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문제 정의
- 지금까지 수행된 개구부가 존재하는 벽체에 대한 연구는 모두 RC구조에 대해서 수행되었으며, SC구조 벽체에 설치되는 개구부에 대한 연구는 수행된 예가 거의 없다. 본 연구에서는 원전구조물내 벽체에 설치되는 SC구조를 대상으로 개구부가 구조내력에 미치는 영향을 해석적 방법에 의해서 평가하였다. 김원기 등(2010)의 SC구조 벽체를 모사한 전단 실험체에 대하여 비선형 유한요소해석을 수행하고, 실험 및 해석결과의 비교분석을 통해서 해석방법 및 비선형 재료모델의 적용 타당성을 검증하였다.
- 김원기 등(2010)은 한국 수력원자력(주)와 공동으로 SC구조의 규제현안을 도출하기 위한 연구를 수행하였다. 이 연구에서 개구부가 SC구조 벽체의 구조내력에 미치는 영향을 실험적 방법에 의해서 평가하고, 그 결과를 토대로 SC벽체에 설치되는 개구부 주변의 보강방안을 제시하였다. 원전구조물의 벽체에는 개구부의 형상, 크기, 위치 및 개수 등이 다양하게 존재하나 김원기 등(2010)의 연구에서는 실험여건상 제한적인 범위내에서 실험이 수행되었다.
가설 설정
- 강판의 내면에는 콘크리트와의 일체성과 좌굴 방지를 위하여 종방향 및 횡방향으로 스터드를 설치하였다. 따라서 유한 요소모델 구성시 강판과 콘크리트는 완전합성으로 가정하였다. 실험체의 상하부에는 하중을 재하하고 실험체 단면의 변형이 평면을 유지할 수 있도록 RC구조의 대형 블록을 설치하였다.
제안 방법
- SC구조 벽체에 설치되는 개구부 주변이 모두 강판으로 보강된 225×225 mm 크기의 사각형 개구부를 대상으로 개구부의 개수 증가 및 위치 변화에 따른 구조거동을 평가하였다.
- SC구조 벽체에 설치되는 개구부 주변이 모두 강판으로 보강된 225×225 mm 크기의 사각형 개구부를 대상으로 개구부의 위치 변화에 따른 구조거동을 평가하였다.
- 표 2는 SC구조 실험체에 적용된 콘크리트의 주요 재료특성이며(김원기 등, 2010), 이를 식 (1)~식 (3)에 적용하여 콘크리트의 응력-변형률 곡선을 산정하면 그림 12의 (b)와 같다. 강재와 콘크리트가 합성되는 설계강도와 28일 실린더 공시체 측정강도가 거의 유사하여 해석시 설계강도를 적용하였다.
- 개구부가 설치되지 않은 실험체(SOLID)를 기준으로 사각형 개구부(R150S, R225S)가 설치되고 개구부 주변이 강판으로 보강된 경우, 개구부의 크기 증가가 최대내력 및 연성거동에 미치는 영향을 평가하였다. 그림 17은 실험 및 해석에서 평가된 하중-변위 곡선의 비교로서 사각형 개구부 크기에 따른 최대내력을 표 6에 정리하였다.
- 개구부가 설치되지 않은 실험체(SOLID)를 기준으로 원형 개구부(C300S, C300U)가 설치되고 개구부 주변이 강판으로 보강된 경우와 보강되지 않은 경우, 개구부 주변 보강 유·무가 최대내력 및 연성거동에 미치는 영향을 평가하였다.
- 개구부가 설치되지 않은 실험체(SOLID)를 기준으로 원형개구부(C188S, C300S)가 설치되고 개구부 주변이 강판으로 보강된 경우, 개구부의 크기 증가가 최대내력 및 연성거동에 미치는 영향을 평가하였다. 그림 16은 실험 및 해석에서 평가된 하중-변위 곡선의 비교로서 최대내력 및 연성거동이 유사한 수준을 보여 비선형 해석에 의해서도 개구부 유·무에 상관없이 SC 구조의 내력 및 연성거동을 정확하게 평가할 수 있는 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 원전구조물내 벽체에 설치되는 SC구조를 대상으로 개구부가 구조내력에 미치는 영향을 해석적 방법에 의해서 평가하였다. 김원기 등(2010)의 SC구조 벽체를 모사한 전단 실험체에 대하여 비선형 유한요소해석을 수행하고, 실험 및 해석결과의 비교분석을 통해서 해석방법 및 비선형 재료모델의 적용 타당성을 검증하였다. 최종적으로 비선형 해석을 통해서 SC구조 벽체에 설치되는 개구부의 형상, 크기, 위치 및 설치개수 등이 구조내력에 미치는 영향을 평가하였다.
- 본 연구에서는 원전구조물내 벽체에 설치되는 SC구조를 대상으로 개구부가 구조내력에 미치는 영향을 해석적 방법에 의해서 평가하였다. 김원기 등(2010)이 실험적 연구를 수행한 SC구조 벽체에 대한 비선형 유한요소해석을 수행하고, 실험 및 해석결과의 비교분석을 통해서 해석방법 및 비선형 재료모델의 적용 타당성을 검증하였다. 최종적으로 비선형 해석을 통해서 SC구조 벽체에 설치되는 개구부의 형상, 크기, 위치, 설치개수 및 개구부 주변 보강판의 보강 유·무등이 구조내력에 미치는 영향을 평가하였다.
- 따라서 유한요소모델에서 벽체 하단부에 고정단 경계조건을 부여하였다. 또한 모든 해석모델이 대칭인 점을 고려하여 그림 10과 같이 전체 형상의 1/2을 모델링한 후, 대칭 경계 조건을 부여하여 해석의 효율성을 도모하였다. 유한요소해석에 적용한 요소는 콘크리트와 하중 재하판은 8절점 감차적분 SOLID 요소(C3D8R), 강판은 4절점 감차적분 SHELL 요소(S4R)를 기본으로 하였다.
- 개구부를 갖는 실험체에는 콘크리트 타설을 위해 개구부에 원형 또는 사각형의 슬리브를 설치하였다. 슬리브의 두께를 3.2 mm로 제작하여 슬리브에 의한 보강효과를 최소화하였다. 개구부 주위를 보강한 부분의 표면강판 두께는 6.
- 그림 3~그림 8에 나타낸 SC구조 실험체에 대한 비선형 해석을 수행하였다. 실험 및 해석결과의 비교분석을 통해서 보다 정확한 해석결과를 보여주는 비선형 해석을 위한 재료모델을 결정하였다. 여기서 결정된 재료모델을 적용하여 실험에서 평가하지 못한 개구부의 위치 및 크기, 복수의 개구부 등이 SC벽체의 구조거동에 미치는 영향을 평가하였다.
- 실험체의 상부에 작용하는 수평하중에 의해 H형 단면의 실험체에 전단력과 휨모멘트가 발생하게 된다. 실험체는 전단 스팬비가 0.71이 되도록 계획하였으며, 전단력이 거동을 지배하도록 하였다. 그림 2는 실험체의 실험전경으로 2개의 3000 kN의 Hydraulic Actuator를 이용하여 상부에 하중을 수평방향으로 정적수준의 변위제어 방식으로 재하하였다.
- 실험 및 해석결과의 비교분석을 통해서 보다 정확한 해석결과를 보여주는 비선형 해석을 위한 재료모델을 결정하였다. 여기서 결정된 재료모델을 적용하여 실험에서 평가하지 못한 개구부의 위치 및 크기, 복수의 개구부 등이 SC벽체의 구조거동에 미치는 영향을 평가하였다. 비선형 해석이 수행된 SC구조 실험체와 추가 해석모델에 대한 주요 특징을 표 1에 정리하였다.
- 또한 모든 해석모델이 대칭인 점을 고려하여 그림 10과 같이 전체 형상의 1/2을 모델링한 후, 대칭 경계 조건을 부여하여 해석의 효율성을 도모하였다. 유한요소해석에 적용한 요소는 콘크리트와 하중 재하판은 8절점 감차적분 SOLID 요소(C3D8R), 강판은 4절점 감차적분 SHELL 요소(S4R)를 기본으로 하였다. 하중 재하는 강성을 매우 크게 부여하여 변형이 발생하지 않도록 만든 재하판에 그림 10에서와 같이 등분포 하중을 적용하여 정적해석을 수행하였다.
- 김원기 등(2010)의 SC구조 벽체를 모사한 전단 실험체에 대하여 비선형 유한요소해석을 수행하고, 실험 및 해석결과의 비교분석을 통해서 해석방법 및 비선형 재료모델의 적용 타당성을 검증하였다. 최종적으로 비선형 해석을 통해서 SC구조 벽체에 설치되는 개구부의 형상, 크기, 위치 및 설치개수 등이 구조내력에 미치는 영향을 평가하였다.
- 최종적으로 비선형 해석을 통해서 SC구조 벽체에 설치되는 개구부의 형상, 크기, 위치, 설치개수 및 개구부 주변 보강판의 보강 유·무등이 구조내력에 미치는 영향을 평가하였다.
- 유한요소해석에 적용한 요소는 콘크리트와 하중 재하판은 8절점 감차적분 SOLID 요소(C3D8R), 강판은 4절점 감차적분 SHELL 요소(S4R)를 기본으로 하였다. 하중 재하는 강성을 매우 크게 부여하여 변형이 발생하지 않도록 만든 재하판에 그림 10에서와 같이 등분포 하중을 적용하여 정적해석을 수행하였다. 개구부 변수를 고려한 각 해석모델의 단면형상은 그림 11과 같다.
- 김원기 등(2010)이 실험을 수행한 6개의 실험체에 대한 해석 및 실험결과를 그림 15에 비교하였으며, 실험 및 해석에서 평가된 각 실험체의 최대내력 및 최대내력시 변위를 표 4에 정리하였다. 해석결과에서 평가된 최대내력은 실험에서 측정된 최대내력 발생시점에서의 변위와 동일한 변위가 발생 할 때의 내력으로 평가하였다.
대상 데이터
- 김원기 등(2010)이 수행한 실험체의 수평단면은 SC구조 벽체와 직각방향의 벽체의 일부로 구성되는 H형 단면으로 구성되었다. H형 단면의 실험체 웨브 벽체의 강판두께는 3.2 mm, 플랜지 부분의 강판 두께는 6.0 mm이다. 강판의 내면에는 콘크리트와의 일체성과 좌굴 방지를 위하여 종방향 및 횡방향으로 스터드를 설치하였다.
- SC구조 실험체에 적용된 벽체의 강판은 각각 3.2 mm와 6.0 mm 두께 두 가지 종류로 구성되어 있다. 강재의 인장시험 결과, 두께에 따라 항복강도 및 최대인장강도가 차이를 보였는데, 강재 시편에 대한 인장실험에서 측정된 강재의 두께별 재료특성은 표 3과 같다.
- SC구조 벽체에 설치되는 개구부 주변이 모두 강판으로 보강된 225×225 mm 크기의 사각형 개구부를 대상으로 개구부의 위치 변화에 따른 구조거동을 평가하였다. 그림 11에 나타낸 모델 중에서 R225S 모델은 구조실험(김원기 등, 2010)이 수행된 실험체이고, 이를 중심으로 상단 좌측(R225S-LU)과 하단 우측(R225S-RD)에 개구부를 설치하는 경우에 대해서 해석을 수행하였다. 그림 19는 개구부 위치 변화에 따른 해석에서 평가된 하중-변위 곡선의 비교로서 개구부 위치가 최대내력에 미치는 영향을 표 8에 정리하였다.
- SC구조 벽체에 설치되는 개구부 주변이 모두 강판으로 보강된 225×225 mm 크기의 사각형 개구부를 대상으로 개구부의 개수 증가 및 위치 변화에 따른 구조거동을 평가하였다. 그림 11중에서 구조실험이 수행된 1개의 사각형 개구부가 설치된 모델(R225S)과 사각형 개구부가 2개 설치된 3개의 모델(R225S-LUC, R225S-RDC, R225S-LURD)에 대해 해석을 수행하였다. 그림 20은 2개의 사각형 개구부가 설치되는 경우, 이들 개구부의 위치변화에 따른 해석에서 평가된 하중-변위 곡선의 비교로서 개구부 개수 증가 및 위치변화가 최대내력에 미치는 영향을 표 9에 정리하였다.
이론/모형
- 기존 연구자(김원기 등, 2010)의 SC구조 실험체 6개와 추가 해석모델 5개 등 총 11개 모델에 대해서 ABAQUS 6.8(2008)을 이용한 비선형 해석을 수행하였다. 유한요소모델은 실제 실험체의 크기와 동일하게 모델링하였으나 구조벽체 하부의 콘크리트 기초부는 유한요소모델에서 고려하지 않았다.
- 강재의 인장시험 결과, 두께에 따라 항복강도 및 최대인장강도가 차이를 보였는데, 강재 시편에 대한 인장실험에서 측정된 강재의 두께별 재료특성은 표 3과 같다. 유한요소해석에서 강재의 응력-변형률 관계는 그림 13과 같은 완전 탄소성 모델을 적용하였다.
- 콘크리트 비선형 재료모델은 ABAQUS 6.8(2008)에 내장되어 있는 Concrete Damaged Plasticity 모델을 적용하였다. 콘크리트의 압축응력-변형률 관계는 Hognestad(1951)가 제안한 콘크리트 응력-변형률 곡선을, 콘크리트 인장응력-변형률 관계는 완전 탄소성 모델을 적용하였다.
- 8(2008)에 내장되어 있는 Concrete Damaged Plasticity 모델을 적용하였다. 콘크리트의 압축응력-변형률 관계는 Hognestad(1951)가 제안한 콘크리트 응력-변형률 곡선을, 콘크리트 인장응력-변형률 관계는 완전 탄소성 모델을 적용하였다. Hognestad(1951)가 제안한 콘크리트 압축응력-변형률 관계와 인장에 사용한 완전 탄소성 모델의 형상은 그림 12의 (a)와 같다.
성능/효과
- 그림 20은 2개의 사각형 개구부가 설치되는 경우, 이들 개구부의 위치변화에 따른 해석에서 평가된 하중-변위 곡선의 비교로서 개구부 개수 증가 및 위치변화가 최대내력에 미치는 영향을 표 9에 정리하였다. 그림 20에서 보면 SC구조 벽체에 설치되는 동일한 크기의 개구부가 2개로 증가한 상태에서 개구부의 설치 위치가 변화하더라도 최대내력 및 연성거동에는 크게 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 표 9에서 보면, 복수로 개구부가 설치된 상태에서 개구부 위치 변화에 따른 최대내력이 개구부가 없는 모델(SOLID)의 최대내력과 비교하여 약 -1.
- 8B(사각형) 정도 확보되면 충분한 강성증가효과가 발휘되기 때문인 것으로 판단된다. SC벽체에 설치되는 동일한 크기의 개구부는 위치가 변화하더라도 최대내력 및 연성거동에는 크게 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 따라서 SC구조 벽체에 설치되는 개구부는 개구부 주변에 일정범위의 강판이 보강되는 경우에는 개구부의 위치가 변화하더라도 충분한 내력과 연성거동을 확보할 것으로 판단된다.
- 개구부 주변이 강판으로 보강되지 않는 경우, 개구부가 없는 SC벽체 비해서 약 8.4% 내력이 저하되고, 개구부 주변이 강판으로 보강된 SC벽체에 비해서는 약 10.1% 내력이 저하되는 것으로 나타났다. 따라서 개구부가 설치되는 SC벽체는 개구부 주변의 보강 여부가 내력에 미치는 영향이 크기 때문에 개구부 주변에 일정 범위 이상의 보강이 반드시 이루어져야 한다.
- 따라서 개구부가 설치되는 SC벽체는 개구부 주변의 보강 여부가 내력에 미치는 영향이 크기 때문에 개구부 주변에 일정 범위 이상의 보강이 반드시 이루어져야 한다. 개구부 주변이 보강된 경우는 개구부가 없는 경우와 비교하여 원형 및 사각형 개구부가 존재하여도 내력에는 큰 변화가 없는 것으로 나타났다. 이는 개구부 주변에 보강된 강판의 범위가 0.
- 그림 18은 실험 및 해석에서 평가된 하중-변위 곡선의 비교로서 개구부 주변에 강판에 의한 보강 유·무가 최대내력에 미치는 영향을 표 7에 정리하였다. 실험결과에 따르면, 개구부 주변이 강판으로 보강되지 않는 경우, 개구부가 없는 실험체(SOLID)에 비해서 약 17.1% 내력이 저하되고, 개구부 주변이 강판으로 보강된 실험체(C300S)에 비해서는 약 13.4% 내력이 저하되는 것으로 나타났다. 해석결과에서는 개구부 주변이 강판으로 보강되지 않는 경우, 개구부가 없는 실험체(SOILD)에 비해서 약 8.
- 그림 17은 실험 및 해석에서 평가된 하중-변위 곡선의 비교로서 사각형 개구부 크기에 따른 최대내력을 표 6에 정리하였다. 실험결과에 따르면, 개구부가 없는 SOLID 모델을 기준으로 사각형 개구부의 크기가 증가하면 작은 수준이기는 하지만 원형 개구부의 경우와 달리 내력이 약간 증가하는 경향을 보였다. 해석결과에서는 SOLID 모델을 기준으로 사각형 개구부의 크기가 증가하 면 내력이 증가하지만, 거의 변화가 없는 수준이다.
- 원형 개구부 크기에 따른 최대내력은 표 5와 같다. 실험결과에 따르면, 개구부가 없는 SOLID 모델을 기준으로 원형 개구부의 크기가 증가하면 작은 수준이기는 하지만 내력이 약간 감소하는 경향을 보였다. 그러나 해석결과에서 보면 SOLID 모델을 기준으로 원형 개구부의 크기가 증가하여도 내력 변화의 크기는 약 2% 정도로 매우 적다.
- 5D로 개구부 주변에서 충분한 강성증가효과가 있기 때문인 것으로 판단된다. 실험결과에서 개구부 크기 증가에 따라 내력이 약간 감소하는 것은 일반적인 경향이라고 보기 보다는 해석에서 고려하지 못한 개구부 주변 용접부 및 개구부 설치, 보강시 시공오차에 의한 차이로 판단된다. 따라서 SC구조에 설치되는 원형 개구부는 개구부 주변에 대한 보강이 이루어진다면 개구부가 없는 경우와 비교하여 내력 및 연성의 저하는 없는 것으로 판단된다.
- 해석결과에서는 SOLID 모델을 기준으로 사각형 개구부의 크기가 증가하 면 내력이 증가하지만, 거의 변화가 없는 수준이다. 이상의 결과에서 원형 개구부의 경우와 마찬가지로 SC구조 벽체에 설치되는 사각형 개구부는 개구부 주변에 대한 보강이 이루어진다면 개구부가 없는 경우와 비교해 내력 및 연성의 저하는 없는 것으로 판단된다.
- 직경이 300 mm이고 무보강 원형 개구부인 C300U 실험체의 최대내력의 경우, 해석결과가 약 7.6% 크게 평가되어 전체 실험체 중에서 가장 오차가 크지만 표 4에서 보면, 최대내력의 해석/실험의 비가 0.962~1.076 사이로 전반적으로 해석 및 실험결과가 잘 맞는 결과를 보였다.
- 실험결과에 따르면, 개구부가 없는 SOLID 모델을 기준으로 사각형 개구부의 크기가 증가하면 작은 수준이기는 하지만 원형 개구부의 경우와 달리 내력이 약간 증가하는 경향을 보였다. 해석결과에서는 SOLID 모델을 기준으로 사각형 개구부의 크기가 증가하 면 내력이 증가하지만, 거의 변화가 없는 수준이다. 이상의 결과에서 원형 개구부의 경우와 마찬가지로 SC구조 벽체에 설치되는 사각형 개구부는 개구부 주변에 대한 보강이 이루어진다면 개구부가 없는 경우와 비교해 내력 및 연성의 저하는 없는 것으로 판단된다.
- 4% 내력이 저하되는 것으로 나타났다. 해석결과에서는 개구부 주변이 강판으로 보강되지 않는 경우, 개구부가 없는 실험체(SOILD)에 비해서 약 8.4% 내력이 저하되고, 개구부 주변이 강판으로 보강된 실험체(C300S)에 비해서는 약 10.1% 내력이 저하되는 것으로 나타났다. 따라서 개구부가 설치되는 SC구조는 개구부 주변에 보강 여부가 내력에 미치는 영향이 크기 때문에 개구부 주변에 일정 범위 이상의 보강이 반드시 이루어져야 한다.
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