The influence of site heterogeneity on the seismic response of nuclear power plant structures

Abstract

Yapıların deprem yükü altındaki güvenliğini sağlamak ve sismik tepkisini değerlendirmek için yerel zemin koşullarının yer hareketi üzerindeki etkisi belirlenmelidir. Yapıların sismik tepkisi hesaplanırken yerel zemin koşulları ve yapı ile zemininin etkileşimini dikkate alan birçok değişken tanımlanmalıdır. Deprem yükleri altında yapı-temel sisteminin ve bu sistemin bir parçası olan zeminin eşzamanlı davranışını bilmek gerekir.Yapıların büyük bir çoğunluğu, yapının temel seviyesinde zemin yüzeyine ankastre olduğu varsayılarak tasarlanmıştır. Uzun yıllar boyunca, bu uygulamanın sismik tasarım açısından oldukça muhafazakâr olduğu kabul edilmiştir. Ancak, yerel zemin özellikleri, tasarım aşamasında yapı içi tepki spektrumlarının belirlenmesinde veya deprem yüklerinin hesaplanmasında, bunun yanı sıra, sıvılaşma analizlerinin gerçekleştirilmesinde veya istinat yapılarında, mühendislik dolgularında ve şevlerde depremden kaynaklı olarak meydana gelen yüklerin belirlenmesinde doğrudan etkilidir. Yer hareketinin zemin ortamı içerisinde yayıldığı ve zemin ortamının dinamik özelliklerinin yapı davranışını etkilediği çok açık bir şekilde ortadadır. Bu nedenle, zemin ve yapı arasındaki etkileşimin bu tür hesaplamalarda dikkate alınması gerekmektedir.Yapı zemin etkileşimi olgusu, şimdiye dek, özellikle nükleer santraller için kapsamlı bir şekilde çalışılagelmiştir. Genel anlamda nükleer santraller doğal gaz kombine çevrim santrali veya fosil yakıt kullanan diğer herhangi bir termik santral gibi elektrik üreten termik santrallerdir. Atom çekirdeğinin parçalanması işlemi sırasında ortaya çıkan nükleer fisyon enerjisinden ısı üreteci olarak faydalanılır. Sızdırmaz özellikteki kapalı ortamda gerçekleşen bu fisyon işlemi sırasında üretilen ısı suyu buhara dönüştürür. Kaynar sudan çıkan buhar türbinleri çevirir ve jeneratörler elektrik üretir.Nükleer santral projelerinde her şeyden önce nükleer reaktör güvenliğine en yüksek öncelik verilmelidir. Nükleer tesislerin inşaatı ve işletilmesi düzenleyici otoriteler tarafından sıkı bir şekilde kontrol edilmekte ve ilgili mevzuata ilişkin düzenlemeler yapılmaktadır. Ancak bununla beraber, nükleer santrallerde, diğer herhangi bir tesiste de olabileceği gibi, milyonda bir bile olsa da her zaman kaza olasılığı vardır. Herhangi bir nükleer kaza, bu nükleer tesislerin yakın çevresinde yaşayan halkın sağlığını etkileyebilir. Bu kazalar, halkın ve çevrenin güvenliğini etkileyebilecek şekilde tehlikeli düzeyde radyasyona maruz kalmasına sebep olabilir. Bu tezde analiz konusu olan yapı, nükleer santral tasarımlarında en önemli yapı olarak tanımlanan ve bir korunak yapısına sahip bir nükleer reaktör binasıdır. Söz konusu tanımlamanın binaya atfedilmesinin nedeni, yapının en kritik bileşenleri barındırmasıdır. Bu nedenle, nükleer reaktörlerin nükleer güvenlik hedeflerine ulaşmak için yapı altındaki zemin ortamının davranışını saptayabilmek epey önem arz etmektedir.Yapı-zemin etkileşimi, zeminin sismik etkiler altındaki tepkisi, sismik dalga hareketi, zemin mekaniği, jeoloji mühendisliği, yapı mekaniği ve yapı dinamiği gibi konuları içeren karmaşık bir husustur. Bu konuda, zemin davranışı, yapı davranışı ve zemin ortamındaki sismik dalga yayılımı gibi birçok değişken unsuru dikkate almak gerekir. Ayrıca, yapıların altında bulunan zemin heterojen özellikler gösteriyorsa, bu tür yapı-zemin sistemlerinin modellenmesi oldukça zordur.Yapı-zemin etkileşimi konularındaki mühendislik uygulamaları ve bunun nükleer güvenliğe etkileri birçok düzenleyici mevzuat, standart ve kılavuzda ele alınmaktadır. Düzenleyici gerek dokümanları, karşılanması gereken hususlar anlamında bir çerçeve belirler. Bu bağlamda, konu özelinde, ülkelerarası mutabakat olarak Uluslararası Atom Enerjisi Ajansının güvenlik standartları ve kılavuzlarının yanı sıra uzun yıllardır Amerika Birleşik Devletinde kullanılagelen standart ve kılavuzlar oldukça yaygın bir şekilde kullanılmaktadır.Bu çalışmada, tipik bir nükleer reaktör binasının oturduğu zeminin heterojen özellikler göstermesi durumunda bunun etkileri ve bu etkilerin üst yapıya ve ekipmanlara ne şekilde aktarıldığı hususu araştırılmıştır. Bu kapsamda, zemin tepki analizleri ve yapı-zemin etkileşimi analizleri yürütülmüş, bu analizlerin sonucunda çıkan kat tepki spektrumları yorumlanarak zemin heterojenitesinin üst yapının ve ekipmanların dinamik davranışına etkisi tartışılmıştır. Tezin ilk bölümünde, nükleer santral kavramının daha iyi anlaşılması için nükleer santral yapımının kısa bir tarihçesi ve daha sonra nükleer santrallerde güvenlik kavramı ve güvenlik hedefleri irdelenmiştir.İkinci bölümde, zemin tepki analizi ve bu tür analizlerde kullanılan en yaygın yöntemler ile dinamik yapı-zemin etkileşimi analizi ve bu analizlerde kullanılan çözüm yöntemleri hakkında akademik literatür bilgisi sunulmuştur. Ayrıca, yapı-zemin etkileşimi analizi konusunda nükleer endüstride kullanılan zorunlu mevzuatla birlikte daha detaylı bilgi içeren kılavuzlar hakkında bilgi verilmiştir.Bu konuda yürütülmüş geçmiş çalışmaları ve analiz yöntemlerini özetleyen literatür taramasının ardından, üçüncü bölümde, zemin modelleme parametrelerinin belirlenmesi ve bunların değişimi ile ilgili bilgiler verilmiştir. Ek olarak, zemin tepki analizlerinde doğrusal olmama durumunu hesaba katan dinamik zemin kayma modülü ve sönüm oranı azalım eğrileri üçüncü bölümde sunulmuştur.Daha sonra, zemin tepki analizi ile ilgili işlem adımlarında izlenen prosedür dördüncü bölümde anlatılmıştır. İlk olarak, sismik girdi hareketinin belirlenmesi konusunda ilgili standartlarda ve kılavuzlarda tanımlanan prosedürler izlenerek oluşturulan sismik girdi hareketi hakkında bilgi verilmiştir. Bunu takiben, zemin tepki analizi yapılmış ve farklı koşulları dikkate alan zemin tepki analizlerine ilişkin sonuçlar paylaşılmıştır.Tezin beşinci bölümünde, derin eğimli tabakalaşmaya bağlı olarak heterojenliğin etkileri, DEEPSOIL yazılımı kullanılarak yapılan bir boyutlu eşdeğer doğrusal analizler ve PLAXIS 2D yazılımı ile gerçekleştirilen iki boyutlu zemin tepki analizlerinin karşılaştırılması yoluyla incelenmiştir.Altıncı bölümde ilk olarak, seçilen tipik reaktör yapısının üç boyutlu modeli ve üst yapının dinamik özelliklerine dair bilgiler sunulmuştur. Sonrasında, yapı-zemin etkileşimi analizlerinde en çok kullanılan ve nükleer alanda endüstri standardı olarak kabul edilen SASSI metodolojisinden faydalanan ACS SASSI yazılımı kullanılarak yapılan yapı-zemin etkileşimi analizlerine dâhil edilen zemin modeli ve sismik girdi hareketine ilişkin detaylar verilmiştir.Bu tez çalışmasındaki nükleer santral yapısının dinamik davranışı, heterojen zemin koşullarının etkisiyle birlikte bir deprem girdi hareketi altında incelenmiştir. Bu bağlamda, zemin parametreleri ve bunların yanal ve dikey yönlerdeki farklılıkları dikkate alınmakta ve zemin heterojenitesi etkilerinin üst yapıya aktarılması hususuna odaklanılmıştır. Temel altındaki zemin tabakaları, zemin profilinin ortaya çıkarılması aşamasındaki belirsizlikleri de dikkate alacak şekilde ilgili parametrelerle birlikte tanımlanmıştır. Buna göre, zemin tepki analizleri gerçekleştirilmiştir. Zemin tepki analizi sonucunda elde edilmiş olan dinamik zemin parametreleri ve sismik girdi hareketi, Uluslararası Atom Enerjisi Ajansı güvenlik kılavuzları ve Amerika Birleşik Devletleri standartlarına ve kılavuzlarına uygun bir biçimde yapı-zemin etkileşimi analizlerine dâhil edilmiştir.Sonuçlar bölümünde, her bir zemin profilinin üst yapı içerisinde belirlenmiş bölgelerdeki etkileri yapı içi tepki spektrumlarını içeren grafikler aracılığıyla mercek altına alınmıştır. Bu bilgiler ışığında, zemin parametrelerinden kaynaklanan sonuçlar ve bunların SASSI çıktıları üzerindeki etkileri tartışılmıştır.Burada, en yüksek yer ivmelerinin temel genişliği boyunca gözle görülür bir şekilde değişmediği, varılan sonuçlardan biridir. Ancak, en yüksek spektral ivmelerin kuzey-güney doğrultusu boyunca değişime uğradığı gözlemlenmiştir.Zemin katmanlarının empedanslarının derinlikle birlikte değişiminin yapıda önemli ölçüde dinamik davranış değişikliğine yol açtığı görülmüştür. Ayrıca, heterojen özellik gösteren zemin profillerinin temelin dinamik davranışını büyük ölçüde etkilediği sonucu da eklenebilir. Fakat, bu etkinin üst yapıda, yukarıdaki kotlara çıkıldıkça azaldığı görülmüştür.Son olarak, belirsizlikleri dikkate alan ortalama, alt sınır ve üst sınır zemin profillerinin, heterojen nitelikteki zeminleri tam olarak temsil etmediği görülmüştür. Bu sebeple, daha isabetli sonuçlara ulaşabilmek için her daim zemin araştırmalarının kalitesinin artırılması doğal olarak gerekmekle beraber, analiz yaklaşımı olarak da olasılıksal yapı-zemin etkileşimi analizinin kullanılması önerilmektedir.

In order to ensure the safety of structures under earthquake loads and to evaluate theseismic response of the structures, the effect of local soil conditions on ground motionsshould be determined. The seismic response of structures considering the local site andsoil-structure interaction effects, many variables are to be defined. It is necessary toknow the simultaneous behavior of structure-foundation system and the soil, which isa part of this system, under earthquake loads.The majority of civil engineering structures are designed assuming that the structureis fixed to the ground surface at the foundation level. For many years, this practice hasbeen assumed conservative in terms of seismic design. However, local soil propertiesare directly influential at the design stage in determining the in-structure responsespectra or in the calculation of earthquake loads, and also in the conduct of liquefactionanalyses, or in the determination of earthquake-based loads for the design of groundstructures such as retaining structures, engineering fills and slopes. It is a fact that theground motion propagates through the soil media and the dynamic properties of soilmedium have effects on the structures behavior. Therefore, the interaction betweensoil and structure should be taken into account.The phenomenon of soil-structure interaction has been studied extensively, especiallyfor nuclear power plants. The highest priority has to be given to nuclear reactor safetyin nuclear power plant projects. The construction and operation of nuclear installationsare strictly controlled and regulated by the regulatory authorities. Even if one in amillion, always there is possibility of accident. An accident could result in dangerouslevels of radiation that could affect the health and safety of the public living near thesenuclear installations. The structure, which is the subject of analysis in this thesis, is anuclear reactor building with containment structure that is identified as the mostimportant structure in nuclear power plant designs. The reason why this kind ofidentification is given to that building is because that structure houses the most criticalcomponents. Thus, it is very important to understand the behavior of the subsurfacemedia in order to achieve the safety goals of nuclear reactors.Soil-structure interaction is a sophisticated issue that includes topics such as seismicfield response, seismic wave motion, ground mechanics, geology, building mechanicsand structural dynamics. In this subject, it is necessary to consider multi-variableelements such as soil behavior, structure behavior, and seismic wave propagation inthe soil media. Moreover, if the ground environment below the structures showsheterogeneous features, it is very difficult to find a solution for modeling of that kindof systems.In this thesis, the dynamic behavior of a nuclear power plant structure is investigatedunder an earthquake input motion with the influence of heterogeneous soil conditions.Within this context, site parameters and their variations in lateral and vertical directions are taken into account and transfer of the site heterogeneity effects to thesuper-structure is studied. The soil layers beneath the foundation are defined withrelated parameters taking into account the uncertainties of the soil profile. In thisscope, strain dependent modulus degradation and damping curves are used to take intoaccount the nonlinearity in the soil response analyses performed using DEEPSOIL andPLAXIS software for a variety of soil profiles. Accordingly, soil model with dynamichigh-strain properties and foundation input motion that are incorporated into the soil-structureinteraction analyses performed using ACS SASSI software based on theInternational Atomic Energy Agency safety guides and U.S. standards and guidelines.The results are given as graphs that includes in-structure-response-spectra consideringthe effects of each soil profile in certain points of super-structure. Hence, the dynamicseismic response of the structure originating from the soil parameters and theirinfluence on the outputs of the soil-structure interaction analyses are discussed overthose graphs.It is concluded that peak ground accelerations are not varying noticeably along thewidth of the foundation. But, the peak spectral accelerations are varying along withthe north-south direction.The change of the soil layers impedances in-depth influence the dynamic response ofthe structure remarkably. And also, it can be added that characteristic of soil profilewhich is identified as heterogeneous, considerably affects the foundation's dynamicresponse. Somehow, in the upper structure at the higher elevations, it is seen that thiseffect decreases.Conclusively, it is observed that uncertainties taking into account the best estimate,upper bound and lower bound profiles does not accurately represent the subsurfacesoil that shows heterogeneous features. Hence, probabilistic soil-structure interactionapproach is suggested to use in order to have more accurate results.