[논문]지반강성의 변동성이 원전구조물의 지반-구조물 상호작용 응답에 미치는 영향 분석

김재민; 노태용; 허정원; 김문수; 현창헌

doi:10.5000/eesk.2015.19.2.063

지반강성의 변동성이 원전구조물의 지반-구조물 상호작용 응답에 미치는 영향 분석
Evaluation of Soil Stiffness Variability Effects on Soil-Structure Interaction Response of Nuclear Power Plant Structure 원문보기

한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.19 no.2, 2015년, pp.63 - 74

김재민 (전남대학교 해양토목공학과) , 노태용 (한국시설안전기술공단) , 허정원 (전남대학교 해양토목공학과) , 김문수 (한국원자력안전기술원) , 현창헌 (한국원자력안전기술원)

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigated the influence of probabilistic variability in stiffness and nonlinearity of soil on response of nuclear power plant (NPP) structure subjected to seismic loads considering the soil-structure interaction (SSI). Both deterministic and probabilistic methods have been employed to evaluate the dynamic responses of the structure. For the deterministic method, $SRP_{min}$ method given in USNRC SRP 3.7.2(2013) (envelope of responses using three shear modulus profiles of lower bound($G_{LB}$), best estimate($G_{BE}$) and upper bound($G_{UB}$)) and $SRP_{max}$ method (envelope of responses by more than three ground profiles within range of $G_{LB}{\leq}G{\leq}G_{UB}$) have been considered. The probabilistic method uses the Latin Hypercube Sampling (LHS) that can capture probabilistic feature of soil stiffness defined by the median and the standard deviation. These analysis results indicated that 1) number of samples shall be larger than 60 to apply the probabilistic approach in SSI analysis and 2) in-structure response spectra using equivalent linear soil profiles considering the nonlinear behavior of soil medium can be larger than those based on low-strain soil profiles.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

이 연구에서는 원전 격납구조물의 지반-구조물 상호작용을 고려한 등가선형 지진응답 해석시 지반강성의 확률적 변동성이 구조물의 응답에 미치는 영향을 분석하였다. 해석방법으로 확률론적 방법과 결정론적 방법(SRP_min, SRP_max)을 적용하였다.

제안 방법

이 연구에서는 지반 강성의 변동성을 고려하여 구조물에 작용되는 지진하중을 산정하는 결정론적 방법과 확률론적 방법을 적용하였으며 각 기법에 의한 지진응답의 차이를 비교하였다. 결정론적 방법으로 USNRC SRP 3.7.2에 규정하고 있는 SRP_min 방법(전단탄성계수G_LB, G_BE, G_UB에 의한 응답의 포락) 및 SRP_max방법(전단탄성계수가 모든 지층에서 G_LB ≤ G ≤ G_UB 범위인 다수의 지반 프로파일에 대한 SSI 지진응답의 포락)을 고려하였다. ;확률론적 방법은 지반강성에 대해 정의된 확률특성(중앙값, 표준편차)으로부터 Latin Hypercube sampling (LHS)기법을 이용하여 표본을 작성하고 동적해석을 수행한 후, 이들 응답의 통계특성을 결정하였다. 이를 위하여 지반강성(전단탄성계수)의 확률분포를 대수정규분포(log-normal distribution)로 가정하고 저변형률(low-strain) 지반프로파일에 대한 표본을 생성하였다.
2에 규정하고 있는 SRP_min 방법(전단탄성계수G_LB, G_BE, G_UB에 의한 응답의 포락) 및 SRP_max방법(전단탄성계수가 모든 지층에서 G_LB ≤ G ≤ G_UB 범위인 다수의 지반 프로파일에 대한 SSI 지진응답의 포락)을 고려하였다. 확률론적 방법은 지반강성에 대해 정의된 확률특성(중앙값, 표준편차)으로부터 Latin Hypercube sampling (LHS)기법을 이용하여 표본을 작성하고 동적해석을 수행한 후, 이들 응답의 통계특성을 결정하였다. 이를 위하여 지반강성(전단탄성계수)의 확률분포를 대수정규분포(log-normal distribution)로 가정하고 저변형률(low-strain) 지반프로파일에 대한 표본을 생성하였다.

대상 데이터

3(a) 참조)로 선정하였다. 이 격납구조물은 직경이 약 38 m이고 높이가 약 71 m인 원통형 프리스트레스트 콘크리트 쉘 구조물이며, 콘크리트 물성치는 다음과 같다: 질량밀도=2.4 t/m³, 탄성계수=31,300MPa, 포아송비=0.2, 감쇠비=0.05. 지반 조건은 Fig. 3(b)와 같이 일본 00원전 부지의 지반조사결과를 참고하여 지표에서 170m 깊이까지 모래층과 점토층 및 연암으로 구성된 지반조건을 설정하였다[17]. Table 1은 해석대상 구조물의 지반 물성치이다.

성능/효과

1) 저변형률 및 등가선형 해석에서 확률론적 방법을 적용할 때 지반강성의 변동성이 고려된 표본 30개, 60개, 90개, 120개, 150개인 경우에 대한 중앙값과 표준편차를 상호 비교한 결과, 최소 60개 이상의 표본을 사용해야 할 것으로 판단되었다.
2) 현재 실무에서 많이 사용하는 결정론적 방법인 SRP_min 방법은 지반강성의 COV값이 작고(예, COV =0.5) 저변형률 지반강성을 사용한 한 경우, 엄밀한 결정론적 방법인 SRP_max와 매우 유사하여, 현재 실무에서 사용하는 방법이 타당한 것으로 판단된다. 하지만, 지반의 변동성이 커지거나 (예, COV ≥1.
3) 결정론적 방법과 확률론적 방법에 의한 스펙트럴 응답을 비교한 결과, 저변형률 지반특성을 사용한 지진해석응답의 경우, 변동계수 0.5 및 1.0에 대한 결정론적 방법 중 SRP_max 방법에 의한 해석은 확률론적 해석의 약 95%(μ+2σ)에 해당하는 비초과확률 응답과 경향이 유사한 것으로 나타났다. 그리고 SRP_min 방법은 확률론적 해석의 90%(μ+1.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SSI 해석 시, 보다 합리적인 결과를 얻을 수 있는 방법은 무엇인가?	자연 상태에서 지반강성은 근본적으로 균질하지 않으며 물성치의 공간적인 변동성이 크기 때문에 하나의 확정적(deterministic) 값으로 추정하기가 곤란하다[5, 6]. 그러므로 SSI 해석시 지반강성의 변동성을 고려한 확률론적 방법을 사용하면 보다 합리적인 결과를 얻을 수 있을 것이다[2, 7, 8].
	자연 상태에서 지반강성을 하나의 확정적 값으로 추정하기 곤란한 이유는 무엇인가?	원전 구조물이 암반이 아닌 지반에 건설될 경우 내진설계에 있어서 지반-구조물 상호작용(Soil-Structure Interaction, SSI) 거동[4]에 대한 면밀한 검토와 함께 정확한 지반강성의 평가가 매우 중요하다. 자연 상태에서 지반강성은 근본적으로 균질하지 않으며 물성치의 공간적인 변동성이 크기 때문에 하나의 확정적(deterministic) 값으로 추정하기가 곤란하다[5, 6]. 그러므로 SSI 해석시 지반강성의 변동성을 고려한 확률론적 방법을 사용하면 보다 합리적인 결과를 얻을 수 있을 것이다[2, 7, 8].
	본 논문에서 수행한, 원전 격납구조물의 지반-구조물 상호작용을 고려한 등가선형 지진응답 해석시 지반강성의 확률적 변동성이 구조물의 응답에 미치는 영향을 분석 후 얻은 결론은 무엇인가?	1) 저변형률 및 등가선형 해석에서 확률론적 방법을 적용할 때 지반강성의 변동성이 고려된 표본 30개, 60개, 90개, 120개, 150개인 경우에 대한 중앙값과 표준편차를 상호 비교한 결과, 최소 60개 이상의 표본을 사용해야 할 것으로 판단되었다. 2) 현재 실무에서 많이 사용하는 결정론적 방법인 SRPmin 방법은 지반강성의 COV값이 작고(예, COV =0.5) 저변형률 지반강성을 사용한 한 경우, 엄밀한 결정론적 방법인 SRPmax와 매우 유사하여, 현재 실무에서 사용하는 방법이 타당한 것으로 판단된다. 하지만, 지반의 변동성이 커지거나 (예, COV ≥1.0) 등가지반강성을 사용할 경우, SRPmin 방법이 SRPmax와의 차이가 커질 수 있으므로 SRPmin방법은 보수적이지 않을 수 있는 것으로 판단되었다. 3) 결정론적 방법과 확률론적 방법에 의한 스펙트럴 응답을 비교한 결과, 저변형률 지반특성을 사용한 지진해석응답의 경우, 변동계수 0.5 및 1.0에 대한 결정론적 방법 중 SRPmax 방법에 의한 해석은 확률론적 해석의 약 95%(μ+2σ)에 해당하는 비초과확률 응답과 경향이 유사한 것으로 나타났다. 그리고 SRPmin 방법은 확률론적 해석의 90%(μ+1.28σ)에 해당하는 비초과확률 스펙트럴 응답과 경향이 유사한 것으로 나타났다. 변동계수 0.5인 등가선형 지반특성을 사용한 경우에는 SRPmin 응답과 SRPmax 응답이 각각 90% 비초과확률 응답과 95% 비초과확률 응답과 경향이 어느 정도 유사한 것으로 나타났다. 하지만, 변동계수가 1.0 이상인 등가선형 지반에 대한 결정론적 응답과 확률론적 응답은 서로 유사하지 않은 것으로 나타났다.

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