Parametric Study on the Design Methodology of Post-Tensioned Nuclear Containments with High Performance Concrete

Abstract

Prestressed concrete containment vessels (PCCVs) play an important role in the safety of nuclear power plants, functioning as the final line of defense against the uncontrolled release of radioactive substances in the defense-in-depth safety philosophy of nuclear facilities. However, the construction of a concrete containment has historically been prone to many cost overruns and schedule delays overseas, which calls for qualitative leaps in PCCV design in order to maintain relevance and economic viability against competing steel containments.

The implementation of high performance concrete has the potential to reduce the amount of required reinforcing steel in a PCCV, which will reduce field labor as well as congestion. Concrete which exhibits high strength can allow for higher levels of prestressing, which can keep concrete in compression against postulated design accidents. In addition, cementitious materials reinforced with steel fiber such as ultra high-performance concrete (UHPC) are known to exhibit notable tensile ductility, and design guidelines which consider their tensile strength are being developed around the world.

However, there is a lack of codification effort with regard to utilizing high performance concrete in the design of concrete containments. This study performs parametric studies on the required volume of reinforcing steel according to parameters related to the implementation of high performance concrete. The variables are level of prestressing, the consideration of prestressing, concrete strength and the implementation of concrete tensile strength. Structural analysis is performed under primary factored loads defined in ASME BPVC III-2 using commercial finite element analysis software. Axial and flexural design is performed according to ASME Code Case N-850, while tangential shear design is performed according to ASME BPVC III-2. Also, the axial and flexural design methodology is expanded upon, where prestressing is considered as part of the axial/flexural capacity instead of a postulated load.

The results of the parametric study indicate that the consideration of prestressing as either demand or capacity affects the positional relationship between the P-M curves and factored loads, and consequently the resulting reinforcing steel layouts as well. The benefits of enhanced compressive strength mainly pertain to the increased maximum level of prestressing, and the direct alleviation in reinforcement requirements is marginal compared to the required strength increase. The consideration of tensile strength in UHPC, on the other hand, showed direct and meaningful reductions in reinforcing steel requirements.

While this study does not encompass all domains of design from conception to licensing, the results of this study are nonetheless expected to provide insights on the tendencies of reinforcing requirements according to enhanced mechanical properties of concrete, while adhering to design principles based on ASME Code.

프리스트레스트 콘크리트 격납건물은 원자력시설의 심층방어개념의 일환으로서, 방사성 물질의 유출을 방지하는 최종적 방벽으로 기능하여 원자력 발전소의 안전을 담보한다. 그러나 해외 등지에서 콘크리트 격납건물 건설 시 비용초과와 공기지연이 대두되어 국제시장에서 강재 격납용기와 비교하여 경쟁력을 확보하기 위해서는 콘크리트 격납건물 설계의 질적인 향상이 요구되고 있다.

본 연구는 콘크리트 격납건물에 고성능 콘크리트 적용 시 요구철근량이 감축되어, 시공성이 개선되고 철근 과밀화를 최소화할 수 있는 가능성에 주목한다. 우선, 콘크리트의 압축성능 개선으로 보다 높은 프리스트레스력을 가할 수 있는 경우, 설계사고 시에도 콘크리트가 압축 상태에 있도록 설계할 수 있다. 또한, 초고성능콘크리트(UHPC)와 같이 강섬유가 보강된 시멘트 복합재료의 경우 유의미한 인장연성거동을 보이며, 이러한 특성을 반영한 설계지침이 전세계적으로 개발되는 중이다.

현재는 콘크리트 격납건물에 고성능 콘크리트를 적용하는 방안과 관련된 기술기준 및 설계지침 마련과 관련된 연구가 미흡한 실정이다. 따라서 본 논문은 고성능 콘크리트의 도입과 관련된요건에 따른 요구철근량의 변화를 평가하는 매개변수 연구를 수행하였다. 가정된 매개변수는 프리스트레스력의 크기, 설계에서 프리스트레스력 도입방식, 콘크리트 압축강도, 그리고 콘크리트의 인장강도 고려여부이다. 구조해석은 상용 유한요소해석 프로그램을 사용하여 ASME BPVC III-2에서 정의하는 1차 계수하중에 대해 수행되었다. 휨과 축하중에 대한 설계는 ASME Code Case N-850에 따라 진행되었으며, 접선전단하중에 대한 설계는 ASME BPVC III-2에 따라 수행되었다. 또한, 프리스트레스력을 설계하중이 아닌 휨인장강도의 일부로서 고려하여 휨과 축하중에 대한 설계 방법론을 확장시켰다.

매개변수 연구수행의 결과로, 우선 프리스트레스력을 하중 혹은 강도의 일부로서 고려하는 여부에 따라 P-M 상관도와 계수하중 사이의 양상이 달라지고, 그에 따라 배근양상이 달라짐을 확인할 수 있다. 콘크리트의 압축강도 개선은 주로 최대 허용 프리스트레스력을 증가시키는 데에서 이점을 보이며, 압축강도에 따른 철근량의 직접적인 감소량은 미미한 수준이다. 이에 반면, UHPC 적용시 인장강도 고려 여부에 따른 요구철근량은 직접적이고 유의미한 수준으로 감소되었다.

본 연구는 콘크리트 격납건물의 구상단계에서 인허가에 이르기까지의 광범위한 설계영역을 아우르지는 못하나, 그럼에도 매개변수 연구의 결과는 ASME 설계코드에 정립된 방법론을 따르는 동시에, 고성능 콘크리트의 특성과 요구철근량의 관계성에 대한 통찰을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.