Атомные электростанции являются объектами повышенной ответственности. Важным этапом проектирования конструкций атомных станций является анализ стойкости сооружений АЭС к особым воздействиям по атомным и общестроительным нормам.

Расчётное обоснование строительных конструкций

Строительные конструкции (СК) зданий и сооружений АС разделяются по уровню ответственности за радиационную и ядерную безопасность АС на категории I, II и III.

По НП-041-22 при расчётном обосновании СК категории I в качестве особых нагрузок должны учитываться внешние воздействия природного и техногенного происхождения, учёт которых регламентируется требованиями НП-064-17. 

При проведении исследований района размещения и площадки ОИАЭ устанавливаются факторы, способные оказать влияние на безопасность ОИАЭ, а также степень их опасности по последствиям воздействия. Согласно данной информации производится анализ стойкости конструкций при нагрузках от внешних воздействий, к примеру:

• экстремальная снеговая нагрузка (СП 296.1325800.2017);
• экстремальная ветровая нагрузка (СП 296.1325800.2017);
• экстремальные температурные климатические воздействия (СП 20.13330.2016 и СП 296.1325800.2017);
• воздействия смерча (РБ-022-01);
• удар молнии (ГОСТ Р 59789-2021);
• сейсмическое воздействие (НП-031-01 и СП 14.13330.2018);
• воздействие от воздушной ударной волны при взрыве (СП 88.13330.2022);
• пожар по внешним причинам (СТО 36554501-006-2006);
• выбросы ВВГиА, взрыв дрейфующих облаков (СП 88.13330.2022).

Для выполнения расчётов строительных конструкций применяется программно-вычислительный комплекс SCAD Office, реализующий требования норм проектирования. АО «ЦИФРА» имеет лицензию на применение ПВК SCAD Office и внесена в перечень организаций-пользователей ПВК SCAD Office согласно аттестационному паспорту № 417, а также состоит в СРО «СОЮЗ НОП», что даёт право на проектирование особо опасных, технически сложных и уникальных объектов, в том числе объектов использования атомной энергии.

Воздействие воздушной ударной волны при взрыве

Последствием взрывов на объекте и выбросов взрывоопасных газов является воздействие взрывной ударной волны, дым, газ, пыль, летящие предметы, сопутствующие пожары и т.д.

Для оценки влияния воздействия воздушной ударной волны (ВУВ) на объекты АЭС при аварии на соседних технологических предприятиях предварительно изучается информация о наличии источников взрыва, об их расстоянии до объектов исследования.

Расчёт может проводится несколькими способами – во временной области или статическим методом с коэффициентом динамичности по СП 88.13330.2022.

При встрече проходящей волны с неподвижной преградой происходит отражение и обтекание сооружения волной.

 Схемы взаимодействия взрывной волны с сооружением
а) начало отражения волны, б) обтекание сооружения волной, в) установление режима обтекания
Источник: Динамический расчет сооружений на специальные воздействия

В ходе проверки находятся максимальное давление отражения, скорость движения фронта ударной волны, время: от начала отражения до начала установления обтекания, затекания волны, достижения максимального давления на тыльной стороне сооружения. 

Определяются условия воздействия ВУВ на конструкции сооружения в зависимости от заглубления в грунт и гидрогеологических условий. Далее для полученных динамических нагрузок вычисляются эквивалентные статические, которые используются при расчёте КЭ модели сооружения.

Удар молнии

Для оценки влияния удара молнии на площадку АЭС предварительно изучаются метеоусловия площадки, определяются месяцы с большей вероятностью гроз. 

Плотность ударов молнию в землю выражается через число поражений 1 км² земной поверхности в год, которое зависит от средней продолжительности гроз в часах.

 Фото Tasos Mansour на Unsplash

Комплекс средств молниезащиты зданий и сооружений включает в себя внешнюю молниезащитную систему (МЗС) от прямых ударов молнии и внутреннюю МЗС от вторничных воздействий. Внешняя МЗС состоит из молниеприемников, токоотводов и заземлителей. Внутренняя МЗС включает в себя объединённые в единую сеть контуры заземления, заземление у электрооборудования и металлоконструкций. При наличии полной системы молниезащиты здание считается стойким к удару молнии.

Экстремальные климатические нагрузки

В соответствии с требованиями СП 20.13330.2016 (пункт 6.1 по СП 296.1325800.2017) необходимо учитывать особые климатические воздействия: 

• расчётные экстремальные снеговые, гололёдные и температурные воздействия;
• воздействия, связанные с оползнями снега;
• ветровые воздействия, вызывающие аэродинамически неустойчивые колебания.

Для учёта данных воздействий вводится дополнительный коэффициент надёжности, принимаемый в соответствии с СП 296.1325800.2017.

 Пример задания температурной нагрузки в ПВК SCAD Office

Пожар по внешним причинам

При оценке влияния пожаров на сооружения АЭС проводится анализ исходных данных, для определения удалённости промышленных предприятий и автомобильных дорог от площадки АЭС. 

В соответствии с исходными данными определяется расстояние от места аварии, на котором значительно снижается интенсивность теплового излучения, и сравнивается с данными оценки удалённости потенциально опасных объектов.

За предел огнестойкости в соответствии с СТО 36554501-006-2006 принимается время в минутах от начала огневого воздействия до возникновения одного из предельных состояний по огнестойкости:

1. по потере несущей способности конструкций и узлов – обрушение или недопустимый прогиб в зависимости от типа конструкций;
2. по теплоизолирующей способности – повышение средней температуры на поверхности до 160 – 180 градусов по сравнению с температурой конструкции до нагрева, или прогрев до 220 градусов вне зависимости от температуры конструкции до начала огневого воздействия;
3. по целостности – образование в конструкции сквозных трещин или отверстий, через которые могут проникать продукты горения или пламя.

Сейсмическое воздействие 

Сейсмическое воздействие определяется по НП-031-01. Расчет проводится по линейно-спектральной теории, с формированием инерционных характеристик, посредством преобразования статических нагрузок в массы. Также определяются сопутствующие воздействия – крановые нагрузки при сейсмическом воздействии, давление воды при сейсмическом воздействии и т.д.

Спектр коэффициентов динамичности задаётся согласно НП-031-01 с учётом сейсмичности площадки и сейсмостойкости сооружения. 

 Первая форма колебаний при сейсмической нагрузке

Анализ результатов 

На основе результатов, полученных с помощью статического расчёта, проводится анализ несущей способности СК сооружений к описанным выше особым воздействиям. 

Железобетонные конструкции оцениваются по СП 40.13330.2012, СП 41.13330.2012, СП 63.13330.2018 и т.п. Производится сравнение расчётных значений армирования железобетонных конструкций с проектными, определяются коэффициенты использования. Стальные конструкции оцениваются по СП 16.13330.2017 с получением коэффициентов запаса.

Для обеспечения стойкости к внешним воздействиям анализируются возможные меры по снижению степени воздействия на конструкции зданий и сооружений.

Подготавливается отчётная документация с обоснованием несущей способности сооружений АЭС с использованием ПВК SCAD++, в котором реализованы модули подбора арматуры и экспертизы железобетонных и стальных конструкций с учётом требований актуальной нормативной документации РФ.

Заключение

В данной статье рассмотрены примеры особых внешних воздействий, учитываемых при анализе стойкости конструкций атомных электростанций. На основании расчёта на данные нагрузки оценивается несущая способность зданий и сооружений.

Результатом работы специалистов АО «ЦИФРА» является расчётное обоснование строительных конструкций АЭС в виде отчётной документации, где приводится оценка зданий и сооружений атомных станций согласно действующим нормам Российской Федерации.

Список использованных источников

1. Федеральные нормы и правила в области использования атомной энергии «Учет внешних воздействий природного и техногенного происхождения на объекты использования атомной энергии» (НП-064-17).
2. Федеральные нормы и правила в области использования атомной энергии «Требования по безопасности к строительным конструкциям зданий и сооружений атомных станций» (НП-041-22).
3. Свод правил СП 296.1325800.2017 «Здания и сооружения. Особые воздействия
4. Свод правил СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия». Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*.
5. Руководства по безопасности РБ-022-01 «Рекомендации по оценке характеристик смерча для объектов использования атомной энергии».
6. ГОСТ Р 59789-2021 (МЭК 62305-3:2010) «Молниезащита. Часть 3. Защита зданий и сооружений от повреждений и защита людей и животных от электротравматизма».
7. Федеральные нормы и правила в области использования атомной энергии НП-031-01 «Нормы проектирования сейсмостойких атомных станций».
8. Свод правил СП 14.13330.2018 «Строительство в сейсмических районах». Актуализированная редакция СНиП II-7-81*.
9. Свод правил СП 88.13330.2022 «СНиП II-11-77* Защитные сооружения гражданской обороны».
10. Стандарт организации СТО 36554501-006-2006 «Правила по обеспечению огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций».
11. Динамический расчет сооружений на специальные воздействия. Москва: Стройиздат, 1981.
12. Свод правил СП 40.13330.2012 «Плотины бетонные и железобетонные». Актуализированная редакция СНиП2.06.06-85.
13. Свод правил СП 41.13330.2012 «СНиП 2.06.08-87. Бетонные и железобетонные конструкции гидротехнических сооружений». Актуализированная редакция СНиП 2.06.08-87.
14. Свод правил СП 63.13330.2018 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения» СНиП 52-01-2003.
15. Свод правил СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции». Актуализированная редакция СНиП II-23-81*.

Изображение заголовка Bermix Studio на Unsplash