Aircraft-impact-analysis-of-nuclear-safety-related-concrete-structures-A-review
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Aircraft-impact-analysis-of-nuclear-safety-related-concrete-structures-A-review
飞机碰撞
Review
Aircraftimpactanalysisofnuclearsafety-relatedconcrete
structures:A
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HuaJiang ,MiG.Chorzepa
CollegeofEngineering,TheUniversityofGeorgia,Athens,GA,USA
articleinfoabstract
Safety-relatednuclearstructures,includingconcretenuclearcontainmentvessels,
constructedbeforeSeptember11,2001,werenotpurposelydesignedtoresistanyimpact
loadinggreaterthanalightaircraftcrash.Since2001,safetyofnuclearfacilitiesagainsta
deliberateoraccidentallargecivilianaircraftimpacthasdrawnmuchattentionworldwide.
However,currentdesignguidesfornuclearstructuresprovidelimitedinformationon
analysismethodologiesforsuchaircraftimpact.Thisdocumentpresentsbasicgeneral
knowledgerequiredtoanalyzeconcretestructuresforanaircraftimpactandprovidesa
summaryofavailablenumericalandexperimentalinvestigationsthatmaybeusedto
benchmarkanaircraftimpactsimulation.Themethodologiesavailableforanaircraft
impactanalysisareoverviewedwithanemphasisonstructuraldamageanalysis.Constitu-
tivemodelsusedforconcrete,reinforcingsteel,andcompositematerialsareaddressedin
thispaper.
Ó2014ElsevierLtd.Allrightsreserved.Articlehistory:Received20March2014Receivedinrevisedform19June2014Accepted18August2014Availableonline26August2014Keywords:ConcretestructuresContainmentstructuresAircraftimpactanalysisNuclearPowerPlantRieramethodology
1.Introduction
Sincethemiddleofthe20thcentury,nuclearpowerhasbeenoneofthekeydevelopmentareasforenergygenerationand
isconsideredtoprovideoneofthemostpromisingstrategiesforreducingcarbonemissionsaroundtheworld.Asof2013,
thereare437NuclearPowerPlant(NPP)unitsin31countriesinoperation,and68plantsin15countriesunderconstruction
[1].Despiteofthenuclearproliferation,theriskofunforeseenbeyond-design-basiseventshasbecomeamajorconcernfor
NPPoperatorsandregulatorsaroundtheworldsincetheFukushimaaccidentin2011.Itisnotedthatnuclearsafety-related
concretestructures(CS)includecontainmentbuildings,shieldstructures/building,reactorbuildings,andotherstructures
withsimilarfunctionsinthispaper.
IntheUnitedStates,oldCSconstructedbeforeSeptember11,2001,wasnotpurposelydesignedtoresistanyimpactload-
inggreaterthanalightaircraftcrashwhichwastheaccepteddesign-basiscasedrawnfromtheimprobabilityorpurechance
ofacivilairlineraccidentallycrashingintoaNPP[2].Accidentallargeaircraftimpactisabeyond-design-basisevent,which
requiresriskevaluationusingprobabilisticassessmentmethodsasgiveninDOEStandard[3].SincethetragicSeptember11
incident,safetyofCSagainstadeliberateoraccidentallargecivilianaircraftimpacthasdrawnmuchattentionworldwide.
Abbreviations:NPP,NuclearPowerPlant;CS,concretestructures;DOE,departmentofenergy;NEI,NuclearEnergyInstitute;IAEA,InternationalAtomic
EnergyAgency;NRC,NuclearRegulatoryCommission;AIA,aircraftimpactanalysis;ACI,AmericanConcreteInstitute;ASME,AmericanSocietyof
MechanicalEngineers;ASCE,AmericanSocietyofCivilEngineers;DEM,discreteelementmethod;SPH,theSmoothParticleHydrodynamicMethod;FE,
FiniteElement;FD,FiniteDifference;DIF,DynamicIncreaseFactors. Correspondingauthor.
E-mailaddresses:huajiang2006@http://wendang.chazidian.com(H.Jiang),chorzepa@uga.edu(M.G.Chorzepa).
内容需要下载文档才能查看http://wendang.chazidian.com/10.1016/j.engfailanal.2014.08.008
1350-6307/Ó2014ElsevierLtd.Allrightsreserved.
飞机碰撞
H.Jiang,M.G.Chorzepa/EngineeringFailureAnalysis46(2014)118–133119
However,currentdesignguidesonnuclearsafety-relatedstructures[3–7]providelimitedinformationonanalysismeth-
odologiesforsuchaircraftimpact.DespitethefactthattheNEIguide[8]providesgeneralinformationonthistopic(i.e.reg-
ulatoryrequirementsforbeyonddesignbasis),itdoesnotincludedetailedanalysisproceduresandmaterialmodelsthat
characterizestructuraldamage.ManynumericalstudiesandinvestigationsonaircraftimpactofCShavebeenconducted
sofar;however,numericalmethodsemployedforanimpactanalysisvaryfromsimpletocomplex.Itisdif cultforanana-
lysttomakeadecisionintermsofanalysismethodologies,analysisprograms,constitutivemodels,andelementserosion
criteria.Therefore,thispapergivesanoverviewofaircraftimpactanalysis(AIA)methodologiesandresearch ndingsinthis
regard,includingbothexperimentalandnumericalevaluations.AtabularoverviewofAIApublicationswithdetailedinfor-
mationonthehydrocodes,modelingmethods,materialmodels,andfailuremodesofCSisalsoprovided.Besides,character-
istics,advantages,anddisadvantagesofdifferentAIAmethodologiesaresummarized.Thediscussionshereinarelimitedto
NPPouterCS,designedtohouseareactorandprimarysystemcomponents.Methodologiesemployedforprobabilityrisk-
basedassessmentsand reorexplosioneffectsinitiatedbyaircraftfuelarenotincludedinthispaper.
2.Basicgeneralknowledge
Generalknowledgeofthefollowingmethodologyandclassi cationsiscriticalinordertounderstandorperformanAIAof
CS.
2.1.TheRieramethodology
Riera[9]developedasimpleanalyticalformulatoapproximatetheload–timefunctionofanaircraftnormalimpact
againstarigidsurfacebasedonthemass,stiffnessdistributionandbucklingloadoftheaircraft.TheRiera’sformulahas
servedasabasisfortheforce–timehistoryanalysispresentedinSection4.1.ThismethodisincludedintheNEIreport
[8],andisadoptedintheDOEstandard[3]andothertechnicaldocuments[7].However,Abbasetal.[10]pointedoutthat
theRieraformulaisbasedonthegradualcrushingoftheprojectile,whichisnotrealisticandcangivemuchconservative
result.Theyproposedanapproachforcalculatingimpactforceonthebasisofconservationofmass,momentumandenergy
togetherwiththeconsiderationofcertainmodeofcollapse,andhighlightedtheerrorintheevaluationofreactiontime
responseusingtheconventionalapproachbyconsideringtheimpactofahollowcylindricalmissile.
2.2.Hardimpactversussoftimpact
Theretwocategoriesofstructuralimpact:softmissileimpact(impulsiveloading,impulsedriven)andhardmissile
impact(impactiveloading,energydriven).Twomethodshavebeenprimarilyproposedtoclassifysoftandhardimpacts:
2.2.1.MethodI
Eibl[11]classi estheimpactashardorsoftbasedonwhetherthemissiledeformabilityissmallorlargerrelativetothe
targetdeformabilityusingamass-springmodel(Fig.1a).Inthis gure,thespring,k1,representstheforceresultingfromthe
contactbetweenprojectile,m1,andtarget,m2.Thespring,k2,representstheresistingforceoftargetduetothedeformation
inthetarget.Twoequilibriumequationscanbewrittenasfollows,wherex1(t)andx2(t)denotedisplacementinthe
projectileandtarget,
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