Original title:
Stanovení metodiky analýzy seismické odezvy potrubních soustav s viskózními tlumiči
Translated title:
Formulation the Methodology for Analysis the Seismic Response of the Piping Systems with Viscose Dampers
Authors:
Chlud, Michal ; Salajka, Vlastislav (referee) ; Kanický, Viktor (referee) ; Malenovský, Eduard (advisor) Document type: Doctoral theses
Year:
2015
Language:
cze Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství Abstract:
[cze][eng]
Viskózní tlumiče jsou široce používány k zajištění seizmické odolnosti potrubí a zařízení v jaderných elektrárnách. Tlumící vlastnosti těchto tlumičů jsou nelineárně frekvenčně závislé, což způsobuje komplikace při jejich výpočtovém modelování. Inženýrská praxe se s frekvenční závislostí tlumičů vyrovnává nejčastěji dvěma způsoby: První možností je zjednodušeně popsat nelineární chování tlumiče pomocí lineární pružiny (někdy nazývanou pseudotuhostí) a následně pomocí metod spekter odezvy zjistit seizmickou odezvu řešeného systému. Zejména u komplikovaných konstrukcí, jakými jsou např. hlavní cirkulační potrubí, je korektní linearizace charakteristik tlumiče velice obtížná a často se spíše jedná o inženýrský odhad. Do výpočtu se tak mohou vnést nepřesnosti, které mohou vést k chybnému výpočtu odezvy na seizmické buzení. Výhodou tohoto přístupu je zejména relativně snadné a dostatečně rychlé stanovení seizmické odezvy. Druhá možnost spočívá v popisu nelineárních vlastností tlumiče jeho rheologickým modelem a ve stanovení seizmické odezvy metodou přímé integrace pohybových rovnic v čase. Metoda přímé integrace pohybových rovnic vyžaduje vstupní buzení ve formě závislosti kinematické veličiny na čase (nejčastěji zrychlení). Samotný výpočet přímou integrací pohybových rovnic je ve srovnání s metodou spekter odezvy značně náročnější. Obtížné je i zpracování odezvy ve formě časové závislosti. Na druhou stranu je chování tlumičů popsáno výrazně přesněji. Cílem práce je vytvořit takový postup, který by vhodně zkombinoval v současnosti používaná řešení a umožnil tak stanovit seizmickou odezvu komplikovaných potrubních soustav s viskózními tlumiči s přijatelnou přesností a přitom v efektivním časovém rámci. Vytvořený postup je následující: Nejprve se vypracuje matematický model potrubní soustavy ve specializovaném programu pro výpočet potrubí (AutoPIPE), který se pomocí připraveného rozhraní převede do obecného konečnoprvkového programu (ANSYS). Viskózní tlumiče se zde popíší rheologickým modelem a pomocí přímé integrace pohybových rovnic se vyřeší odezva na seizmické buzení zadané akcelerogramy (nezbytné pro řešení jsou pouze reakce a posuvy v uzlech představující tlumiče). Z vypočtených výsledků reakcí a posuvů se pomocí statistického rozboru určí tuhosti pružinových náhrad tlumičů a tím se úloha linearizuje. Následuje řešení metodou spekter odezvy ve specializovaném programu pro výpočty potrubí (AutoPIPE), ve kterém se provede i kombinace výsledků statické a dynamické odezvy. K vyhodnocení výsledků a posouzení podle pevnostních norem se využije předzpracovaných knihoven, které jsou obsaženy ve specializovaném potrubním softwaru. Vytvořený postup je aplikován na komplikovaných potrubních soustavách jaderných elektráren typu VVER 440 MW a VVER 1000 MW, konkrétně na bezpečnostně významných potrubních trasách jako jsou hlavní cirkulační potrubí a potrubí kompenzace objemu.
Viscous dampers are widely used to ensure seismic resistance of pipelines and equipment in nuclear power plants. Damping characteristics of these dampers are nonlinearly frequency dependent and thus causing complications in computational modelling of seismic response. Engineers commonly use two ways to deal with this nonlinearity: The first option is to consider damper by means of “snubber”. This is essentially linear spring element that is active for dynamic load and does not resist static loads. Snubber behaviour during seismic event is described by a equivalent stiffness (sometimes called pseudostiffness). The equivalent stiffness could be defined by the iterative calculations of piping natural frequencies and mode shapes taking into account seismic excitation. However, in complicated structures such as the main circulation loop of nuclear power plant the iterative calculation is difficult and could bring significant inaccuracies. On the other hand, the benefit of such modelling is a possibility to apply the commonly used linear response spectrum method for a solution. The second option is to describe damping characteristics using suitable rheological model. The seismic response is than determined by direct integration of the equations of motion. The behaviour of dampers is described exactly enough but the calculation and post-processing, especially nodal stresses time-histories, are time consuming. The goal of this work was to find a methodology for determining the seismic response of complex pipe systems with viscous dampers. Methodology allows a sufficiently accurate determination of the seismic response of piping systems and also allows obtaining of the results in effective time. The procedure is as follows. Firstly, specialized piping program (AutoPIPE) is used for the development of computational model. Next step is to determine a static response of structure and its verification with experimental measurements, if possible. Using script in Python language a computational model is converted from AutoPIPE into general finite element model in ANSYS system. Four-parameter Maxwell rheological model is used to describe behaviour of viscous dampers. Seismic load is represented by synthetic accelerograms. Newmark algorithm of direct integration of the equation of motion is used to obtain seismic response (only reactions and displacements in nodes of interest are necessary). Than is the equivalent stiffness is than gained from displacements and reactions as median value of their ratios. Received stiffness are subsequently transferred to AutoPIPE program where the seismic solution is performed using response spectra method. Finally, the dynamic response is combined with the static response and stress assessment according standards is done. The created methodology was applied in the seismic resistance calculation of the main circulation piping and piping of pressurizer in nuclear power plants type VVER 440 and type VVER 1000.
Keywords:
nuclear power plant; piping systems; seismic response; viscous damper; jaderná elektrárna; potrubní soustava; seizmická odezva; viskózní tlumič
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: http://hdl.handle.net/11012/51263
guest ::
