К вопросу о надежности строительных конструкций атомных станций

Особенностью проектирования зданий и сооружений атомных станций является необходимость обеспечения условий для функционирования размещенных в них систем и элементов, важных для безопасности при режимах нормальной эксплуатации, а также при событиях с нарушениями нормальной эксплуатации, включая проектные и запроектные аварии.

Несущие элементы строительных конструкций зданий и сооружений, в которых размещены системы, важные для безопасности, должны сохранять прочность и устойчивость при воздействии всех предусмотренных в проекте сочетаний нагрузок, возникающих как при нормальном функционировании этих систем (от веса оборудования, технологических сред, вибрации и т. п.), так и при различных внутренних (пожары, затопления, взрывы, летящие предметы и др.) и внешних (сейсмические воздействия, воздушная ударная волна, падение самолета и др.) воздействиях.

Таким образом, согласно классификации по НП 001-15 [1], такие строительные конструкции являются пассивными элементами, важными для безопасности, которым назначается соответствующий класс безопасности и предъявляются требования к обеспечению их высокой надежности.

Анализ надежности пассивных элементов систем, важных для безопасности, выполняется согласно РБ 100-15 [2].

В приложении к задачам расчета на прочность условие отказа строительных конструкций математически будет выражаться неравенством:

g = R − Q < 0,

где g – функция работоспособности или резерв прочности;

R – несущая способность, выраженная в тех же единицах, что и нагрузочный эффект Q;

Q – нагрузочный эффект.

При любых законах распределения R и Q математическое ожидание и стандартное отклонение резерва прочности соответственно равны:

m_g = m_R − m_Q,

S_g² = S_R² + S_Q²,

где m_R и S_R – математическое ожидание и стандарт распределения несущей способности;

m_Q и S_Q – математическое ожидание и стандарт распределения нагрузочного эффекта.

Для нормального распределения случайных величин вероятность отказа P_f определяется по формуле:

P_f = 1 − Φ(β),

где Φ(β) – табулированный интеграл Гаусса;

 – характеристика безопасности.

Выражение для определения характеристики безопасности можно записать в виде:

,

где n = m_R/m_Q – коэффициент безопасности;

ν_R – коэффициент вариации несущей способности;

ν_Q – коэффициент вариации нагрузочного эффекта.

Проектирование строительных конструкций зданий и сооружений АЭС осуществляется в соответствии требованиями и критериями российских нормативных документов, в основе которых лежит метод расчета по предельным состояниям. Изменчивость свойств материалов, нагрузок и условий работы учитывается с помощью ряда коэффициентов надежности.

Изменчивость свойств материала конструкции учитывается с помощью коэффициента надежности по материалу γ_m. Согласно СП 63.13330.2012 [3] расчетные значения параметров прочности материала определяются делением их нормативных значений на коэффициент γ_m, соответствующий рассматриваемому предельному состоянию.

Значения γ_m для прочности бетона и арматуры составляют:

– 1,3 – для бетона при сжатии;

– 1,5 – для бетона при растяжении;

– 1,15 – для арматуры при растяжении.

Нормативные значения параметров прочности материалов, приведенные в СП 63.13330.2012 [3], определены на основе нормального закона распределения с доверительной вероятностью превышения не менее 95 %.

Нормированное значение коэффициента вариации прочности бетона при сжатии, которое является среднестатистическим для множества заводов по производству бетона, составляет 0,135 [4].

Согласно ГОСТ Р 52544-2006 «Прокат арматурный свариваемый периодического профиля классов А500С и В500С для армирования железобетонных конструкций. Технические условия» [5], значение коэффициента вариации прочности арматуры при растяжении составляет 0,08 для предела текучести, 0,07 – для временного сопротивления.

Для нормального закона распределения значение математического ожидания параметра прочности m_R может быть выражено через расчетные значения параметров прочности R^{расчетное} по формулам:

R^{нормативное} = m_R – 1,645 × S_R;

R^{нормативное} = R^{расчетное} × γ_m;

S_R = m_R × v_R;

 – для бетона при сжатии;

 – для арматуры при растяжении.

Для учета изменчивости нагрузок на строительные конструкции используются коэффициенты надежности по нагрузке γ_f. Согласно СП 20.13330.2016 [6], расчетные значения параметров нагрузки определяются умножением их нормативных значений на коэффициент γ_f, соответствующий рассматриваемому предельному состоянию.

Коэффициенты надежности по нагрузке γ_f для веса строительных конструкций составляют:

– металлические конструкции – 1,05;

– бетонные конструкции (со средней плотностью выше 1600 кг/м³) – 1,1.

Коэффициенты надежности по нагрузке γ_f для веса оборудования и материалов составляют:

– стационарное оборудование – 1,05;

– изоляция стационарного оборудования – 1,2;

– заполнители оборудования – жидкости – 1,0.

Коэффициенты надежности по нагрузке γ_f для равномерно распределенных кратковременных нагрузок составляют:

– 1,3 – при нормативном значении менее 2,0 кПа;

– 1,2 – при нормативном значении 2,0 кПа и более.

Поскольку наибольшие усилия в несущих строительных конструкциях реакторного здания при нормальной эксплуатации возникают от действия постоянных нагрузок от веса строительных конструкций и оборудования, то для оценки математического ожидания нагрузочного эффекта Q консервативно можно принять минимальный коэффициент надежности по нагрузке 1,1.

Предполагая, что эти нагрузки изменяются согласно нормальному закону распределения, а их нормативное значение соответствует вероятности непревышения 0,95, а расчетное значение – 0,99865, получим следующие параметры распределения нагрузочного эффекта Q:

;

;

;

;

;

.

В соответствии с Федеральным законом № 384 «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» [7] для зданий и сооружений повышенного уровня ответственности принимается значение коэффициента надежности по ответственности не менее 1,1. В прочностных расчетах на коэффициент надежности по ответственности умножается нагрузочный эффект (внутренние усилия и перемещения конструкции и основания, вызываемые нагрузками и воздействиями) или на него делится несущая способность.

Если расчетное значение нагрузок определяется с учетом коэффициента надежности по ответственности, то:

.

При проектировании элементов несущих железобетонных конструкций площадь арматуры подбирается из условия обеспечения непревышения расчетных усилий в арматуре ее расчетной несущей способности при растяжении:

.

Тогда коэффициент безопасности для арматуры при растяжении будет равен:

n = m_R/m_Q ≥ 1,32 / 0,726 = 1,82.

На рис. 1 приведен график зависимости вероятности отказа элемента от коэффициента безопасности.

Назначение пределов огнестойкости для железобетонных элементов и устройство защитного слоя бетона необходимой толщины и (или) других мер противопожарной защиты строительных конструкций позволяют защитить арматуру от температурного воздействия возможного пожара, при котором может произойти изменение ее деформационно-прочностных свойств и потеря несущей способности железобетонных элементов. При сохранении первоначальных свойств арматуры сохранится и уровень надежности железобетонных элементов.

В случае если пожар в пожарном отсеке приводит к нарушению пределов и условий безопасной эксплуатации с отказом каналов системы безопасности, то должны остаться два неповрежденных пожаром канала этой системы или один канал с внутренним резервированием активных элементов. В этом случае выполнение функций безопасности системой, подвергшейся воздействию пожара, может быть гарантированно с учетом независимого отказа любого элемента этой системы.

Так как целью мер по защите от отказов по общей причине в соответствии с определениями принципов резервирования, независимости и разнообразия, согласно НП 001-15 [1], является повышение их надежности, то ввиду высокой надежности строительных конструкций реакторного здания дополнительных мер по защите их элементов от отказа по общим причинам не требуется.