[논문]스펙트럼 적합 입력지반운동에 의한 면진구조의 응답 특성

김정한; 김민규; 최인길

doi:10.5000/eesk.2013.17.2.089

[국내논문] 스펙트럼 적합 입력지반운동에 의한 면진구조의 응답 특성
Response of Base Isolation System Subjected to Spectrum Matched Input Ground Motions 원문보기

한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.17 no.2 = no.90, 2013년, pp.89 - 95

김정한 (한국원자력연구원) , 김민규 (한국원자력연구원) , 최인길 (한국원자력연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Structures in a nuclear power system are designed to be elastic even under an earthquake excitation. However a structural component such as an isolator shows inelastic behavior inherently. For the seismic assessment of nonlinear structures, response history analysis should be performed. In this study, the response of base isolation system was analyzed by response history analysis for the seismic performance assessment. Firstly, several seismic assessment criteria for a nuclear power plant structure were reviewed for the nonlinear response history analysis. Based on these criteria, the spectrum matched ground motion generation method modifying a seed earthquake ground motion time history was adjusted. Using these spectrum matched accelerograms, the distribution of displacement responses of the simplified base isolation system was evaluated. The resulting seismic responses excited by the modified ground motion time histories and the synthesized time history generated by stochastic approach were compared. And the response analysis of the base isolation system considering the different intensities in each orthogonal direction was performed.

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원자력발전소 구조물은 면진장치에 비해 상대적으로 고유진동수가 매우 크기 때문에 단자유도 강체 구조라 가정하고, 면진장치는 운동학적 경화(kinematic hardening) 이력 거동을 하는 이중선형(bilinear) 모델로 이상화 하였다. 여기서 면진장치는 10,000 kN 용량을 가지는 것으로 가정하였고, Fig. 5와 같이 하중-변위 이력곡선에서 초기강성 k₁은 320 kN/cm, 2차강성 k₂는 32.5 kN/cm 이고 특성강도(characteristic strength) Q는 330 kN 으로 하였다. 상부구조의 하중은 0.
지진응답 해석을 위해 면진 시스템은 단순화 하여 모델링 하였다. 원자력발전소 구조물은 면진장치에 비해 상대적으로 고유진동수가 매우 크기 때문에 단자유도 강체 구조라 가정하고, 면진장치는 운동학적 경화(kinematic hardening) 이력 거동을 하는 이중선형(bilinear) 모델로 이상화 하였다. 여기서 면진장치는 10,000 kN 용량을 가지는 것으로 가정하였고, Fig.
일반적으로 수평 양방향 입력지진을 고려할 때는 두 방향의 지진 세기가 동일하다고 가정하고 설계한다. 그러나 실제 관측되는 지진동의 세기는 두 방향의 세기가 서로 다르다.

제안 방법

5 g Reg. Guide 1.60 스펙트럼에 맞추어 변형된 30개의 입력 지진을 이용하여 이중선형 모델에 대해서 해석을 수행하였다. 해석에 의한 최대 변위는 평균 약 47 cm로 이 변위에 대한 유효주파수는 약 0.
Table 2는 30개 지진에 대한 변위 응답의 중간값(median)과 대수표준편차를 정리한 것이다. seed 지진으로부터 변형된 가속도시간이력을 입력지진으로 한 것과 합성지진파를 입력지진으로 한 경우를 비교하였다. 각 방법에 따라서 응답 분포의 차이가 비선형 거동에 의해서 얼마나 달라지는지를 비교하기 위해서는 두 방법에 의한 탄성스펙트럼의 분포가 우선 일치되어야 한다.
대상 부지가 있는 경우 그 부지에서 발생 가능한 지진의 특성에 맞는 지반운동 시간이력을 seed 지진으로 선택해야 한다. 그러나 이 연구에서는 특정 부지를 대상으로 하지 않기 때문에 일반적인 설계스펙트럼을 대상으로 하였으며, 이에 seed 지진을 최대한 다양한 조건을 포함하는 지진들로 선택하였다. 이를 위해 미국 서부, 일본, 대만 등 강진지역에서 발생한 판경계지진(inter-plate earthquake)뿐만 아니라 캐나다, 미국 중동부에서 발생한 판내부지진(intra-plate earthquake)들도 포함하였다.
그러나 목표 탄성스펙트럼으로의 수렴성이 각각 다르기 때문에 이를 일치시키기는 어렵다. 따라서 여기서는 탄성스펙트럼의 표준편차 대비 비탄성응답의 표준편차를 비교하는 방법을 택하였다. 탄성응답의 표준편차는 Fig.
여기서 매끄러운 실선은 목표스펙트럼이고 굵은 실선은 30개 지진에 대한 스펙트럼의 평균이다. 또한 지반운동 작성 방법에 따른 차이를 보기 위해 추계학적 방법에 의한 합성(synthesized) 지진파도 30개를 작성하였다. 합성지진파는 P-CARES[12] 프로그램을 이용하였다.
이를 위해 미국 서부, 일본, 대만 등 강진지역에서 발생한 판경계지진(inter-plate earthquake)뿐만 아니라 캐나다, 미국 중동부에서 발생한 판내부지진(intra-plate earthquake)들도 포함하였다. 또한 펄스 형태의 근거리지진 특성을 가지는 지진이나 hanging wall, foot wall 지역에서 계측된 지진 등 다양한 조건이 포함되도록 하여 선택하였다. 이들 30개 seed 지진은 Fig.
시간이력 해석을 통하여 면진구조의 응답 분포를 구하기 위해 30개의 스펙트럼 적합 시간이력을 작성하였다. 대상 부지가 있는 경우 그 부지에서 발생 가능한 지진의 특성에 맞는 지반운동 시간이력을 seed 지진으로 선택해야 한다.
인공지진 시간이력을 생성하는 보편적인 방법은 추계학적 방법이다. 이 방법에서는 모든 주파수성분을 동일하게 가지는 백색잡음을 생성하고 이로부터 각 주파수 성분의 진폭을 조절하여 목표로 하는 스펙트럼에 맞추도록 한다. 보다 더 실제 지진 특성을 반영하기 위해서 계측된 지진으로부터 위상각을 추출하여 사용하고 진폭만을 조절하는 방법이 쓰이기도 한다.
특히 원전구조의 경우 구조물의 강성이 매우 크기 때문에 설계지진 내에서는 일반적으로 선형 해석법으로 지진응답을 평가하지만, 면진구조와 같이 비선형성이 큰 요소가 적용된 경우에는 성능평가를 위해 보다 주의 깊은 고찰이 필요하다. 이 연구에서는 비선형 해석을 위한 입력지반운동의 작성 방법과 이에 대한 지진응답을 면진구조의 예를 통하여 분석하였다.
이 연구에서는 지진응답 시간이력 해석을 위해 계측지진을 목표 응답스펙트럼에 적합하도록 변형하는 방법으로 입력 지반운동 시간이력을 작성하였다. 이를 이용하여 면진장치와 같은 비선형 거동을 보이는 구조에 대해서 지진응답을 평가하였고 일반적으로 사용되는 추계학적 인공지진 시간이력에 의한 결과와도 비교하였다.
이들로부터 양뱡향 지진입력에 의한 면진구조의 변위 응답을 계산하였다. 면진장치의 경우 최대변위는 시간축에서 동시에 발생한 양방향 변위의 SRSS(Square Root of Sum of Square)에 대한 최대값으로 계산 될 수 있다.
이 연구에서는 지진응답 시간이력 해석을 위해 계측지진을 목표 응답스펙트럼에 적합하도록 변형하는 방법으로 입력 지반운동 시간이력을 작성하였다. 이를 이용하여 면진장치와 같은 비선형 거동을 보이는 구조에 대해서 지진응답을 평가하였고 일반적으로 사용되는 추계학적 인공지진 시간이력에 의한 결과와도 비교하였다. 그 결과 비탄성 변위응답의 중간값은 시간이력 작성 방법에 따른 거의 차이가 없었으나, 탄성응답의 변동폭 대비 비탄성응답의 변동폭은 계측지진을 변형한 입력지진에 대해서 더 크게 나타났다.
13이다. 이를 적용하여 30개의 양방향 지반운동 세기를 보정하기 위해 Latin Hypercube Sampling (LHS) 기법으로 30개의 F_h를 샘플링 하고, 한 쌍에 대해서 한 쪽 방향으로는 F_h로 증폭시키고 다른 수직한 방향으로는 1/F_h로 증폭시켜 GeoMean 값은 1배가 되도록 유지하면서 방향별 크기가 고려된 양방향 입력지반운동으로 변환하였다. 이들 변환된 가속도 시간이력에 대한 탄성응답스펙트럼은 Fig.
지진응답 해석을 위해 면진 시스템은 단순화 하여 모델링 하였다. 원자력발전소 구조물은 면진장치에 비해 상대적으로 고유진동수가 매우 크기 때문에 단자유도 강체 구조라 가정하고, 면진장치는 운동학적 경화(kinematic hardening) 이력 거동을 하는 이중선형(bilinear) 모델로 이상화 하였다.

대상 데이터

그러나 이 연구에서는 특정 부지를 대상으로 하지 않기 때문에 일반적인 설계스펙트럼을 대상으로 하였으며, 이에 seed 지진을 최대한 다양한 조건을 포함하는 지진들로 선택하였다. 이를 위해 미국 서부, 일본, 대만 등 강진지역에서 발생한 판경계지진(inter-plate earthquake)뿐만 아니라 캐나다, 미국 중동부에서 발생한 판내부지진(intra-plate earthquake)들도 포함하였다. 또한 펄스 형태의 근거리지진 특성을 가지는 지진이나 hanging wall, foot wall 지역에서 계측된 지진 등 다양한 조건이 포함되도록 하여 선택하였다.

데이터처리

따라서 여기서는 탄성스펙트럼의 표준편차 대비 비탄성응답의 표준편차를 비교하는 방법을 택하였다. 탄성응답의 표준편차는 Fig. 4와 같이 면진구조의 유효주파수에 해당하는 0.33 Hz에서의 스펙트럴 가속도 값의 표준편차로 구하였다. 이에 대한 비탄성응답의 표준편차 비는 Table 2에 정리되어 있다.

이론/모형

이 연구에서는 변형시키기 위해 선택된 지진(seed 지진)을 목표 스펙트럼에 맞도록 변환시키기 위해 Hancock et al.[2]에 의해 개발된 프로그램인 RspMatch를 사용하였다. 이 프로그램에서는 목표 스펙트럼에 부족한 주파수 성분을 보정하기 위해 식 (1)과 같은 wavelet 함수를 시간영역에서 중첩하도록 한다.
또한 지반운동 작성 방법에 따른 차이를 보기 위해 추계학적 방법에 의한 합성(synthesized) 지진파도 30개를 작성하였다. 합성지진파는 P-CARES[12] 프로그램을 이용하였다. 그림에서와 같이 두 방법 모두, 개개의 스펙트럼은 변동성이 있지만 30개에 대한 평균은 목표스펙트럼과 거의 일치하고 있다.

성능/효과

이를 이용하여 면진장치와 같은 비선형 거동을 보이는 구조에 대해서 지진응답을 평가하였고 일반적으로 사용되는 추계학적 인공지진 시간이력에 의한 결과와도 비교하였다. 그 결과 비탄성 변위응답의 중간값은 시간이력 작성 방법에 따른 거의 차이가 없었으나, 탄성응답의 변동폭 대비 비탄성응답의 변동폭은 계측지진을 변형한 입력지진에 대해서 더 크게 나타났다. 이는 계측 지진을 변형시키는 방법이 비정상파 특성이나 지속시간 등 탄성응답스펙트럼에서는 잘 보여지지 않는 다양한 지진파 특성이 비탄성응답에는 반영되기 때문으로 추정된다.
이에 대한 비탄성응답의 표준편차 비는 Table 2에 정리되어 있다. 이를 보면, 두 방법 모두 변위 응답의 중간값은 유사하지만 탄성응답 편차 대비 비탄성응답의 편차가 변형된 시간이력을 사용한 경우 더 크다는 것을 알 수 있다. 이는 앞서 기술한 바와 같이 변형된 시간이력의 경우 비정상파 특성과 같은 고유의 특성을 가지고 있기 때문에 입력지진에 따른 비선형 거동의 차이가 커지는 것으로 판단된다.

후속연구

특히 성능기반 평가법에서는 응답의 확률적인 분포 특성이 중요하기 때문에 이 방법을 적용하는 것이 보다 합리적이라 생각된다. 그러나 이 연구에서는 특정 예제에 대해서만 수행되었기 때문에 일반적인 현상을 말하기에는 한계가 있으며 다양한 비선형 파라미터를 가지는 구조물 및 여러 주파수 대역에 대해서 보다 세밀한 분석이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	원자력발전소와 같은 중요도가 높은 구조물의 특징은 무엇인가?	원자력발전소와 같은 중요도가 높은 구조물은 다른 시설물들에 비해 지진에 대한 안전성 확보가 매우 중요하게 여겨진다. 결정론적인 방법으로 설계지진 하중에 대해 안전성을 만족해야 하는 것 뿐 만 아니라, 설계에서 고려하는 재현주기보다도 긴 강한 지진동에 대해서도 확률 이론에 근거하여 적절한 안전성을 만족시켜야한다.
	ASCE 43-05[1]에서 제시하고 있는 원자력 구조물의 내진규정이 제시하고 있는 것은 무엇인가?	대표적으로 ASCE 43-05[1]에서 제시하고 있는 원자력 구조물의 내진규정에서는 이를 고려한 성능기반 설계를 추구하고 있다. 이 기준에서는 설계지진(Design Basis Earthquake, DBE)에 대하여 두 단계의 성능기준으로, 100% DBE에 의한 지진하중에 대해서는 99%의 신뢰도로 성능을 만족하도록 해야 하고, 150% DBE에 대해서는 90% 이상의 신뢰도로 성능을 만족시키도록 제시하고 있다. 이와 같은 확률기반 성능기준에서는 지진에 대한 지진응답의 평균값뿐만 아니라 분포를 구해야 할 필요성이 있다.
	결정론적인 방법으로 무엇을 만족시켜야 하는가?	원자력발전소와 같은 중요도가 높은 구조물은 다른 시설물들에 비해 지진에 대한 안전성 확보가 매우 중요하게 여겨진다. 결정론적인 방법으로 설계지진 하중에 대해 안전성을 만족해야 하는 것 뿐 만 아니라, 설계에서 고려하는 재현주기보다도 긴 강한 지진동에 대해서도 확률 이론에 근거하여 적절한 안전성을 만족시켜야한다. 대표적으로 ASCE 43-05[1]에서 제시하고 있는 원자력 구조물의 내진규정에서는 이를 고려한 성능기반 설계를 추구하고 있다.

참고문헌 (13)

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상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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