미국의 NRC(United States Nuclear Regulatory Commission)에서 발간된 "Regulatory Guide 1.61 of United States NRC(2007)"는 원전구조물의 내진설계에 적용되는 구조감쇠비를 철근콘크리트(이하 RC)구조의 경우 4%(OBE)와 7%(SSE), 강구조의 경우 3%(OBE)와 4%(SSE)를 규정하고 있다. 그러나 최근 개발된 강판-콘크리트(이하 SC)구조의 경우 구조감쇠비에 대한 규정이 없다. 본 연구의 목적은 RC구조와 SC구조의 감쇠비의 상대적 차이를 비교함으로서 SC구조의 감쇠비를 조사하는 것이다. 4개의 실험체, RC-S, RC-M, SC-S 그리고 SC-M에 대한 실험적 연구가 수행되었다. 뒷 글자 S와 M은 실험체의 거동이 전단에 의해 지배되는 것과 휨에 의해 지배되는 것을 의미한다. 실험방법은 엑츄에이터와 실험체의 질량사이를 연결하는 인장시험편이 파단되면서 실험체의 자유진동을 발생하게 하는 방법을 적용하였다. 가속도계를 이용하여 측정된 실험데이타를 분석하여 하중의 크기에 따른 기본진동수와 감쇠비를 결정하였다. 4개 실험체의 감쇠비를 비교분석하여 SC구조의 감쇠비는 OBE해석에 RC구조와 동일하게 4%를 제안하였으며 SSE해석의 경우 RC구조의 감쇠비보다 1% 적은 6%를 제안하였다.
미국의 NRC(United States Nuclear Regulatory Commission)에서 발간된 "Regulatory Guide 1.61 of United States NRC(2007)"는 원전구조물의 내진설계에 적용되는 구조감쇠비를 철근콘크리트(이하 RC)구조의 경우 4%(OBE)와 7%(SSE), 강구조의 경우 3%(OBE)와 4%(SSE)를 규정하고 있다. 그러나 최근 개발된 강판-콘크리트(이하 SC)구조의 경우 구조감쇠비에 대한 규정이 없다. 본 연구의 목적은 RC구조와 SC구조의 감쇠비의 상대적 차이를 비교함으로서 SC구조의 감쇠비를 조사하는 것이다. 4개의 실험체, RC-S, RC-M, SC-S 그리고 SC-M에 대한 실험적 연구가 수행되었다. 뒷 글자 S와 M은 실험체의 거동이 전단에 의해 지배되는 것과 휨에 의해 지배되는 것을 의미한다. 실험방법은 엑츄에이터와 실험체의 질량사이를 연결하는 인장시험편이 파단되면서 실험체의 자유진동을 발생하게 하는 방법을 적용하였다. 가속도계를 이용하여 측정된 실험데이타를 분석하여 하중의 크기에 따른 기본진동수와 감쇠비를 결정하였다. 4개 실험체의 감쇠비를 비교분석하여 SC구조의 감쇠비는 OBE해석에 RC구조와 동일하게 4%를 제안하였으며 SSE해석의 경우 RC구조의 감쇠비보다 1% 적은 6%를 제안하였다.
The structural damping ratios for seismic design of nuclear power plant structures are specified in Regulatory guide 1.61 of the United States NRC for RC structures of 4%(OBE) and 7%(SSE), and for steel structures of 3%(OBE) and 4%(SSE), but not for steel-plate concrete (SC) structures that have bee...
The structural damping ratios for seismic design of nuclear power plant structures are specified in Regulatory guide 1.61 of the United States NRC for RC structures of 4%(OBE) and 7%(SSE), and for steel structures of 3%(OBE) and 4%(SSE), but not for steel-plate concrete (SC) structures that have been developed recently. The objective of this study is to investigate the damping ratios of SC structures by identifying the relative differences in the damping ratios between RC and SC structures. An experimental study was performed on four specimens, RC-S, RC-M, SC-S and SC-M, where S stands for shear-governed and M for moment-governed. The conducted method was free vibration testing by rupturing a brittle steel plate that linked the actuator and the mass center. The test results were analyzed to determine fundamental frequencies and damping ratios at various load levels. By examining the relative differences in damping ratios of four specimens, it is proposed for SC structures to use the same damping ratio of 4% as RC one at OBE, but 1% less damping ratio than RC one resulting in 6% at SSE.
The structural damping ratios for seismic design of nuclear power plant structures are specified in Regulatory guide 1.61 of the United States NRC for RC structures of 4%(OBE) and 7%(SSE), and for steel structures of 3%(OBE) and 4%(SSE), but not for steel-plate concrete (SC) structures that have been developed recently. The objective of this study is to investigate the damping ratios of SC structures by identifying the relative differences in the damping ratios between RC and SC structures. An experimental study was performed on four specimens, RC-S, RC-M, SC-S and SC-M, where S stands for shear-governed and M for moment-governed. The conducted method was free vibration testing by rupturing a brittle steel plate that linked the actuator and the mass center. The test results were analyzed to determine fundamental frequencies and damping ratios at various load levels. By examining the relative differences in damping ratios of four specimens, it is proposed for SC structures to use the same damping ratio of 4% as RC one at OBE, but 1% less damping ratio than RC one resulting in 6% at SSE.
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문제 정의
본 연구에서는 이러한 SC구조의 내진설계를 위한 감쇠비를 제시할 목적으로 실험적 연구를 수행하였다. RC구조와 SC구조의 실험체에 대한 자유진동(free vibration) 실험을 실시하였으며 그 결과를 분석하여 SC구조의 감쇠비를 제시하고자 하였다.
예비 실험으로서 실험체의 상부 플레이트의 중앙부와 좌우에 가속도계를 부착하여 상부 질량의 비틀림에 의한 진동모드를 조사하였으나 비틀림에 의한 영향은 무시할 정도로 적은 것으로 나타났다. 그리고 실험체를 설치한 실험실의 바닥과 실험체의 하부플레이트에 가속도계를 설치하여 이 부분의 진동의 영향을 조사하고자 하였다. 그림 9는 실험실 바닥(CH2)과 실험체 하부 플레이트(CH1)에 설치된 가속도계를 보여주고 있다.
본 실험연구는 실험체가 자유진동을 할 때 단자유도계의 거동을 할 것으로 분석한 후 계획되었다. 실험으로부터 가속도를 측정하여 시간이력-가속도 곡선으로부터 실험체의 감쇠비를 산정하고자 하였다.
설계기준에서 규정하고 있는 원전구조물의 감쇠비는 완성될 원전구조물의 내진설계에 적용하기 위하여 결정된 값이다. 본 실험연구의 개념은 SC구조의 절대적인 감쇠비를 결정하고자 함이 아니라, RC실험체와 SC실험체에 대한 실험결과인 감쇠비의 상대적 차이를 분석하여 아직 아무런 규정이 없는 SC구조의 감쇠비를 제시하고자 하는 것이다.
본 실험은 RC구조와 SC구조의 감쇠비를 조사하고자 계획되었다. 구조물의 정확한 감쇠비의 추정은 매우 중요하다.
본 연구는 원전 구조물에 적용하고자 개발한 SC구조의 감쇠비를 추정하고자 실험적 연구를 수행하였으며 기존의 RC구조와 대비하여 SC구조의 내진설계에 적용할 수 있는 감쇠비를 제안하였다. 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 이러한 SC구조의 내진설계를 위한 감쇠비를 제시할 목적으로 실험적 연구를 수행하였다. RC구조와 SC구조의 실험체에 대한 자유진동(free vibration) 실험을 실시하였으며 그 결과를 분석하여 SC구조의 감쇠비를 제시하고자 하였다.
본 실험연구는 실험체가 자유진동을 할 때 단자유도계의 거동을 할 것으로 분석한 후 계획되었다. 실험으로부터 가속도를 측정하여 시간이력-가속도 곡선으로부터 실험체의 감쇠비를 산정하고자 하였다.
가설 설정
1) 균열단면의 강성산정에서 휨에 의한 콘크리트 균열만 가정하였음. 즉 전단에 의한 콘크리트균열은 설계기준에 규정되어 있지 않아서 콘크리트의 비균열단면으로 가정하였음.
61 of United States NRC(2007)에서 규정하고 있는 원전구조물의 OBE해석과 SSE해석을 위한 하중의 크기를 기술하고 있는 문헌이 없다. 본 연구에서는 OBE해석과 SSE해석에 해당하는 하중의 크기를 설계하중의 0.3배와 0.7배로 가정하였다. 표 5는 하중의 크기에 따른 감쇠비의 직선식으로부터 하중크기가 0.
제안 방법
(3) SC실험체와 RC실험체에 대한 실험결과로부터 SC구조의 operating-basis earthquake(OBE) 해석에 적용할 수 있는 감쇠비는 RC구조의 감쇠비와 동일한 4%의 감쇠비를 제안하고자 한다.
본실험에서는 벽체구조로 구성된 실험체의 감쇠비를 조사하기 위하여 가장 일반적으로 연구에 사용되어온 벽체의 형태를 선정하였다. 각 구조에 대해 휨이 지배하는 경우와 전단이 지배하는 경우로 구분하여 총 4개의 실험체를 계획하였다.
실험체는 H형태의 단면을 가진 수직실험체 위에 50ton의 질량을 올리는 형태로 계획하였다. 각 실험체의 감쇠비의 상대적 평가를 위하여 RC실험체의 벽체 단면적에 대한 수직철근의 단면적의 비와 SC실험체의 벽체 단면적에 대한 강판의 단면적의 비를 동일하게 설계하였다. 그 결과, 『원전 SC구조 한계상태설계지침(안)』을 적용하여 계산된 설계전단강도 ΦVn에 해당하는 수평하중은 RC실험체의 경우 1,630kN, SC실험체의 경우 2,640kN으로 산정되었다.
그리고 『원전 SC구조 한계상태설계 지침(안)』을 적용하여 계산된 설계휨강도 ΦMn에 해당하는 수평하중은 RC-S와 RC-M실험체의 경우 2,840kN과 1,850kN으로 산정되었으며 SC-S와 SC-M실험체의 경우 2,520kN과 1,640kN으로 산정되었다. 그 결과 실험체 RC-S와 RC-M의 설계강도에 해당하는 수평하중은 1,630kN이고, SC-S의 수평하중은 2,530kN 그리고 SC-M의 수평하중은 1,640kN으로 산정되었으며 실험체에서 재하된 수평하중의 크기를 설계강도에 해당하는 수평하중으로 나눈 비율로 감쇠비를 비교하여 조사하고자 하였다.
전단이 지배하는 실험체의 경우 벽체의 높이는 1680mm, 휨이 지배하는 실험체의 경우 벽체의 높이는 2880mm로 계획하였다. 벽체 실험체의 하부와 상부에 100mm 두께의 플레이트를 강판 또는 철근과 용접하였으며 상부 플레이트 위에 두께 80mm의 플레이트를 13장 올려서 총 50ton의 질량을 갖도록 계획하였다. 시험체의 제작에 사용된 강판은 SS400이고 철근은 SD400이며 콘크리트는 fck=35MPa로 계획하였다.
본 실험연구에서 실험체의 자유진동을 발생하게 하기위하여 인장하중을 재하한 후 인장시험편의 취성적 파단으로 그 하중이 제거되면 자유진동이 발생하게 하는 방법을 적용하였다. 실험체에 올려진 질량의 중간높이에서 질량과 유압엑츄에이터(hydraulic actuator) 사이를 V 노치가 있는 인장시험편으로 연결하였다.
설계지침에는 전단이 지배하는 경우와 휨이 지배하는 경우에 상관없이 구조형식에 따른 단일 감쇠비를 규정하고 있으므로 본 연구에서는 RC실험체와 SC실험체의 감쇠비를 평균하여 산정하였다. 표 5에서 RC실험체의 하중크기 0.
실험체에 올려진 50ton의 질량과 실험체 벽체의 강성을 이용하여 고유진동수를 산정하였다. 표 2에서 콘크리트 균열단면의 강성을 적용한 결과 고유진동수는 10∼20Hz로 나타났다.
본 실험연구에서 실험체의 자유진동을 발생하게 하기위하여 인장하중을 재하한 후 인장시험편의 취성적 파단으로 그 하중이 제거되면 자유진동이 발생하게 하는 방법을 적용하였다. 실험체에 올려진 질량의 중간높이에서 질량과 유압엑츄에이터(hydraulic actuator) 사이를 V 노치가 있는 인장시험편으로 연결하였다. 그림 6은 실험체 SC-M의 하중재하 장치를 보여주고 있다.
실험체의 가속도는 실험체의 상부 플레이트에 부착된 가속도계를 이용하여 측정되었다. 예비 실험으로서 실험체의 상부 플레이트의 중앙부와 좌우에 가속도계를 부착하여 상부 질량의 비틀림에 의한 진동모드를 조사하였으나 비틀림에 의한 영향은 무시할 정도로 적은 것으로 나타났다.
감쇠비를 산정하기 위한 목적으로 실시된 실험의 결과는 감쇠단자유계의 시간이력 가속도이었다. 이 결과로부터 하중크기에 따른 각 실험체의 감쇠비를 2가지 방법으로 산정하였다. 첫 번째 방법은 시간이력 가속도 곡선의 각 2연속 싸이클에서 감쇠비를 구한 후 그 평균값을 산정하는 방법이다.
이러한 결과에 근거하여 원전구조물의 SC구조를 위한 설계 기준에 OBE 해석에서는 RC구조와 동일한 4%를 제안하였으며 SSE 해석에서는 RC구조보다 1% 적은 6%의 감쇠비를 제안하고자 하였다.
그림 7은 인장시험편의 예를 도면으로 보여주고 있으며 그림 8은 인장시험편의 사진을 보여주고 있다. 인장시험편은 취성이 강한 강재를 열처리하여 더욱 취성적 특성을 갖게 하였으며 V노치를 두어 연성없이 파단되도록 제작하였다. 그리고 다양한 인장강도를 갖도록 여러 가지 단면으로 제작되었다.
4mm이었다. 진동실험은 유압진동장치를 이용하여 진동실험을 수행하였다. 실험체의 고유진동수는 104∼75.
대상 데이터
그림 3은 2가지 종류의 실험체의 H형 단면을 보여주고 있다. H형 단면에서 벽체의 두께는 240mm이고 H형 단면의 높이와 폭은 각각 1700mm로 계획하였다. 전단이 지배하는 실험체의 경우 벽체의 높이는 1680mm, 휨이 지배하는 실험체의 경우 벽체의 높이는 2880mm로 계획하였다.
특히 원전구조물은 벽체로 구성된 복잡한 구조이다. 본실험에서는 벽체구조로 구성된 실험체의 감쇠비를 조사하기 위하여 가장 일반적으로 연구에 사용되어온 벽체의 형태를 선정하였다. 각 구조에 대해 휨이 지배하는 경우와 전단이 지배하는 경우로 구분하여 총 4개의 실험체를 계획하였다.
벽체 실험체의 하부와 상부에 100mm 두께의 플레이트를 강판 또는 철근과 용접하였으며 상부 플레이트 위에 두께 80mm의 플레이트를 13장 올려서 총 50ton의 질량을 갖도록 계획하였다. 시험체의 제작에 사용된 강판은 SS400이고 철근은 SD400이며 콘크리트는 fck=35MPa로 계획하였다.
Akiyama et al(1989)은 SC구조의 내진설계를 위한 특성을 조사하고자 RC벽체와 SC벽체 실험체에 대한 실험연구를 수행하였다. 실험체는 1/10 스케일 모델로 축소되었으며 SC벽체의 두께는 100mm이고 벽체 양면의 강판의 두께는 1.4mm이었다. 진동실험은 유압진동장치를 이용하여 진동실험을 수행하였다.
H형 단면에서 벽체의 두께는 240mm이고 H형 단면의 높이와 폭은 각각 1700mm로 계획하였다. 전단이 지배하는 실험체의 경우 벽체의 높이는 1680mm, 휨이 지배하는 실험체의 경우 벽체의 높이는 2880mm로 계획하였다. 벽체 실험체의 하부와 상부에 100mm 두께의 플레이트를 강판 또는 철근과 용접하였으며 상부 플레이트 위에 두께 80mm의 플레이트를 13장 올려서 총 50ton의 질량을 갖도록 계획하였다.
이론/모형
이러한 점성감쇠비를 조사할 수 있는 기술 중 한 가지 방법은 자유진동의 대수감소율(logarithmic decrement)이다. 구조물의 자유진동을 일으키는 방법은 여러 가지가 있는데 본 연구에서는 인장후하중제거(pull and release)방법을 적용하였다.
성능/효과
(1) SC실험체와 RC실험체에 대한 자유진동실험을 한 결과 하중의 크기가 증가함에 따라 콘크리트 균열의 확대로 감쇠비가 증가함을 알 수 있다.
(2) SC실험체의 실험으로부터 얻은 고유진동수는 예측된 고유진동수와 비교적 잘 일치하였다. 그러나 RC실험체의 실험으로부터 얻은 고유진동수는 예측된 고유진동수와 다소 차이를 보였는데 그 이유는 고유진동수의 예측에서 전단에 의한 균열의 영향을 고려하지 않았기 때문이라고 판단된다.
(4) SC실험체와 RC실험체에 대한 실험결과로부터 SC구조의 safe-shutdown earthquake(SSE) 해석에 적용할 수 있는 감쇠비는 RC구조의 감쇠비보다 1% 적은 6%를 제안하고자 한다.
감쇠비를 산정하기 위한 목적으로 실시된 실험의 결과는 감쇠단자유계의 시간이력 가속도이었다. 이 결과로부터 하중크기에 따른 각 실험체의 감쇠비를 2가지 방법으로 산정하였다.
그 결과, 『원전 SC구조 한계상태설계지침(안)』을 적용하여 계산된 설계전단강도 ΦVn에 해당하는 수평하중은 RC실험체의 경우 1,630kN, SC실험체의 경우 2,640kN으로 산정되었다.
그리고 『원전 SC구조 한계상태설계 지침(안)』을 적용하여 계산된 설계휨강도 ΦMn에 해당하는 수평하중은 RC-S와 RC-M실험체의 경우 2,840kN과 1,850kN으로 산정되었으며 SC-S와 SC-M실험체의 경우 2,520kN과 1,640kN으로 산정되었다.
여기서 본 실험연구의 개념이 RC구조와 SC구조의 댐핑에서 상대적인 차이를 조사하고자 함을 주지할 필요가 있다. 따라서 SC실험체의 감쇠비에서 RC실험체의 감쇠비를 뺀 상대적인 차이를 산정하였는데 표 5에 보이는바와 같이 하중의 크기 0.3과 0.7에서 각각 -0.5%와 0.9%로 나타났음을 알 수 있다.
그림 10(b)은 실험실 바닥과 실험체 하부 플레이트에서 측정된 수평방향 가속도를 비교하여 보여주고 있는데 마찬가지로 매우 적음을 알 수 있다. 따라서 하부 플레이트의 수직방향과 수평방향의 가속도는 RC실험체와 SC실험체의 감쇠비를 비교 조사하는데 영향을 거의 주지 않는다고 판단하였다.
실험체의 가속도는 실험체의 상부 플레이트에 부착된 가속도계를 이용하여 측정되었다. 예비 실험으로서 실험체의 상부 플레이트의 중앙부와 좌우에 가속도계를 부착하여 상부 질량의 비틀림에 의한 진동모드를 조사하였으나 비틀림에 의한 영향은 무시할 정도로 적은 것으로 나타났다. 그리고 실험체를 설치한 실험실의 바닥과 실험체의 하부플레이트에 가속도계를 설치하여 이 부분의 진동의 영향을 조사하고자 하였다.
표 2에서 콘크리트 균열단면의 강성을 적용한 결과 고유진동수는 10∼20Hz로 나타났다.
후속연구
(6) 본 연구의 제한된 실험연구에 대한 추가 실험연구를 통하여 연구결과를 발전시킬 필요가 있다.
여기서 본 실험연구의 개념이 RC구조와 SC구조의 댐핑에서 상대적인 차이를 조사하고자 함을 주지할 필요가 있다. 따라서 SC실험체의 감쇠비에서 RC실험체의 감쇠비를 뺀 상대적인 차이를 산정하였는데 표 5에 보이는바와 같이 하중의 크기 0.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
세계적으로 유가의 상승이 일으킨 영향은 무엇인가?
세계적으로 유가의 상승으로 대체에너지 개발에 대한 관심이 높아지고 있으며 원자력발전소의 건설이 증가하고 있다. 또한 원자력발전소의 건설비용을 절감할 수 있는 기술을 개발하고자 많은 노력을 하고 있다. 현재 원전구조물의 구조체는 철근콘크리트구조(이하 RC구조)로 건설되고 있다.
원전구조물의 구조체는 무엇으로 건설되고 있는가?
또한 원자력발전소의 건설비용을 절감할 수 있는 기술을 개발하고자 많은 노력을 하고 있다. 현재 원전구조물의 구조체는 철근콘크리트구조(이하 RC구조)로 건설되고 있다. RC구조는 내진성능을 포함한 여러 가지 구조적 장점을 갖고 있어서 세계적으로 원전구조물에 이용되고 있는 구조형식이다.
철근콘크리트구조는 어떠한 장점을 가지는 구조형식인가?
현재 원전구조물의 구조체는 철근콘크리트구조(이하 RC구조)로 건설되고 있다. RC구조는 내진성능을 포함한 여러 가지 구조적 장점을 갖고 있어서 세계적으로 원전구조물에 이용되고 있는 구조형식이다.
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