previsione del sisma e prevenzione del …. 2 sommario il fenomeno sismico e gli effetti indotti...

SEMINARIO

LA QUALIFICA SISMICA DI STRUTTURE SISTEMI E COMPONENTI

IN AMBITO NUCLEARE

PREVISIONE DEL SISMA E PREVENZIONE DEL DANNO

Alberto Taglioni

Roma, 27 settembre 2016

g. 2

SOMMARIO

IL FENOMENO SISMICO E GLI EFFETTI INDOTTI

CLASSIFICAZIONE DEI TERREMOTI

L’ AZIONE SISMICA NELL’ ANALISI STRUTTURALE

LIVELLI DI SICUREZZA SISMICA

SICUREZZA SISMICA NELLE INSTALLAZIONI NUCLEARI

NORMATIVE CONVENZIONALI E NORMATIVE NUCLEARI

APPROCCIO DETERMINISTICO E APPROCCIO PROBABILISTICO

CONCLUSIONI


I terremoti (dal latino terrae motus = movimento della terra), detti anchesismi o scosse telluriche sono movimenti della crosta terrestre, conliberazione di energia che deve essere dissipata.

La liberazione di energia avviene in una zona interna della Terra dettaipocentro sulla cui verticale si trova l’epicentro

I terremoti possono anche essere causati da

• riassestamenti tettonici. • movimento di masse magmatiche in profondità• eruzione di vulcani

TIPI DI ONDE SISMICHE

Onde longitudinali (P)

"compressioni" e "decompressioni" - velocità : 4 km/s < v < 8 km/s.

Onde trasversali (S)

azioni di " taglio" in direzione perpendicolare - velocità : 2 km/s < v < 4 km/s

Onde superficiali (R e L)

effetto delle onde P e delle onde S- onde R (di Rayleigh), con orbite ellittiche- onde L (di Love), trasversali

La velocità e il grado di attenuazione dipendono dalle caratteristiche del terreno.


I terremoti innescano una serie di agenti distruttivi, quali

• crolli di strutture o di loro parti, • effetti secondari sulle strutture,• cedimento di dighe, • cedimenti del terreno (frane, smottamenti o liquefazione),• incendi,• fuoriuscite di materiali pericolosi,• maremoti e tsunami

I terremoti hanno pertanto effetto su

• cose (strutture, installazioni)• persone (vite umane, ferimenti) • ambiente.


EFFETTI SECONDARI SULLE STRUTTURE

• interazione terreno struttura• interazione struttura-terreno-struttura• sloshing

• movimenti alle quote• effetti sui componenti


EFFETTI SUI COMPONENTI.

vengono impiegati uno o più modelli matematici delle strutture di supporto ed ognuno di essi

supporta uno o più apparati e sistemi.

modelli diversi della stessa struttura possono essere richiesti per scopi diversi.

i modelli matematici usati per generare il carico sismico per le successive analisi dei sistemi portati

possono essere diversi da quelli usati per le analisi locali di dettaglio della struttura portante.


CLASSIFICAZIONE DEI TERREMOTI

CLASSIFICAZIONI DEI TERREMOTI

BASI DI CLASSIFICAZIONE

danno provocato scale di «intensità» (es.: scala MERCALLI)

max accelerazione al suolo classificazione cardinale (normative)classificazione ordinale (scala OMORI, et al.)

totale energia liberata«magnitudo», con comparazione con terremoto «standard»

probabilità di evenienzatempo di ritorno

SCALE DI INTENSITÀ

De Rossi - Forel, 1873 (X degrees)

Mercalli II, 1902 (X degrees)

Mercalli – Cancani – Sieberg, 1917 (XII degrees)

MM (Modified Mercalli), 1931

MM (Modified Mercalli), 1956

MSK (Medvev – Sponheuer - Karnik), 1964

EMS (European Macroseismic Scale), 1998


SCALA MERCALLI (1956)


http://www.themeter.net/sism.htm

MASSIMA ACCELERAZIONE AL SUOLO

Peak ground acceleration (PGA)

massima accelerazione registrata dagli accelerometri. È riferita aduna singola area geografica.Si esprime in g (accelerazione di gravità, 9.8 m/s²) o in m/s²

In Italia, il territorio è suddiviso in quattro zone sismiche:

zona 1: 0.25g < PGA ≤ 0.35gzona 2: 0.15g < PGA ≤ 0.25gzona 3: 0.05g < PGA ≤ 0.15gzona 4: PGA ≤ 0.05g

In un spettro di risposta elastico, il PGA coincide con il valore dell'accelerazione spettrale

Se(T) quando il periodo proprio di oscillazione dell'oscillatore elementare di riferimento è

pari a T=0


I - MAXIMUM ACCELERATION = 0.3 M/SEC2

The shock is rather strong, so much so that it generally induces people to escape from their houses into the open. The walls of badly constructed brick houses crack slightlyand some parquet falls down; ordinary wooden houses are shaken in such a degree that they loudly creak; furniture is overturned; trees are visibly shaken; the water in ponds and pools gets turbid, owing to the disturbance of the mud; pendulum clocks stop; some very badly built factory chimneys are damaged.

II - MAXIMUM ACCELERATION = 0.9 M/SEC2

The walls in the wooden houses of Japan crack; old wooden houses get slightly out of plumb; the Japanese tombstones and the badly constructed stone lanterns are overturned; in a few cases the flow of the thermal and mineral springs is changed; ordinary factory chimneys are not damaged.

III - MAXIMUM ACCELERATION = 1,2 M/SEC2

About one-fourth of the factory chimneys are damaged; badly constructed brick houses are partially or totally destroyed; some old wooden houses are destroyed; woodenbridges are slightly damaged; some tombstones and stone lanterns are overturned; Japanese sliding doors (covered with paper) are broken; the tiles of wooden houses are displaced; some fragments of rocks are detached from the sides of the mountains.

IV -MAXIMUM ACCELERATION = 2,0 M/SEC2

All factory chimneys are ruined; the majority of the ordinary brick houses are partially or totally destroyed; some wooden houses are totally destroyed; the wooden slidingdoors are mostly thrust out of their channels; crevices from 2 to 3 inches (5 to 7-1/2 cm) wide appear in low and soft grounds; here and there the embankments are slightly damaged; wooden bridges are partially destroyed; ordinarily constructed stone lanterns are overturned.

V - MAXIMUM ACCELERATION = 2,5 M/SEC2

All ordinary brick houses are very seriously damaged; about 3 percent of the wooden houses are totally destroyed; some Buddhist temples are ruined; the embankmentsare badly damaged; the railways are slightly contorted; ordinary tombstones are overturned; brick walls are damaged; here and there, large fissures from 1 to 2 feet (30 to 60 cm) wide appear along the banks of the watercourses. The water of rivers and ditches is thrown on the banks; the contents of the wells are disturbed; landslidesoccur.

VI - MAXIMUM ACCELERATION = 4,0 M/SEC2

The greater part of the Buddhist temples are ruined; from 50 to 80 percent of the wooden houses are totally destroyed; the embankments are almost destroyed; the roadsthrough paddy fields are ruined and interrupted by fissures in such a degree that traffic by animals or vehicles is impeded; the railways are very much contorted; great ironbridges are destroyed; wooden bridges are partially or totally damaged; tombstones of solid construction are overturned; fissures some feet wide appear in the soil, and are sometimes accompanied by jets of water and sand; iron or terra cotta tanks embedded in the ground are mostly destroyed; all lowlying grounds are completelyconvulsed horizontally as well as vertically in such a degree that sometimes the trees and all the vegetation on them die off; numerous landslides take place.

VII - MAXIMUM ACCELERATION > 4,0 M/SEC2

All buildings are completely destroyed except a few wooden constructions; some doors or wooden houses are thrown over distances from 1 to 3 feet; enormous landslideswith faults and shears of the ground occur.

SCALA ORDINALE DI INTENSITA’ (OMORI)


MAGNITUDO

Definizione generica del termine

rapporto tra la grandezza in esame e una grandezza campione a essa omogenea, misurato su scala logaritmica.

Assunzione di base nei fenomeni sismiciL‘ energia rilasciata da un terremoto, a cui è strettamente correlato il suo potere distruttivo, è proporzionale all‘ampiezza di oscillazione elevata a 3/2

Magnitudo sismica

la magnitudo di un terremoto è data dal logaritmo in base dieci del massimo spostamento della traccia in un sismografo a torsione di Wood-Andersoncalibrato in maniera standard, se l'evento si fosse verificato a una distanza epicentraledi 100 kmmagnitudo zero = spostamento massimo di 1/1000 di mm

Utilizzando il logaritmo in base 10, ad esempio:differenza di magnitudo 1,0 = fattore 31.6 = (10 1,5)

differenza di magnitudo 2,0 = fattore 1000 = (10 1,5) 2

differenza di magnitudo 3,0 = fattore 31622 = (10 1,5) 3


0- 1,9 Può essere registrato solo mediante adeguati apparecchi.

2- 2,9 Solo coloro che si trovano in posizione supina lo avvertono; un pendolo si muove.

3- 3,9La maggior parte della gente lo avverte come un passaggio di un camion; vibrazione di un bicchiere.

4- 4,9Viene avvertito da molti; un pendolo si muove notevolmente; bicchieri e piatti tintinnano; piccoli danni.

5- 5,9Tutti lo sentono; molte fessurazioni sulle mura; crollo parziale o totale di poche case; pericolo per la popolazione.

6- 6,9 Tutti lo percepiscono; panico; crollo delle case; rischio maremoto; popolazione in pericolo.

7- 7,9Panico; pericolo di morte negli edifici; solo alcune costruzioni rimangono illese; maremoto; popolazione colpita.

8- 8,9 Ovunque pericolo di morte; edifici inagibili; onde alte fino a 40 metri.

9- 9,9Totale allagamento dei territori in questione o spostamento delle terre e numerosissimi morti. Popolazione fortemente colpita.

10 o piùParticolari eventi di eccezionale gravità: spaccature della Terra, totale distruzione di strutture artificiali e formazione di maremoti(categoria ipotetica, non esistono faglie abbastanza lunghe da provocare un sisma così energetico).

SCALA RICHTER


SCALA RICHTER / EFFETTO EQUIVALENTE E FREQUENZA TEMPORALE


Magnitudo TNT equivalente Frequenza

0 1 chilogrammo circa 8 000 al giorno

1 31,6 chilogrammi

1,5 178 chilogrammi

2 1 tonnellata circa 1 000 al giorno

2,5 5,6 tonnellate

3 31,6 tonnellate circa 130 al giorno

3,5 178 tonnellate

4 1 000 tonnellate circa 15 al giorno

4,5 5 600 tonnellate

5 31 600 tonnellate 2-3 al giorno

5,5 178 000 tonnellate

6 1 milione di tonnellate 120 all'anno

6,5 5,6 milioni di tonnellate

7 31,6 milioni di tonnellate 18 all'anno

7,5 178 milioni di tonnellate

8 1 miliardo di tonnellate 1 all'anno

8,5 5,6 miliardi di tonnellate

9 31,6 miliardi di tonnellate 1 ogni 20 anni

9,5 178 miliardi di tonnellate

10 1000 miliardi di tonnellatesconosciuto (molto probabilmente impossibile)

https://it.wikipedia.org/wiki/Scala_Richter

TEMPO DI RITORNO

tempo medio intercorrente tra il verificarsi di due eventi successivi di entità uguale o superiore ad un valore di assegnata intensità oppure

tempo medio in cui un valore di intensità assegnata viene uguagliato o superato almeno una volta.

Il tempo di ritorno medio T può essere associato al numero medio di eventi

necessari affinché un dato evento si verifichi nuovamente.

Stabilire il tempo di ritorno è equivalente a fissare un valore di probabilità:

Esempio : LANCIO DI UN DADO CON FACCE NUMERATE OGNI 10

SECONDI

OGNI NUMERO DA 1 A 6 HA 1/6 DI PROBABILITA’ DI USCIRE

TEMPO DI RITORNO DI OGNI NUMERO = 6 x 10 sec = 1 min



t/TR valori di p

0 0,000000,1 0,095130,3 0,259100,7 0,503290,8 0,550541 0,631982 0,864565 0,99325

10 0,99995100 0,99999

PROBABILITÀ DELL’EVENTO SISMICO IN un TEMPO t

CARTA SISMICA MONDIALE


CARTA SISMICA EUROPEA


CARTA SISMICA NAZIONALE


L’ AZIONE SISMICANELL’ ANALISI STRUTTURALE

TIPI DI ANALISI STRUTTURALE CHE TENGONO CONTO DEL SISMA(«ANALISI SISMICA»)

(1) Analisi sismica Statica Lineare

(2) Analisi sismica Dinamica Lineare

(3) Analisi sismica Statica Non Lineare

(4) Analisi sismica Dinamica Non Lineare

i

L’AZIONE SISMICA NELL’ANALISI STRUTTURALE

FASI DELL’ ANALISI SISMICA

Definizione dell’input sismico (rappresentazione del moto del terreno)

Schematizzazione della struttura (modello)

Applicazione delle forze agenti (metodologia di calcolo)

Determinazione di sollecitazioni e spostamenti (strumento di calcolo)

Verifiche di stabilità

Verifiche di integrità

Verifiche max spostamenti

Verifiche max sollecitazioni

Verifiche fessurazione, fatica, etc.


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componente di moto del terreno

RAPPRESENTAZIONE DELL’INPUT SISMICO

m x ’’ + c x’ + k x = xG(t)

spettro elastico

massimo spostamento

oscillatore semplicedefinito dam , k , c Amax = X(t)max/ T2

massima accelerazione

accelerogramma

NORMALIZZAZIONE DELL’INPUT SISMICO

spettro di risposta elasticogli spettri devono avere forme regolari che riflettono le incertezze nel moto di input In alternativa, si possono utilizzare «spettri di sito» adeguatamente giustificati

accelerogrammaSi possono usare anche un certo numero di accelerogrammi artificiali, i cui spettri inviluppino quello standardizzato Le PGA devono avere valori non inferiori a quelli definiti per il sito.


SPETTRO ELASTICO/ NTC 2008


SPETTRO ELASTICO/ EUROCODICE 8


EFFETTI DISSIPATIVI NELLE STRUTTURE

Smorzamento viscoso

È proprio del materiale strutturalePuò essere tenuto in conto nell’equazione dinamica dell’oscillatore sempliceIl lavoro di dissipazione è prodotto dalle forze che si oppongono al rientro elastico

Smorzamento isteretico

È presente laddove le strutture sono costituite di materiale con comportamento duttile e il limite elastico viene superatoÈ dovuto al c.d. «ciclo di isteresi», ed è rappresentato dall’area sottesa nel diagramma sforzi-deformazioni


COMPORTAMENTO ELASTICO E ANELASTICO DI UN OSCILLATORE SEMPLICE


x

f

f y

xy xmax

αtgα=k

COSTRUZIONE DI UNO SPETTRO ANELASTICO

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

0 0.5 1 1.5 2 2.5T [s]

Sa/g

µ=1

µ=1.25

µ=2

µ=4

(elastico)


Si determina il massimo spostamentodi un oscillatore anelastico per ciascun periodo,

si ricava lo spettro delle accelerazionidividendo per il corrispondente periodo

si rilevano le duttilità impegnate,

si può quindi definire in ogni punto

Aelast (T) / Aanelast (T) = q (T)

con q variabile con la duttilità

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f y

xmax ≅

xe,max

xy x

f e,maxf e,max

f y

xe,maxxy xmax O

C

A

B'

B

D

E


Ai bassi periodi, lo spostamento massimo è all’incirca equivalente

Agli alti periodi risulta quasi equivalente l‘energia dissipata

EQUIVALENZA TRA OSCILLATORE ELASTICO E OSCILLATORE ANELASTICO

fattore di riduzione delle forze spettrali

µ=ρ

1f 12

1

−µ=ρ f

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DUTTILITÀ GLOBALE DI UNA STRUTTURA

Considerando la successiva plastificazione di una struttura sotto carico crescente, essa può essere assimilata all’ oscillatore anelastico

FATTORE DI STRUTTURA


Il fattore di riduzione è analogo per strutture della medesima tipologia

Per ciascuna tipologia si può quindi stabilire un valore q di riduzione dello spettro

SPETTRO DI PROGETTO


Lo spettro di risposta elastico, fornito da una normativa, può essere opportunamente ridotto di un fattore q (fattore di struttura),fornito dalla normativa stessa, dipendentemente dai casi applicativi

In questo modo sono tenute in conto le risorse duttili delle sezioni,che devono essere giustificate

METODOLOGIE DI ANALISI SISMICA

analisi statica lineareforze applicate in funzione del periodo principale

analisi statica non linearemetodo incrementale (push-over)

analisi dinamica lineareanalisi modale con spettro elasticoaccelerogramma con sovrapposizione modale degli effetti analisi in time history (step by step)

analisi dinamica non lineareanalisi modale con spettro di progettoanalisi in time history (step by step)


ANALISI STATICA EQUIVALENTE (LINEARE)


Requisiti di applicabilità del metodo

• regolarità geometrica in pianta• regolarità in elevazione• distribuzione regolare dei pesi e dei carichi

ANALISI STATICA EQUIVALENTE (NON LINEARE)


ANALISI MODALE (LINEARE)


Per ciascun modo di vibrare si determinano

• massa equivalente• coefficiente di partecipazione

Si possono utilizzare sia lo spettro elastico che un accelerogramma compatibile

Si sovrappongono, nel senso più sfavorevole, spostamenti e sollecitazioni dei diversi modi (contributi modali)

ANALISI MODALE (NON LINEARE)


Per ciascun modo di vibrare si determinano

• massa equivalente• coefficiente di partecipazione

Si deve utilizzare lo spettro di progetto

Si sovrappongono, nel senso più sfavorevole, spostamenti e sollecitazioni dei diversi modi (contributi modali)

ANALISI IN TIME-HISTORY (LINEARE)


Integrazione step-by-step

Integrazione diretta

ANALISI IN TIME-HISTORY (NON LINEARE)


Nel codice di calcolo da utilizzare devono essere implementati : • per ogni materiale, il diagramma sforzi deformazione• per ogni sezione, il diagramma momento/rotazione

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GENERALITÀ

Poiché la «dannosità» di un terremoto cresce inversamente alla sua probabilità di accadimento, appare ragionevole chiedere alle strutture diversi livelli prestazionali in relazione a ciò

In linea generale, si deve perseguire

per terremoti di medio-bassa intensitàuna permanenza della struttura in campo elastico

per terremoti di intensità superioreuno sfruttamento delle riserve plastiche della struttura, che permettano il contenimento del danno al di sotto di determinate soglie

Risulta pertanto necessariodefinire dei livelli di azione sismica, associandolo a un Tempo di Ritornostabilire i fattori di struttura, imponendone i requisiti

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NORME PRESCRITTIVE E NORME PRESTAZIONALI

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I LIVELLI DI SICUREZZA NELLE NORMATIVE

Le normative di nuova generazione il concetto di «livello di sicurezza» è ripreso nell’ottica del Risk Base Design, ove generalmente si prevedono

Stati Limite Ultimi

associati al valore estremo della capacità portante o ad altre forme di cedimento strutturale che possono mettere in pericolo la sicurezza delle persone

Stati Limite di Esercizio

oltre i quali non risultano più soddisfatti i requisiti di esercizio prescritti.

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CARATTERISTICHE DEGLI STATI LIMITE

Stati Limite Ultimi (SLU):

perdita di stabilità di parte o dell'insieme della struttura;rottura di sezioni critiche della struttura;trasformazione della struttura in un meccanismo; instabilità in seguito a deformazione eccessiva;deterioramento in seguito a fatica; grandi fessurazioni o fluage

Stati Limite di Esercizio (SLE):

può avere carattere reversibile o irreversibile: nel primo caso i danni o le deformazioni sono reversibili e cessano non appena sia eliminata la causa che ha portato al superamento dello SLEnel secondo caso si manifestano danneggiamenti o deformazioni permanenti inaccettabili e ineliminabili

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Stati Limite Ultimi (SLU):

Stato limite di salvaguardia della vita (SLV): la costruzione subisce rotture e crolli dei componenti non strutturali ed

impiantistici e significativi danni dei componenti strutturali cui si associa una

perdita significativa di rigidezza nei confronti delle azioni orizzontali

Stato limite di prevenzione del collasso (SLC)la costruzione subisce gravi danni e crolli dei componenti non strutturali ed

impiantistici e danni molto gravi dei componenti strutturali; la costruzione

conserva ancora un margine di sicurezza per azioni verticali ed un esiguo

margine di sicurezza nei confronti del collasso per azioni orizzontali.


DEFINIZIONE NORMATIVA ITALIANA NTC 2008 / 1

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Stati Limite di Esercizio (SLE):

Stato Limite di operatività (SLO)la costruzione nel suo complesso (includendo elementi strutturali, elementi

non strutturali, ecc.) non deve subire danni ed interruzioni d'uso significativi;

Stato limite di danno (SLD)la costruzione nel suo complesso subisce danni tali da non mettere a rischio

gli utenti e da non compromettere significativamente la capacità di resistenza

e di rigidità nei confronti delle azioni verticali ed orizzontali, mantenendosi

immediatamente utilizzabile pur nell'interruzione d'uso di parte delle

apparecchiature..


DEFINIZIONE NORMATIVA ITALIANA NTC 2008 / 2

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ESEMPIO NORMATIVA ITALIANA NTC 2008 / 1

Lo spettro di risposta è definito, per ciascuna periodo di riferimento PVR , a partire dai valori dei seguenti parametri

ag accelerazione orizzontale massima al sito

FO valore massimo del fattore di amplificazione dello spettro in accelerazione orizzontale

TC* periodo di inizio del tratto a velocità costante dello spettro in accelerazione orizzontale.

I valori dei parametri sono forniti dalla norma, per tutti i siti considerati

Il Tempo di Ritorno è determinato con la formula

TR = -VR / ln (1- PVR)

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ESEMPIO NORMATIVA ITALIANA NTC 2008 / 2

Es 1: civile abitazione

VR = 50 anni

SLO TR = 30 anni

SLD TR = 50 anni

SLV TR = 475 anni

SLC TR = 975 anniEs 2:

ospedale

VR = 100 anni

SLO TR = 60 anni

SLD TR = 100 anni

SLV TR = 950 anni

SLC TR = 1950 anni

Es 2: ospedale

VR = 100 anni

SLO TR = 60 anni

SLD TR = 100 anni

SLV TR = 950 anni

SLC TR = 1950 anni

PRINCIPALI TIPOLOGIE DI INSTALLAZIONI NUCLEARI

• Centrali di potenza

• Reattori di ricerca

• Impianti per il riprocessamento del combustibile

• Laboratori per il trattamento di sostanze radioattive

• Depositi per lo stoccaggio di rifiuti radioattivi

• Impianti nucleari per la dissalazione dell’acqua marina

Dal punto di vista del possibile impatto del sisma le installazioni più rilevantisono i reattori ed in particolare i reattori di potenza. Questi infatti hannobisogno di mantenere una funzionalità quasi totale, almeno dei sistemi diraffreddamento, anche a seguito di un sisma severo.

All’estremo opposto si collocano i depositi, le cui funzioni sono quasicompletamente passive e sono concepiti per non richiedere alcun intervento nelloro ciclo di vita.


IMPIANTINUCLEARIIN ITALIA

centrali nucleari (in via di decommissioning)

CAORSO LATINA

GARIGLIANO TRINO VERCELLESE

impianti di trattamento combustibile

FN (Bosco Marengo)

ITREC (Trisaia)EUREX (Saluggia)

OPEC (Casaccia)

reattori di ricerca

Impianto CIRENE(Latina)

Impianto PEC (Brasimone)

opere incompiute

CENTRALE NUCLEARE - Montalto di Castro

P.U.N.Progetto Nucleare

Unificato

Deposito NazionalePer

Rifiuti Radioattivi

ALTRE AZIONI DINAMICHE

• Tornado

• Impatto da tornado

• Onda pressione

• impatto


OBIETTIVO DI SICUREZZA

L’obiettivo di sicurezza del progetto sismico dell’impianto é di garantire

capacità sufficiente a svolgere le seguenti funzioni essenziali

• portare e mantenere il reattore nello stato di shutdown

• raffreddare il combustibile nel reattore e nel sistema di handling in

modo che i rilasci all’esterno del contenimento restino nei limiti di

dose per l’evento

• mantenere l’integrità del contenimento e di tutti i sistemi associate

• mantenere una sufficiente strumentazione qualificata per l’operatore

per controllare e monitorare l’impianto da un’ area sismicamente

qualificata

• mantenere l’integrità delle strutture e dei sistemi esterni al

contenimento che potrebbero causare rilasci radioattivi oltre i limiti

ammissibili per l’incidente.


INPUT SISMICO

Generalmente si considerano

SISMA DI ESERCIZIO (OBE = Operating Basis Earthquake)

SISMA DI SICURO SPEGNIMENTO (SSE = Safety Shutdown Eartquake)

tra loro correlati

Nel caso di nuove realizzazioni, l’input, spettro o accelerogramma, deve essere «di sito», oppure conservativo rispetto ad essi

Nel caso di adeguamenti e/o revisioni sismiche l’input è definito specificamente dall’ Ente di Controllo, sulla base del Tempo di Ritorno


CARICHI DI PROGETTO

Le azioni più frequentemente considerate sono

D dead loadL live loadR reazioni di componenti impiantisticiF pressioni di liquidiH spinte terrenoT carichi termiciW ventoWT tornadoEo terremoto di esercizioEs terremoto di sicuro spegnimentoIN incidente non frequente (pressioni, reazioni, carichi termici)IG incidente grave (pressioni,reazioni,carichi termici)

•


COMBINAZIONI DI CARICO / CRITERI

• Le azioni vengono combinate con criteri semi-probabilistici e quindi con coefficienti parziali che tengono conto della diversa probabilità di superamento delle singole azioni e della possibile contemporeneità.

• In particolare le azioni incidentali o eccezionali vengono combinate senza moltiplicatori, dal momento che la probabilità associata a questi eventi è già molto bassa.

• Le combinazioni possono essere diverse per le strutture in acciaio o in cemento armato. Ciò dipende dalla diversa dispersione delle proprietà delle strutture che contribuiscono alla probabilità complessiva di superamento degli stati limite.


Esempio tratto dalle ACI 349-97

• 1. U = 1.4D + 1.4F + 1.7L + 1.7H + 1.7Ro

• 2. U = 1.4D + 1.4F + 1.7L + 1.7H + 1.7Eo + 1.7Ro

• 3. U = 1.4D + 1.4F + 1.7L + 1.7H + 1.7W + 1.7Ro

• 4. U = D + F + L + H + To + Ro + Ess

• 5. U = D + F + L + H + To + Ro + Wt

• 6. U = D + F + L + H + Ta + Ra + 1.25Pa

• 7. U = D + F + L + H + Ta + Ra + 1.15Pa+ 1.0(Yr + Yj + Ym) + 1.15Eo

• 8. U = D + F + L + H + Ta + Ra + 1.0Pa+ 1.0(Yr + Yj + Ym) + 1.0Ess

• 9. U = 1.05D + 1.05F + 1.3L + 1.3H + 1.05To + 1.3Ro

• 10. U = 1.05D + 1.05F + 1.3L + 1.3H + 1.3Eo + 1.05To +1.3Ro

• 11. U = 1.05D + 1.05F + 1.3L + 1.3H + 1.3W + 1.05To + 1.3Ro


COMBINAZIONI DI CARICO / ESEMPIO

SISTEMI E COMPONENTI RILEVANTI PER LA SICUREZZA

Sono i sistemi che devono rimanere funzionali durante e

successivamente agli eventi di progetto (SSC : Safety-related

Structures, Systems and Components)

La loro funzionalità assicura il rispetto dei principali criteri normativi, tra

cui i livelli di radioattività rilasciati

In un impianto nucleare di potenza essi includono lo shutdown del

reattore ed il suo sicuro mantenimento in questa condizione.

SSC possono essere definiti anche come quelli il cui collasso o

interruzione di servizio può compromettere la stabilità o il funzionamento

di altri safety-related SSC’s


CLASSIFICAZIONE SISMICA DI SSC

Le classificazioni sismiche di SSC si basano su :

la funzione di sicurezza da assicurare, direttamente o indirettamente

la non-interazione tra SSC e non-SSC

Possono quindi essere richieste

integrità statica

integrità funzionale

integrità statica + integrità funzionale


APPROCCIO METODOLOGICO IN AMBITO NUCLEARE

stabilire l’obiettivo di sicurezza

Individuare sistemi e componenti rilevanti per la sicurezza

determinare i criteri necessari alla loro progettazione

implementarli nel progetto

dimostrare che il progetto soddisfa i requisiti di sicurezza


Example of Seismic categorization

BWR PWR Seismic

category

Seismic Design force

Containment Vessel

Control Rod

Residual Heat Removal System

Emergency Diesel Generator

Reactor Pressure Vessel

Emergency Core Cooling System

Containment Vessel

Control Rod

Residual Heat Removal System

Emergency Diesel Generator

Reactor Vessel

Safety injecting System

S

Horizontal and vertical

sesmic force (dynamic) due to

the basic earthguake ground

motion Ss

Elastic design ground motion

Sd or 3.0 * ordinary building

forces if larger

Waste Disposal System

Turbine equipment

Waste Disposal System B 1.5 * ordinary building forces

Main Generator Main Generator

Turbine equipment

C ordinary building forces


ESEMPIO DI CLASSIFICAZIONE SISMICA / GIAPPONE

ESEMPIO DI CLASSIFICAZIONE SISMICA / NRC RG 1.29

Seismic category I

Structures, systems, and components that are designed and built to withstand the

maximum potential earthquake stresses for the particular region where a nuclear

plant is sited.

Other structures are

NON-Seismic category I (or Seismic category II) unless those which failure could

reduce the functioning of category I SSC’s


ESEMPIO DI CLASSIFICAZIONE SISMICA (IAEA NS-G-1.6)

Four categories are defined:

seismic category 1:

items to be designed to withstand the consequences of SSE. Seismic category 1 is usually the highest categories in terms of requirements

seismic category 2 :

items not included in cat. 1, which may have spatial interactions (e.g. due to collapse, falling or dislodgement) or any other interactions (e.g. via the release of hazardous substances, fire or flooding, or earthquake induced interactions) with items of items in seismic categories 1 and 3.

seismic category 3: I

tems that could pose a radiological hazard but that are not related to the reactor (e.g. the spent fuel building and the radioactive waste building).

seismic category 4

include all items that are not in seismic category 1 or seismic category 2 or 3.


ESEMPIO DI CLASSIFICAZIONE SISMICA /ANSI/ANS-2.26, 2004 (1)


ESEMPIO DI CLASSIFICAZIONE SISMICA /ANSI/ANS-2.26, 2004 (2)


FASI PROGETTUALI DI SSC

Definizione dell’evento sismico al sito

Verifica della progettazione dell’edificio ospitante

Determinazione del moto alla base del componente (spettro di piano e/o accelerogramma generato)

Analisi dinamica del componente

Eventuale revisione del progetto dell’edificio ospitante

Verifiche sul componente o sistema


CRITERI PER LA PROGETTAZIONE DEGLI SSC

Devono essere assicurate

l’integrità del sistema di raffreddamento del reattore

la capacità di arrestare in reattore e mantenerlo in unacondizione di shutdown sicuro;

la capacità di prevenire o mitigare le conseguenze di incidenti chepotrebbero dar luogo a potenziali esposizioni fuori dal sito a seguitodi eventi base di progetto, tra I quali il terremoto base


77


GENERALITÀ

Non esistono, in senso stretto, normative strutturali specificamente nucleari

Alcune normative (es.: A.C.I.) prevedono l’applicazione mirata, come caso a sé stante

Dovendo i progetti essere approvati dagli Enti di Controllo, questi possono indicare, come condizione necessaria all’approvazione, delle Normative di Riferimento, o emettere «raccomandazioni» (Linee Guida, Guide Tecniche, ecc.)

Possono essere previste diverse fasi approvative (Progetto di Massima con Fattibilità Strutturale, Progetto Particolareggiato, Progetto Esecutivo, ecc.) in dipendenza della legge istitutiva dell’Ente di Controllo

IL SISTEMA DI REGOLAMENTAZIONEI PRINCIPI INTERNAZIONALI

La piramide della gerarchia regolamentare


REQUISITI DI UN CORPO NORMATIVO STRUTTURALE

Un corpo normativo strutturale deve fornire una serie di riferimenti per:

• circoscrivere la tipologia delle opere in oggetto

• elencare i carichi applicabili e le loro combinazioni

• Indicare le metodologie di analisi strutturale

• definire i tipi di verifica da condurre

ovvero

• fissare i valori limite di sollecitazioni e/o spostamenti


NORMATIVE APPLICABILI IN AMBITO NUCLEARE

È compito degli Organi di Controllo di ciascun paese, sulla base di standard esistenti, convenzionali e no, stabilire un Corpo normativo cui attenersi, emettendo in proposito delle Linee Guida ad uso del progettista, che rimandano alle norme, che vengono definite sulla base dei requisiti di sicurezza.

Queste norme possono coincidere o meno con quelle per le costruzioni ordinarie, in funzione dei livelli di sicurezza richiesti alle diverse parti d’impianto, che vengono classificate a tal fine.


http://geologilazio.it/public/file/normativa/NTC/1_NTC_TeoriaRoma_3.pdf

NORMATIVE CONVENZIONALI E NORMATIVE NUCLEARI / 1

NORMATIVE APPLICABILI / ITALIA

Norme tecniche per le costruzioni - D.M. 14 Gennaio 2008Non contengono indicazioni specifiche per gli impianti nucleari

NORMATIVE APPLICABILI / EUROPAEUROCODICI

Eurocodice 0 - indicazioni per il metodo semiprobabilistico agli stati limite Eurocodice 1 - azioni di calcolo sulle struttureEurocodice 2 - strutture in c.a. e c.a.p..Eurocodice 3 - strutture in acciaoEurocodice 4 - strutture miste acciaio-calcestruzzo.Eurocodice 5 - opere in legnoEurocodice 6 - strutture in muratura.Eurocodice 7 - fondazioni e muri di sostegnoEurocodice 8 - aspetti sismiciEurocodice 9 - strutture in alluminio

Non contengono indicazioni specifiche per gli impianti nucleari

Ad esempio l’EC8 precisa che: “Special structures, such as nuclear power plants, offshore structures and large dams,

are beyond the scope of EN 1998”


NORMATIVE APPLICABILI / U.S.A.

LINEE GUIDA EMANATE DALL’ENTE DI CONTROLLO CONTENENTI CRITERI DI PROGETTO

• U.S. Regulatory Guide 1.29 “Seismic Design Classification”• U.S. Regulatory Guide 1.60 “Design Response Spectra of Nuclear Power Plants”• Regulatory Guide 1.61 “Damping Values for Seismic Design of Nuclear Power Plants”• U.S. Regulatory Guide 1.92 “Combining modal responses and spatial components in

seismic Responses Analysis”• U.S. Regulatory Guide 1.22 “Development of Floor Design Response Spectra for

Seismic Design of Floor-Supported Equipments or Component”



STANDARDS DI PROGETTAZIONE E VERIFICA EMANATI DA ENTI INDUSTRIALI/ASSOCIAZIONI SU CRITERI DI PROGETTO, VERIFICA E REALIZZAZIONE

• ACI 359 ASME III Div.2 “Code for Concrete Reactor Vessels and Containments”

• ACI 349 “Nuclear Safety Related Concrete Structures”• ANSI/AISC 690 “Nuclear Facilities Steel Safety-Related Structures

for the Design, Fabrication and Erection”

• ASCE 4-98 Seismic Analysis of Safety-Related Nuclear Structures

La validità è riconosciuta dall’Ente di Controllo



Oltre alle Regulatory Guides l’ente di controllo USA pubblica leStandard Review Plan, che definiscono e illustrano i criteriseguiti nell’esame dei progetti e individuano nel dettagliometodologie ritenute accettabili dall’ente di controllo.


INTRODUCTION

Purpose of the Standard Review Plan

The Standard Review Plan (SRP) provides guidance to US Nuclear Regulatory

Commission (NRC) staff in performing safety reviews of construction permit (CP) or

operating license (OL) applications (including requests for amendments) under 10 CFR

Part 50 and early site permit(ESP), design certification (DC), combined license (COL),

standard design approval (SDA), or manufacturing license (ML) applications under 10

CFR Part 52 (including requests for amendments).

The principal purpose of the SRP is to assure the quality and uniformity of staff safety

reviews. It is also the intent of this plan to make information about regulatory matters

widely available and to improve communication between the NRC, interested members

of the public, and the nuclear power industry, thereby increasing understanding of the

NRC’s review process.


NORMATIVE APPLICABILI / CONSIDERAZIONI.

• In ambito nucleare esiste una significativa interazione tra le normative e gli impianti.

• Infatti le norme devono fornire indicazioni specifiche per le particolari problematiche degli impianti.

• Questi presentano requisiti di sicurezza e tipologie costruttive diversi da quelli delle costruzioni di altri settori e la norma nasce anche dalla soluzione tecnica adottata.

• Questo fatto rende il settore molto “conservatore”

• Nuove soluzioni devono essere valutate alla luce di norme che vanno definite appositamente e calibrate sulla base di analisi teoriche e sperimentali


APPROCCIO DETERMINISTICO E APPROCCIO

PROBABILISTICO

MODELLI DETERMINISTICI E MODELLI PROBABILISTICI

Un modello matematico si defininisce deterministico quando i datisono valori fissi o comunque ottenuti da elaborazioni di tipo deterministico, in quanto non si tiene in considerazione l'incertezza associata alla loro determinazione

Un modello matematico si defininisce probabilistico quando i dati sonoassociati alle loro possibili variazioni, casuali oppure no

• Il riferimento principale é alla valutazione della pericolosità sismica, ma criteri del tutto analoghi vengono impiegati per altri tipi di azionio eventi.

• Si possono effettuare analisi probabilistiche per eventi indotti dal sisma, ad esempio tsunami o fenomeni di liquefazione, ma anche per fenomeni del tutto diversi, ad esempio la caduta di un aereo.


VALUTAZIONE DELLE AZIONI SISMICHE DI PROGETTO

Il metodo deterministico si basa sullo studio dei danni osservati in occasione di eventi sismici che storicamente hanno interessato un sito, ricostruendo degli scenari di danno per stabilire la frequenza con cui si sono ripetute nel tempo scosse di uguale intensità.Il metodo richiede informazioni complete sulla sismicità locale e sui risentimenti, non

sempre disponibili

Il metodo probabilistico prevede che la pericolosità sia espressa come la probabilità che in un dato intervallo di tempo si verifichi un evento con assegnate caratteristiche.Il metodo probabilistico più utilizzato è quello di Cornell, che prevede vengano

individuate nel territorio le zone responsabili degli eventi sismici (zone sismo

genetiche), sia quantificato il loro grado di attività sismica e si calcolino gli effetti

provocati da tali zone sul territorio in relazione alla distanza dall’epicentro

da http://www.protezionecivile.gov.it/


PERICOLOSITA’ SISMICA E RISCHIO SISMICO

Pericolosità e rischio sono due concetti fondamentalmente differenti.

La pericolosità é definita da un livello di intensità del moto in funzione della suaprobabilità di eccedenza

Il rischio é definito dalla probabilità che un certo livello di danno sia superato in un periodo di riferimento,

In ambito nucleare il rischio é la convoluzione trapericolosità, fragilità di SSC ed esposizione

fragilitàprobabilità condizionata di rottura/collasso di una SSC per un dato livello dell’azionesismica, generalmente definito dalla PGA (per una struttura può essere associato ad un livello di danno o al collasso, per un componente alla perdita di funzionalità).

esposizioneil danno può essere strutturale, o di contaminazione, economico, alle persone, ecc,


VALUTAZIONE DELLA SICUREZZA SISMICA CON METODO PROBABILISTICO

Nelle strutture convenzionali la capacità della struttura viene definita impiegando diversi valori delle resistenze dei materiali, definiti attraverso misure in situ e fattori di confidenza, ma la procedura di analisi è simile a quella della deterministica, ed il risultato viene espresso in termini di rapporti capacità/domanda, molto simili a coefficienti di sicurezza.

Negli impianti nucleari ed in particolar modo nei reattori la valutazione della sicurezza sismica è invece finalizzata alla definizione della probabilità di avere, per effetto del sisma, un danno al nocciolo del reattore.Questa probabilità viene espressa attraverso la Core Damage Frequency (CDF) e determinata con un approccio probabilistico.La metodologia impiegata è comunemente detta Seismic Probabilistic SafetyAssessment (SPSA) , alternativa alla Determinisic Seismic Hazard Assessment(DSHA)


DETERMINISTC SEISMIC HAZARD ASSESSMENT (DSHA)

• Si identificano tutte le sorgenti sismiche che possono dar luogo ad effettial sito

• Si definisce la massima magnitudo credibile e la distanza dal sito per ognisorgente

• Utilizzando una appropriata relazione di attenuazione, si determinal’accelerazione di picco al suolo (PGA) al sito dovuta ad ogni sorgente.

• Il valore di progetto della PGA al sito é il massimo delle PGA dovute allesingole sorgenti sismiche .

• Lo spettro di risposta é definito da una forma spettrale standard (ad esempio NRC RG 1.60) per un sito roccioso di riferimento.

• Gli effetti di sito sono valutati con analisi di amplificazione o tecniche di SSI (Soil Structure Interaction).


SEISMIC PROBABILISTIC SAFETY ASSESSMENT (SPSA)

La metodologia di Cornell è stata sviluppata e implementata nella RG

1.165

Essa consente la definizione di un design Basis Event (SSE e OBE) in

termini di parametri ingegneristici come PGA o spettri di risposta

associati a una data probabilità di superamento .

Questa tecnica tiene conto dell'incertezza aleatoria insita nella natura

casuale del moto del suolo e può essere utilizzato anche considerando

l'incertezza epistemica nella definizione delle leggi di ricorrenza e

attenuazione .


CONCLUSIONI

96

I terremoti non si possono prevedere, ma se ne può realisticamente (ovvero, ingegneristicamente) conoscere la probabilità di accadimento

In ragione della probabilità di accadimento, è possibile pianificare una limitazione dei danni, stabilendo i c.d. “livelli dirischio”, ponendo al primo posto la vita umana

In questo senso, in campo nucleare è posta primaria attenzione alla minimizzazione dei rilasci, anche in caso di sisma

Esistono numerose normative strutturali utilizzzabili, ma è sempre compito degli Organi di Controllo, che ad esse fanno riferimento, il licensing di opere e attività nucleari

Lo stato dell’arte della materia è in continua evoluzione, grazie alle nuove conoscenze dovute (purtroppo) all’esperienza e agli sforzi della ricerca

In ambito di ricerca, studio del comportamento dinamico di strutture e studio del la fenomenologia sismica sono in simbiosi sinergica

L’approccio probabilistico, ancora poco diffuso, sembra fornire risultati migliori di quello deterministico, in un ‘ottica di analisi costi/benefici di opere e interventi

.

CONCLUSIONI

GRAZIE PER L’ATTENZIONE

Alberto [email protected]

tel. 329 5396774

Laddove non direttamente indicato nel testo , grafici e figure sono stati desunti dai seguenti indirizzi internet:

http://www2.ing.unipi.it/~a005843/Costruzioni%20in%20zona%20sismica/Nuova%20cartella/8-azione%20sismica.ppt.http://www2.ing.unipi.it/~a005843/Costruzioni%20in%20zona%20sismica/Nuova%20car

tella/7-1gdl-spettri%20inelastici.ppt.http://www.dica.unict.it/users/prossi/Files/Files%20Progetto/Lezione%2011%20Strutture%20(Spettri%20Normativa).pdf.https://www.unirc.it/documentazione/materiale_didattico/1466_2013_341_17724.pdfhttp://www.risknet-alcotra.org/rna/allegati/18-nov-fantilli_762.pdfhttp://geologilazio.it/public/file/normativa/NTC/2_NTC_ApplicazioniRoma_3.pdf.

Si ringraziano

il dott. LEONELLO SERVA (Ordine dei Geologi del Lazio)l’ing. VITTORIO LUCARELLI (Ordine Ingegneri di Latina)

per il materiale messo gentilmente a disposizione

previsione del sisma e prevenzione del …. 2 sommario il fenomeno sismico e gli effetti indotti...

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