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:

mg = mR − mQ,

Sg² = SR² + SQ²,

где mR и SR – математическое ожидание и стандарт распределения несущей способности;

mQ и SQ – математическое ожидание и стандарт распределения нагрузочного эффекта.

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

Pf = 1 − Φ(β),

где Φ(β) – табулированный интеграл Гаусса;

 – характеристика безопасности.

Выражение для определения характеристики безопасности можно записать в виде:

,

где n = mR/mQ – коэффициент безопасности;

νR – коэффициент вариации несущей способности;

νQ – 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 γm. Согласно СП 63.13330.2012 [3] расчетные значения параметров прочности материала определяются делением их нормативных значений на коэффициент γm, соответствующий рассматриваемому предельному состоянию.

Значения γm 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 mR может быть выражено через расчетные значения параметров прочности Rрасчетное по формулам:

Rнормативное = mR – 1,645 × SR;

Rнормативное = Rрасчетное × γm;

SR = mR × vR;

 – для бетона при сжатии;

 – для арматуры при растяжении.

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

Коэффициенты надежности по нагрузке γf для веса строительных конструкций составляют:

– металлические конструкции – 1,05;

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

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

– стационарное оборудование – 1,05;

– изоляция стационарного оборудования – 1,2;

– заполнители оборудования – жидкости – 1,0.

Коэффициенты надежности по нагрузке γf 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 = mR/mQ ≥ 1,32 / 0,726 = 1,82.

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

Для минимального значения n = 1,82, которое обеспечивается нормами проектирования железобетонных конструкций зданий и сооружений АЭС, вероятность отказа элемента составит Pf = 4,96×10-7.

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.

Как видно из результатов выполненной оценки надежности, за счет регламентированного учета при проектировании зданий АЭС коэффициента надежности по ответственности не менее 1,1 элементы железобетонных конструкций реакторного здания обладают высокой надежностью по отношению к нагрузкам нормальной эксплуатации. Уровень их надежности (вероятность отказа Pf < 10-6) при условиях нормальной эксплуатации позволяет не рассматривать строительные конструкции в анализах надежности технологических систем, важных для безопасности, для которых вероятность отказа, как правило, лежит в интервале от 10-3 до 10-2, и не учитывать в качестве исходных событий проектных аварий.Также при возникновении исходных событий, включая пожар, отказы строительных конструкций могут не рассматриваться как единичный отказ, поскольку, согласно п. 1.2.12 НП 001-15 [1], единичный отказ пассивного элемента без движущихся частей с вероятностью невыполнения функций безопасности менее 10-3 может не рассматриваться.

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.