вентиляционных каналов и т.п. Защита от ЭВ должна быть выполнена с некоторым запасом, чтобы АЭС не оказалась чувствительной к отклонениям от сценария развития ЭВ. Надо гарантировать, что небольшие изменения этого сценария не вызовут недопустимых резких отклонений параметров работы станции (эффект «обвала»).

6. Динамический расчет железобетонной защитной оболочки на удар самолета

В качестве примера приведем результаты расчетов на удар самолета наружной защитной оболочки реакторного корпуса АЭС с водо-водяным энергетическим реактором ВВЭР-1000, компоновка которого была изображена на рисунке в прошлой главе.

Предполагается удар большого коммерческого самолета Boeing 474-400.

Оболочка состоит из цилиндрической части и полусферического купола . Наружный диаметр цилиндрической части равен 54.4 м, отметка линии ее сопряжения со сферической +40.6, отметка верха сферической части +67.4. Толщина оболочки была задана на основе опыта ранее выполненных проектов и составляет в цилиндрической части 2.2 м, а в купольной ? 1.8 м.

Расчеты выполнялись с использованием комплекса вычислительных программ MSC/PATRAN и MSC/NASTRAN, разработанных фирмой The MacNeal?Schwendler Corp. Первая является многопрофильной коммерческой программой, с помощью которой создаются конечно-элементные модели для выполнения различных видов расчетов. Она также дает возможность интерпретировать результаты численного анализа. Конечным результатом препроцессорной стадии расчета являются исходные файлы для расчета по второй программе, т. е. MSC/NASTRAN. Это коммерческая программа общего назначения, позволяющая вычислять по методу

1. Проверка прочности по нормам России. Расчет произведен по нормам , так как работа выполнялась до выхода новых норм, но это не изменяет характер выводов. Согласно нормам, для определения необходимого количества арматуры выполняется следующий комплекс проверок железобетонной конструкции:

а) расчет на действие изгибающих моментов и продольных сил для обеспечения прочности по нормальному сечению;

б) расчет по наклонным сечениям на действие поперечной силы для обеспечения прочности по наклонной трещине, который производится по наиболее опасному наклонному сечению;

в) расчет на продавливание.

Первые две проверки выполняются на действие внутренних усилий (изгибающих моментов и продольных сил) независимо в двух ортогональных плоскостях (для наружной оболочки - в кольцевом и меридиональном направлениях). Таким образом, нормы не учитывают сложное напряженное состояние элементов пространственной конструкции.

Необходимое количество арматуры в наиболее нагруженном элементе (центре пятна удара), полученное по нормам , приведено в таблице Поскольку удар может быть нанесен в любую точку, такое же армирование следует принять для всей цилиндрической части оболочки. Результаты расчета будут обсуждены далее.

2. Проверка прочности по теории Карпенко. Теория, разработанная Н. И. Карпенко и другими, описывает деформирование железобетона с трещинами с учетом двухосного напряженного состояния конструкции. Суть метода состоит в том. Прочность строительных конструкций ним усилиям, действующим в ортогональных плоскостях, находят площадки главных изгибающих моментов, по которым начинается трещинообразование. После этого определяется необходимое количество арматуры с учетом расположения трещин. Результат такого расчета для защитной оболочки приведен в таблице. Поперечное армирование по теории Карпенко не определяется и задано таким же, как по российским нормам.

3. Проверка прочности оболочки по Еврокоду. Методология проверки прочности железобетонных конструкций, заложенная в Еврокоде , существенно отличается от российских норм .

Отметим только, что, как и в методе Карпенко, учитывается двухосное напряженное состояние конструкции. Имеются также особенности при проверке прочности на продавливание. Ниже приведен процент армирования, полученный по этим нормам.

7. Учет неупругих деформаций конструкцийпри ударе самолета

Согласно нормам, при ударе самолета допускается появление в строительных конструкциях неупругих деформаций, если это не приводит к утечкам радиоактивных веществ. Такой подход позволяет снизить материалоемкость конструкций.

Кроме этого, в настоящее время работает много АЭС, которые проектировались либо вообще без учета удара самолета, либо, в связи с ужесточением требований к безопасности, надо учесть более тяжелый удар. В этом случае необходимо мобилизовать все ресурсы прочности конструкций, включая их неупругие деформации.

В принципе сегодня имеются вычислительные программы, позволяющие произвести расчет железобетонной конструкции за пределами упругих деформаций. Но, не говоря уже о сложности такого анализа, на практике при его выполнении возникают проблемы с заданием характеристик материалов и критериев отказа конструкций. Это вопрос обсуждался в разд. Более просто и ближе к требованиям строительных норм можно выполнить неупругий расчет с использованием расчетных схем с шарнирами пластичности. В этом случае анализ распадается на два этапа: сначала обычный линейный конечно-элементный динамический расчет; затем, после достижения внутренними усилиями в конструкции предельных величин, определение неупругих перемещений по схеме с шарнирами пластичности. Критерий отказа конструкции - превышение допускаемой величины неупругих перемещений. Посредством неупругого расчета можно также выполнить анализ последовательного пробивания самолетом нескольких строительных конструкций. Такая проблема актуальна в том случае, когда помещения, содержащие радиоактивные среды, находятся внутри неответственного здания, т.е. защищены снаружи строительными конструкциями, которые могут быть разрушены самолетом. Пример такого здания показан на рисунке. Предполагается удар самолета Lear Jet-23. Внутренние помещения, где находятся радиоактивные материалы, на рисунке затенены. По условиям защиты от радиационного излучения ограждающие их («ответственные») стены и перекрытия имеют толщину 600 мм и должны оставаться в пределах упругости. Снаружи они защищены неответственными строительными конструкциями, которые могут быть разрушены самолетом.

Например, при ударе самолета со стороны ряда И одна из ответственных стен, а именно стена № 3 защищена двумя неответственными стенами толщиной по 300 мм - №1 и 2. Материал всех стен - бетон В25, армирование стен симметричное.

Обеспечить безопасность ответственной стены № 3 можно различными способами.

Способ 1 - спроектировать стену № 1 таким образом, чтобы самолет не пробил ее. Для этого придется увеличить ее толщину до 600 мм. Здесь возможны два варианта:

а) стена № 1 при ударе сохраняет упругость. В этом случае ее расчет можно выполнить динамическим методом на нагрузку или квазистатическим с использованием коэффициента динамичности .

б) в соответствии с нормами в стене № 1 допускаются неупругие деформации. Неупругий расчет можно выполнить, задав нагрузку. В этом случае армирование стены, требуемое для сохранения прочности, почти в три раза меньше, чем при сохранении упругости .

Способ 2 - допустить последовательное пробивание самолетом стен № 1 и 2, за счет чего погасить его энергию настолько, чтобы стена № 3 при ударе осталась упругой. В этом случае толщины стен увеличивать не требуется. При ударе самолета в стену № 1 его скорость равна 100 м/с, а после ее пробивания падает до 73 м/с; при этом разрушаются передние 4.15 м фюзеляжа. После пробивания стены № 2 скорость уменьшается до 41.5 м/с, и разрушены 4.22 м фюзеляжа. При ударе в стену № 3 разрушится еще 3.30 м фюзеляжа; деформация арматуры в стене останется в пределах упругости. При использовании этого способа защиты (см. табл. 16.2) толщины стен увеличивать не надо, а суммарное количество арматуры в них меньше, чем необходимо было бы поставить в стену № 1 при сохранении ею упругости.

Заключение

Сегодня проверку прочности строительных конструкций при ударе самолета обычно выполняют «по наихудшему варианту»: задают нагрузку, близкую к максимально возможной, и прикладывают ее в самой неблагоприятной точке по нормали к конструкции.

Такой подход приводит к сильному преувеличению опасности удара самолета. Методика вероятностного анализа при падении самолета, описанная в настоящей главе, дает возможность учесть важнейшие случайные факторы этого воздействия: тип, скорость и массу самолета, определяющие нагрузку на строительную конструкцию, а также место и угол соударения с нею. Это позволяет значительно снизить расчетные нагрузки.

Вероятностный анализ АЭС при ударе самолета произведен расчет защитной оболочки на нагрузку при ударе самолета, которая более чем в девять раз превысила ту, на которую изначально была рассчитана оболочка.

Тем не менее вероятность отказа последней лишь ненамного превосходит допускаемую вероятность наступления неприемлемых радиологических последствий при работе АЭС, установленную российскими нормами. При этом надо иметь в виду, что отказ защитной оболочки еще не означает наступления таких последствий. Для оценки их вероятности необходимо продолжить анализ и оценить вероятность отказа оборудования и трубопроводов.

Вероятность удара самолета в сооружение снижается с уменьшением размеров последнего. Описанная методика показывает, что чем меньше сооружение, тем меньше может быть задана расчетная нагрузка, при которой будет гарантировано непревышение требуемой вероятности его отказа.

Полная вероятность отказа строительной конструкции равна произведению вероятности попадания в нее самолета и условной вероятности отказа при этом ударе. Поэтому для небольшой по размерам конструкции, вероятность попадания в которую мала, такую же полную вероятность ее отказа можно получить, увеличив условную вероятность, т.е. уменьшив расчетную нагрузку на конструкцию.

Даже если вероятность падения самолёта на АЭС мала, последствия этого катастрофичны. Авария на АЭС по своим последствиям, в первую очередь по долговременности негативного воздействия и по площади территории, где это воздействие может проявиться, несравнима с аварией, вызванной падением самолёта на газовую или угольную электростанцию. Именно поэтому для них нет требований иметь защиту от падения самолёта, а для АЭС такое требование быть должно.

Список используемой литературы

1. Нагрузки на строительные конструкции при ударах разрушающихся летящих тел / А.Н. Бирбраер, И.А. Волкодав // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений.- 2008.

2. Оценка прочности строительных конструкций АЭС при ударах разрушающихся тел / А.Н. Бирбраер, И.А. Волкодав // Научно-технические ведомости СПбГПУ.- 2009.

3. Последовательное пробивание системы преград самолётом / А.Н. Бирбраер, И.А. Волкодав // XXXVI Неделя науки СПбГПУ: Материалы Всероссийской межвузовской научной конференции студентов и аспирантов. Ч. I. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2007 .

4. Экстримальные воздействия на сооружения./ А.Н. Бирбраер А.Ю. Роллидер// СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2009.

5. Eurocode 4: Конструкции железобетонные комбинированные. Расчёт параметров и конструктивные особенности (комплект гармонизированных европейских стандартов для расчета несущих конструкций строительных сооружений и защиты конструкций от воздействия огня)

Размещено на Allbest.ru