[論文レビュー] Dynamic Structure-Soil-Structure Interaction for Nuclear Power Plants

Konstantinos Kanellopoulos, Peter Rangelow+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2023

Structural Response to Dynamic Loads被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、リアル・ESSIシミュレータを用いた高精度な3次元有限要素モデルを用いて、原子力発電所における動的構造-土壌-構造相互作用（SSSI）を調査した。非線形な土壌および界面挙動が、有害な回転結合を有益な逆位相水平相互作用に変えることが明らかになった。これにより、補助建物の共振周波数付近では、重要な原子炉部材のスペクトル加速度が最大55％まで低減される。

ABSTRACT

The paper explores the linear and nonlinear dynamic interaction between the reactor and the auxiliary buildings of a Nuclear Power Plant, aiming to evaluate the effect of the auxiliary building on the seismic response of crucial components inside the reactor building. Based on realistic geometrical assumptions, high-fidelity 3D finite element (FE) models of increasing sophistication are created in the Real-ESSI Simulator. Starting with elastic soil conditions and assuming tied soil-foundation interfaces, it is shown that the rocking vibration mode of the soil-reactor building system is amplified by the presence of the auxiliary building through a detrimental out-of-phase rotational interaction mechanism. Adding nonlinear interfaces, which allow for soil foundation detachment during seismic shaking, introduces higher excitation frequencies (above 10 Hz) in the foundation of the reactor building, leading to amplification effects in the resonant vibration response of the biological shield wall inside the reactor building. A small amount of sliding at the soil-foundation interface of the auxiliary building slightly decreases its response, thus reducing its aforementioned negative effects on the reactor building. When soil nonlinearity is accounted for, the rocking vibration mode of the soil-reactor building system almost vanishes, thanks to the strongly nonlinear response of the underlying soil. This leads to a beneficial out-of-phase horizontal interaction mechanism between the two buildings, reducing the spectral accelerations at critical points inside the reactor building by up to 55% for frequencies close to the resonant one of the auxiliary building. This implies that the neighboring buildings could offer mutual seismic protection to each other, in a similar way to the recently emerged seismic resonant metamaterials, provided that they are properly tuned during the design phase.

研究の動機と目的

• 動的SSSIを介した補助建物の原子炉建屋への地震応答への影響を評価すること。
• 原子力発電所におけるSSSIメカニズムに及ぼす土壌および界面の非線形性の影響を評価すること。
• 隣接する構造物が、共鳴型メタマテリアルに類似した相互地震的保護を提供できるかどうかを調査すること。
• 現実的な土壌プロファイルと非線形界面を備えた高精度な3次元有限要素モデルの構築および適用すること。

提案手法

• 原子炉建屋および補助建屋の高精度な3次元有限要素モデルを、リアル・ESSIシミュレータを用いて開発した。
• 土壌領域へのSH波加速度波形の注入に、ドメイン還元法（DRM）を採用した。
• 粘土の繰り返し弾塑性挙動を模擬するための循環弾塑性の構成則を用いて、弾性および非線形土壌挙動をモデル化した。
• 接合部および非線形土壌-基礎界面を模擬し、ギャップ発生および限界的なすべりを含めた。
• 段階的に複雑化したモデルを解析した：まず弾性土壌と接合界面、次に非線形界面、最後に非線形土壌と非線形界面を組み合わせたモデル。
• 周波数範囲にわたる原子炉建屋の重要な点におけるスペクトル加速度を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 補助建屋の存在が、SSSIを介して原子炉建屋の地震応答にどのように影響を与えるか？
• RQ2 土壌および界面の非線形性が、隣接する原子力発電所建屋間の動的相互作用メカニズムをどのように変化させるか？
• RQ3 隣接構造間のSSSIが、共鳴型メタマテリアルに類似した有益な地震的保護をもたらすことができるか？
• RQ4 非線形界面が、原子炉建屋の基礎における高周波数励起の発展にどのように影響を与えるか？
• RQ5 隣接建屋の動的特性をどの程度調整すれば、重要な部材への地震要求を低減できるか？

主な発見

• 土壌および界面が弾性で接合されている場合、補助建屋の存在により、原子炉建屋のスペクトル加速度が有害な逆位相回転相互作用メカニズムによって増幅される。
• 非線形界面は、原子炉建屋の基礎に10 Hz以上の高周波数励起を引き起こし、生物遮蔽壁および原子炉容器の共振応答を増大させる。
• 補助建屋の界面での限界的なすべりは、その応答をわずかに低減させ、結果として原子炉建屋への悪影響を軽減する。
• 非線形土壌挙動は、原子炉建屋の rocking モードを抑制し、有益な逆位相水平相互作用メカニズムに変化させる。
• 補助建屋の共振周波数付近では、原子炉部材の重要な点（例：円筒壁および原子炉容器）におけるスペクトル加速度が、この有利な動的相互作用により最大55％まで低減される。
• 結果から、適切に調整された場合、SSSIは相互の地震的保護を提供可能であることが示され、地震帯における耐性のある建物群や「メタシティ」の設計に応用可能である可能性が示唆される。