Valutazione della vulnerabilità dei sistemi di isolamento sismico negli impianti nucleari

The research work here exposed aims to propose a numerical procedure for estimating the seismic fragility for equipment and structural components 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 direct use of Monte Carlo Simulation to compute failure probabilities is a prohibitive task. For this reason the Response Surface Method was 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 ELSY within the Seismic-Initiated events risk mitigation in Lead-cooled reactors (SILER) international project; the building is equipped with a base isolation system composed by High Damping Rubber Bearing 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 on the behavior of the isolation devices and the dynamic behavior of the building can be captured by means of a very simple mechanical model, based on the hypothesis of rigid‐body motion of the building. Therefore, the fragility analysis is performed assuming that the isolators become the critical elements in terms of seismic risk and is based on the value of the relative displacement across the isolator, since a complete experimental characterization of the HDRB behavior at failure is still lacking. A suitable force‐displacement literature model is adopted to represent the isolator inelastic response to horizontal loading. As an example of application of the procedure, the probability of exceeding a given limit relative displacement was obtained via First Order Reliability Method for maximum ground acceleration of 0,3g. 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.

La presente ricerca propone una procedura numerica per stimare la vulnerabilità sismica di componenti di una centrale nucleare isolata alla base. La procedura prevede la realizzazione di un modello 3D della struttura e l’esecuzione di analisi dinamiche dirette nel tempo per stimare le statistiche della risposta sotto input sismico aleatorio. L’uso diretto del Metodo di Simulazione Monte Carlo per il calcolo delle probabilità di collasso richiederebbe un onere computazionale eccessivo; per questa ragione si utilizza il Metodo delle Superfici di Risposta per modellare l’influenza delle variabili aleatorie sulla risposta della struttura. La procedura è applicata al prototipo di reattore ELSY nell’ambito del progetto internazionale Seismic-Initiated events risk mitigation in Lead-cooled reactors (SILER). L’edificio è provvisto di un sistema di isolamento composto da elementi High Damping Rubber Bearing, i quali mostrano un comportamento meccanico marcatamente non lineare. L’introduzione del sistema di isolamento produce una notevole diminuzione delle accelerazioni orizzontali all’interno della struttura. L’attenzione si concentra quindi sul comportamento dei dispositivi di isolamento, mentre il comportamento dinamico dell’edificio può essere colto da un modello meccanico semplice, basato sull’ipotesi di moto rigido della struttura. Di conseguenza, si assume che gli isolatori diventino, in termini di sicurezza sismica, i “punti deboli” del sistema. Per l’analisi di vulnerabilità si fa riferimento al valore estremo dello spostamento relativo dell’isolatore, dal momento che non esiste una completa caratterizzazione sperimentale del comportamento a collasso degli HDRB. Si è adottato un modello isteretico raffinato per modellare le forze di richiamo esercitate dall’isolatore nel piano orizzontale. La probabilità di superare lo spostamento relativo limite è ottenuta attraverso il First Order Reliability Method per un valore di accelerazione massima del suolo pari a 0,3g. Va osservato che, a causa della non linearità del sistema, la valutazione delle Superfici di Risposta e il calcolo della vulnerabilità devono essere ripetuti per ogni valore di picco di accelerazione.