Spectral analysis tools for the assessment of the structural integrity of equipment under seismic effects

Nonstructural elements inside a building or industrial facility are not part of the load-bearing structural system; however, they might be subjected to seismic forces and they need to resist these forces depending on their own structural characteristics. In nuclear power plants, the internal equipment plays a vital function in the operational process of the building and their correct operation is fundamental to ensure minimum security standards for human lives. Structural integrity assessment of components is based on the evaluation of local stresses throughout the body and a yield or failure criteria must be defined, such as the Von Mises yield criterion. Under seismic actions, performing a time history analysis may be prohibitive due to the computational cost if a refined finite element mesh is used. For such cases, a more suitable solution, in terms of computational efficiency, is given by the response spectrum method. The main problem with this approach is that the signs of the estimated stress components are lost; in addition, the estimated extreme values of the stress components may occur at different times. Thus, the equivalent Von Mises stress is not accurately defined, and its value may be underestimated. This thesis provides some approximate procedures based on the response spectrum method to obtain a consistent Von Mises stress and perform correctly the integrity assessment of nuclear equipment under seismic actions. Furthermore, the Von Mises stress is estimated in the framework of random vibration theory extending the classical approach adopted for linear parameters. The formulation is developed for stationary and non-stationary (evolutionary) random excitation for both direct frequency domain and modal superposition analysis.

Gli elementi non strutturali all'interno di un edificio o di un impianto industriale non fanno parte del sistema strutturale portante; tuttavia, essi possono essere soggetti a forze sismiche e devono resistere a queste forze a seconda delle loro caratteristiche strutturali. Nelle centrali nucleari, gli impianti svolgono una funzione vitale nel processo operativo dell'edificio e il loro corretto funzionamento è fondamentale per garantire standard di sicurezza minimi per la vita umana. La valutazione dell'integrità strutturale dei componenti si basa sulla valutazione delle sollecitazioni locali in tutto il corpo; a tal fine deve essere definito un criterio di collasso, come il criterio di snervamento di Von Mises. In caso di azioni sismiche, l'esecuzione di un'analisi nel tempo può essere proibitiva a causa del costo computazionale se si utilizza una mesh raffinata ad elementi finiti. In queste caso, una soluzione più adatta, in termini di efficienza computazionale, è data dal metodo dello spettro di risposta. Il problema principale di questo approccio è che i segni dei valori estremi delle componenti di sforzo vengono persi nella combinazione modale; inoltre, tali valori estremi possono verificarsi in momenti diversi. Pertanto, lo sforzo equivalente di Von Mises non è definito correttamente, e il suo valore può essere sottostimato. Questa tesi fornisce alcune procedure approssimate basate sul metodo dello spettro di risposta per stimare lo sforzo di Von Mises ed eseguire correttamente la valutazione dell'integrità dei componenenti impiantistici sotto azione sismica. Inoltre, lo sforzo di Von Mises è stimato nel quadro della teoria delle vibrazioni aleatorie, estendendo l'approccio classico adottato per i parametri lineari. La formulazione è sviluppata per eccitazione stazionaria e non stazionaria (evolutiva) sia per l’analisi diretta nel dominio di frequenza sia per l'analisi di sovrapposizione modale.