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문제 정의
- 따라서 본 논문의 목적은 내진 시험 및 해석을 통해 대형 전력기기인 GIS의 내진성능을 검증하고 그 결과를 비교 분석하여 대형 구조물용 내진해석 기법의 타당성을 평가하는 것이다. 이를 위해 내진성능 검증기준을 분석하였고, 시험법과 해석법을 병행하여 내진안전성 평가를 수행하였다.
제안 방법
- 재료물성치(6)는 지지대와 주물부, 파이프에 각각 다르게 정의되었다. 경계조건으로는 바닥과의 볼트 및 용접 연결부 위치를 고려하여 삼축방향으로 변위 및 회전을 고정하였다. 시험모델 내부의 볼트 연결부는 정확한 동특성 모사를 위한 주 요소이며, 역시 위치와 개수 등을 고려하여 조건부 고정을 적용하였다.
- 선정된 상은 전체 시스템의 동특성 및 내부 구조물의 거동을 대표할 수 있어야 한다. 따라서 시험모델 주변 부품과의 연계효과를 모사할 수 있도록 추가 지지대를 설계하였다.
- 내진 시험에서 입력되는 TRS는 응력, 가속도, 변위계 등 센서를 부착하여 시험결과를 얻을 수 있으며 부착위치 선정기준은 IEEE-693 에 제시되어 있다. 본 논문에서는 GIS의 구조건전성 평가 및 해석과의 결과비교를 위해 응력과 진동수를 결과값으로 선정하였다.
- 본 논문에서는 시험법과 해석법을 적용하여 245kV GIS의 내진성능을 검증하였다. 이를 위해 내진성능 평가기준인 IEEE-693 을 분석하여 적절한 시험법 및 해석법을 선정하였다.
- IEEE-693 에서는 구조물의 감쇠비에 따른 응답 스펙트럼을 제시하고 있다. 본 논문의 내진 해석에 사용된 요구 응답 스펙트럼(Required Response Spectrum, RRS) 및 코드에서 제시한 기본 RRS(damping ratio 2%)는 Fig. 1 에 도시하였다.
- 본 연구에서 활용한 내진 해석기법은 선형탄성 기반의 거동을 전제하여 응력을 산출하는 것이다. 시험 시 구조물에서 소성변형이 발생하였다면 가정한 파괴거동과 차이가 있으므로 비교가 불가하다.
- 해석법의 동특성 모사를 검증하기 위해 모드 해석과 고유 진동수 탐색의 결과를 비교하였다. 비교 기준으로 지배 진동수로 선정된 모드에서 고유 진동수 및 응답방향을 선정하였다. Table 5 는 해석과 시험의 결과 비교를 정리한 것으로, 가진 모드에서의 차이가 10% 이하임을 확인하였다.
- 본 논문에서 적용한 유한요소해석법의 타당성 검증을 위해 시험과 해석의 결과를 비교하였다. 비교는 동특성 및 구조건전성 측면에서 수행하였다. 고유 진동수와 응력의 결과에서 90% 이상의 일치성을 확인하였다.
- 설계한 추가 지지대가 시험모델에서 생략된 주변 부스바 등과 연계효과의 모사여부를 확인하기 위해 추가 지지대가 없는 모델, 전체 GIS 모델에서 시험모델로 선정된 부분, 추가 지지대가 있는 모델에 대한 모드 해석을 수행하였다. 고유 진동수는 모델의 거동 특성을 확인할 수 있는 변수이므로, 각 모델에서 응답한 일차 및 이차 진동수를 비교 대상으로 선정하였다.
- 경계조건으로는 바닥과의 볼트 및 용접 연결부 위치를 고려하여 삼축방향으로 변위 및 회전을 고정하였다. 시험모델 내부의 볼트 연결부는 정확한 동특성 모사를 위한 주 요소이며, 역시 위치와 개수 등을 고려하여 조건부 고정을 적용하였다. 사용된 유한요소모델과 경계조건은 Fig.
- 또한 GIS전체 시스템을 시험법으로 평가할 수 없는 규모적 한계를 고려하여, 기본 구조의 시험모델을 시험대상으로 선정하였다. 시험모델과 전체 시스템의 동적/구조적 거동의 적합성을 부여하기 위해 추가 지지대를 설계하였다. 내진 해석과 진동대 시험으로 설계된 모델에 대한 내진 안전성 평가를 수행하였고, 구조 건전성 기준을 만족함을 확인하였다.
- 유한요소모델은 쉘(Shell 143, 3D4N element)과 빔(Beam 188, 3D2N element), 질량(Mass 21, structural mass) 요소를 혼용하여 작성하였다. 유한요소모델 작성 시 형상의 세부 모사는 오히려 진동수의 노이즈를 유발할 수 있으므로 적절히 단순화하였다.
- 유한요소해석의 구조적 거동모사가 타당한지 알아보기 위해 응답 스펙트럼 해석과 시간이력 시험의 결과를 비교하였다. 비교 기준은 스트레인게이지 부착 위치에서 시험과 해석의 응력으로 선정하였다.
- 모드 해석은 구조물의 선형탄성 거동을 전제하며 구조물의 고유 진동수(natural frequency)와 모드 형상(mode shape)을 도출하여 진동특성을 파악한다. 응답 스펙트럼 해석은 응답 스펙트럼을 입력하중으로 부여하고 응력값을 도출하여, 구조물의 실질적 안전성을 평가한다. 응답 스펙트럼은 시간에 따른 불규칙 지진하중을 주파수기반의 지진가속도로 변환한 데이터로, 시간이력의 지진하중에 대한 해석보다 빠르게 해석할 수 있다.
- 따라서 본 논문의 목적은 내진 시험 및 해석을 통해 대형 전력기기인 GIS의 내진성능을 검증하고 그 결과를 비교 분석하여 대형 구조물용 내진해석 기법의 타당성을 평가하는 것이다. 이를 위해 내진성능 검증기준을 분석하였고, 시험법과 해석법을 병행하여 내진안전성 평가를 수행하였다. 평가 결과를 동특성 및 구조 건전성 측면에서 비교하여 대형 구조물의 내진성능을 평가할 수 있는 해석법의 타당성을 검토하였다.
- 2 절에 기술한 바와 같이, 내진 시험은 IEEE693 에 기반하여 한국기계연구원에서 실시되었다. 지진하중의 등급은 내진 해석과 동일하게 고지진 수준의 TRS를 적용하였다. 해석과의 결과 비교를 위한 응력데이터는 삼축 스트레인게이지로 취득하였다.
- 이를 위해 내진성능 검증기준을 분석하였고, 시험법과 해석법을 병행하여 내진안전성 평가를 수행하였다. 평가 결과를 동특성 및 구조 건전성 측면에서 비교하여 대형 구조물의 내진성능을 평가할 수 있는 해석법의 타당성을 검토하였다.
대상 데이터
- 2.2 절에 기술한 바와 같이, 내진 시험은 IEEE693 에 기반하여 한국기계연구원에서 실시되었다. 지진하중의 등급은 내진 해석과 동일하게 고지진 수준의 TRS를 적용하였다.
- 설계한 추가 지지대가 시험모델에서 생략된 주변 부스바 등과 연계효과의 모사여부를 확인하기 위해 추가 지지대가 없는 모델, 전체 GIS 모델에서 시험모델로 선정된 부분, 추가 지지대가 있는 모델에 대한 모드 해석을 수행하였다. 고유 진동수는 모델의 거동 특성을 확인할 수 있는 변수이므로, 각 모델에서 응답한 일차 및 이차 진동수를 비교 대상으로 선정하였다.
- 구조물의 진동수가 33 Hz 이상일 경우 정적 거동으로 간주할 수 있으므로, 그 이하의 값을 평가 대상으로 정리하였다. Table 3 은 시험모델 내의 주요 구조물에서 측정한 고유 진동수를 시험 전후로 비교한 값으로, 최대 진동수 차이가 20% 이하임을 확인하였다.
- 내진 시험을 실시한 한국기계연구원의 시험설비는 가로 및 세로 길이가 각각 4m로, 설치할 수 있는 시험장치의 규모가 제한되었다. 따라서 전체 시스템 중 가장 대표적인 구조의 단일상을 시험대상으로 선정하였다. 선정된 상은 전체 시스템의 동특성 및 내부 구조물의 거동을 대표할 수 있어야 한다.
- 이를 위해 내진성능 평가기준인 IEEE-693 을 분석하여 적절한 시험법 및 해석법을 선정하였다. 또한 GIS전체 시스템을 시험법으로 평가할 수 없는 규모적 한계를 고려하여, 기본 구조의 시험모델을 시험대상으로 선정하였다. 시험모델과 전체 시스템의 동적/구조적 거동의 적합성을 부여하기 위해 추가 지지대를 설계하였다.
- 유한요소해석의 구조적 거동모사가 타당한지 알아보기 위해 응답 스펙트럼 해석과 시간이력 시험의 결과를 비교하였다. 비교 기준은 스트레인게이지 부착 위치에서 시험과 해석의 응력으로 선정하였다. Fig.
- 지진하중의 등급은 내진 해석과 동일하게 고지진 수준의 TRS를 적용하였다. 해석과의 결과 비교를 위한 응력데이터는 삼축 스트레인게이지로 취득하였다. Fig.
데이터처리
- 본 논문에서 적용한 유한요소해석법의 타당성 검증을 위해 시험과 해석의 결과를 비교하였다. 비교는 동특성 및 구조건전성 측면에서 수행하였다.
- 해석법의 동특성 모사를 검증하기 위해 모드 해석과 고유 진동수 탐색의 결과를 비교하였다. 비교 기준으로 지배 진동수로 선정된 모드에서 고유 진동수 및 응답방향을 선정하였다.
이론/모형
- 5%를 사용하였다. 유한요소모델 작성 및 내진 해석은 상용 구조 해석 소프트웨어인 ANSYS Mechanical R13(7)을 활용하였다.
- 본 논문에서는 시험법과 해석법을 적용하여 245kV GIS의 내진성능을 검증하였다. 이를 위해 내진성능 평가기준인 IEEE-693 을 분석하여 적절한 시험법 및 해석법을 선정하였다. 또한 GIS전체 시스템을 시험법으로 평가할 수 없는 규모적 한계를 고려하여, 기본 구조의 시험모델을 시험대상으로 선정하였다.
- 지진하중은 IEEE-693 코드에 제시된 고지진 수준에서의 응답 스펙트럼 값을 사용하였다(Fig. 1 참조). 응답 스펙트럼 도출 시 사용된 감쇠비는 구조물의 고유한 특성이므로, 내진 시험에서 측정된 값인 0.
- IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)등 관련 규격에서 제시한 내진성능 평가법은 유한 요소법에 기반한 해석법과 실제 구조물을 가진하여 확인하는 진동대 시험법(shaking table test)이 대표적이다. 해석법은 결과를 경제적으로 도출할 수 있고, 평가대상 크기에 제한이 없다는 장점으로 현재까지 주 검증법으로 활용되었다. 그러나 실제 거동을 모사하는데 한계가 있어 결과의 신뢰성이 낮다.
성능/효과
- 비교는 동특성 및 구조건전성 측면에서 수행하였다. 고유 진동수와 응력의 결과에서 90% 이상의 일치성을 확인하였다. 기존의 관련 연구에 비해 시험과 해석 결과의 차이가 작은 이유는 ①동특성 모사의 주 요소인 질량과 강성을 실제와 유사하게 모사, ②시험과 해석 모두 소성변형이 발생하지 않은 선형탄성적 구조거동을 보임, ③지배 진동수 범위에서 시험과 해석에 정의된 지진하중 차이가 미소함으로 판단된다.
- 고유 진동수와 응력의 결과에서 90% 이상의 일치성을 확인하였다. 기존의 관련 연구에 비해 시험과 해석 결과의 차이가 작은 이유는 ①동특성 모사의 주 요소인 질량과 강성을 실제와 유사하게 모사, ②시험과 해석 모두 소성변형이 발생하지 않은 선형탄성적 구조거동을 보임, ③지배 진동수 범위에서 시험과 해석에 정의된 지진하중 차이가 미소함으로 판단된다.
- 시험모델과 전체 시스템의 동적/구조적 거동의 적합성을 부여하기 위해 추가 지지대를 설계하였다. 내진 해석과 진동대 시험으로 설계된 모델에 대한 내진 안전성 평가를 수행하였고, 구조 건전성 기준을 만족함을 확인하였다.
- 주요 모드 형상은 각 방향 별 가진 시 변형이 발생하기 쉬운 상위 지지대부분에서 발생하였다. 또한 시험모델의 최소 진동수(12.06 Hz)는 입력 응답스펙트럼(Fig. 1 참조)에서의 최대 증폭 진동수 범위(약 3 ~ 8 Hz) 외로 설계되어, 최대 가속도 회피 설계기준을 만족하였다.
- 본 평가대상의 지배 진동수는 대부분 10 ~ 20 Hz에서 측정되었다. 이 범위에서 시험과 해석의 가진 가속도의 차이는 비교적 작다 (Fig.
- Table 2 는 본 해석에서 계산된 각 방향 별 유효질량비를 정리한 것이다. 수평방향(x, y)의 유효질량이 80% 정도 산출되어, 유효질량 기준 신뢰성이 확보되었다 판단하였다.
- Table 5 는 해석과 시험의 결과 비교를 정리한 것으로, 가진 모드에서의 차이가 10% 이하임을 확인하였다. 이에 따라 본 해석에서 사용된 유한요소모델은 실제 구조물의 동특성을 적절하게 모사하였음을 알 수 있다. 이는 내진 해석 시 고유 진동수에 영향을 주는 두 인자인 질량과 강성을 적절하게 모사했기 때문으로 판단된다.
- Table 1 은 각 모델의 고유진동수 비교 결과를 정리한 것이다. 전체 시스템에서 시험모델로 선정된 부위의 고유진동수를 기준으로 봤을 때, 추가 지지대가 있는 모델에서의 고유진동수가 지지대가 없는 모델에 비해 값이 유사함을 알 수 있다. 따라서 추가 지지대가 있는 모델이 전체 시스템의 응답을 좀 더 적절히 모사한다고 평가할 수 있다.
후속연구
- 본 결과를 활용하여 245kV 가스절연개폐장치 전체 시스템의 내진성능 검증연구가 수행될 예정이다. 본 논문은 진동대 시험을 수행할 수 없는 대형 전력기기의 내진성능 검증에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 본 결과를 활용하여 245kV 가스절연개폐장치 전체 시스템의 내진성능 검증연구가 수행될 예정이다. 본 논문은 진동대 시험을 수행할 수 없는 대형 전력기기의 내진성능 검증에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 이러한 관점에서 대규모 설비의 내진성능 평가는, 시험설비가 가지고 있는 규모의 한계 상 해석법에 기반해야 한다. 평가에 앞서, 해석법의 단점인 결과의 신뢰도 향상을 위해 시험법과 결과를 비교하여 해석법의 타당성 검증이 필요하다. 즉, 내진성능 평가의 효율성과 정확성을 동시에 확보하기 위해 해석과 시험을 병행한 평가가 수행되어야 한다.
- 시험과 해석의 결과는 동일한 경계조건 및 유사한 하중조건, 같은 선형탄성 기반의 구조 거동을 보였으므로 그 차이가 합당한 범위 내로 도출되었다고 판단된다. 향후 진동대 시험을 할 수 없는 대형 전력기기의 내진성능 검증 시 질량, 강성, 하중을 적절히 모사하여 유한요소모델을 작성한다면 실제와 유사한 구조건전성 평가가 가능할 것으로 판단된다.
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