Probabilistic seismic safety analysis of multi-component systems

Rajan, Sreelakshmy; Butenweg, Christoph; Klinkel, Sven; Sassu, Mauro

doi:10.18154/RWTH-2019-11190

Probabilistic seismic safety analysis of multi-component systems = Probabilistische seismische Sicherheitsanalyse von Multikomponentensystemen

2019

VerantwortlichkeitsangabeSreelakshmy Rajan

ImpressumAachen : Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Fakultät für Bauingenieurwesen, Lehrstuhl für Baustatik und Baudynamik 2019

Umfang1 Online-Ressource (XVI, 130 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-946090-07-6

ReiheSchriftenreihe des Lehrstuhls für Baustatik und Baudynamik der RWTH Aachen University ; 08 (2019)

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Klinkel, Sven (Thesis advisor)^RWTH* ; Sassu, Mauro (Thesis advisor) ; Butenweg, Christoph (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-10-25

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-11190
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/773565/files/773565.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Baustatik und Baudynamik (311810)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
aging in systems (frei) ; multidimesional fragility (frei) ; probabilistic (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Die Erdbebensicherheit eines Atomkraftwerks (AKW) wird anhand der zuverlässigen Funktionsweise der gesamten Anlage bewertet. Um die Sicherheitsfunktionen zu steuern, wird das AKW in mehrere Systeme, basierend auf den funktionalen und strukturellen Einheiten, eingeteilt. Eine häufig verwendete Methode zur Beurteilung der Erdbebensicherheit des AKWs ist die probabilistische Sicherheitsanalyse (PSA). In der PSA werden Ereignisbäume und Fehlerbäume verwendet, um die Systemanalyse der Anlage oder eine Unfallablaufanalyse durchzuführen. Die strukturellen und funktionellen Kopplungen zwischen den Komponenten eines Systems oder Subsystems werden im Fehlerbaum mit den logischen Operatoren ’UND’ oder ’ODER’ abgebildet. Diese sind jedoch nicht in der Lage die Interaktion zwischen den Komponenten in einem System effektiv darzustellen. Die in der vorliegenden Arbeit vorgestellte multidimensionale Fragilitätsanalyse ist eine alternative Methode der Systemanalyse, welche die Möglichkeit bietet, Fragilitätskurven, unter Berücksichtigung der Interaktion der einzelnen Komponenten, für Systeme und Subsysteme zu erstellen. Die Methode basiert auf dem Ansatz des mehrdimensionalen Grenzzustands. Im Gegensatz zur Fehlerbaumanalys werden in der multidimensionalen Fragilitätsanalyse die Systemfragilitätskurven durch Kombination der probabilistischen Reaktion der Komponenten und ihrer Grenzzustände erzeugt. Die vorgestellte multidimensionale Fragilitätsmethode verwendet zur Verbesserung der Berechnungseffizienz die Antwortflächenmethode (AFM) zur probabilistischen Analyse anstelle der standardmäßig verwendeten Monte Carlo Simulation (MCS). Die vorgeschlagene Methode wird erweitert, um die Schädigung aufgrund von Alterung zu berücksichtigen. Um die vorgeschlagene Methode anzuwenden und zu validieren, wird in dieser Arbeit ein Beispielsystem vorgestellt. Dazu wird eine Stahlbetonstruktur ausgewählt, die in der internationalen Benchmark-Studie SMART 2013 getestet wurde. Zusätzlich werden nichttragende Komponenten, wie Leitungen und ein Notfallgenerator, die ein Beispielsystem bilden, hinzugefügt. Für die Validierung der multidimensionalen Fragilitätsanalyse werden die erzeugten Systemfragilitätskurven mit denen verglichen, die mit der Fehlerbaumanalyse und dem Logikgatter ’ODER’ erzeugt wurden. Die Ergebnisse des Fehlerbaums entsprechen denen der multidimensionalen Fragilitätsanalyse mit unabhängiger Antwort, das heißt ohne Berücksichtigung der Interaktion der Komponenten. Ein Vergleich der Fragilitätskurven für das gewählte Beispielsystem unter Verwendung verschiedener Interaktionsfaktoren zeigt eine Abnahme der mittleren Kapazität mit einer Abnahme der Interaktionsfaktoren. Daraus folgt, dass die Interaktionsfaktoren einen wesentlichen Einfluss auf die Systemfragilitätskurven haben.

The seismic safety of a nuclear power plant (NPP) is assessed based on the reliable functioning of the entire plant. To control the safety functions, the NPP is divided into several systems based on the functional or structural units. A commonly used method for seismic safety analysis is the Seismic Probabilistic Safety Assessment (SPSA). In SPSA, classical event trees and fault trees are used to perform the system analysis or the accident sequence analysis for the plant. In the fault tree, the structural and functional couplings among the components within a system or subsystem are represented using the logic gates ’AND’ or ’OR’, which are not capable of effectively representing the interaction among the components in a system. An alternative method for system analysis, capable of generating system or subsystem fragility curves, including the interaction among the components called the multidimensional fragility analysis, is proposed in this thesis. The method is based on the multidimensional performance limit state approach. As opposed to the fault tree analysis, where the component fragilities are combined to derive the system fragility, in the multidimensional fragility analysis method, the system fragility curves are generated by combining the probabilistic responses of the components and their limit states. The definition of the system performance limit state allows to include the interaction of the responses of the components. The proposed method can be incorporated into the fault tree analysis software programs. The proposed multidimensional fragility method uses the response surface method (RSM) for the probabilistic analysis as opposed to generally used Monte Carlo Simulation (MCS) to improve computational efficiency. The method is also extended to account for degradation and aging in structure and components, since the structural aging causes brittle failure of the structure or components, compared to that of the predicted failure of the structure or the system. To apply and validate the proposed method, an example system is presented. For this, a reinforced concrete test structure, tested in the international benchmark study, SMART 2013, is selected. To this model, nonstructural components such as pipes and emergency generator are added, forming an example system. For the validation of the multidimensional fragility analysis method, the system fragility curves generated are compared with that generated using fault tree with ’OR’ gate. A comparison of the fragility curves for the chosen example system using different interaction factors shows a decrease in the median capacity with a decrease in the interaction factors values. This implies that the interaction factors have a significant influence on the system fragility curves.

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