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문제 정의
- 이 논문에서는 KIESSI-3D 프로그램을 이용한 대형 3차원 SSI 문제의 해석 사례연구를 통해 이 프로그램의 정확성과 해석시간을 ACS/SASSI 프로그램과 비교한 결과를 제시하였다. 총 4가지 대형 3차원 구조물 예제에 대하여 SSI 해석을 수행하였으며, KIESSI-3D 프로그램의 해석시간 단축을 위해 추가한 다중 쓰레드(thread)를 이용한 병렬처리 기능의 해석 속도향상 성능에 대해서도 토의하였다.
- 이 연구에서는 대형 3차원 구조물의 지반-구조물 상호작용해석을 위해 국내에서 개발된 KIESSI-3D 프로그램을 사용하여, 실제 구조물의 해석사례를 제시하였다. 이를 위하여 실무에서 발생 가능한 4개 예제를 선정하였다.
제안 방법
- 3차원 SSI 해석에 대한 KIESSI-3D 프로그램의 적용성 연구를 위해 4가지 실제 대형 구조물에 대해서 예제해석을 수행하였다. 대상 예제모델로서 국내 OO원전 ESW 점검구, SMART 격납건물, 원형 파일기초, 원형 매트기초를 선정하였다.
- 이 프로그램의 주 특징은 근역의 구조-지반(일부분)을 유한요소로 이산화하며, 원역의 수평층상 지반은 파동전달 특성을 잘 묘사하는 무한요소로 모형화한다는 점이다. 또한 진동수영역에서 운동방정식을 정식화하여 지반-구조물 상호작용 문제를 다룬다.
- 또한, KIESSI-3D와 ACS/SASSI 프로그램의 해석시간을 비교하였다. 해석에 사용된 컴퓨터는 Table 1과 같이 12개의 코어(core)를 가지고 있는 개인용 PC를 사용하였으며, 이때 KIESSI-3D 해석은 쓰레드를 1개, 4개, 8개 사용한 경우에 대하여 해석을 수행하였다.
- 아울러 PARDISO에서 제공하는 다중 쓰레드 기능을 활용한 병렬처리기능의 효용성도 분석하였다. 이를 위하여 개선된 KIESSI-3D 프로그램을 사용한 대형구조물의 3차원 SSI 해석을 core 개수 1개, 4개, 8개인 경우에 대해 수행하였다.
- 0m이며, 지반조건은 일본 가시와자키-가리와 원전 건물의 지반조건을 사용하였다. 이 구조물의 상부구조물은 등가의 집중질량 보요소로 모델링되었으며, 기초는 쉘요소를 사용하여 모델을 작성하였다. 이 격납건물의 SSI 해석에 사용된 ACS/SASSI와 KIESSI-3D의 해석모델은 Fig.
- 이 연구에서는 기존의 skyline solver 뿐만 아니라 Intel MKL Version 10.4에서 제공하는 sparse solver 중의 하나인 PARDISO subroutine을 도입하여 해석속도를 개선한 KIESSI-3D 프로그램을 사용하였다(PARDISO, 2009; Intel, 2009).
- 아울러 PARDISO에서 제공하는 다중 쓰레드 기능을 활용한 병렬처리기능의 효용성도 분석하였다. 이를 위하여 개선된 KIESSI-3D 프로그램을 사용한 대형구조물의 3차원 SSI 해석을 core 개수 1개, 4개, 8개인 경우에 대해 수행하였다.
- 이 논문에서는 KIESSI-3D 프로그램을 이용한 대형 3차원 SSI 문제의 해석 사례연구를 통해 이 프로그램의 정확성과 해석시간을 ACS/SASSI 프로그램과 비교한 결과를 제시하였다. 총 4가지 대형 3차원 구조물 예제에 대하여 SSI 해석을 수행하였으며, KIESSI-3D 프로그램의 해석시간 단축을 위해 추가한 다중 쓰레드(thread)를 이용한 병렬처리 기능의 해석 속도향상 성능에 대해서도 토의하였다.
대상 데이터
- 이를 위하여 실무에서 발생 가능한 4개 예제를 선정하였다. KIESSI-3D 프로그램에 의한 해석결과의 정확성과 해석시간은 국내외에서 SSI 해석에 널리 사용되는 ACS/SASSI 프로그램으로 선정하였다. 해석결과를 비교한 결과 KIESSI-3D 프로그램과 ACS/SASSI 프로그램에 의한 구조물의 전달함수와 응답스펙트럼은 거의 동일한 값을 보여 KIESSI-3D 프로그램의 정확성을 확인할 수 있었다.
- 3차원 SSI 해석에 대한 KIESSI-3D 프로그램의 적용성 연구를 위해 4가지 실제 대형 구조물에 대해서 예제해석을 수행하였다. 대상 예제모델로서 국내 OO원전 ESW 점검구, SMART 격납건물, 원형 파일기초, 원형 매트기초를 선정하였다.
- SMART 원자로 격납건물은 원자로 계통을 구성하는 주요 기기를 하나의 압력용기 안에 배치해 안정성을 높인 중소형 원자로 차단구조물이다. 이 격납건물은 높이 66.1m, 직경 38.0m이며, 지반조건은 일본 가시와자키-가리와 원전 건물의 지반조건을 사용하였다. 이 구조물의 상부구조물은 등가의 집중질량 보요소로 모델링되었으며, 기초는 쉘요소를 사용하여 모델을 작성하였다.
- 이 연구에서는 대형 3차원 구조물의 지반-구조물 상호작용해석을 위해 국내에서 개발된 KIESSI-3D 프로그램을 사용하여, 실제 구조물의 해석사례를 제시하였다. 이를 위하여 실무에서 발생 가능한 4개 예제를 선정하였다. KIESSI-3D 프로그램에 의한 해석결과의 정확성과 해석시간은 국내외에서 SSI 해석에 널리 사용되는 ACS/SASSI 프로그램으로 선정하였다.
- 8m이다. 해석모델 작성을 위해 말뚝은 8절점 입체요소(solid element)를 이용하였으며, 매트는 쉘요소를 사용하여 모델링되었다. 이 구조물의 SSI석에 사용된 ACS/SASSI와 KIESSI-3D의 해석모델은 Fig.
- 또한, KIESSI-3D와 ACS/SASSI 프로그램의 해석시간을 비교하였다. 해석에 사용된 컴퓨터는 Table 1과 같이 12개의 코어(core)를 가지고 있는 개인용 PC를 사용하였으며, 이때 KIESSI-3D 해석은 쓰레드를 1개, 4개, 8개 사용한 경우에 대하여 해석을 수행하였다.
데이터처리
- KIESSI-3D 프로그램과 비교를 위해 ACS/SASSI 프로그램을 사용하였다. ACS/SASSI는 단일 쓰레드에서만 실행되는 Version 2.
- 이 절에서는 KIESSI-3D와 ACS/SASSI 프로그램을 사용하여 대형구조물에 대한 SSI해석 결과를 비교하였다. 기반암 노두에 입력된 수평 단위지진입력에 대한 예제구조물의 상단에서 수평응답의 전달함수를 비교하여 Fig.
이론/모형
- KIESSI-3D 프로그램과 비교를 위해 ACS/SASSI 프로그램을 사용하였다. ACS/SASSI는 단일 쓰레드에서만 실행되는 Version 2.3.0을 사용하였으며 임피던스 계산방법으로 Direct Method를 선택하였다.
- KIESSI-3D 프로그램에서 지반-구조물 상호작용계의 모델링 방법은 지반과 구조물을 연속체로 취급하여 구조물과 지반의 일부분(근역지반)을 직접 유한요소로 이산화하는 방법을 적용하고 있다. 그리고 외부 원역의 수평층상 지반영역은 파동전달 특성을 잘 모사하면서도 유한요소법의 장점을 유지할 수 있는 동적 무한요소(dynamic infinite element, IE)를 이용하여 모델링한다(Seo and Kim, 2012).
성능/효과
- 16에 정리하였다. ACS/SASSI 모델에서 상호작용절점 개수가 가장 적었던 SMART 격납건물의 경우, KIESSI-3D 프로그램의 해석시간이 ACS/SASSI 프로그램의 해석시간에 비해 약 30배 빠른 성능을 보였다. 그리고 ACS/SASSI 모델에서 상호작용절점 개수가 가장 많았던 원형 파일기초 예제는 KIESSI-3D 프로그램의 해석시간이 ACS/SASSI 프로그램의 해석시간에 비해 약 2000배 짧았다.
- 그리고 해석소요시간을 비교한 결과 다중 쓰레드를 사용한 KIESSI-3D 프로그램(8개 쓰레드)은 단일 쓰레드를 사용한 재래의 ACS/SASSI 프로그램에 비해 30배~2000배 빠른 성능을 보였다. KIESSI-3D 프로그램은 많은 해석시간이 요구되는 대형 구조물일수록 ACS/SASSI 프로그램에 비해 빠른 해석속도를 보이고 있으므로, 대형 3차원 SSI 문제에 효과적으로 사용할 수 있다고 판단된다. 아울러 KIESSI-3D 프로그램의 해석소요시간은 다중 쓰레드를 사용한 OpenMP 병렬처리 기능까지 접목할 경우 단일 쓰레드 보다 약 2배 더 해석시간이 빨라질 수 있음을 알 수 있었다.
- KIESSI-3D 해석시 KIESSI-3D의 해석소요시간은 쓰레드 8개를 사용한 병렬처리 기능까지 접목할 경우 단일 쓰레드인 경우 보다 약 2배 더 빨라질 수 있음을 알 수 있었다.
- KIESSI-3D의 병렬처리 효율성을 Amdahl의 법칙을 이용하여 추정하면, ESW 점검구 예제에 대해서는 약 43%, SMART 격납건물 예제에 대해서는 약 56%, 파일보강 원형 매트기초 예제에 대해서는 약 53%, 지반보강 원형 매트기초 예제에 대해서는 약 47%이었다.
- ACS/SASSI 모델에서 상호작용절점 개수가 가장 적었던 SMART 격납건물의 경우, KIESSI-3D 프로그램의 해석시간이 ACS/SASSI 프로그램의 해석시간에 비해 약 30배 빠른 성능을 보였다. 그리고 ACS/SASSI 모델에서 상호작용절점 개수가 가장 많았던 원형 파일기초 예제는 KIESSI-3D 프로그램의 해석시간이 ACS/SASSI 프로그램의 해석시간에 비해 약 2000배 짧았다.
- 해석결과를 비교한 결과 KIESSI-3D 프로그램과 ACS/SASSI 프로그램에 의한 구조물의 전달함수와 응답스펙트럼은 거의 동일한 값을 보여 KIESSI-3D 프로그램의 정확성을 확인할 수 있었다. 그리고 해석소요시간을 비교한 결과 다중 쓰레드를 사용한 KIESSI-3D 프로그램(8개 쓰레드)은 단일 쓰레드를 사용한 재래의 ACS/SASSI 프로그램에 비해 30배~2000배 빠른 성능을 보였다. KIESSI-3D 프로그램은 많은 해석시간이 요구되는 대형 구조물일수록 ACS/SASSI 프로그램에 비해 빠른 해석속도를 보이고 있으므로, 대형 3차원 SSI 문제에 효과적으로 사용할 수 있다고 판단된다.
- KIESSI-3D 프로그램은 많은 해석시간이 요구되는 대형 구조물일수록 ACS/SASSI 프로그램에 비해 빠른 해석속도를 보이고 있으므로, 대형 3차원 SSI 문제에 효과적으로 사용할 수 있다고 판단된다. 아울러 KIESSI-3D 프로그램의 해석소요시간은 다중 쓰레드를 사용한 OpenMP 병렬처리 기능까지 접목할 경우 단일 쓰레드 보다 약 2배 더 해석시간이 빨라질 수 있음을 알 수 있었다.
- 15에 나타내었다. 이 비교결과로 부터 KIESSI-3D와 ACS/SASSI 프로그램에 의한 응답이 거의 동일함을 알 수 있었다.
- KIESSI-3D 프로그램에 의한 해석결과의 정확성과 해석시간은 국내외에서 SSI 해석에 널리 사용되는 ACS/SASSI 프로그램으로 선정하였다. 해석결과를 비교한 결과 KIESSI-3D 프로그램과 ACS/SASSI 프로그램에 의한 구조물의 전달함수와 응답스펙트럼은 거의 동일한 값을 보여 KIESSI-3D 프로그램의 정확성을 확인할 수 있었다. 그리고 해석소요시간을 비교한 결과 다중 쓰레드를 사용한 KIESSI-3D 프로그램(8개 쓰레드)은 단일 쓰레드를 사용한 재래의 ACS/SASSI 프로그램에 비해 30배~2000배 빠른 성능을 보였다.
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