ingegneria e architettura 1 2 - Studio Archimede€¦ · - analisi di dettaglio e verica degli elementi strutturali (top cover); - aggiornamento del modello a seguito di modiche apportate

descrizione generaleNell’ambito delle opere strutturali relative dell’ impianto nucleare di ultima generazio-ne (Generation III+) AP1000 (Advanced Passive Plant) sviluppato da Westinghouse Electric Company Llc in collaborazione con Ansaldo Nucleare (gruppo Finmeccanica), è stata condotta la progettazione preliminare ed esecutiva di complesse strutture in acciaio. Gli elementi progettati sono:- strutture complesse in carpenteria metallica costituenti gli impalcati dell’impianto delimitante del reattore;- moduli meccanici complessi costituiti da elementi in carpenteria metallica del tipo strutture a grigliato spaziali;- moduli meccanici costituiti da elementi in carpenteria metallica del tipo strutture a lastra;- supporti Pipeline.

Descrizione dell’impiantoL’impianto è dotato di reattori (1100 MW) ad acqua in pressione PWR (Pressurized Water Reactor) e di sistemi di sicurezza “passivi”, che garantiscono, in caso di neces-sità, l’arresto e la refrigerazione del reattore stesso in condizioni di sicurezza anche in assenza di alimentazione elettrica e di operatori.La tipologia AP1000 è utilizzata nei quattro impianti previsti in Cina nei siti di Sanmen (Zhejiang), cui costruzione è iniziata nel 2008 e Haiyang(Shandong).

progettoAP1000 China-Support and Modules stress analysis

committenteAnsaldo Nucleare S.p.A.

anno di riferimento2008-2011

Fig. 2 - Westinghouse AP1000 Reactor Cutaway ViewFig. 1 - Westinghouse AP1000 Reactor

amministrazione: [email protected] tecnico: [email protected]

Indirizzo: via Ippolito d’Aste 1/9 scala dx, 16121 GENOVAtel. +39 010 5761752; fax +39 010 5306261

progettazione

direzione lavori

sicurezza

collaudi

definitivopreliminare

esecutivo

1

23

54 consulenze tecniche

AR

CH

IME

DE

s.r.l.

ingegneria e architettura

Impalcato CA31 delimitante il reattore

L’attività consiste nella redazione di fascicoli tecnici riguardanti elementi strutturali in carpenteria metallica degli elementi strutturali che costituiscono l’impalcato delimitante del reattore secondo le istruzioni definite nei docu-menti relativi alla progettazione e alla qualifica dei moduli meccani dell’impianto AP1000 “Structural Frame Design Criteria for Mechanical Modules”.L’attività è stata suddivisa come segue:- analisi preliminare della struttura secondo ipotesi semplificative relative ai carichi applicati, individuazione delle criticità e definizione modifiche geometriche e relative alle condizioni di vincolo compatibili con il layout dell’im-pianto;- analisi di dettaglio e verifica degli elementi strutturali.

Fig. 3 - Inquadramento generale

La progettazione degli elementi strutturali è stata suddivisa in “preliminare” ed “esecutiva”. Nella prima fase sono state condotte diverse analisi in relazione a corrispondenti soluzioni costruttive. L’analisi sismica, descritta in det-taglio nel seguito del documento, è stata eseguita su diverse condizioni dell’impianto, considerando le corrispon-denti masse applicate alla struttura stessa.

Fig. 4 - Dettagli costruttivi



Fig. 5 - Analisi FEM dei collegamenti saldati

Nel dettaglio, la verifica degli elementi strutturali si articola nelle fasi seguenti:- Discretizzazione di modello ad elementi finiti.- Definizione dei carichi fattorizzati; i carichi vengono dedotti dal documento “Structural Frame Design Criteria for Mechanical Modules”, in base alle condizioni del servizio dell’impianto. - Definizione delle combinazioni di carico.- Definizione delle sollecitazioni dovute al sisma. Calcolo delle frequenze proprie e analisi modale con spettro di risposta. La sovrapposizione dei modi di vibrare è applicata utilizzando la combinazione NRC TPM (Nuclear Regu-latory Commission Double Sum Method). Le sollecitazioni dovute al sisma sono state quindi ottenute applicando la sovrapposizione degli effetti utilizzando il metodo di combinazione SRSS (“Square Root of Sum of Squares” o radice quadrata della somma dei quadrati).- Studio delle condizioni di vincolo. Le diverse azioni sollecitanti hanno reso necessario uno studio accurato relativo alle condizioni di vincolo e la definizione di collegamenti idonei.

- Verifica dei profili. Per il dimensionamento degli elementi strutturali è stata eseguita un’analisi in campo elastico del primo ordine; sono state quindi condotte le verifiche nei confronti dei fenomeni di instabilità globali e locali. Le verifiche stesse sono state gestite in post processing mediante il software GTStrudl [ASD9]. Le verifiche sono state eseguite applicando i seguenti riferimenti legislativi:- AISC “Specification For Structural Steel Buildings, Allowable Stress Dedign And Plastic Design”, Adopted June 1, 1989.- AISC Manual of Steel Construction, Allowable Stress Design, Ninth Edition, American Institute of Steel Construc-tion, Inc., Chicago, Illinois, 1989.



Modulo meccanico DVI-A e DVI-B

Fig. 6 - Inquadramento generale moduli DVI-A, DVI-B

L’attività consiste nella redazione di fascicoli tecnici riguardanti elementi strutturali in carpenteria metallica dei mo-duli meccanici DVI-A e DVI-B secondo le istruzioni definite nei documenti relativi alla progettazione e alla qualifica dei moduli meccani dell’impianto AP1000 “Structural Frame Design Criteria for Mechanical Modules”.L’attività è stata suddivisa come segue:- analisi preliminare della struttura secondo ipotesi semplificative relative ai carichi applicati, individuazione delle criticità e definizione modifiche geometriche e relative alle condizioni di vincolo compatibili con il layout dell’im-pianto;- analisi di dettaglio e verifica degli elementi strutturali;- aggiornamento del modello a seguito di modifiche apportate al layout dell’impianto e ai carichi agenti sulla struttura.

Sono state analizzate le strutture di supporto alle seguenti “pipe line”:- DVI-A- DVI-B

Le strutture in oggetto hanno la funzione di supporto delle “pipe line” dell’impianto AP1000. I carichi sono costituiti dalle azioni delle pipeline, dal peso proprio degli elementi strutturali stessi, dai carichi termici dovuti alle variazioni di temperatura, dal peso proprio e quello accidentale dovuto al grigliato e al relativo sovraccarico e dalle azioni dovute all’evento sismico.Il modello agli elementi finiti, eseguito con il software GTStrudl; è stato realizzato utilizzando opportune eccentri-cità strutturali per considerare le effettive rigidezze ed elementi di rigidezza infinita per tenere in conto la presenza dei momenti secondari. Negli attacchi strutturali è stata inoltre considerata l’effettiva rigidezza dei giunti inserendo “molle” a comportamento lineare.



La verifica degli elementi strutturali si articola nelle fasi seguenti:- discretizzazione di modello ad elementi finiti.- Definizione dei carichi fattorizzati. I carichi vengono dedotti dalla pipe stress analysis e moltiplicati per oppor-tuni coefficienti di sicurezza in base alle condizioni del servizio dell’impianto. Nelle direzioni non vincolate è stato applicato il carico dovuto all’attrito. - Definizione delle combinazioni di carico. Eseguito l’inviluppo dei carichi, sono state definite le opportune combi-nazioni di carico. A seguito della geometria complessa e delle diverse azioni prodotte dalla “pipeline” sulla struttu-ra, per i carichi stessi è stata eseguita la sommatoria dei valori assoluti; le sollecitazioni così ottenute sono state quindi sommate agli altri carichi per definire le condizioni di carico più gravose.

Fig. 7 - Modello wireframe

Fig. 8 - Modello DVI-B



- Definizione delle sollecitazioni dovute al sisma;Calcolo delle frequenze proprie e analisi modale con spettro di risposta. La sovrapposizione dei modi di vibrare è applicata utilizzando la combinazione NRC TPM (Nuclear Regulatory Commission Double Sum Method). Le solleci-tazioni dovute al sisma sono state quindi ottenute applicando la sovrapposizione degli effetti utilizzando il metodo di combinazione SRSS (“Square Root of Sum of Squares” o radice quadrata della somma dei quadrati).- Studio delle condizioni di vincolo;le diverse azioni sollecitanti hanno reso necessario uno studio accurato relativo alle condizioni di vincolo. In parti-colar modo le sollecitazioni indotte dalla variazione di temperatura hanno determinato la configurazione illustrata in Figura dove la struttura è libera di deformarsi a seguito della dilatazione termica; le sole azioni sollecitazioni relative al carico termico sono quindi dovute all’iperstaticità interna.

Fig. 9 - Modulo DVI-B_Carichi “pipeline” - Condizione A

Fig. 10 - Modulo DVI-B_deformata - carico termico



10.75 hz

- Verifica dei profili;Per il dimensionamento degli elementi strutturali è stata eseguita un’analisi elastica del primo ordine; sono state quindi condotte le verifiche nei confronti dei fenomeni di instabilità globali e locali; è stata inoltre considerata la torsione da ingobbamento impedito. Le verifiche stesse sono state gestite in post processing mediante il software GTStrudl.Le verifiche sono state eseguite applicando i seguenti riferimenti legislativi e bibliografici:ASME Boiler and Pres-sure Vessel Code, Section III, Subsection NF and Appendix F, 1998 Edition through 2000.ANSI/AISC N690-1994, “Specification for the Design, Fabrication, and Erection of Steel Safety.

15.40 hz

21.44 hz17.29 hz



Modulo meccanico KQ11

L’attività consiste nella redazione di fascicoli tecnici riguardanti elementi strutturali in carpenteria metallica del modulo meccanico KQ11 secondo le istruzioni definite nei documenti relativi alla progettazione e alla qualifica dei moduli meccani dell’impianto AP1000 “Structural Frame Design Criteria for Mechanical Modules”.L’attività è stata suddivisa come segue:- analisi preliminare della struttura comprensive di: - definizione di modelli statici semplificativi; - definizione di carichi applicati in base ad ipotesi semplificative; - dimensionamento degli elementi con funzione strutturale provvisoria;- analisi di dettaglio e verifica degli elementi strutturali (top cover);- aggiornamento del modello a seguito di modifiche apportate al layout dell’impianto e ai carichi agenti sulla struttura.

Il modulo meccanico KQ11 è costituito una struttura scatolare in acciaio. Si distinguono gli elementi con funzione strutturale definitiva, che ne definiscono il coperchio, e gli elementi con funzione strutturale limitata alla fase di trasporto, di installazione e a quella di getto; dopo i tempi di maturazione del conglomerato cementizio, i carichi trasmessi dal coperchio sono infatti affidati al calcestruzzo stesso (Figura 10).Gli elementi con funzione strutturale provvisoria del modulo meccanico sono stati analizzati mediante ipotesi sem-plificative relative ai carichi applicati e riferendosi a schemi statici approssimati.Gli elementi con funzione strutturale definitiva del modulo meccanico sono stati modellati agli elementi finiti me-diante il software GTStrudl.Gli elementi impiantistici posizionati sulla struttura sono stati discretizzati nel modello in modo da tenere in conto le sollecitazioni presenti sulla struttura durante l’evento sismico; a seguito del disallineamento tra la posizione del baricentro e quella della superficie di appoggio la massa eccitata nelle direzioni orizzontali determina infatti un’a-zione sollecitante sulle flange. Il baricentro delle valvole è stato modellato definendo i punti ‘J_P1’ ‘J_P2’; i punti stessi sono stati quindi connessi alla struttura mediante elementi fittizi infinitamente rigidi.

Fig. 11 - Modulo meccanico KQ-11: vista isometrica



Fig. 12 - Modulo meccanico KQ-11: modello GTStrudl

Fig. 13-14 - Modulo meccanico KQ-11: modello GTStrudl



Il piatto in acciaio che costituisce il coperchio è stato discretizzato attraverso la definizione di una griglia (mesh) composta da elementi finiti di forma quadrilatera con sei gradi di libertà per ciascuno dei quattro nodi d’angolo.La sezione composta costituita dagli irrigidimenti e dalla striscia associata del piatto in acciaio è stata discretizzata definendo elementi monodimensionali collegati mediante opportune eccentricità strutturali a i nodi che definisco-no quelli bidimensionali.

Fig. 15 - Modulo meccanico KQ-11: modello sezione composta

Le verifiche dei profili in acciaio utilizzati e dei giunti sono state eseguite applicando i seguenti riferimenti legi-slativi e bibliografici:- ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section III, Subsection NF and Appendix F, 1998 Edition through 2000;- Blodgett, Omer W., Design of Welded Structures. 1966;- AISC S335, “Specification for Structural Steel Buildings – Allowable Stress Design and Plastic Design”, 1989.

Le verifiche sugli elementi bidimensionali sono state condotte confrontando per ogni singola condizione di carico le tensioni ideali di Von Mises con i valori ammissibili.

Fig. 16 - Modulo meccanico KQ-11: Von Mises Bottom Stresses Operation Load 3000



Per la verifica nei confronti dell’evento sismico sono state calcolate le frequenze proprie; l’accelerazione sismica nelle tre direzioni è stata quindi dedotta dallo spettro di risposta relativo: Le sollecitazioni dovute al sisma sono state quindi ottenute applicando la sovrapposizione degli effetti utilizzando il metodo di combinazione SRSS (“Square Root of Sum of Squares” o radice quadrata della somma dei quadrati).Utilizzando giunzioni saldate, le curve spettrale sono relative ad un vlalore di smorzamento pari al 4%. In Figura 17 sono riportate le deformate modali della struttura associate alla primae quattro frequenze naturali

Fig. 17 - Modulo meccanico KQ-11: deformate modali

44.02 hz

59.33 hz

52.96 hz

58.74 hz



Supporti Pipeline

L’attività consiste nella redazione di fascicoli tecnici riguardanti elementi strutturali in carpenteria metallica se-condo le istruzioni definite nei documenti relativi alla progettazione e alla qualifica dei supporti delle pipe line dell’impianto AP1000 (“Pipe Supports and Tubing Supports”).

Sono stae analizzate le strutture di supporto alle seguenti “pipe line”:- DVI-A- DVI-B- SPRAY

Oggetto dell’attività sono le seguenti tipologie di supporto:- “smallbore”;- “largebore”.

Figura 18 - Single cantilever - Double cantilever - Box Frame

Figura 19 - Box type - Braced Cantilever

Le strutture in oggetto costituiscono i supporti delle “pipe line” dell’impianto AP1000. I carichi sono costituiti dal-le azioni delle pipeline, dal peso proprio degli elementi strutturali stessi e dalle azioni dovute all’evento sismico.Il modello agli elementi finiti, eseguito con il software GTStrudl; è stato realizzato utilizzando opportune eccen-tricità strutturali per considerare le effettive rigidezze ed elementi di rigidezza infinita per tenere in conto la pre-senza dei momenti secondari. Negli attacchi strutturale è stata inoltre considerata l’effettiva rigidezza dei giunti inserendo “molle” a comportamento lineare.

A seconda delle sollecitazioni, i supporti sono realizzanti con profili aperti (W-shapes) o chiusi (HSS Rectangular Tubing).



La verifica del supporto si articola nelle fasi seguenti:

- Discretizzazione di modello ad elementi finiti;- Definizione dei carichi fattorizzati; I carichi vengono dedotti dalla pipe stress analysis e moltiplicati per oppor-tuni coefficienti di sicurezza in base alle condizioni del servizio dell’impianto. Nelle direzioni non vincolate è stato applicato il carico dovuto all’attrito. - Definizione delle combinazioni di carico;Eseguito l’inviluppo dei carichi, sono state definite le opportune combinazioni di carico.- Calcolo delle frequenze proprie e determinazione delle accelerazioni sismiche;- Verifica della rigidezza minima. E’ necessario rispettare valori di rigidezza idonei a garantire un determinato gra-do di vincolo sulla sovrastruttura costituita dalla “pipe line”- Verifica degli attacchi strutturali e degli ancoraggi nella fondazione in calcestruzzo armato- Verifica dei giunti. Le verifiche di resistenza e di instabilità locali si distinguono a seconda dei profili utilizzati.- Verifica dei giunti saldati. Le configurazioni standard sono state gestite in post processing mediante il software GTStrudl; per le configurazioni non standard è stato utilizzato il software MathCad.- Verifica dei profili. Per il dimensionamento degli elementi strutturali è stata eseguita un’analisi elastica del primo ordine; sono state quindi condotte le verifiche nei confronti dei fenomeni di instabilità globali e locali; è stata inoltre considerata la torsione da ingobbamento impedito. Le verifiche stesse sono state gestite in post processing mediante il software GTStrudl.

Le verifiche sono state eseguite applicando i seguenti riferimenti legislativi e bibliografici:- ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section III, Subsection NF and Appendix F, 1998 Edition through 2000.- Blodgett, Omer W., Design of Welded Structures. 1966.- American Institute of Steel Construction (AISC) “Specification for Structural Steel Buildings,- Allowable Stress Design and Plastic Design,” 1989- Welding Research Council Bulletin No. 63, “Welded Interior Beam-to-Column Connections”- Design of Welded Structures by Omer W. Blodgett, Published by: The James F. Lincoln Arc Welding Foundation- Thirteenth Edition of the AISC Steel Construction Manual- Ninth Edition of the AISC Steel Construction Manual- AISC Advisory, “Changes to T, k, and k1 Dimensions for W-Shapes,” dated February 14, 2001- American Institute of Steel Construction (AISC) “Load and Resistance Factor Design Specification for Structural Steele Buildings,” December 27, 1999- ACI-349-2001 Code, “Code Requirements for Nuclear Safety Related Structures”- “Specification for the Design, Fabrication and Erection of Steel Safety Related Structures for Nuclear Facilities,” AISC-N690-1994- “Load and Resistance Factor Design Specification for Structural Steel Buildings,” AISC-1999- “Load and Resistance Factor Design Specification for Steel Hollow Structural Sections,” AISC 2000 Edition- “Torsional Analysis of Steel members,” AISC 1983- “Specification for Structural Steel Buildings,” March 9, 2005, ANSI/AISC 360-05



Piastre di base

L’attività consiste nella redazione di fascicoli tecnici riguardanti gli elementi strutturali in carpenteria metallica costituenti l’attacco strutturale di supporti pipe line secondo le istruzioni definite nei documenti relativi alla pro-gettazione e alla qualifica delle piastre non standarf dell’impianto AP1000 “Seismic Category I Generic Overlay Plate (OLP) and Deformed Wire Anchor (DWA) Emedements – Capacities Calculation”.

La geometria delle piastre e la posizione degli ancoraggi sono state definite verificando l’interferenza con gli elementi strutturali e impiantistici dell’impianto Il modello agli elementi finiti è stato realizzato mediante il software GTStrudl. E’ stata eseguita un’analisi statica non-lineare al fine di valutare correttamente il comportamento del calcestruzzo armato.

Figura 20 - Non standard OLP plate

Figura 21 - Modello



Figura 22 - Rigid Body

Il piatto in acciaio è stato discretizzato attraverso la definizione di una griglia (mesh) composta da elementi finiti di forma quadrilatera con sei gradi di libertà per ciascuno dei quattro nodi d’angolo.Per modellare l’ ”impronta” sulla quale agiscono le azioni sollecitanti sono stati definiti “rigid body” (corpo rigido) per collegare. i nodi che definiscono la geometria dei cordoni di saldatura (Figura 22).

Gli ancoraggi sono stati discretizzati definendo elementi monodimensionali.Il calcestruzzo armato è stato modellato como un solido elastico semi-infinito; sono state quindi definite “molle” a comportamento non lineare Figura 21.Nelle piastre sollecitate da azioni di taglio eccessive per essere supportate dai soli bulloni sono stati predisposti opportuni elementi strutturali (“shear lugs”), come in Figura 23.

Per valutare la resistenza offerta dal calcestruzzo in prossimità degli ancoraggi sono state eseguite le verifiche secondo ACI 349R-01 (“Anchoring to Concrete”). In corrispondenza di particolari condizioni geometriche sono state utilizzate barre annegate nel calcestruzzo con funzione di sconfinamento.

Figura 23 - Shear Lugs



Le verifiche sono state eseguite applicando i seguenti riferimenti legislativi e bibliografici:- ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section III, Subsection NF and Appendix F, 1998 Edition through 2000.- ANSI/AISC N690-1994, “Specification for the Design, Fabrication, and Erection of Steel Safety.- Related Structures for Nuclear Facilities”.- ACI 349-01, “Code Requirements for Nuclear Safety Related Concrete Structures” and Commentary.- (ACI 349R-01), 2001; specifically referencing Appendix B, “Anchoring to Concrete” and Section 12.2 “Deve-lopment of deformed bars and deformed wire in tension”.- ACI 318-02, “Building Code Requirements for Structural Concrete” and Commentary (ACI 318R-02), 2002; spe-cifically referencing Appendix D, “Anchoring to Concrete” and Section 12.2 “Development of deformed bars and deformed wire in tension”.- Comite Euro-International Du Beton, “Design of Fastenings in Concrete”, 1997.- Regulatory Guide 1.199, “Anchoring Components and Structural Supports in Concrete”, USNRC, 2003.- Legacy Report ER-3967, “Reinforcing Steel Couplers and Splices”, ICC Evaluation Service, 2006.- Legacy Report ER-5217, “Nelson Deformed Bar Anchor Studs”, ICC Evaluation Service, 2007.- ASTM A496/A496M-07, “Standard Specification for Steel Wire, Deformed, for Concrete Reinforcement”, 2007.- ASTM A615/A615M-08 “Standard Specification for Deformed and Plain Carbon-Steel Bars for Concrete Reinfor-cement”, 2008.- ASTM A108-07, “Standard Specification for Steel Bar, Carbon and Alloy, Cold-Finished”, 2007.- ASTM A572/A572M-07, “Standard Specification for High-Strength Low-Alloy Columbium-Vanadium Structural Steel”, 2007.- Theory of Elasticity, 2nd Edition, McGraw-Hill, Timoshenko, 1951.- Computer Program GTSTRUDL, ST413.01, V29.- AWS D1.1/D1.1M. “Structural Welding Code – Steel”, 2006.- ACI 318-08, “Building Code Requirements for Structural Concrete” and Commentary (ACI 318R-08), 2008.- Eligehausen, Rolf. Mallée, Rainer. Silva, John F., “Anchorage in Concrete Construction”, Ernst &Sohn, Berlin, 2006.



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