Case

解析事例

原子炉建屋を対象とした地盤-構造物連成を考慮した耐震解析

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  • 製品名

    • ACS SASSI

  • カテゴリー

    • 構造解析事例

  • 産業分野別

    原子炉建屋有限要素モデルの変形アニメーション（変形倍率 100倍）

    本事例記事では、以下をご紹介します。

    ・ACS SASSIの概要
    ・当社で作成した原子炉建屋の有限要素モデル
    ・上記を対象とした地盤-構造物連成解析

    ACS SASSIの概要

    ACS SASSIは原子力施設や大空間地下商業施設、長大橋梁のような大型構造物の設計を対象とした地震動に対する地盤-構造物連成解析（SSI解析）ソフトウェアです。

    ACS SASSIは半無限の自由地盤を薄層要素（図中①）で、構造物を3次元有限要素（図中②）でモデル化しています。広大な自由地盤をソリッド要素でモデル化する必要がないため、計算のコストを抑えつつ、地盤との相互作用を考慮した構造物の詳細な解析が可能であるという特徴があります。

    また、地盤と構造物の相互作用はACS SASSI内部で計算される周波数依存の地盤インピーダンスと荷重ベクトルにより表現するため、従来手法で必要とされた煩雑な地盤ばねの設定をする必要がないという利点があります。

    地盤の薄層モデルと構造物の有限要素モデルを連成するために、ACS SASSIでは掘削地盤と呼ばれる有限要素モデル（図中③）が必要です。

    掘削地盤は、地盤と構造の相互作用を効率的に解析するために、サブストラクチャー法を適用して、これらを分離したモデル化を可能にします。掘削地盤は構造物の埋め込み部分と同じ形状を持ち、自由地盤と同じ物性を持つソリッド要素です。掘削地盤モデルには以下の役割があります。

    1.  地盤には構造物の埋め込み部分に空隙があります。埋め込み部分と同じ形状の掘削地盤モデルの影響を自由地盤の薄層モデルから差し引くことによって、これを表現します。

    2. 構造物との連成に必要な地盤インピーダンスと荷重ベクトルを定義するため、地盤と構造物の境界にあたる節点（相互作用節点、図中④）を設定します。

    これにより、スウェイ・ロッキング法など埋め込みの浅い構造物を対象とした手法では対応できない埋め込みの深い構造物に対するシミュレーションも可能です。

    自由地盤を薄層要素

    解析概要

    目的 原子炉建屋の有限要素モデルを作成し、図に示す原子炉建屋と地盤の相互作用を考慮した地震応答解析例を示します。
    構造物 原子炉建屋
    使用したソフトウェア プリポスト：Altair HyperWorks 2021.2
    固有値解析のソルバー：ANSYS® Version 19.2
    SSI解析のソルバー：ACS SASSI V4.3 IKTR3
    計算時間・解析規模 計算時間：60時間 (127周波数)
    総節点数：41535
    相互作用節点数：7536
    解析環境 Intel(R) Xeon(R) CPU E5-1630 v3 @ 3.70GHz / RAM 256 GB

    3次元有限要素

    有限要素モデルの紹介

    本項目では、以下をご紹介します。

    • 当社で作成した原子炉建屋の有限要素モデル

    • 上記モデルを対象とした固有値解析の結果


    有限要素モデル

    当社で作成した原子炉建屋の有限要素モデルを示します。

    材質 コンクリート、鉄鋼
    質量 3.04×105 ton
    節点数 41535
    要素数 49366
    幅 東西、南北方向ともに約80 m
    高さ 地上部約60 m、全高約80 m

     

    有限要素モデル

    固有値解析

    作成した原子炉建屋の有限要素モデルについて、ANSYS®を用いて建屋の固有値解析を行い、固有振動モードを調べた結果を示します（注）。
    注：ACS SASSIでは、建屋と地盤を含めた共振周波数を求めることができます。


    境界条件：基礎版下の節点自由度を完全拘束
    X、Y方向一次の固有モード図、固有振動数は以下の通りです。
    両者は参考文献のスティックモデルの計算結果と、誤差3%未満の精度で一致しています。

    X方向一次の固有モード

    Y方向一次の固有モード

     

    地盤-構造物連成解析の設定

    本項目では、以下をご紹介します。

    • 地盤の設定

    • 入力地震動

    地盤の設定

    SSI解析に使用した地盤の設定を示します。
    ACS SASSIによる解析では、掘削地盤の有限要素モデル、地盤の薄層モデルと物性値の情報が必要です。それぞれのデータを一部抜粋してご紹介します。
    また、地震動入力位置は図の通り、構造物モデルの基礎下に設定しています。


    掘削地盤モデル節点数 34827
    掘削地盤モデル要素数 30960

     

    構造物モデル

    入力地震動

    SSI解析に使用した入力地震動について紹介します。
    東西、南北、上下方向をモデルのX、Y、Z方向に設定し、三方向の入力地震動に対してそれぞれ解析を行っています。
    このうち、東西（X）方向の地震動を以下に示します。
    地震動のデータは、2005年8月16日宮城沖地震の河北地点における観測記録をもとにしています。
    参考：防災科学技術研究所, 強震観測網（K-NET. KiK-net）

    三方向の入力地震動

    地盤-構造物連成解析の結果

    本項目では、以下をご紹介します。

    • 最大変位

    • 加速度時刻歴

    • 応答スペクトル

    • アニメーション

    最大変位

    原子炉建屋のSSI解析で得られた三方向変位応答の重ね合わせ結果として、水平方向（X、Y方向）、上下方向（Z方向）それぞれにおける時刻歴の最大変位を示します。ここで、変位の参照節点は基礎下の中心点です。
    X方向、Y方向の変位は、建屋の天井中央部にあるトラスにて最大値を取っています。Z方向の変位は、建屋最上階の床上にて最大値を取っています。
    また、建屋の高さ位置と最大変位の関係も示します。参照節点は図の通り建屋側面の角部分です。
    建屋の高さに対して、最大変位が単調増加していく様子がわかります。また、高さ6mでグラフの傾きが変化しており、図中の段差部における構造の変化を反映していることがわかります。

    X方向最大変位

    Y方向最大変位

    Z方向最大変位

     

    最大変位と高さの関係

     

    加速度時刻歴

    原子炉建屋のSSI解析の結果として、最上階床面の節点におけるX方向の加速度時刻歴を示します。

     

    加速度時刻歴

    応答スペクトル

    原子炉建屋のSSI解析の結果として、最上階床面、壁面中央、格納容器側面の3節点の応答スペクトルを示します。
    いずれも、X、Y方向における一次のピーク位置はそれぞれ3.0 Hz、2.8 Hzとなっています。


    グラフ1

     

    グラフ2

     

    グラフ3

    アニメーション

    原子炉建屋のSSI解析の結果として、X方向変位、X方向加速度の時刻歴アニメーション、X方向応答スペクトルの周波数アニメーションを示します。

    X方向変位時刻歴（10.0 - 20.0sec、変形倍率 100倍）

     

    X方向加速度時刻歴（10.0 - 20.0 sec)

    X方向応答スペクトル周波数表示（0.1 - 50 Hz）参照節点は天井中央部

    参考文献

    　　"三次元FEM解析コードSANREFの改良・整備 =三次元地震動入力時の耐震安全解析機能の追加= に関する報告書", 原子力安全基盤機構, 2008.
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