Espectros de respuesta a terremotos

El diseño sísmico de plantas de energía nuclear, al igual que la mayoría de las aplicaciones de ingeniería, se basa generalmente en el espectro de respuesta, que muestra la aceleración máxima experimentada por un oscilador de un solo grado de libertad (SDOF) sujeto a un movimiento de tierra particular de un terremoto. Al igual que en la práctica en la mayoría de los entornos normativos de todo el mundo, en el Reino Unido el espectro de respuesta del diseño debe definirse mediante una frecuencia anual

para el diseño deben ser determinadas a través del análisis probabilístico de riesgo sísmico (PSHA), como fue formulado originalmente por Cornell (1968), En el Reino Unido, el diseño y análisis sísmico de centrales nucleares (NPP) se basa generalmente en formas espectrales estándar establecidas en la década de 1980. En las décadas que han transcurrido desde que se desarrollaron estas representaciones de los movimientos de diseño del Reino Unido, El espectro de respuesta muestra la aceleración máxima contra el período natural, T, del sistema SDOF, dado por el siguiente ecuación: √

T = 1 = 2             metro

       F              k

dónde metro es la masa del oscilador y k su rigidez a la flexión; F es la frecuencia natural de vibración. La aceleración espectral es la suma máxima de la aceleración base más la aceleración de la masa relativa a la base durante todo el intervalo de la vibración. Para un sistema con período natural T = 0, el oscilador tiene una rigidez infinita, por lo que la masa no vibra con respecto a la base y la aceleración espectral es igual a la aceleración máxima del suelo (PGA), el espectro de respuesta de aceleración siempre se ancla en PGA en un período cero, El espectro RG 1.60 se ha aplicado principalmente en el centro y este de los Estados Unidos (CEUS), ya que aquí es donde se han ubicado la mayoría de las centrales nucleares de los EE. UU. Los movimientos del suelo de los terremotos en CEUS tienden a ser ricos en radiación de alta frecuencia como resultado de caídas de alta tensión y sitios de roca muy dura (p. ej., Toro y col., 1997; Atkinson y Boore, 2006), y el espectro RG 1.60 se ha considerado deficiente en el rango de alta frecuencia por este motivo. El espectro utilizado para el diseño del reactor Westinghouse AP1000, El espectro RG 1.60 se derivó para el diseño de centrales nucleares en los Estados Unidos (USAEC, 1973). El espectro se derivó siguiendo el Newmark y Hall (1969) enfoque utilizando un subconjunto de la base de datos relativamente, Aunque la diferencia entre los dos espectros parece modesta, a una frecuencia de respuesta de 25 Hz, el espectro AP1000 es en realidad aproximadamente un 30% mayor que la correspondiente ordenada RG 1,60. Los espectros de PML se derivaron esencialmente siguiendo el Newmark y Hall (1969) enfoque para desarrollar tres formas espectrales lineales por partes para tres clases de sitios, definidas simplemente como Difícil, Medio y Suave Las formas espectrales se normalizaron a un PGA de 1.0 gramo, y aunque nominalmente anclados en períodos de respuesta intermedios y largos a PGV y PGD respectivamente, estas dos últimas cantidades se obtienen de relaciones con PGA. Las formas espectrales de PML se obtuvieron para valores de amortiguación entre 0,5% y 10% del crítico, se obtuvieron utilizando un total de 49 acelerogramas de movimiento fuerte de tres componentes de todo el mundo, seleccionados para ser de sitios de grabación de campo libre a una distancia de menos de 50km de terremotos con magnitud METRO s entre 4 y 6, y con profundidades focales de menos de 25-30 km. Reevaluación posterior de la base de datos utilizada para este estudio ha identificado algunas inconsistencias menores con respecto a los criterios de selección establecidos

Con un total de solo 49 registros distribuidos entre las 3 clases de sitios, es probable que los resultados hayan sido sensibles a tales variaciones; de hecho, el PML (1981) estudio en realidad señala que " el número de registros en cada subconjunto, y en particular en el conjunto de datos de terreno duro, es lo suficientemente pequeño como para que la contribución de un solo acelerograma tenga un efecto de desequilibrio. “Ahora hay disponible una base de datos enormemente ampliada para determinar de manera robusta las formas espectrales promedio, y ha habido grandes mejoras en la caracterización de los factores que influyen en las amplitudes y formas espectrales de respuesta. Un ejemplo notable, que podría incorporarse fácilmente a dichos espectros estándar, es la clasificación de los efectos de respuesta del sitio en términos de la velocidad media de la onda de corte en los 30 m superiores del sitio. También ha habido avances importantes en el procesamiento de acelerogramas de movimiento fuerte, Sin embargo, además de señalar que la derivación de formas espectrales estándar para diferentes clases de sitios podría realizarse de manera más sólida, también hay cuestiones más fundamentales que deben tenerse en cuenta. Un punto particularmente importante para tener en cuenta es que los espectros de PML se obtuvieron utilizando el enfoque de Newmark-Hall desarrollado para su aplicación dentro de un marco de análisis de peligros sísmicos determinista. Por lo tanto, al igual que otros espectros fragmentarios de la misma época, las formas se basaron en las ordenadas del percentil 84 (media más una desviación estándar) de los espectros normalizados para proporcionar un grado de conservadurismo. Dado que se ha adoptado un marco probabilístico para evaluar las cargas sísmicas de las instalaciones nucleares en el Reino Unido, el uso de formas espectrales definidas de esta manera podría ser severamente sobre conservador ya que la variabilidad del movimiento del suelo se tomará automáticamente en cuenta en la derivación, a través de PSHA, del valor de PGA al que se anclarán las formas. Usando las ordenadas espectrales del percentil 84 ancladas a un cálculo probabilístico, l 2% al 7% del crítico, se modificó del espectro RG 1.60. La modificación tuvo en cuenta alrededor de 80 grabaciones de movimiento fuerte no consideradas en la derivación del espectro RG 1.60 anterior, ecuaciones de predicción de movimiento del suelo para CEUS y espectros de peligro uniformes derivados para sitios en el este de América del Norte en el 10 - 4 frecuencia de superación anual. La diferencia esencial con el espectro RG 1.60 fue una frecuencia de control adicional (a 25Hz) y una amplitud espectral más alta que el espectro RG 1.60 en esta frecuencia, Aunque la diferencia entre los dos espectros parece modesta, a una frecuencia de respuesta de 25 Hz, el espectro AP1000 es en realidad aproximadamente un 30% mayor que la correspondiente ordenada RG 1,60 Los espectros del EUR son otro conjunto de formas lineales por partes definidas para diferentes clases de sitios. Las clases de sitio Duro, Medio y Blando se definen en términos de rangos de varios parámetros, incluida la velocidad de la onda de corte, de la siguiente manera: Suave 200–500 m / s; Medio 600-1000 m / s; Duro 1200-2500 m / s. Al igual que con los espectros PML, las porciones lineales por partes del espectro se basan en PGA, PGV y PGD escalados por factores dependientes de la frecuencia (con variaciones para diferentes relaciones de amortiguación hasta un 30% del crítico); PGV y PGD se escalan directamente desde PGA. Las formas espectrales especificadas en Eurocode8 (CEN, 2004) areocca citada en el contexto de la ingeniería nuclear, lo que tal vez sea sorprendente dado que hay una declaración muy explícita en el código de que sus disposiciones no se aplican a instalaciones críticas como las centrales nucleares. Esto se debe a que el código no proporciona una metodología de diseño completa para cuestiones de seguridad y rendimiento relevantes para las centrales nucleares, Para proporcionar un espectro de respuesta elástica específico del sitio para el diseño cuando se utilizan formas espectrales estandarizadas como las propuestas por PML, se requiere una estimación del valor de PGA específico del sitio como el punto de anclaje que escala todas las coordenadas de aceleración.  posteriormente, se elaboró una segunda ecuación (PML, 1985) basado únicamente en registros obtenidos a distancias relativamente cortas Un perfeccionamiento del espectro EC8 en comparación con las formas espectrales PML y EUR es que se define para 5 clases de sitios diferentes, que se definen en términos de V s30 rangos (A: V s30> 800 m / s, B: V s30 360–800 m / s; C: V s30 180–360 m / s; D: V s30 < 180 m / s; clase E corresponde a capas delgadas de suelo de clase Cord sobre clase Arock). Espectro de peligro uniforme Si la frecuencia anual (o probabilidad) de excedencia de los movimientos de diseño es una consideración importante, lo cual debe serlo si se va a adoptar un enfoque basado en el riesgo para la seguridad sísmica de las centrales nucleares, entonces las aceleraciones experimentadas por diferentes estructuras, sistemas y componentes, con diferentes frecuencias de vibración - todos deben estar en el mismo nivel objetivo. Dado que la forma del espectro de respuesta está fuertemente influenciada por la magnitud del terremoto, así como por la naturaleza de la geología cercana a la superficie en el sitio, es poco probable que el uso de formas fijas ancladas a PGA produzca espectros de respuesta que tengan el objetivo de excedencia. frecuencia en la mayoría de los períodos de respuesta, incluso cuando el valor de PGA se ha obtenido adecuadamente de un PSHA, Se puede obtener un espectro de peligro uniforme (UHS) realizando varios cálculos de PSHA, cada uno de los cuales usa una ecuación predictiva para la aceleración espectral en un período de respuesta diferente. Seleccionando de cada PSHA la aceleración espectral con la frecuencia de excedencia objetivo, y trazando estos valores contra el período de respuesta correspondiente, se construye un espectro de respuesta en el que cada ordenada tiene la frecuencia de excedencia anual objetivo. En algunos entornos regulatorios, el UHS se ha convertido ahora en el enfoque estándar para definir las cargas de diseño sísmico (p. ej., USNRC, 2007), pero muchos todavía persisten con espectros lineales a trozos anclados a PGA. En el Guía de evaluación técnica (TAG) para peligros externos, el anexo sobre terremotos establece que “HMNII ha aceptado el principio de los espectros UHS. Sin embargo, HMNII no ha aceptado ningún espectro UHS [ sic] para fines de diseño debido a la preocupación por evitar deliberadamente el conservadurismo “(HSE, 2009).

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