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Validation of Ebasco Foundation Spring Modeling for Elastic Half-Space Seismic Model
	ML20203E632
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Site:	Satsop
Issue date:	06/30/1986
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	NUDOCS 8607240192
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O WASHINGTON PUBLIC POWER SUPPLY SYSTEM

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l JUNE 1986 2

8607240192 860714 PDR ADOCK 05000508 E PDR.,

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-> CONTENTS PAGE I. INTRODUCTION 1 ,

ANALYSIS CONCLUSIONS 1 II.

III. BACKGROUND NOTES 2 IV. ANALYSIS 3 FIGURES I - 4 APPENDIX A I

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I. INTRODUCTION This document summarizes the analyses completed by the Supply System in regard to Ebasco's assumptions in deriving the foundation -

springs utilized in the alternate " elastic hal f-space" plant -

seismic model. This model was created in response to the NRC's Structural Desip Audit Finding No.1. Due to WNP-3's somewhat unique foundation design featuring a deeply embedded eat on a rock site, it is critical that the foundation springs properly account

! for embedmont as well as the classical elastic half-space effects.

In order to fully resolve Audit Finding No.1 the results of the analyses reported. by this memo are provided to clarify and validate the methodology applied in generating the foundation springs for the elastic half-space seismic model.

This document is organized into conclusions, background notes, and analysis discussion sections. Figures are attached along with an appendix which contains the actual computer output files for the cases studied. The background notes provided a review and orien-tation to the issue at hand.

II. ANALYSIS CONCLUSIONS In order to validate and demonstrate the appropriateness of tne finite element method utilized by Ebasco in generating the foun-dation springs for the elastic half-space seismic model, the Sapply System recreated the A/E's foundation model with an independent analysis code and completed various parametric studies. The results of these studies demonstrate that the Ebasco model and their assumed boundary conditions satisfactorily isolate the criti-cal foundation embedment stiffness at tne base mat within a maximum 15 percent deviation. In addition, by load proportioning the snear force carried into the elastic half-space from unit loads applied to the embedment it can be demonstrated that tne A/E's approach will isolate the effective embedment stiffness to within a 3 per-cent error. This analysis refinement demonstrates tne precision that can be obtained from the finite element foundation modeling technique. In general, model results between the two independent foundation analyses compare favorably.

In summary, the Ebasco approach correctly handles all aspects of i

generating and applying the foundation springs representing half-space and embedment effects associated with tne WNP-3 plant design. It is also now apparent that Ebasco prepared the elastic half-space seismic model witn an excellent depth of pnysical uncer-standing and care in execution. Hence, the hal f-space seismic model is representative of the plant structure ano supporting foundation and can be relied upon to yield valid seismic response resul ts.

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III. BACKGROUND NOTES In Se the NRC conducted a structural audit of WNP-3'ptember of 1983s seismic analysis design oasis as performed by the pla architect / engineer, Ebasco Some 25 findings resulted from this ,"

review. The majority of these findings have been resolved and the responses accepted by tne NRC. Structural Design Audit Finding No.

1 involved the Staff's concern and desire that the results of the plant's seismic design basis finite element model, whicn incorporated deconvoluted inputs at the rock founoation boundaries, be compared with the results from either a fixed-base or elastic half-space model The alternate plant seismic model, whether fixed-based or elastic half-space, would be completed with design basis spectre or time history loads input at the foundation level.

This finding reflects the recommendations of NUREG-0800 which post dates the plant's construction permit Standard Review Plan licensing basis represented by NUREG-75/087.

Ebasco completed the elastic half-space studies and these results were submitted in writing to the Staff, and in addition, a fonnal presentation was completed Dy the Owner in July 1984. The presen-tation highlighted the fact that the results of the clastic half-space model studies compared very favorably with the original plant seismic design basis finite element deconvolution analyses. The design basis model results bounded tne half-space model results in almost every case, and in those instances, wnere tne oesign basis model was not bounding, the deviation between the two models was found not to be significant. -

In the development of tne elastic half-space model Ebasco carefully applied widely accepted methods for the generation of foundation springs and damping factors. Pertinent recommendations of tne NRC's Systematic Evaluation Program (SEP) were followed. In the case of tne applied damping it was found that the maximum radiation plus material moaal damping was some 30 percent less than that allowed in the SEP assessments. The development of foundation springs was complicated by WNP-3's foundation design which features deeply embedded mat structure founded in' competent rock.

a Specifically, the ratio of embeament deptn to tna least base dimension is 0.21 (i.e. 64/298) wnich clearly exceeds the standard guideline ratio of 0.15 that is recommended as the thresnold criteria for assessment of emoedment effects.

To properly account for emoedment effects, Ebasco elected to comoine the results of classical half-space theory for foundations

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Reference:

Vibration of Soils and Foundations by F. E. Ricnart, et. al . ) witn tne results of a static finite element emoedment model. Tne purpose of tne finite element model was to isolate the embedment sti ffnesses from tne classical nal f-space stiffness resul ts. Hence, the horizontal and vertical foundation springs utilized in the elastic half-space stucy represent tne sum of tne

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classical (closed-fons) half-space foundation springs plus the embehent. stiffnesses obtained from the newly created finite ele-ment model. Rocking mode foundation springs were computed based on closed-fons theory as embedmont effects are seen as not significant -

in this case.

The concept of utilizing a finite element model to isolate the embehent stiffnesses for use in the elastic half-space study was presented during the July 1984 meeting with the Staff. At that time the Ebasco approach in deriving the embedsent stiffnesses from the special finite element model was based largely on the A/E's engineering judgment and no quantitative verification existed to confins tne model validity. Although the Ebasco assumptions for deriving the vertical embedmont stiffness was intuitively reason-able, some speculation was posed on the appropriateness of tne model boundary conditions which were assumed for isolation of the horizontal embedmont effects. Stemming from this concern the following analysis was completed by the Owner to validate the model and boundary conditions applied by Ebasco in deriving the hori-zontal foundation stiffness attributable to embednent effects.

IV. ANALYSIS The WNP-3 Nuclear Power Plant is a conson mat, virtually synnetric, deeply embedded structure founded to a depth of 64 feet in compe-tant rock (i.e. the average S-wave velocity is 3300 fps). The base mat is a nine foot thick monolith with a bottom elevation of 326 feet. The mat, as well as the walls of the reactor building, were integrally cast against the open face of the rock excavation at the time of construction. The overburden was removed from the plant site and the rock foundation (sanastone) extends to grade ele- -

vation at 390 feet.

Because of the plant's foundation features, the effects of the embedeent on the mat and reactor building walls cannot be ignored.

Therefore, to properly complete a post design pnase elastic half-space seismic analysis of the plant, Ebasco was required to derive '

the rock embedment stiffnesses and comoine these with the usual foundation stiffnesses associated with the effects of surface tractions and normal loads acting on a semi-infinite half-plane.

Since no widely accepted approach exists in tne literature for l

derivation of tnese emoedment effects, the A/E elected to extract the needed analysis information from a companion finite element model of tne rock structure surrounding the plant.

A recreation of Ebasco's rock structure model is shown in Figure

1. The model consists of 100 two-dimensional memorane elements with fixed boundaries so far removed from the emoedment that no signi ficant interaction between the embedment and coundaries resul ts. Ebasco completed tne analysis with the aid of the NASTRAN computer code, wnile the analysis of the mocel snown in Figure 1 was completed oy tne Supply System using tne SAP based finite ele-ment code IMAGES-3D. Model material properties include appli-cation of a uniform snear modulus of 400 ksi and a Poisson's ratio O

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of 0.35. hodalization of the respective models is identical up to node 60; higher nodes and elements in the Supply System model were renuncered to effect a suitable bandwidth optimization for the I!fdGES-3D code. This. point. is significant in that node 124 on the .,

rock. face in Figure 1 is node 85 in the Ebasco model. Subsequent ,

Figures therefore show the label "124/85" for the node on the rock face corresponding to the base sat half-height elevation.

Results between the two models compare favorably, however, in the Ebasco mouel a unit foundation load was applied, whereas in the Supply System model a 10E pound " unit". load was selected for computation and plotting convenience. Output for all load cases studied; are included in Appendix A. Unit foundation loads were applied at noces 1,124, 2, 3, and 5 in these studies to uncover the r.ature of the- embedmont response.

Because of tne requirement for maintenance of alament continuity and equilibrium under load, both the effects of embedmont and half-space compliance are included by default in tne foundation response under unit 1oad when no 1ocally applted bouncary condition is imposed at the embedmont. In otner terms, when a unit load is applied at a rock face node (without special boundary conditions l

applied) the resultant defonmation accounts for both the restraint posed by the direct bearing on the embedmont plus tne restraint due to the dominant shearing resistance of the half-space beneath the embedment elevation (Elev. 326). Intuitively and correctly Ebasco reasoned that the half-space effects could be easily damped out by fixing the base sat bottom elevation nodes (see nodes, 65, 70, and 75 of Figure 1). These boundary conditions were applied and

, Figures 2, 3, and 4 demonstrate the validity of extracting the emoedment effects with these nodal boundary conditions active.

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! Figure 2 shows the results of a unit load applied at node 124, the l base mat half-height elevation, with various local noundary con-ditions applied. Also plottee in Figure 2 is the half-space dis-i placement (1aceled: " half-space di sp1 ") wnen a unit surface traction is applied to the base mat bottom elevation with no local ,

fixed nodes. This deformation response predominantly represents pure snearing of the elastic half-space with little interaction of the encedment structure. If the fixed mat boundary conditions are a satisfactory device for isolating the embedment effects from the half-space effects, tnen the sum of the " half-space displ" and the

" fixed mat displ" should equal the displacement resulting from a unit load imposed witn no fixed mat nodes applied. In equation fonn:

Unrestrained Emcedment Hal f-Space Emoedment Displacement Displacement Displacement witn Fixed Mat Nodes Figure 2 plots these results. The curve labeled " unrestrained displ" l

shows tne finite element model response with no mat restraint bound-j ary conditions applied and thus represents the total foundation

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l l response of embedaant plus half-space effects. Wiereas tne curve

! labeled " half-spaca + fixed" is the sum of the independently.calcu-lated half-space and fixed mat displacement curves'. As can be seen from Figure 2 the " unrestrained" and " half-space + fixed"' displace- .

ment curves, are in good agreement with, an approximate 15 percent J difference at noda 124. Thus it has been shown that the embeeent

! displacement (or stiffness) can be reasonably isolated from the l half-space effects by application of fixed mat boundary conditions in the foundation model of Figure 1.

A constant unit load. (100 lbs) is assumed in the Supply System's finite element model since in Ebasco's. elastic half-space analysis the base mat is degenerated to a single node or point. At this node the embetont and. classical elastic half-space foundation springs are added as parallel spring elements of essentially equal magnitude (horizontal direction). It was judged that since the same base sat load is applied to both the embehent and half-space springs in the A/E's elastic half-space seismic model a conservative treatment of the finite element model of the rock foundation would likewise apply equal loads to the embedment as well as to the half-space boundary at the bottom of the mat. The displacements resulting ,from'these unit loaa applications are then suemed and compared' for maximum error against the results obtained from the finita element model under unit load application with no local restraint boundary conditions.

The error in our analysis approach is maximized since ,it 'does not account for the fact that the shear force carried into the.:nat (i.e.

the elastic half-space at the bottom of the mat) is reduced by the resistance of tne embedmont rock at the foundation wall. Thus, using a constant unit load to derive the elastic half-spece displacement for later summation with the fixed mat embeament displacement leads -

to an overprediction of the total emoedoent response. In fact, it can be found from the Appendix A results that the half-space dis-placement results (i.e. bottom of mat) obtained from tne totally unrestrained model (with a unit load applied at the mat half-height elevation) are -some 40 percent lower than the comparable displace-ments derived by direct application of a unit load to the elastic ;

half-space at the bottom of the :nat. By reducing tne hal f-space O displacement components by this 40 percent factor and then sunning this result with the " fixed mat" embedment results we find tnat the maximum deviation between the totally unrestrainea and summed com-ponent results is only 3 percent. This snows the precision tnat can be ootained with the finite element approacn in isolating the emoed-ment foundation springs by application of the fixed mat nodes.

Figure 2 nas oeen normalizea to tne unit displacement of node 124, the base mat half-height elevation. This was performed for purposes of presentation ease, actual finite element responses are tabulated in Appendix A. The Appendix A responses were generated oy applying a 100 pound unit load, tnerefore to derive displacement in feet / pound units the Appenaix A results must be divicea oy 100. In Figure 2 also ooserve tnat at nodes 2, 3, 4, and 5 tne error in isolating the 01

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, .. a ededaant effect is reduced to approximately 6 percent. This is attributed to moving away from the local discontinuity at node 1, the half-space /embeduent structure interface. In fact, as the unit load l

1s applied. in turn to higher nodal elevations away from the base sat .

i it is found that the half-space contribution to the total foundation ,'

stiffness b- negligible. Figures 3 and 4 clearly reveals this diminished contribution of the half-space plane.

Figure 3 plots the unrestrained and fixed mat displacements with a unit load applied at node 3 (see Figure 1). As can be seen from Figure 3 the differential displacement caused by releasing the fixed mat nodes (i.e. see the unrestrained displacement case) is only on the order of' 5 percent of the total displacement at node 3. The immediate conclusion here is that as the loading moves toward grade elevation the foundation stiffness is dominated by the embedsent effect. Figure 4 shows the foundation response with a unit load applied at node S. Again, the responses clearly show that the half-space contribution is insignificant as the load distribution concentrates in the embedeent structure.

Ebasco recognized that above the base mat the half-space contri-bution to the foundation stiffness is insignificant. As a result, the elastic half-space seismic analysis of the plant correctly applied half-space foundation springs only at the base mat.

Specifically the arrangement of foundation springs in tne elastic half-space seismic model of the plant were applied as follows:

Hal f-Space Embedment Foundation Foundation Elevation Mode Spring Spring 330.5 (mat) 62 Yes Yes 361 .5 26 No Yes 384 27 No Yes .

In the above table elastic half-space seismic model nodes 62, 26, and 27 correspond to nodes 124/85, 3, and 5 in the foundation model of Figure 1. Node 27 is 6.0 feet below tne grade elevation of 390 feet. As a side note, it should be recognized tnat Ebasco conservatively applied radiation damping only to the base mat node 62 in the seismic analysis, while damping elements at nodes 26 and 27 included only the small material damping factor. These damping and stiffness modeling features were applied in both the norizontal and vertical analysis cases. (As cited previously, rocking mode inputs were based solely on classical inputs as emoedment effects are not significant.)

Appendix A contains tne computer output files for each case studied. Witn eacn case a deformed shape plot is included to aid in understanding tne overall model deformation under load.

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Copyright (c) 1984 Celestial Software Inc.

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