Standard guideline for the seismic response analysis method using three-dimensional finite element model of reactor buildings (Contract research) (Translated document)

崔 炳賢; 西田 明美; 川田 学; 塩見 忠彦; Li, Y.

JAEA-Research 2024-001, 206 Pages, 2024/03

JAEA-Research-2024-001.pdf:9.12MB

原子力発電施設における建物・構築物の地震応答解析においては、我が国では、従来より質点系モデルが用いられてきたが、近年の解析技術の発展により、立体的な建物を3次元的にモデル化し、建物の3次元挙動、建物材料の非線形性、建物及び地盤間の非線形性等を考慮した有限要素法による地震応答解析が実施されるようになってきた。3次元モデルによる有限要素解析(3次元FEM)は、複雑で高度な技術が用いられる一方、汎用性があるために広く利用され、原子力分野以外では構造物のモデル化、材料物性の非線形特性の信頼性を確保するためのガイドラインの策定や技術認定などがなされるようになってきた。原子力分野においては、IAEAにより平成19年(2007年)新潟県中越沖地震における質点系モデル、3次元FEMモデルによる観測記録の再現解析がKARISMAベンチマークプロジェクトとして実施され、複数の解析者の解析結果が報告された。その報告によると、解析者により解析結果にばらつきが大きいということが判明され、解析手法の標準化による解析結果の信頼性の確保が急務となっている。また、原子力発電施設の強非線形領域の現実的な挙動の評価が必要となる建物・構築物・機器のフラジリティ評価においても詳細な3次元挙動把握の必要性が指摘されている。こうした背景を踏まえ、原子炉建屋を対象とした地震応答解析に用いられる3次元FEMモデルの作成及び解析にあたって必要となる一般的・基本的な手法や考え方を取りまとめて標準的解析要領を整備した。これにより原子炉建屋の3次元FEMモデルによる地震応答解析手法の信頼性向上につながることが期待される。本標準的解析要領は、本文、解説、及び解析事例で構成されており、原子炉建屋3次元FEMモデルを用いた地震応答解析の実施手順、推奨事項、留意事項、技術的根拠等が含まれている。また、本標準的解析要領は、最新知見を反映し、適宜改訂する。

A Study on improvement of three-dimensional seismic analysis method of nuclear building using a large-scale observation system, 3; Improvement and validation of three-dimensional seismic analysis method

崔 炳賢; 西田 明美; 塩見 忠彦; 川田 学; 飯垣 和彦; 山川 光稀*

Transactions of the 27th International Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology (SMiRT 27) (Internet), 8 Pages, 2024/03

原子力施設の地震に対する損傷確率(フラジリティ)評価手法の精度向上に資するため、3次元耐震解析手法の高精度化を目的とし、研究開発を進めている。2019年からは、原子力規制庁と原子力機構との共同研究の一環として、原子力機構の施設である高温工学試験研究炉(HTTR)を対象とし、地盤や建屋の床だけでなく壁にも加速度計を多数設置するとともに、自然地震と人工波に対する多点同時観測が可能な大規模観測システムを構築し、観測データを活用した原子力施設の3次元耐震解析手法の精度向上及び妥当性確認に取り組んでいる。本論文では、本研究で整備した建屋3次元詳細解析モデルを対象に、(その1)及び(その2)で得られた建屋の振動特性を反映してモデルを改良し、建屋応答の再現性向上を確認した結果について報告する。これまでに、建屋の振動特性に係るモデル化手法の重要因子及び設定方法について検討するとともに、観測記録との比較を踏まえて、建屋の床モデルの詳細化や大型設備の追加等により3次元詳細解析モデルを改良し、地震観測記録の再現性向上を図った。

Analytical study for low ground contact ratio of buildings due to the basemat uplift using a three-dimensional finite element model

崔 炳賢; 西田 明美; 塩見 忠彦; 川田 学; Li, Y.; 太田 成*; 園部 秀明*; 猪野 晋*; 宇賀田 健*

Mechanical Engineering Journal (Internet), 10(4), p.23-00026_1 - 23-00026_11, 2023/08

https://doi.org/10.1299/mej.23-00026

原子力施設における建物の耐震評価において、地震時の転倒モーメントによって建物の基礎底面が地盤から部分的に浮上る現象は、建物自体の耐力や構造安全性に関わる問題だけではなく、建物内に設置される機器類の応答に影響を及ぼすため、非常に重要な問題である。一方、建物の基礎浮上りによる基礎底面と地盤との間の接地率が小さくなる場合の建物の地震時挙動については、実験や解析的検討が十分とはいいがたい。そこで、本研究では、建物の基礎浮上りに係る既往実験を対象とし、3次元詳細解析モデルを用いたシミュレーション解析を行い、解析手法の妥当性について確認した。解析コードによる結果の違いを確認するために、3つの解析コード(E-FrontISTR, FINAS/STAR, TDAPIII)を用いて同じ条件で解析を実施し、得られた結果を比較した。解析結果については、低接地率状態となる試験体底面の付着力の違いによる建物の応答への影響、解析手法の精度等について考察した。また、建物の応答に係る解析結果への影響が大きいと判断された解析パラメータについては、感度解析により解析結果への影響を具体的に確認した。本論文では、これらの検討を通して得られた知見について述べる。

Analytical study for low ground contact ratio of buildings due to the basemat uplift using a three-dimensional finite element model

崔 炳賢; 西田 明美; 塩見 忠彦; 川田 学; Li, Y.

Proceedings of 29th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE 29) (Internet), 6 Pages, 2022/08

原子力施設における建物の耐震評価において、地震時の転倒モーメントによって建物の基礎底面が地盤から部分的に浮上る現象は、建物自体の耐力や構造安全性に関わる問題だけではなく、建物内に設置される機器類の応答に影響を及ぼすため、非常に重要な問題である。一方、建物の基礎浮上りによる基礎底面と地盤との間の接地率が小さくなる場合の建物の地震時挙動については、実験や解析的検討が十分とはいいがたい。そこで、本研究では、建物の基礎浮上りに係る既往実験を対象とし、3次元詳細解析モデルを用いたシミュレーション解析を行い、解析手法の妥当性について確認した。解析コードによる結果の違いを確認するために、3つの解析コード(E-FrontISTR, FINAS/STAR, TDAPIII)を用いて同じ条件で解析を実施し、得られた結果を比較した。解析結果については、低接地率状態となる試験体底面の付着力の違いによる建物の応答への影響、解析手法の精度等について考察した。また、建物の応答に係る解析結果への影響が大きいと判断された解析パラメータについては、感度解析により解析結果への影響を具体的に確認した。本論文では、これらの検討を通して得られた知見について述べる。

原子炉建屋の3次元有限要素モデルを用いた地震応答解析手法に関わる標準的解析要領(受託研究)

崔 炳賢; 西田 明美; 川田 学; 塩見 忠彦; Li, Y.

JAEA-Research 2021-017, 174 Pages, 2022/03

JAEA-Research-2021-017.pdf:9.33MB

原子力発電施設における建物・構築物の地震応答解析においては、我が国では、従来より質点系モデルが用いられてきたが、近年の解析技術の発展により、立体的な建物を3次元的にモデル化し、建物の3次元挙動、建物材料の非線形性、建物及び地盤間の非線形性等を考慮した有限要素法による地震応答解析が実施されるようになってきた。3次元モデルによる有限要素解析(3次元FEM解析)は、複雑で高度な技術が用いられる一方、汎用性があるために広く利用され、原子力分野以外では構造物のモデル化、材料物性の非線形特性の信頼性を確保するためのガイドラインの策定や技術認定などがなされるようになってきた。原子力分野においては、IAEAにより平成19年(2007年)新潟県中越沖地震における質点系モデル、3次元FEMモデルによる観測記録の再現解析がKARISMAベンチマークプロジェクトとして実施され、複数の解析者の解析結果が報告された。その報告によると、解析者により解析結果にばらつきが大きいということが判明し、解析手法の標準化による解析結果の信頼性の確保が急務となっている。また、原子力発電施設の強非線形領域の現実的な挙動の評価が必要となる建物・構築物・機器のフラジリティ評価においても詳細な3次元挙動把握の必要性が指摘されている。こうした背景を踏まえ、原子炉建屋を対象とした地震応答解析に用いられる3次元FEMモデルの作成及び解析にあたって必要となる一般的・基本的な手法や考え方を取りまとめて標準的解析要領を整備した。これにより原子炉建屋の3次元FEMモデルによる地震応答解析手法の信頼性向上につながることが期待される。本標準的解析要領は、本文、解説、及び解析事例で構成されており、原子炉建屋の3次元FEMモデルを用いた地震応答解析の実施手順、推奨事項、留意事項、技術的根拠等が含まれている。また、本標準的解析要領は、最新知見を反映し、適宜改訂する。

Assessment of seismic fragility using a three-dimensional structural model of a reactor building

西田 明美; 崔 炳賢; 塩見 忠彦; 川田 学; Li, Y.

Proceedings of 28th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE 28) (Internet), 10 Pages, 2021/08

https://doi.org/10.1115/ICONE28-64300

新規制基準では地震等の外部事象評価の厳格化が求められるとともに、安全性向上評価に関する運用ガイドでは評価方法として確率論的リスク評価が挙げられている。地震を起因とした確率論的リスク評価(地震PRA)においては、建屋や配管等の応答や損傷確率(フラジリティ)のより現実的な評価が重要な課題となっている。以上の背景から、われわれは、耐震安全上重要な建屋や配管等を対象に、現実的応答解析手法やフラジリティ評価手法等の整備に取り組んでいる。本研究では、設計を超える地震動を入力として、建屋3次元詳細モデルを用いた地震応答解析を実施し、建屋の3次元挙動を考慮することで耐震安全上重要な配管等の設備にかかわる注目部位のフラジリティを評価した。本論文では、地震応答解析を通して得られた建屋の局部応答や詳細な損傷過程及びフラジリティの検討結果について報告する。

CADデータを活用した原子力施設の大規模3次元地震応答解析

西田 明美; 塩見 忠彦*

日本建築学会2007年度大会学術講演梗概集, p.1071 - 1072, 2007/08

原子力施設の安全性を従来以上の信頼性を持って検証するために、近年発達の著しい計算科学技術を活用し、安全かつ効率的なプラントの安全性検証に貢献することが強く求められている。そのような中、われわれの室では、中期計画として並列分散計算機環境における3次元仮想振動台システムの開発に取り組んでいる。今般、3次元仮想振動台で実現を目指している、複雑・大規模構造物である原子力施設全体規模の3次元振動解析を可能とするシミュレーションシステムのモデルデータとして大洗研究開発センターHTTR建屋データを利用し、地震応答解析を実施した。この建屋応答を機器等の支持部の入力とすることで、機器等の詳細な応力評価が可能となる。図面に基づくCADデータから部品ごとに異なるメッシュ精度でデータ作成を可能とするシステムを構築し、これまでに開発してきた部品間の不整合問題を解決できる技術と合わせることで、煩雑なモデル化作業の負荷を低減することが可能となり、建屋と機器を連携させた原子力施設全体規模の3次元振動解析の実現の見通しを得たので、本稿にて報告する。

原子炉建屋のモデル化手法の違いによる地震応答解析結果への影響評価

崔 炳賢; 西田 明美; 塩見 忠彦; 村松 健*; 高田 毅士*

no journal, , 

本研究では、原子力施設の確率論的地震リスク評価の信頼度向上に資するため、原子炉建屋のモデル化手法の違いによる地震応答解析結果への影響を評価し、フラジリティ評価における認識論的不確実さを分析することを目的としている。現実的な応答を得るため、ハザード適合地震波群を入力地震動として用い、原子炉建屋の3次元詳細モデルと質点系モデルによる地震応答解析を実施した。特に機器への入力となる床応答に着目し、両モデルの床応答を統計的に分析し、質点系モデルに対する3次元詳細モデルの応答比でまとめ、3次元詳細モデル効果について、得られた知見を報告する。

3次元FE解析による低接地率基礎浮上り挙動の検討,4; 低接地率の誘発上下動

塩見 忠彦; 西田 明美; 川田 学; 崔 炳賢; 太田 成*; 園部 秀明*; 猪野 晋*

no journal, , 

本研究では、建物の基礎浮上りに係る既往実験又は解析を対象として、3次元詳細解析モデルを用いた再現解析を行い、低接地率となる場合の基礎浮上りに係る解析手法の妥当性について確認した。特に、試験体底面の付着力の違いによる建物の加速度、速度等の応答への影響、解析手法の精度等について考察した。また、建物の応答に係る解析結果への影響が大きいと判断された解析パラメータについては、感度解析により解析結果への影響を具体的に確認した。さらに、解析コード間の差を確認するため、3つの解析コード(TDAPIII, E-FrontISTR, FINAS/STAR)を用いて同条件で解析を実施した結果、概ね同等な解析結果が得られ、低接地率に至る挙動を再現できることを確認した。本報では、その1からその3までの再現解析結果について、接地率が65%以下の領域の誘発上下動に注目して分析した。その結果、低接地率に至る地震時の基礎浮上り挙動のメカニズムについて明らかにした。以上より、得られた知見について報告する。

3次元FE解析による低接地率基礎浮上り挙動の検討,3; 実験の再現解析(2)

園部 秀明*; 太田 成*; 猪野 晋*; 崔 炳賢; 西田 明美; 川田 学; 塩見 忠彦

no journal, , 

本研究では、建物の基礎浮上りに係る既往実験又は解析を対象として、3次元詳細解析モデルを用いた再現解析を行い、低接地率となる場合の基礎浮上りに係る解析手法の妥当性について確認した。特に、試験体底面の付着力の違いによる建物の加速度、速度等の応答への影響、解析手法の精度等について考察した。また、建物の応答に係る解析結果への影響が大きいと判断された解析パラメータについては、感度解析により解析結果への影響を具体的に確認した。さらに、解析コード間の差を確認するため、3つの解析コード(TDAPIII, E-FrontISTR, FINAS/STAR)を用いて同条件で解析を実施した結果、概ね同等な解析結果が得られ、低接地率に至る挙動を再現できることを確認した。本報では、基礎浮上りに係る付着力の影響について検討した既往の遠心載荷実験(今村らの実験)を対象に、解析コードE-FrontISTRによる再現解析を実施した。実験と解析を比較した結果、材料試験より得られた付着強度に基づく解析では実験との違いが大きいことを確認し、実際の付着強度の設定には課題があることが明らかとなった。以上より、得られた知見等を報告する。