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문제 정의
- 비록 추락낙하하여 지면과 충돌 후에는 처분용기에 충격력이 가해져서 처분용기에 변형이 발생할 수 있지만 처분용기가 지면에 충돌하기까지의 운동은 강체운동으로 가정하는 것이 편리하다. 따라서 본 연구에서는 우선 처분용기를 강체로 가정하고 처분용기가 추락낙하하는 운동에 대하여 기구동역학해석을 수행하여 처분용기가 추락낙하하여 지면과 충돌할 때 처분용기에 가해지는 충격력을 구한 후 이 충격력을 이용하여 처분용기가 지면에 충돌 시 처분용기에 발생하는 구조변형 및 내부 응력을 구하여 추락낙하에 대한 처분용기의 구조안전성을 평가하는 방법론을 채택하고자 한다. 처분용기가 추락낙하하여 지면에 충돌 시까지 처분용기의 운동 특성(처분용기내의 임의 점의 위치, 속도, 가속도)과 이 운동과 처분용기에 가해지는 외력들과의 상관관계식(Euler 식 등; 김성원 등, 1998)을 이론적으로 풀면 처분용기가 추락낙하 할 때 처분용기의 움직임에 대한 운동역학적 특성을 파악할 수 있다.
- 본 연구에서는 직경이 102cm인 가압경수로(PWR)용 처분용기에 대하여 처분장으로의 운송 중에 또 처분공에 처분 시 발생할 수 있는 안전사고인 추락낙하 사고에 대하여 처분용기의 구조적 안전성 평가를 수행하였다. 이를 위하여 처분용기가 추락낙하하여 지면과 충돌 시에 처분용기가 받는 충격력을 구하기 위한 기구동역학해석을 RecurDyn이라는 CAE시스템을 이용하여 구하였으며.
- 이들 값들은 처분용기의 추락낙하운동 상태를 결정하는 매우 민감하고 중요한 인자들이다. 본 연구에서는 처분장에서 처분용기 취급 시 발생하는 처분용기의 추락낙하 운동을 가능한 한 정확하게 묘사할 수 있도록 운송차량 및 처분용기의 초기속도 또한 추락낙하 시 발생하는 각 접촉에 대한 마찰계수를 가정하고자 하였다. RecurDyn을 이용한 지면(ground), 운송차량, 처분용기 모델링 시 이들 값들(초기속도와 마찰계수)은 설계변수로서 입력된다.
- 따라서 본 절에서는 RecurDyn을 이용하여 앞 절에서 구한 처분용기가 추락낙하하여 지면과 충돌 시 처분용기에 가해지는 충격력에 대하여 NISA를 이용하여 구조해석을 수행하여 처분용기에 발생하는 구조변형과 내부응력을 구한다. 이를 통하여 처분용기가 지면과 충돌 시에 처분용기의 구조적 안전성을 평가한다. 정확한 구조해석을 위하여 대변형 구조해석이 가능한 NISA의 비선형구조해석 기능을 이용하여 구조해석을 수행한다.
가설 설정
- 좀 더 사실적인 추락낙하 사고해석을 위하여서는 추락낙하의 경우에 대하여 차량이나 처분용기를 들어 올리거나 내리는 작업구조물(크레인 등)의 사실적인 구조모델링과 함께 해석을 수행함이 원칙이겠지만 그렇게 하기에는 많은 시간과 노력이 요하며 처분용기의 구조적 안전성 설계측면에서는 굳이 모든 경우에 대하여 상세한 모델링과 함께 추락낙하 사고에 대한 해석은 필요하지 않다고 사료된다. 따라서 본 연구에서는 운송차량의 사실감을 살리고 처분용기의 보다 안정적인 안전설계를 위하여 운송차량을 실제의 높이인 2～3m보다 더 높은 5m 높이의 차량으로 가정하고, 5m 높이의 차량위에서 처분용기가 자유낙하하는 추락낙하 사고로 가정한다. 이를 위하여 본 연구에서는 Fig.
- 따라서 본 연구에서는 이상적으로 가장 간단한 경우로서 처분용기와 운송차량 탑재 바닥과는 마찰이 없다고 가정하여 µs = 0.0(정지마찰계수) 값을 사용하였으며 동마찰계수 역시 µd = 0.0 값을 사용하였다.
- 따라서 차량의 초기속도는 적당하게 가정하고 Fig. 2와 같이 좌표계를 설정하였을 경우 지면에 고정된 절대좌표계 XYZ의 Y방향으로 처분용기가 운송차량 위에서 움직여서 -X방향으로 자유낙하 한다고 가정한다. xyz좌표계는 처분용기에 고정되어 처분용기와 함께 움직이는 좌표계이다.
- 처분용기의 추락낙하 사고에 대한 기구동역학해석을 수행하기 위해서는 운송차량 및 처분용기의 초기속도를 적절하게 가정하여야 한다. 또한 처분용기의 추락낙하 시 발생하는 처분용기와 운송차량/지면사이, 또한 운송차량 바퀴와 지면사이의 접촉에 대한 마찰계수를 적절하게 가정하여야 한다. 이들 값들은 처분용기의 추락낙하운동 상태를 결정하는 매우 민감하고 중요한 인자들이다.
- 앞 절에서 RecurDyn을 이용하여 해석한 결과 처분용기가 운송차량에서 추락하여 자유낙하 한 후 지면과 충돌 시 처분용기가 지면으로부터 받는 충격력을 구할 수 있었다. 본 연구에서는 운송차량을 실제차량과 유사한 본체(main body)가 강철(steel)로 된 차량이라고 가정하여 구조해석 문제를 다루기로 한다. 이 경우 처분용기가 지면과 충돌 시 받는 충격력은 추락낙하 유형과는 관계없이 두 가지 추락낙하 유형 모두 첫 번 째 충돌 시 가장 크고 그 이후의 충돌에서는 점점 감소하는 것을 알 수 있었다.
- 앞 절에서 RecurDyn으로 계산한 충격력에 대하여 처분용기에 대변형이 발생할 수 있기 때문에 정확한 구조해석을 수행하기 위하여 NISA의 비선형구조해석 기능을 이용하여 해석을 수행한다. 비선형구조해석 수행 시 처분용기를 구성하고 있는 재질인 주철과 구리는 탄소성체(elastoplastic material)로 가정한다. 이 경우 적당한 항복조건을 적용해야 하는데 주철과 구리는 모두 금속물질이기 때문에 금속류에서 실험치와 잘 일치하는 von Mises 항복조건(yield criterion)을 적용한다.
- 1과 같다. 비선형구조해석 시 내부고준위폐기물 다발은 없다고 가정하고 구조해석을 수행한다. 그 이유는 처분용기의 강도는 대부분 내부 주철삽입물이 지지하고 내부 고준위폐기물다발의 강도는 매우 작기 때문이기도 하지만 좀 더 안정적인 구조해석결과를 얻기 위해서이다.
- 처분용기를 강체(rigid body)로 가정하고 기구동역학해석을 수행한 결과 처분용기는 지면과 여러번 충돌함을 알 수 있었고 맨 처음 충돌 시 지면으로부터 받는 충격력이 가장 크고 두 번째, 세 번째 충돌 시에는 충격력이 점차로 약간씩 감소함을 알 수 있었다. 안정적인 구조안전성 평가결과를 얻기 위하여 처분장에서 운송 시 추락낙하 사고에서는 운송차량의 높이를 충분히 높은 높이인 5m로 가정하였다. 추락낙하 시 처분용기는 두 가지 유형으로 지면과 충돌함을 알 수 있었다.
- 처분용기가 운반차량위에서 움직이는 경우는 미끄러지지 않고 굴러서 움직인다고 가정한다. 이 때 처분용기와 운송차량 모두 낙하하는 동안 지면과의 고체접촉을 가정한다. 처분용기가 운송차량에서 굴러 움직여서 낙하하여 지면에 충돌하는 동안 처분용기의 움직임은 강체(rigid body) 운동으로 취급함이 타당하다.
- 따라서 본 연구에서는 운송차량의 사실감을 살리고 처분용기의 보다 안정적인 안전설계를 위하여 운송차량을 실제의 높이인 2～3m보다 더 높은 5m 높이의 차량으로 가정하고, 5m 높이의 차량위에서 처분용기가 자유낙하하는 추락낙하 사고로 가정한다. 이를 위하여 본 연구에서는 Fig. 2와 같이 5m 높이의 운송 차량 위에 처분용기가 위 덮개 부분이 차량 앞쪽(운송차량 진행방향)으로 놓여있는 상태에서 추락낙하 한다고 가정한다.
- 따라서 운송차량의 초기속도는 운송차량의 초기 출발속도인 0～2km/hr로 예상된다. 이와 같은 관점에서 본 연구에서는 운송차량의 초기속도를 Z축 방향으로 200mm/sec(약 0.9km/hr)로 가정하였다. 초기에 처분용기는 운송차량에 탑재되어 있으므로 처분용기 초기속도의 Z방향 성분은 운송차량의 속도인 200mm/sec와 같고 X방향속도는 없으며 Y방향속도는 처분용기가 운송차량에서 추락낙하 할 수 있도록 충분한 속도를 갖도록 가정하여야 한다.
- 0mm/sec 값을 계산에 사용하였다. 즉 vY = 0, vY = 100.0mm/sec, vZ = 200mm/sec 값을 본 연구에서는 처분용기의 초기속도로 가정하였다. 또한 처분용기와 차량 탑재 면과의 접촉, 처분용기와 지면과의 접촉 시 처분용기의 탄성계수와 감쇄계수는 마찰이 없다고 하였을 때 RecurDyn이 제공하는 디폴트값을 사용하였다.
- 2에 나타나 있다. 지면과 운송차량의 물질은 RecurDyn의 데이터베이스(data base)에서 제공되는 물질인 암석과 강철로 각각 가정하였다. 그러나 처분용기의 재질은 Table 1의 물질상수 값들과 Fig.
- xyz좌표계는 처분용기에 고정되어 처분용기와 함께 움직이는 좌표계이다. 처분용기가 운반차량위에서 움직이는 경우는 미끄러지지 않고 굴러서 움직인다고 가정한다. 이 때 처분용기와 운송차량 모두 낙하하는 동안 지면과의 고체접촉을 가정한다.
- 9km/hr)로 가정하였다. 초기에 처분용기는 운송차량에 탑재되어 있으므로 처분용기 초기속도의 Z방향 성분은 운송차량의 속도인 200mm/sec와 같고 X방향속도는 없으며 Y방향속도는 처분용기가 운송차량에서 추락낙하 할 수 있도록 충분한 속도를 갖도록 가정하여야 한다. 이 Y방향속도는 처분용기와 운송차량의 접촉에 의한 마찰과 밀접한 관계가 있다.
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