umu.sePublications
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Numerical simulations of energy absorbing boundaries for elastic wave propagation in thick concrete structures subjected to impact loading
Umeå University, Faculty of Science and Technology, Department of Physics.
2012 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
Numeriska simuleringar av energiabsorberande ränder för elastisk vågutbredning i tjocka betongstrukturer utsatta för stötlaster (Swedish)
Abstract [en]

As many of the world’s nuclear power plants are near the end of their supposed life span a need arise to assess the components crucial to the safety of these plants. One of these crucial components is the concrete reactor confinement; to assess its condition, non-destructive testing (NDT) is an attractive method.

Traditional testing of concrete structures has comprised of drilling out a sample and performing stress tests on it, but because of the radioactive environment inside the containment this method is far from ideal. NDT is of course possible to use at any structure but at reactor containments the benefits from not creating holes in the structure are prominent; NDT is also an attractive option from an esthetical point of view because it leaves the structure intact.

The NDT method pertaining to this study is the impact echo method which comprise of applying a force on the structure, usually a hammer blow, and measuring the response with a receiver. The impact will excite waves propagating in the structure which gives rise to Lamb modes. Lamb modes are structural oscillations of the wall and it is the frequency of these modes that are used to determine the thickness of the wall. The elastic properties of the structure can in turn be obtained by measuring the velocities of the waves propagation. It is also possible to use the impact echo method to detect irregularities in the structure such as cracks or delamination.

To simulate the dynamics of a system using NDT numerical methods such as finite element modeling (FEM) is often used. The purpose of this study is to assess the possibility to utilize absorbing layers using increasing damping (ALID) in models to reduce the computational time of FEM analyses. ALIDs are used at the edges to simulate an infinite system and are thus supposed to cancel out incoming waves to prevent unwanted reflection from the edges. The models in this study have all pertained to two dimensional plates utilizing infinitesimal strain theory; the decrease in computational time is significant when using ALIDs and for three dimensional models it would be even more so.

The ALIDs are specified by length and maximum mass proportional Rayleigh damping (CMmax), in this study three different lengths are tested, 0.5, 1.5 and 4.5 m for CMmax ranging from 103 to 2*105 Ns/m. The damping is increased with increasing distance into the ALID with specified maximum value at the back edge. However, it should be noted that the increase in damping causes difference in impedance between elements and if this difference is too large it will cause reflections of waves at the boundary between the elements. The ALID must thus be defined so that it sufficiently cancels out the wave without causing unwanted reflections due to impedance differences.

The conclusion is that the 0.5 m long ALID does not provide good results for any choice of maximum mass proportional Rayleigh damping. Both the 1.5 and 4.5 m long ALIDs are, however, concluded to be applicable; the 1.5 m ALID having 2*104 < CMmax <5*104 Ns/m and the 4.5 m ALID having 5*103 < CMmax < 104 Ns/m are choices that have shown promise in the performed simulations.

The hope is that the results obtained in this study will aid in the development of numerical analysis techniques for NDT methods that can be used in the construction of new reactor confinements and/or maintenance of existing reactor confinements and other thick concrete structures.

Abstract [sv]

Många av världens kärnkraftverk närmar sig slutet på sin beräknade livslängd och ett behov uppstår då att kunna utvärdera de komponenter som är väsentliga för säkerheten på dessa verk. Reaktoromslutningen i betong är en av dessa komponenter och oförstörande provning (NDT) är en attraktiv metod för att bedöma dess tillstånd.

Traditionellt har utvärdering av betongkonstruktioner bestått av stresstester på borrprover men p.g.a. den radioaktiva miljön på insidan av omslutningen är denna metod ej att föredra. NDT är självklart möjligt att använda på allsköns betongkonstruktioner då det ger både konstruktionsmässiga och estetiska fördelar.

NDT metoden som rör denna studie kallas impact echo och går ut på att man med en hammare slår till en punkt på väggen och mäter responsen en bit därifrån. Lasten ger upphov till vågor i form av deformation som propagerar i väggen och dessa ger i sin tur upphov till Lamb moder. Lamb moderna är strukturella oscillationer av väggen och genom att studera dess frekvenser kan väggens tjocklek bestämmas. Elastiska egenskaper i väggen erhålls utifrån de olika vågornas propageringshastigheter. Impact echo metoden kan även användas för att finna strukturella oegentligheter inuti väggen så som sprickor och delaminering.

För att utföra numeriska simuleringar av dynamiska system med NDT-metoder är finita elementmetoden (FEM) användbar. Syftet med denna studie är att bedöma vilka möjligheter som finns för att implementera absorberande ränder med ökande dämpning (ALID) i datamodeller för att minska beräkningstiden av FEM-analyser. ALID används vid kanterna för att simulera ett oändligt system, dess uppgift är att dämpa bort inkommande vågor så att dessa ej reflekteras tillbaka och stör mätningarna. Samtliga modeller i denna studie är två-dimensionella med antagen oändligt liten spänning i normalriktningen. Vinsten i beräkningstid av att använda ALID är stor och ökar ytterligare om modellen utökas till tre dimensioner.

Ett ALID definieras genom dess längd och maximala massproportionerlig Rayleigh-dämpning (CMmax). I denna rapport har längderna 0.5, 1.5 and 4.5 m använts med CMmax i intervallet från 103 till 2*105 Ns/m. Dämpningen ökar med ökat avstånd in i ALID med det specificerade maxvärdet vid den bakre kanten. Det bör noteras att skillnad i dämpning mellan element leder till skillnad i impedans; reflektioner av vågorna uppstår vid övergång från ett element med lägre impedans till ett med högre impedans. Ett ALID måste således vara definierat så att det dämpar bort tillräckligt av de inkommande vågorna utan att oönskade reflektioner i ALID uppstår.

Studien pekar på att ett 0.5 m långt ALID inte åstadkommer önskvärda resultat för något av valen för CMmax som använts i denna rapport. Både det 1.5 och 4.5 m långa ALID har däremot get bra resultat; ett 1.5 m långt ALID bör ha 2*104 < CMmax <5*104 Ns/m och ett 4.5 m långt ALID 5*103 < CMmax < 104 Ns/m.

Förhoppningen med studien är att resultaten skall underlätta utvecklingen av NDT-metoder som kan användas vid konstruktion och underhåll av reaktoromslutningar och andra tjocka betongkonstruktioner.

Place, publisher, year, edition, pages
2012. , 64 p.
Keyword [en]
Numerical simulations, elastic media, wave propagation, concrete, impact loading, energy absorbing boundaries, longitudinal, primary wave, secondary wave, shear, Rayleigh damping, Rayleigh wave
National Category
Other Physics Topics
Identifiers
URN: urn:nbn:se:umu:diva-58015OAI: oai:DiVA.org:umu-58015DiVA: diva2:546425
Subject / course
Examensarbete i teknisk fysik
Educational program
Master of Science Programme in Engineering Physics
Presentation
2012-06-14, N320, Naturvetarhuset, Umeå, 10:00 (Swedish)
Uppsok
Technology
Supervisors
Examiners
Available from: 2013-01-19 Created: 2012-08-23 Last updated: 2013-01-19Bibliographically approved

Open Access in DiVA

Numerical simulations of energy absorbing boundaries for elastic wave propagation in thick concrete structures subjected to impact loading(1947 kB)1120 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 1947 kBChecksum SHA-512
6956b4c568e02300fc7d0e3a5a26afb13ae48c7276d4fd5a008be0914b9347204f0d58cca21472eb0cd55dd0f25bd77cebe57b8062287b76d63300b6847f680a
Type fulltextMimetype application/pdf

Search in DiVA

By author/editor
Olsson, Daniel
By organisation
Department of Physics
Other Physics Topics

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 1120 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 176 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf