Assessment of directional combination rules for the seismic analysis of nuclear power plant structures

Abstract

To assure the safety of Nuclear Power Plant structures, it is crucial to design them in a way that guarantees the continuous function of systems, structures, and components (SSC) after the seismic event has passed. Seismic analyses considered acceptable by the Nuclear Regulatory Commission (NRC) are mainly divided into time history analyses (THA) and response spectrum analyses (RSA). The RSA methods are based on the square root of the sum of the squares (SRSS) and the 100-40-40 percent rules. These methods provide a fair estimate of critical responses on the structures. However, neither takes directly into consideration for analysis the seismic direction, and if the practicing engineer wishes to do so, the methods must be implemented in a way that multiple time-consuming analyses need to be considered. Currently there are not sufficient studies regarding the importance of seismic directionality on the seismic design and analysis regarding NPPs’ SSCs. For this reason, a method is selected and proposed for consideration. The proposed method is the Complete Quadratic Combination for three components (CQC3), which is a variation of the SRSS that can evaluate the response of a structure at every direction. This permits to visualize the effects imparted on the structure without the need to conduct multiple time-consuming analyses as it would be in the case of a THA or variations of the RSA methods. A comparison between the results obtained with those from RSA methods is presented to show the importance of how, in a real-life scenario, the variation of direction in seismic analysis can highly impact the design of an NPP structure. In this comparison, the benefit of using the CQC3 is discussed. The method’s efficiency and convenience is demonstrated: its formulas for critical angle and critical response do not require much more computations than those needed to apply the common RSA methods, and they produce results for every direction in a single analysis. The results obtained confirm the importance of directional seismic analysis as well as the usefulness of the proposed method.

Para la seguridad de las estructuras de plantas nucleares, es crucial diseñarlas de una manera que se garantice el funcionamiento continuo de los sistemas, estructuras, y componentes (SSC, por sus siglas en ingles) de estas después de que haya pasado el evento sísmico. Los análisis sísmicos considerados aceptables por la Comisión de Regulación Nuclear (NRC, por sus siglas en inglés) se dividen principalmente en análisis de historial en el tiempo (THA, por sus siglas en ingles) y análisis de espectros de respuesta (RSA, por sus siglas en ingles). Los métodos RSA se basan en las reglas de la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados (SRSS, por sus siglas en ingles) y del 100-40-40 por ciento. Estos métodos proporcionan una estimación razonable de las respuestas críticas de las estructuras. Sin embargo, ninguno tiene en cuenta directamente la dirección sísmica para el análisis y si el ingeniero deseara hacerlo, la implementación de los métodos requiere múltiples análisis que demandan mucho tiempo. No hay suficientes estudios sobre la importancia de la direccionalidad sísmica para el análisis y diseño sísmico de los SSCs de las estructuras nucleares. Por esta razón se ha seleccionado un método que se propone para ser usado para tal fin. El método propuesto es la combinación cuadrática completa para tres componentes (CQC3, por sus siglas en inglés). Este es una variación de la regla SRSS que puede evaluar la respuesta de una estructura para cada dirección. Este permite visualizar los efectos impartidos en la estructura sin la necesidad de realizar múltiples análisis que consumen mucho tiempo, como sería en el caso de un THA o variaciones de los métodos RSA. Se presenta una comparación entre los resultados obtenidos y los de los métodos de RSA para mostrar que, en un caso de la vida real, la variación de la dirección en el análisis sísmico puede tener un gran impacto en el diseño de una estructura nuclear. En esta comparación, se discute el beneficio de usar el CQC3. Se muestra la eficiencia y conveniencia del método, dado que sus fórmulas para el ángulo crítico y la respuesta crítica no requieren muchos cálculos adicionales a los necesarios para usar los métodos RSA comunes, y produce resultados para cada dirección en un solo análisis. Los resultados obtenidos confirman la importancia del análisis sísmico direccional, así como la utilidad del método propuesto.