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문제 정의
- 본 논문에서는 ASCE 4-98의 강진지속시간 기준에 대한 평가와 지진규모의 함수로 표시되는 합리적인 강진지속시간 예측모델의 개발을 위하여, 실제 계측된 다수의 지진기록에 대하여 ASCE 4-98이 제시한 강진지속시간 DS의 결정방법(4)과 포락함수기준을 적용하였다. 즉, ASCE 4-98(2)에서는 강진 지속시간을 앞서 기술한 식 (1)로 표현되는 AI 곡선에서 5%~75%의 에너지가 누적되는 데 필요한 시간으로 정의하였다.
- 이 논문은 원자력 발전소 격납구조물의 내진설계에 적용되는 인공지진파의 강진지속시간과 포락함수의 결정기준에 대한 현행 국내기준의 보완과 개선을 위한 기초연구에 중점을 두고 다음 세 가지 연구내용을 수행하였다. 첫째 국내에서 일반적으로 준용되는 USNRC RG 1.
제안 방법
- 42(11)를 이용하여 시간이력 지진해석을 수행하였다. 각 Case 별로 원전구조물의 최대 가속도응답이 발생하는 위치에서 층 응답가속도를 구한 다음 해당 응답스펙트럼들의 평균값을 산정하여 대상구조물의 동적 거동을 비교 분석하였다. 사례 분석에는 대만 Hualien의 지진시험 구조물(7)과 국내 내진설계기준에 의해 설계·시공되고 가동 중인 울진 원자력 발전소 3, 4호기 격납구조물(8)을 대상구조물로 고려하였다.
- 강진지속시간 변화에 따른 원전구조물의 동적거동 특성의 비교를 위하여 그림 11과 12에 각 Case 별 평균 응답스펙트럼을 제시하였다. 그 결과를 간략히 살펴보면, 그림 11에서와 같이 구조물 층 응답은 구조물의 고유주기의 1차 모드인 10.
- 체중량은 1500톤이다. 구조단면도에 근거하여 그림 10의 우측 편과 같이 Stick 모델의 절점에 집중질량을 부과하는 방법으로 단순화하여 모델링 하였다. 자세한 구조계의 재료 특성과 단면제원 및 해석모델의 집중질량 등에 관한 정보는 참고문헌(7)에서 확인할 수 있다.
- 0이상인 강진기록을 ASCE 4-98의 강진지속시간결정 기준에 대하여 적용한 결과를 토대로 통계분석을 수행하여 지진규모(Seismic Magnitude, Mw)에 대한 함수로 표현되는 강진지속시간의 예측 모델을 제시하였다. 또한 강진지속시간이 원전구조물의 지진응답특성에 미치는 영향을 파악하고 이로부터 새로운 ASCE 4-98기준의 국내적용의 타당성을 평가하는 자료로 활용하기 위하여, 6초에서 20초까지 약 2초 간격으로 강진지속시간을 달리하는 10가지 사례에 대한 인공지진파를 각기 30개씩 생성하고, 이들을 적용하여 대만 Hualien 지진시험구조물과 국내 울진 원자력발전소 격납구조물에 대한 시간영역에서의 지진응답해석을 수행하였다.
- 본 절에서는 그림 13에 보이는 지름 48.77m 그리고 높이 69.5m인 울진 원자력발전소 3, 4호기 격납구조물을 대상으로 4.3절과 동일한 입력지진가속도와 방법으로 강진지속시간에 따른 원전구조물의 동적거동을 분석하였다. 지진해석을 위한 구조물 모델링은 동적거동 특성만을 확인하기 위해 그림 14와 같이 격납구조물 및 내부구조물을 단순화함으로써 FRAME 구조물의 절점에 집중질량을 부과하는 방식으로 모델링하였다.
- 본 절에서는 이전에 기술된 여러 연구자들(5)에 의해 제안된 방법에 따라 표 5에 나타낸 것과 같이 PEER(Pacific Earthquake Engineering Research Center) 웹사이트 (http://peer. berkeley.edu)(6)로부터 임의로 선택한 지진규모(MW) 6에서 7.5사이의 5개 지진기록을 이용하여 강진지속시간을 산정하고 그 결과를 표 6에 나타내었다.
- 0 이상인 총 209개의 강진기록을 ASCE 4-98의 강진지속시간기준에 적용한 결과에 대하여 통계분석을 수행하고 이로부터 지진규모와 강진지속시간 사이의 예측 상관 식을 제시하였다. 셋째 강진지속시간이 원자력 발전소 격납 구조물의 지진응답 특성에 미치는 영향을 파악하기 위하여 강진지속시간을 달리 정의한 10가지 경우에 대한 인공지진파를 작성하고 대표적인 원자력 발전소의 격납구조물의 응답경향을 분석ㆍ고찰하였다. 이상의 연구내용에 대한 주요 결과를 정리하면 다음과 같다.
- 수집된 209개의 지진가속도 계측자료를 지진 규모(MW) 0.5간격별로 분류한 후 2.2.1에서 기술한 ASCE 4-98의 기준(DS=AI5%~75%)에 따라 강진지속시간을 산정하였다. 그리고 궁극적으로 국내 관련 설계기준의 정립을 위해 그림 5에 도시한 지진통계자료의 변동성을 고려할 수 있는 비초과확률 개념을 도입하여 그림 6과 같이 지진규모별 강진지속시간에 각각의 변동성을 고려한 평균으로 실험적 추세선을 평균(비초과확률 50%), 평균+표준편차(비초과확률 84.
- 적거동 특성 분석을 위한 절차는 그림 9와 같다. 우선 강진지속시간의 변화에 따라 4.1절에서 설명한 방법과 같이 각 Case별로 30개씩 독립적으로 생성된 인공 입력지반가속도들에 대하여 상용유한요소 프로그램인 SAP2000 V7.42(11)를 이용하여 시간이력 지진해석을 수행하였다. 각 Case 별로 원전구조물의 최대 가속도응답이 발생하는 위치에서 층 응답가속도를 구한 다음 해당 응답스펙트럼들의 평균값을 산정하여 대상구조물의 동적 거동을 비교 분석하였다.
- 따라서 국내 도입에 선행하여 ASCE 4-98 기준의 타당성과 현행 설계기준과의 차이점에 대한 비교 및 분석이 절대적으로 필요하다. 이 논문에서는 우선 현행 국내기준에 준용되고 있는 USNRC(1),(4)와 ASCE 4-98(2)의 설계응답스펙트럼과 강진지속시간에 대한 기준의 차이점을 비교 및 분석하였다. 현행 국내기준의 개선과 보완을 위하여 총 209개의 암반사이트에서 실제 기록된 규모 5.
- 이 절에서는 ASCE 4-98의 강진지속시간 기준에 대한 평가와 지진규모(MW)의 함수로 표현되는 강진지속시간의 합리적인 예측모델 개발을 위하여, 다수의 실제 지진기록에 대하여 ASCE 4-98이 제시한 강진지속시간 DS의 정의와 포락함수기준을 적용하였다. 사용된 지진 계측데이터는 표 7과 8에 나타난바와 같이 지진규모 5.
- 3절과 동일한 입력지진가속도와 방법으로 강진지속시간에 따른 원전구조물의 동적거동을 분석하였다. 지진해석을 위한 구조물 모델링은 동적거동 특성만을 확인하기 위해 그림 14와 같이 격납구조물 및 내부구조물을 단순화함으로써 FRAME 구조물의 절점에 집중질량을 부과하는 방식으로 모델링하였다. 지면의 제약으로 생략한 자세한 구조계의 재료특성과 단면제원 및 해석모델의 집중질량 등에 관한 정보는 참고문헌(8)에서 확인할 수 있다.
- 고 다음 세 가지 연구내용을 수행하였다. 첫째 국내에서 일반적으로 준용되는 USNRC RG 1.60 및 SRP 3.7.1과 1999년 발간된 ASCE 4-98의 설계응답스펙트럼과 강진지속시간의 기준을 비교ㆍ검토하였다. 둘째 암반사이트에서 실제 기록된 규모 5.
- 이 논문에서는 우선 현행 국내기준에 준용되고 있는 USNRC(1),(4)와 ASCE 4-98(2)의 설계응답스펙트럼과 강진지속시간에 대한 기준의 차이점을 비교 및 분석하였다. 현행 국내기준의 개선과 보완을 위하여 총 209개의 암반사이트에서 실제 기록된 규모 5.0이상인 강진기록을 ASCE 4-98의 강진지속시간결정 기준에 대하여 적용한 결과를 토대로 통계분석을 수행하여 지진규모(Seismic Magnitude, Mw)에 대한 함수로 표현되는 강진지속시간의 예측 모델을 제시하였다. 또한 강진지속시간이 원전구조물의 지진응답특성에 미치는 영향을 파악하고 이로부터 새로운 ASCE 4-98기준의 국내적용의 타당성을 평가하는 자료로 활용하기 위하여, 6초에서 20초까지 약 2초 간격으로 강진지속시간을 달리하는 10가지 사례에 대한 인공지진파를 각기 30개씩 생성하고, 이들을 적용하여 대만 Hualien 지진시험구조물과 국내 울진 원자력발전소 격납구조물에 대한 시간영역에서의 지진응답해석을 수행하였다.
- 현행 내진설계 기준에 의해 설계된 원전구조물의 강진지속시간 변화에 따른 동적거동 특성을 파악함으로써 새로운 ASCE 4-98기준의 국내적용에 대한 타당성을 평가하는 기초자료로 활용하기 위하여, 6초에서 20초까지 약 2초 간격으로 강진지속시간을 달리하는 10가지 경우에 대한 인공지진파를 각 30개씩 생성한 후 이들을 사용하여 대만 Hualien 지진시험구조물(7)과 국내 울진 원자력발전소 3, 4호기 격납 구조물(8)에 대한 지진응답해석을 수행하였다.
대상 데이터
- ASCE 4-98에서 제시한 그림 3의 포락함수와 최대지반가속도 1.0g로 정의된 그림 1의 USNRC RG 1.60(4)의 목표 설계응답스펙트럼을 만족하도록 표 10과 같은 강진지속시간별로 총 10가지 경우에 대하여 각기 30개의 독립적인 인공지진파를 생성하였다. 인공 입력지진파 생성에는 기 개발된 연구용 프로그램인 QuakeGem(9),(10)이 사용되었으며, 강진지속시간이 6초인 Case 1에 대하여 생성된 전형적인 인공지진 시간이력곡선 및 목표응답스펙트럼과의 비교를 그림 7과 8에 각각 나타내었다.
- 사례 분석에는 대만 Hualien의 지진시험 구조물(7)과 국내 내진설계기준에 의해 설계·시공되고 가동 중인 울진 원자력 발전소 3, 4호기 격납구조물(8)을 대상구조물로 고려하였다.
- 락함수기준을 적용하였다. 사용된 지진 계측데이터는 표 7과 8에 나타난바와 같이 지진규모 5.0에서 7.5까지의 진앙거리가 10km에서 300km이내로서 Rock site에서 기록된 PGA값이 0.1g에서 0.5g인 총 209개의 자료를 대상으로 하였으며, 미국 PEER의 웹사이트(6)에서 획득하였다.
데이터처리
- 3. 실 계측된 지진자료를 토대로 계산된 지진규모(MW)와 강진지속시간(AI5%~75%)의 추세선에 대한 평균과 표준편차를 이용하여 임의 규모의 특정초과확률 값을 만족하는 강진지속시간을 제시하였다.
- 1에서 기술한 ASCE 4-98의 기준(DS=AI5%~75%)에 따라 강진지속시간을 산정하였다. 그리고 궁극적으로 국내 관련 설계기준의 정립을 위해 그림 5에 도시한 지진통계자료의 변동성을 고려할 수 있는 비초과확률 개념을 도입하여 그림 6과 같이 지진규모별 강진지속시간에 각각의 변동성을 고려한 평균으로 실험적 추세선을 평균(비초과확률 50%), 평균+표준편차(비초과확률 84.1%) 그리고 평균+2표준편차(비초과확률 98% = 초과확률 2%) 값에 대하여 작성하였다. 이로부터 얻어진 지진규모에 따른 강진지속시간 예측 상관식을 식 (2), (3) 그리고 (4)에 각각 제시하였다.
- 1과 1999년 발간된 ASCE 4-98의 설계응답스펙트럼과 강진지속시간의 기준을 비교ㆍ검토하였다. 둘째 암반사이트에서 실제 기록된 규모 5.0 이상인 총 209개의 강진기록을 ASCE 4-98의 강진지속시간기준에 적용한 결과에 대하여 통계분석을 수행하고 이로부터 지진규모와 강진지속시간 사이의 예측 상관 식을 제시하였다. 셋째 강진지속시간이 원자력 발전소 격납 구조물의 지진응답 특성에 미치는 영향을 파악하기 위하여 강진지속시간을 달리 정의한 10가지 경우에 대한 인공지진파를 작성하고 대표적인 원자력 발전소의 격납구조물의 응답경향을 분석ㆍ고찰하였다.
성능/효과
- 1. USNRC SRP 3.7.1 허용기준에서의 강진지속시간은 6초에서 15초의 범위로 규정되어 있어 설계자의 주관적 공학적 판단에 따른 다소의 변동성이 존재하는 반면 ASCE 4-98에서는 지진 규모별로 구체적인 값을 제시하여 상대적으로 합리적인 것으로 판단된다.
- 2. 지진규모(MW)가 5~7.5이고 PGA는 0.1~0.5g 범위에 해당하는 암반에서 계측된 209개의 실제 지진기록을 이용하여 지진규모에 따른 강진지속시간 예측 상관식을 제시하였으며, 그 결과가 ASCE 4-98과 상당히 유사하여 제안식의 타당성이 입증되었다.
- 4. 현행 원전구조물의 내진설계에 적용되는 USNRC의 기준에 따라 생성된 다수의 인공지진가속도를 이용하여 원전 구조물의 지진해석을 수행한 결과, 지진 규모의 구간별로 구체적으로 강진지속시간을 규정한 ASCE 4-98기준이 보다 합리적인 것으로 판단된다. 또한 현재로서는 국내 원전구조물의 안전성을 고려한 SSE(Safe Shutdown Earthquake) 설계기준에는 강진지속시간으로 10초 이상 15초 이내의 값을 사용하는 것이 타당한 것으로 판단되며, 향후 이에 대한 추가연구와 면밀한 검토가 필요한 것으로 사료된다.
- 트럼을 제시하였다. 그 결과를 간략히 살펴보면, 그림 11에서와 같이 구조물 층 응답은 구조물의 고유주기의 1차 모드인 10.38Hz부분에서 최대 평균응답가속도가 상대적으로 많이 증폭되었고, 대만 Hualien 지진시험 구조물의 경우 그 진동수 위치에서 6초에서 15초의 강진지속시간에 대한 응답의 최대 차이가 약 11%로 이는 현행 USNRC SRP 3.7.1(1)의 강진지속시간 규정에 따른 변동성이 일부 존재함을 확인하였다. 또한 그림 12는 강진지속시간의 변화에 따른 최대 평균응답가속도를 나타낸 것으로 강진지속시간이 6초에서 점차 증가함에 따라 최대 응답가속도도 점진적으로 증대하다가 약 12~13초 부근을 지나면서 일정한 값으로 수렴하고 있음을 알 수 있다.
- 울진 3, 4호기 격납구조물 또한 1차 고유진동수인 4.5Hz 에서 층 응답이 크게 증가하였고 그 결과 강진지속시간이 6초에서 점차 증가함에 따라 구조물의 최대 응답가속도가 점진적으로 증대되다가 13~15초 부근을 지나면서 일정한 값으로 수렴한다. 울진 원자력 발전소의 경우 6초에서 13초의 강진지속시간에 대한 응답의 최대 차이가 약 15%로, 이는 현행 USNRC SRP 3.
- 표 9의 결과는 표 4에 제시한 ASCE 4-98의 결과와 대체적으로 유사하므로, 제안된 예측 상관식의 타당성을 간접적으로 확인할 수 있었다. 한편 두 결과에서 나타나는 미소한 차이는 사용된 지진자료의 숫자와 특성 및 통계처리 방법의 차이, 그리고 이 연구에서는 특정 지진규모에 대한 결과를 제시한 반면 ASCE 4-98에서는 지진규모의 구간별 값을 제시한 점으로부터 발생하는 것으로 판단된다.
- 로 확인할 수 있었다. 한편 두 결과에서 나타나는 미소한 차이는 사용된 지진자료의 숫자와 특성 및 통계처리 방법의 차이, 그리고 이 연구에서는 특정 지진규모에 대한 결과를 제시한 반면 ASCE 4-98에서는 지진규모의 구간별 값을 제시한 점으로부터 발생하는 것으로 판단된다.
후속연구
- 1(1)의 강진지속시간 규정에 따른 변동성이 무시할 수 없을 정도라는 것을 나타낸다. 따라서 현재로서는 원전구조물의 안전성을 고려한 SSE(Safe Shutdown Earthquake) 설계기준에 13~15초의 강진지속시간을 사용 하는 것이 타당한 것으로 사료되나, 향후 이에 대한 추가연구와 면밀한 검토가 필요하다. 또한 강진지속시간에 대한 최대 임계치는 15초로 판단되며, 7.
- 현행 원전구조물의 내진설계에 적용되는 USNRC의 기준에 따라 생성된 다수의 인공지진가속도를 이용하여 원전 구조물의 지진해석을 수행한 결과, 지진 규모의 구간별로 구체적으로 강진지속시간을 규정한 ASCE 4-98기준이 보다 합리적인 것으로 판단된다. 또한 현재로서는 국내 원전구조물의 안전성을 고려한 SSE(Safe Shutdown Earthquake) 설계기준에는 강진지속시간으로 10초 이상 15초 이내의 값을 사용하는 것이 타당한 것으로 판단되며, 향후 이에 대한 추가연구와 면밀한 검토가 필요한 것으로 사료된다.
- 향후 실제 적용 가능한 국내 지진기록자료의 확보와 추가적인 국외 지진기록자료의 적용을 통하여 상관식을 보완한다면, 국내여건이 고려된 보다 높은 정확도를 담보하고 사실적인 예측이 가능한 강진지속시간 예측모델을 도출 할 수 있을 것으로 판단한다.
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