The effects of vertical dynamic actions on the seismic vulnerability of elastomeric isolation devices

This thesis follows a previous research named “The seismic fragility of the base-isolated ASTRID nuclear power plant reactor building in the ESNII+ project: criteria and procedure” which developed the structural model and numerical analyses whose verified results are here used for further studies. The studies here exposed aims at proposing a numerical procedure for estimating the seismic fragility of the isolation system devices of base isolated Nuclear Power Plants. In terms of structural analysis, the key steps of the procedure are the development of a 3D-model for the building and the performance of step‐by‐step dynamic analysis for estimating the response statistics under random seismic input. In such setting the Response Surface Method is largely used for modelling the influence of the selected random variables on the building response. The procedure is here applied to the preliminary design of the NPP reactor building of the ASTRID project, denoted in this thesis as “PR-ASTRID”; the building is equipped with a base isolation system composed by elastomeric elements showing a markedly non-linear mechanical behavior. When seismic isolation is introduced, resulting in a dramatic reduction of horizontal accelerations inside the building, attention is focused not only on the behavior of the isolation devices in the horizontal plane, but mostly on their behavior in the vertical plane; in this last case the behavior in tension and compression is deeply investigated, studying and highlighting some critical issues in the procedure provided by the actual standard as the EN 15129. In this context with respect to the behavior of the elastomeric isolator in the vertical plane, an interaction resistance domain between the normalized axial load (both compression and tension) and the normalized horizontal displacement is formulated and developed. The dynamic behavior of the building can be captured by means of a very simple mechanical model, based on the introduction of interconnected rigid‐bodies. The fragility analysis is thus performed assuming that the isolators become the critical elements in terms of seismic risk and is based on the value of the safety margin (defined through the interaction domain C-D, Capacity-Demand) of the isolator in the vertical plane, since a complete experimental characterization of the behavior at failure is still under investigation. A suitable force‐displacement model available in literature is adopted and calibrated to represent the isolator inelastic response to horizontal loading. The probability of exceeding a given limit is obtained via the First Order Reliability Method for peak ground accelerations equal to 0.34g, 0.45g, 0.55g, 0.65g, 0.95g, 1.25g, 1.55g and 1.85g. In the isolated case it must be observed that, due to non-linearity of the system, the Response Surface evaluation and the computation of fragility must be repeated for every value of peak ground acceleration. The procedure here sketched was successfully applied, in the recent past to the ELSY reactor building within the framework of the SILER international project; in this context, further and innovative refinements are introduced with particular attention to the choice and the probabilistic modelling of the random variables.

La presente tesi costituisce il seguito di un precedente lavoro di ricerca intitolato “The seismic fragility of the base-isolated ASTRID nuclear power plant reactor building in the ESNII+ project: criteria and procedure” in cui è stato sviluppato il modello strutturale e le analisi numeriche i cui risultati validati sono qui usati per ulteriori studi. Tali studi si propongono di definire una procedura numerica per la stima della fragilità sismica del sistema di isolamento di un impianto nucleare isolato alla base. Relativamente all’analisi strutturale, i passaggi chiave della procedura sono lo sviluppo di un modello 3D per l’edificio e l’utilizzo di una analisi dinamica passo-passo per la stima della risposta statistica conseguente ad un input sismico di tipo aleatorio. In tale caso sarà largamente utilizzato il metodo delle Superfici di Risposta per modellare l’influenza delle variabili aleatorie selezionate nella risposta dell’edificio. Tale procedura viene applicata alla progettazione preliminare dell’edificio reattore nell’ambito del progetto ASTRID identificato in questa tesi come “PR-ASTRID”; l’edificio è dotato di un sistema di isolamento composto da isolatori elastomerici con un comportamento meccanico marcatamente non lineare. Quando si introduce l’isolamento sismico, dal momento che ne consegue una notevole riduzione dell’accelerazione orizzontale dell’edificio, l’attenzione è posta non solo sul comportamento dei dispositivi d’isolamento nel piano orizzontale, ma soprattutto sul loro comportamento nel piano verticale; in questo ultimo caso è stato indagato a fondo il comportamento a compressione e trazione, studiando e mettendo in luce criticità delle procedure proposte dalle attuali normative come il EN 15129. In tale ambito, in relazione al comportamento nel piano verticale degli isolatori elastomerici, è stato formulato un dominio di resistenza di interazione tra l’azione assiale normalizzata (sia a compressione sia a trazione) e lo spostamento orizzontale normalizzato. Il comportamento dinamico dell’edificio può essere catturato attraverso un modello meccanico molto semplice, basato sull’interconnessione di corpi rigidi. L’analisi di fragilità è realizzata assumendo che gli isolatori siano gli elementi critici in termini di rischio sismico e si basa, principalmente, sul valore del margine di sicurezza (definito attraverso il dominio di interazione C-D) dell’isolatore nel piano verticale, dal momento che una caratterizzazione sperimentale completa del comportamento a collasso non è ancora presente. Un idoneo modello presente in letteratura forze-spostamenti è stato adattato e calibrato al fine di rappresentare il comportamento anelastico dell’isolatore in risposta a carichi orizzontali. La probabilità di superamento di un prefissato limite è ottenuta attraverso il “First Order Reliability Method” per accelerazioni massime del terreno di 0.34g, 0.45g, 0.55g, 0.65g, 0.95g, 1.25g, 1.55g e 1.85g. Nel caso di edifici isolati dal punto di vista sismico si deve osservare che, a causa della non linearità del sistema, la valutazione delle Superfici di Risposta ed il calcolo della fragilità deve essere ripetuto per ogni valore dell’accelerazione di picco del suolo. La procedura delineata in tale tesi è stata applicata con successo, nel recente passato all’edificio del reattore ELSY all’interno del progetto internazionale SILER; in questa sede, si procede con ulteriori ed innovativi raffinamenti della stessa, rivolti con particolare attenzione alla scelta ed alla modellazione probabilistica delle variabili aleatorie.