Seismic analyses of nuclear facilities with interaction between structure and water : Comparison between methods to account for Fluid-Structure-Interaction (FSI)

• Methods to describe the interaction between fluids and solids has been one of the biggest focus points for the research within the field of computationalengineering for the recent years. This area is of interest to a variety ofengineering problems, ranging from flow in blood vessels, aerodynamics andof course the interaction between water and civil engineering structures. Thetypical civil engineering application of fluid-structure interaction (FSI)encountered in a nuclear facilities is obtained at seismic loading, where the nuclear facilities consists of water filled pools of various sizes, for example the spent fuel and condensation pools. These water filled pools contribute with added mass to the structure, which lowers the natural frequency of thestructure as well as hydrostatic and hydrodynamic pressure that acts on thewalls of the pool due to wave propagation in the fluid. In addition, as the pools also have a free water surface towards the environment of thestructure, free surface wave propagation also has to be accounted for; i.e.sloshing. This introduces extra non-linearity to the problem, since a freesurface constitutes a boundary condition with an unknown location.The main part of this report constitutes as a state-of-the-art summary whereconcepts important for FSI analyses are presented and important differencesare discussed. Due to the different interests of the numerous disciplinesengaged in this research area, a large number of methods have been developed, where each has different strengths and weaknesses suited for the problem in mind when developing the method. The focus of this report havebeen to describe the most important numerical techniques and the categories of methods that or of most interest for civil engineering problems, such as simplified analytical or mass-spring models, Acoustic Elements, ArbitraryLagrangian-Eulerian (ALE) and coupled Eulerian-Lagrangian (CEL).Thereafter two benchmark examples are presented, intended to highlightdifferences between the different methods. In the first study, sloshing of aliquid tank is studied where the numerical methods are compared toexperimental results, regarding the movement of the free water surface. In addition, the hydrodynamic (fluid) pressures on the walls of the tanks arecompared between the different numerical methods. It was shown that mostanalysis methods give accurate results for the sloshing wave height whencompared with the experimental data. It should however be mentioned that the tank was only excited by a simple harmonic motion with a frequency thatdo not give rise to any resonance waves in the water body.Also when it comes to fluid pressure good agreement between the differentanalysis methods was found, although no experimental data was available forthis parameter. It was also noticed that for the sloshing tank, most of the change in pressure occurred close to the free surface of the water, which indicates that it mainly consists of a convective pressure, i.e. from the sloshing. Thereby, finite element programs that account the impulsive mass incivil engineering FSI problems should not be used for this type of analysis. In the second study, the numerical methods are compared based on differenttypes of seismic input, such as a large earthquake with mainly low frequencycontent typically like an earthquake on the US west coast and one smallerearthquake with relatively higher degree of high frequency content typicallylike a Swedish type of earthquake. One important observation was that the relative increase in induced stresses in the structure, with and withoutconsideration of the water was significantly larger for the Swedish earthquakethan for the US earthquake. One possible reason for this may be that the Swedish earthquake is not large enough to excite the relatively stiff structurewithout any water, but it will induce significant dynamic effects in the waterwhich give rise to higher stresses in the concrete as well. However, this shows that it is very important to include water in seismic analyses.

• Metoder för att beakta interaktionen mellan fluider och strukturer har varit ettav de främsta forsknings- och utvecklingsområdena inom numeriska metoderunder de senaste åren. Detta område tillämpas inom en rad olika tekniskaproblem, så som flöde i blodkärl, aerodynamik och naturligtvis interaktionenmellan byggnader och vatten. En typisk tillämpning av fluid-strukturinteraktion(FSI) inom konstruktionsanalyser av kärntekniska anläggningar, uppstår vid seismisk belastning där anläggningen inkluderar vattenfylldabassänger i olika storlekar, så som bränsle- och kondensationsbassänger. Vattnet i dessa bassänger har en stor inverkan på strukturens verkningssätt,där det dels bidrar med en ökad massa som sänker strukturensegenfrekvenser, dessutom ger vattnet upphov till hydrostatiskt och hydrodynamiskt tryck på bassängens väggar p.g.a. vågutbredningen i fluiden. Dessutom, eftersom bassängerna har en fri vattenyta så måste även den friaytans vågutbredning beaktas, d.v.s. sloshing. Detta medför ytterligare enicke-linjäritet i problemet, eftersom en fri yta utgör ett okänt randvillkor. Huvuddelen av denna rapport utgör en state-of-the-art sammanställning, där de begrepp som är väsentliga för FSI analyser presenteras och viktiga skillnader diskuteras. På grund av alla olika tekniska tillämpningar av FSI hosolika discipliner inom forskningsområdet, så har en stor mängd metoderutvecklats. Varje metod har sina styrkor respektive svagheter beroende påvilken tillämpning som den har utvecklats för. Fokus i denna rapport har varit att beskriva de numeriska metoder samt de kategorier av metoder som är avstörst intresse för konstruktionsanalyser, såsom förenklade analytiskametoder, modeller baserade på massa-fjäder system, akustiska element, Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) och coupled Eulerian-Lagrangian (CEL).I rapporten presenteras två numeriska beräkningsexempel, avsedda attbelysa skillnader mellan de olika FSI metoderna. I den första studien,studeras sloshing av en vätskefylld tank där olika numeriska metoder jämförsmot experimentellt uppmätta vågrörelser hos den fria vattenytan. Dessutomjämförs de hydrodynamiska trycken på tankens väggar mellan de olikanumeriska metoderna. Resultaten visar att de flesta analysmetoder ger mycket goda resultat avseende våghöjden jämfört med de experimentellaresultaten. Det bör dock nämnas att tanken belastades av en enkel harmoniskrörelse med en frekvens som inte gav upphov till några resonansvågor ivattnet. Även när det gäller det hydrodynamiska trycket erhölls en godöverensstämmelse mellan de olika analysmetoderna, dock fanns ingaexperimentellt uppmätta tryck att jämföra mot. Det noterades också att den huvudsakliga variationen i tryckfördelning uppstod nära den fria vattenytan, vilket indikerar att den huvudsakligen beror på det konvektiva trycket, d.v.s. orsakat av ytvågor. Detta illustrerar att finita element program som förenklatbeskriver FSI analyser genom att endast inkludera den impulsiva massan inte bör användas för denna typ av analys. I det andra beräkningsexemplet,jämförs de numeriska metoderna vid olika typer av seismiska tidssignaler,d.v.s. en stor jordbävning bestående av huvudsakligen lågfrekvent innehållvilket är typiskt för en jordbävning på USA:s västkust, samt en mindre jordbävning med relativt hög grad av högfrekvent innehåll vilket motsvarar en svensk jordbävning. En viktig iakttagelse var att den relativa ökningen avinducerade spänningar i strukturen, med respektive utan hänsyn till vattnet,var betydligt större för den svenska jordbävningen än för motsvarande amerikanska. En möjlig orsak till detta kan vara att den svenskajordbävningen inte är tillräckligt stor för att excitera den relativt styva strukturen utan vatten, men att den orsakar signifikanta dynamiska effekter ivattnet som ger upphov till högre spänningar i betongen. Detta belyserdärmed vikten av att inkludera vatten i seismiska analyser.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Samhällsbyggnadsteknik -- Infrastrukturteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Civil Engineering -- Infrastructure Engineering (hsv//eng)

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

rap (ämneskategori)