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문제 정의
- SAP2000에 탑재된 면진장치 요소는 고무계 면진장치 및 마찰형 면진장치 요소가 있다[12]. 본 연구에서는 고무계 면진장치 요소와 감쇠기 요소를 사용하여 면진장치를 모델링하였다. 감쇠기 요소를 추가로 설치할 경우 면진장치의 이력거동은 Fig.
- 이 논문에서는 면진원전의 면진-비면진 건물 연결 배관의 내진성능 검증 기법을 개발하여 선정된 대표 배관에 적용함으로써 해당 배관에 대한 지진응답 해석 및 내진성능 평가를 수행하였다. 내진성능 평가는 내진설계의 개념과 달리 설계규모를 상회하는 지반운동에 대해서도 어느 정도의 성능을 보유하고 있는가에 대한 검증도 필요하다.
가설 설정
- 7과 같이 모델링 하였다. 2장에서 대상 배관으로 선정하여 모델링된 배관은 한 쪽 끝단이 면진 건물인 보조건물의 100ft 높이에, 다른 한 끝단은 비면진 건물인 터빈건물의 기초부 높이(foundation level)에 고정되어 있는 것으로 가정하였다. 배관의 양 끝단 중 터빈 건물에 고정된 지점에는 지반운동 가속도가 그대로 입력되는 것으로 하였으며, 보조건물의 100ft 높이에 연결된 지점에는 해당 지점의 보조건물 층응답 가속도 시간이력에 해당하는 지반운동이 입력되도록 하였다.
- 모든 배관 부품 및 구성요소는 ASME Sec III, “Boiler and Pressure Vessel Code, 2007”[9] 에 의해 설치되고 용접되었음을 가정하였다.
- 이 배관계통은 증기터빈의 주배관 비상 차단 시 연결 관로로 활용되며, 이상 진동, 지진력 등의 극한하중 작용 시 그 중요성이 큰 요소이기 때문에 안전성 측면에서 중요한 배관 중 하나이다. 모든 해석 시배관은 상온의 물로 만관이 되어 있는 상태에서 약 19 MPa로 가압된 상태임을 가정하였다. Fig.
- 기존에 수행되었던 실험 결과와의 비교를 통해 개발된 유한요소 해석 모델의 타당성을 검증하였다. 해석 대상 배관은 면진 원전의 면진 건물과 비면진 건물에 각각 양 끝단이 연결된 것으로 가정하였으며, 양 지점에 해당 층응답 및 지반운동 가속도를 입력하여 지진응답 해석 및 내진성능 평가를 수행하였다. 면진 측지점에 입력될 층응답 가속도 시간이력을 도출하기 위하여, 면진장치 상부의 보조건물과 면진장치를 유한요소로서 모델링하였으며, 면진 건물에 대한 예비 지반운동 해석을 통해 배관이 연결된 절점에서의 가속도 응답 시간 이력을 도출하였다.
제안 방법
- 반면, 비면진-비면진 간 배관의 경우에는 구조물에 바로 지진력이 전달됨으로 인해 구조물 자체의 변위는 면진 건물에 비하여 크게 발생하나 구조물 자체의 강성이 면진장치에 비하여 현저히 크기 때문에 면진 장치가 장착된 경우에 비하여 적은 상대변위가 발생하게 될 가능성이 높으며, 배관에서 흡수하여야 할 상대변위도 상대적으로 줄어들게 된다. 2장 및 3장에서 모델링 된 면진-비면진 구간 연결 배관 시스템에 대하여 지지진응답 해석 및 내진성능 평가를 수행한 결과를 본 장에 제시하였다.
- 원전의 설계 시 사용되는 NRC Reg. Guide 1.60에 의한 지진동[13]과, 국내 지반의 고진동수성분을 고려한 등재해도 스펙트럼(UHS), 그리고 면진된 구조물의 저진동수 영역에서 지진응답을 분석하기 위하여 가속도의 증폭이 저진동수 영역에서 큰 Chi-chi(TCU-360) 지진, 그리고 면진된 구조물의 목표고유진동수 영역에서 큰 에너지를 가지는 Sylmar90 지진을 입력지진동으로 선정하였다. 설계 시와는 달리, 면진-비면진 건물 간 연결 배관의 내진성능 평가는 설계지진 규모 이상의 지반운동에 대해서도 응답 수준 및 건전성의 평가가 필요하다.
- 진동대 실험 시에는 배관계통의 하단부와 상단부를 각기 다른 진동대에 연결하고 높은 위치에 설치된 배관에 보다 큰 지반가속도가 작용하는 것을 모사할 수 있도록 하였다. 격납건물의 벽체를 모사한 총 3기의 기준프레임을 좌측 진동대에 2기, 우측 진동대에 1기 설치하여 고정단 연결부, 걸쇠 지지부(hanger support), 단순 지지부(support)를 설치할 수 있도록 하였다. 이 논문에서 사용된 대표 배관의 상세도면 및 형상은 Fig.
- 탄성계수는 재료실험 결과를 바탕으로 산출한 값을 사용하였고 감쇠비(damping ratio)는 진동대 실험 결과[8,10]를 참조하여 적용하였다. 관내부에 존재하는 물의 관성력이 고려될 수 있도록 모델링하였으며, 작용하는 수압(20 MPa)을 경계조건으로 적용하였다. 해석에 사용된 단면 제원 및 물성치를 Table 1 및 Table 2 에 정리하여 나타내었다.
- 설계 시와는 달리, 면진-비면진 건물 간 연결 배관의 내진성능 평가는 설계지진 규모 이상의 지반운동에 대해서도 응답 수준 및 건전성의 평가가 필요하다. 따라서 이 연구에서는 0.2g PGA로 정규화한 4가지 종류의 지반운동 가속도 이외에, 0.5g PGA로 정규화한 4가지 종류의 지반운동 가속도를 추가로 고려하였다. 각 각의 가속도 시간이력은 Fig.
- 해석 대상 배관은 면진 원전의 면진 건물과 비면진 건물에 각각 양 끝단이 연결된 것으로 가정하였으며, 양 지점에 해당 층응답 및 지반운동 가속도를 입력하여 지진응답 해석 및 내진성능 평가를 수행하였다. 면진 측지점에 입력될 층응답 가속도 시간이력을 도출하기 위하여, 면진장치 상부의 보조건물과 면진장치를 유한요소로서 모델링하였으며, 면진 건물에 대한 예비 지반운동 해석을 통해 배관이 연결된 절점에서의 가속도 응답 시간 이력을 도출하였다.
- 면진원전의 면진-비면진 구간 연결 배관의 예비 내진성능 평가를 위하여 대표 배관을 선정하고 해당 배관에 대한 지진응답 해석을 수행하였다. 해석 대상 배관은 신고리 2호기에 적용된 직경 3인치의 주배관 비상 차단 배관으로 선정하였으며, 이에 대한 유한요소 모델을 도출하였다.
- 2장에서 대상 배관으로 선정하여 모델링된 배관은 한 쪽 끝단이 면진 건물인 보조건물의 100ft 높이에, 다른 한 끝단은 비면진 건물인 터빈건물의 기초부 높이(foundation level)에 고정되어 있는 것으로 가정하였다. 배관의 양 끝단 중 터빈 건물에 고정된 지점에는 지반운동 가속도가 그대로 입력되는 것으로 하였으며, 보조건물의 100ft 높이에 연결된 지점에는 해당 지점의 보조건물 층응답 가속도 시간이력에 해당하는 지반운동이 입력되도록 하였다.
- 4와 같다. 변형률 10% 이하는 진응력-진변형률 곡선을 잘 따라가도록 재료모델을 구성하였으며, 변형률 10%를 초과하는 구간에서는 비교적 간단하게 모델링하였다. 재료실험결과로부터 손상모델은 150% 변형률을 한계로 한 인장연성파괴(ductile fracture) 모델을 사용하였다.
- ABAQUS 에서 배관해석에 적용할 수 있는 보 요소는 FRAME3D, PIPE31, ELBOW31, B33 등이다. 본 논문에서는 ABAQUS의 다양한 보 요소 중 해석의 효율성과 내압 상태의 적용가능성 여부 등을 고려하여 PIPE31 요소(2-절점 선형 배관 요소)를 적용하였다. PIPE31 요소는 일반적인 용도의 3D Euler-Bernoulli 보 요소(ABAQUS의 경우, B33 요소)와 유사하나 소성거동, 내, 외압에 의한 원주방향 응력(hoop stress)의 영향을 고려할 수 있다.
- 선정된 배관 계통의 극한 내진성능 평가를 위하여, 비선형 재료 모델을 도입하였다. 비선형 재료 모델은 재료실험 및 배관요소의 정적하중 재하실험의 결과를 바탕으로 하였으며, 재료실험결과 측정된 데이터로부터 공칭 응력, 공칭변형률을 계산하고 진응력, 진변형률을 산정하였다. 탄성계수는 Fig.
- 선정된 배관 계통의 극한 내진성능 평가를 위하여, 비선형 재료 모델을 도입하였다. 비선형 재료 모델은 재료실험 및 배관요소의 정적하중 재하실험의 결과를 바탕으로 하였으며, 재료실험결과 측정된 데이터로부터 공칭 응력, 공칭변형률을 계산하고 진응력, 진변형률을 산정하였다.
- 설계규모 지진뿐만 아니라 설계지진 규모를 상회하는 대규모 지진에 대한 성능평가도 동시에 수행하였으며, 설계 스펙트럼에 부합하도록 생성된 인공지진 가속도 시간이력 외에도 실제 계기기록 지진 가속도 시간이력에 대해서도 응답 해석을 통한 성능 평가를 실시하였다. 면진원전의 면진-비면 진구간 연결 배관에 대하여 예비 성능평가를 수행한 결과, 면진원전 배관의 경우 면진장치가 설치되지 않은 경우에 비하여 현저히 큰 상대변위가 발생 되는 것을 확인할 수 있었다.
- 내진성능 평가는 내진설계의 개념과 달리 설계규모를 상회하는 지반운동에 대해서도 어느 정도의 성능을 보유하고 있는가에 대한 검증도 필요하다. 이 논문에서는 설계규모 지진뿐만 아니라 설계지진 규모를 상회하는 대규모 지진에 대한 내진성능 평가를 수행하였으며, 설계 스펙트럼에 부합하도록 생성된 인공지진 가속도 시간이력 외에도 실제 계기기록 지진 가속도 시간이력에 대해서도 응답 해석을 통한 성능 평가를 실시하였다.
- 지반이 단단한 곳에 위치한 적층고무 면진시스템은 지진력 저감효과가 나타나지만 지반이 연약한 곳에 위치할 경우 지진동은 저진동수 영역에서 응답이 증가하게 되므로 지진력 저감효과를 기대할 수 없다. 이처럼 면진시스템은 입력지진동의 특성에 따라 그 효과가 다르게 나타나므로 본 연구에서는 다양한 입력스펙트럼 형상을 고려하여 입력지진동을 선택하였다.
- 비선형 재료 모델은 재료실험 및 배관요소의 정적하중 재하실험의 결과를 바탕으로 하였으며, 재료실험결과 측정된 데이터로부터 공칭 응력, 공칭변형률을 계산하고 진응력, 진변형률을 산정하였다. 탄성계수는 Fig. 3의 응력-변형률도의 직선구간(80 MPa 이하)의 측정값을 회귀분석을 통하여 199 GPa로 결정하였다. 연강의 경우 재료적 특성으로 인해 항복 응력이 명확히 나타나지 않으며, 이때에는 일반적으로 응력-변형률 곡선에서 총 변형률의 0.
- 해석 시 적용된 단면 제원은 설계기준[9]에서 제시하고 있는 값을 적용하였으며, 재료 물성치 중 탄성계수와 감쇠비(damping ratio)를 제외한 모든 동적 특성치는 설계기준에 의하여 결정하였다. 탄성계수는 재료실험 결과를 바탕으로 산출한 값을 사용하였고 감쇠비(damping ratio)는 진동대 실험 결과[8,10]를 참조하여 적용하였다.
대상 데이터
- 선정된 해석 대상 배관은 신고리 2호기에 실제 적용되고 있는 배관계통으로 ASME CLASS1 SA312 GRADE TP316 SCH. 160의 직경 3인치인 스테인리스 배관이며, 직관부, 곡관부(elbow), 지지부(support) 등으로 구성되어 있다. 이 배관계통은 증기터빈의 주배관 비상 차단 시 연결 관로로 활용되며, 이상 진동, 지진력 등의 극한하중 작용 시 그 중요성이 큰 요소이기 때문에 안전성 측면에서 중요한 배관 중 하나이다.
- 대표 배관의 지진응답 해석 및 성능평가를 수행하기 위하여 대상 배관을 선정하였다. 선정된 해석 대상 배관은 신고리 2호기에 실제 적용되고 있는 배관계통으로 ASME CLASS1 SA312 GRADE TP316 SCH.
- 면진장치의 상부구조물은 고유진동수가 6.2Hz인 신고리 3&4호기의 보조건물을 예제모델로 선정하여 Fig. 7과 같이 모델링 하였다.
- 대표 배관의 지진응답 해석 및 성능평가를 수행하기 위하여 대상 배관을 선정하였다. 선정된 해석 대상 배관은 신고리 2호기에 실제 적용되고 있는 배관계통으로 ASME CLASS1 SA312 GRADE TP316 SCH. 160의 직경 3인치인 스테인리스 배관이며, 직관부, 곡관부(elbow), 지지부(support) 등으로 구성되어 있다.
- 8 m이고, 2인치와 3인치 배관으로 구성된 일부 구간을 분리하여 선정하였다. 이 배관에는 7개의 곡관부(elbow)와 2개의 이경관부(reducer)가 사용되었다. 모든 배관 부품 및 구성요소는 ASME Sec III, “Boiler and Pressure Vessel Code, 2007”[9] 에 의해 설치되고 용접되었음을 가정하였다.
- 면진원전의 면진-비면진 구간 연결 배관의 예비 내진성능 평가를 위하여 대표 배관을 선정하고 해당 배관에 대한 지진응답 해석을 수행하였다. 해석 대상 배관은 신고리 2호기에 적용된 직경 3인치의 주배관 비상 차단 배관으로 선정하였으며, 이에 대한 유한요소 모델을 도출하였다. 기존에 수행되었던 실험 결과와의 비교를 통해 개발된 유한요소 해석 모델의 타당성을 검증하였다.
- 1은 해석 대상 배관의 설치도면(iso-drawing)을 나타낸다. 해석을 위해서 종방향으로 길이가 17.8 m이고, 2인치와 3인치 배관으로 구성된 일부 구간을 분리하여 선정하였다. 이 배관에는 7개의 곡관부(elbow)와 2개의 이경관부(reducer)가 사용되었다.
데이터처리
- 해석 대상 배관은 신고리 2호기에 적용된 직경 3인치의 주배관 비상 차단 배관으로 선정하였으며, 이에 대한 유한요소 모델을 도출하였다. 기존에 수행되었던 실험 결과와의 비교를 통해 개발된 유한요소 해석 모델의 타당성을 검증하였다. 해석 대상 배관은 면진 원전의 면진 건물과 비면진 건물에 각각 양 끝단이 연결된 것으로 가정하였으며, 양 지점에 해당 층응답 및 지반운동 가속도를 입력하여 지진응답 해석 및 내진성능 평가를 수행하였다.
- 모든 배관 부품 및 구성요소는 ASME Sec III, “Boiler and Pressure Vessel Code, 2007”[9] 에 의해 설치되고 용접되었음을 가정하였다. 유한요소 해석 모델의 검증을 위하여 2기의 진동대를 이용하여 수행된 진동대 성능평가 실험 결과와 응답을 비교하였다. 진동대 실험 시에는 배관계통의 하단부와 상단부를 각기 다른 진동대에 연결하고 높은 위치에 설치된 배관에 보다 큰 지반가속도가 작용하는 것을 모사할 수 있도록 하였다.
이론/모형
- 재료실험결과로부터 손상모델은 150% 변형률을 한계로 한 인장연성파괴(ductile fracture) 모델을 사용하였다. 변형 경화는 등방성 경화 법칙(isotropic hardening rule)을 적용하였으며, 다수의 해석결과 휨과 인장이 주된 응력으로 판단되므로 전단에 의한 파괴는 고려하지 않았다.
- 면진장치는 무길이 요소(zerolength element)를 사용하여 모델하지만 모델링의 상세여부에 따라 솔리드요소를 사용하여 유한요소로 모델링하거나 보요소와 질량을 사용하여 간단하게 모델링할 수 도 있다. 이 논문에서 보조 건물의 모델링 및 층응답 평가를 위해 사용된 구조해석 소프트웨어는 SAP2000이다. SAP2000에 탑재된 면진장치 요소는 고무계 면진장치 및 마찰형 면진장치 요소가 있다[12].
- 변형률 10% 이하는 진응력-진변형률 곡선을 잘 따라가도록 재료모델을 구성하였으며, 변형률 10%를 초과하는 구간에서는 비교적 간단하게 모델링하였다. 재료실험결과로부터 손상모델은 150% 변형률을 한계로 한 인장연성파괴(ductile fracture) 모델을 사용하였다. 변형 경화는 등방성 경화 법칙(isotropic hardening rule)을 적용하였으며, 다수의 해석결과 휨과 인장이 주된 응력으로 판단되므로 전단에 의한 파괴는 고려하지 않았다.
- 해석 시 적용된 단면 제원은 설계기준[9]에서 제시하고 있는 값을 적용하였으며, 재료 물성치 중 탄성계수와 감쇠비(damping ratio)를 제외한 모든 동적 특성치는 설계기준에 의하여 결정하였다. 탄성계수는 재료실험 결과를 바탕으로 산출한 값을 사용하였고 감쇠비(damping ratio)는 진동대 실험 결과[8,10]를 참조하여 적용하였다. 관내부에 존재하는 물의 관성력이 고려될 수 있도록 모델링하였으며, 작용하는 수압(20 MPa)을 경계조건으로 적용하였다.
- 해석모델은 ABAQUS의 보 요소(beam element)를 사용하였다. 보 요소의 적용은 실제 배관계통이 길고 복잡한 형상으로 구성되며, 일반적인 설계현장에서도 보 요소를 이용한 해석이 주를 이루기 때문이다.
성능/효과
- 따라서 장주기 성분 지반운동이 예측될 경우에는 지반운동 규모가 작을 경우에도 면진 배관의 경우 특수한 변위 흡수 기법의 도입 또는 변위 흡수 능력 향상을 위한 배관 경로/서포트의 변경이 필요함을 알 수 있다. 0.5g PGA 지반운동에 대해서는 면진 배관의 경우, UHS 지반 운동의 경우를 제외하고 모두 350MPa을 넘어서는 응력이 발생하였다. 이로부터 설계 기준을 넘어서는 강진 지반운동에 대하여 면진 배관의 성능 및 여유도를 확보하기 위해서는 면진 배관에 대한 상세 성능 평가가 선행되어야 하며, 과도한 상대변위를 효율적으로 흡수할 수 있는 추가적인 변위 흡수 대책 마련이 반드시 필요할 것으로 판단할 수 있다.
- 0.5g PGA 지반운동의 경우, Chi-Chi > NRC > Sylmar > UHS 순으로 많은 변위 흡수량을 요구하는 것으로 나타났으며, 장주기 주파수 특성이 상대적으로 탁월한 경우 면진장치의 변위 증가로 배관에서 큰 상대변위 발생함을 알 수 있었다.
- 또한, 면진 배관의 경우, UHS 지반운동의 경우에 가장 작은 응력 응답 수준을 가지며, 이는 UHS 지진에 대한 면진 배관의 변위흡수 요구량이 가장 작기 때문이라고 할 수 있다. UHS 지반운동의 경우에는 PGA가 0.2g에서 0.5g로 증가하여도 응력 응답 수준이 크게 증가하지 않는 것으로 나타났다. 이는 UHS 지반운동의 장주기 성분이 상대적으로 적은 반면, 고진동수 성분이 높기 때문인 것으로 판단된다.
- 설계규모 지진뿐만 아니라 설계지진 규모를 상회하는 대규모 지진에 대한 성능평가도 동시에 수행하였으며, 설계 스펙트럼에 부합하도록 생성된 인공지진 가속도 시간이력 외에도 실제 계기기록 지진 가속도 시간이력에 대해서도 응답 해석을 통한 성능 평가를 실시하였다. 면진원전의 면진-비면 진구간 연결 배관에 대하여 예비 성능평가를 수행한 결과, 면진원전 배관의 경우 면진장치가 설치되지 않은 경우에 비하여 현저히 큰 상대변위가 발생 되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 장주기 성분이 큰 지반운동에 대해서는 지반운동 규모가 설계지반운동 규모에 불과할 때에도 허용응력 수준을 상회하는 응력이 발생하는 것을 볼 수 있었다.
- 5는 유한요소해석에 의한 변위 산정 결과와 진동대 실험 가진 시 센서에 의해 계측된 변위를 비교한 것이다. 센서에 의한 계측이 가능한 범위에서 비교적 다양한 가진 수준의 해석결과와 잘 일치하는 것으로 나타났다. 이로부터 대상 배관의 해석 모델은 실제 모델의 동적거동을 분석하기에 충분한 것으로 판단하였다.
- 장주기 성분이 매우 탁월하여 매우 큰 두 개의 첨두변위값을 제외하고는 큰 응답이 발생하지 않는 것을 볼 수 있다. 특히, 면진, 비면진의 경우에 따른 절대변위의 차이가 거의 없으며 그럼에도 면진장치의 상대변위는 다른 지진파의 경우에 비하여 매우 크게 발생하고 있는 것으로 보아, 면진장치가 효율적으로 작용하지 못하고 있음을 알 수 있다. 이는 장주기 지반운동 특성상 면진장치를 설치하게 될 경우 면진장치가 구조물을 장주기화 하여 공진 등의 좋지 못한 효과를 유발할 수 있기 때문인 것으로 판단된다.
후속연구
- 따라서 향후 원전에 면진 장치를 적용하고 면진-비면진 구간의 연결 배관에 대한 안전성을 검증하기 위해서는, 해당 사이트의 지반운동 특성을 정확하게 판단할 필요가 있으며, 설계규모 지진하중뿐만 아니라 설계하중을 초과하는 지진하중에 대하여서도 면밀한 성능평가를 수행할 필요가 있을 것이다. 경우에 따라서는 과도한 상대변위를 흡수하기 위한 추가적인 대책, 즉 배관 경로의 우회/연장, 서포트 변경, 또는 특수한 변위흡수 장치의 도입 등이 필요할 것으로 판단된다.
- 이러한 결과는 지진파의 주파수 특성, 규모 등에 따라 배관이 보유하게 되는 내진성능이 현저하게 다를 수 있음을 의미하는 결과라 할 수 있다. 따라서 향후 원전에 면진 장치를 적용하고 면진-비면진 구간의 연결 배관에 대한 안전성을 검증하기 위해서는, 해당 사이트의 지반운동 특성을 정확하게 판단할 필요가 있으며, 설계규모 지진하중뿐만 아니라 설계하중을 초과하는 지진하중에 대하여서도 면밀한 성능평가를 수행할 필요가 있을 것이다. 경우에 따라서는 과도한 상대변위를 흡수하기 위한 추가적인 대책, 즉 배관 경로의 우회/연장, 서포트 변경, 또는 특수한 변위흡수 장치의 도입 등이 필요할 것으로 판단된다.
- 0Hz로 설정하였다. 보다 효율적인 면진 시스템의 구성을 위해서는 목표 고유진동수 최적화에 대한 추가적인 연구 수행이 필요할 것이다. 면진장치의 상부구조물은 고유진동수가 6.
- 5g PGA 지반운동에 대해서는 면진 배관의 경우, UHS 지반 운동의 경우를 제외하고 모두 350MPa을 넘어서는 응력이 발생하였다. 이로부터 설계 기준을 넘어서는 강진 지반운동에 대하여 면진 배관의 성능 및 여유도를 확보하기 위해서는 면진 배관에 대한 상세 성능 평가가 선행되어야 하며, 과도한 상대변위를 효율적으로 흡수할 수 있는 추가적인 변위 흡수 대책 마련이 반드시 필요할 것으로 판단할 수 있다.
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