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가설 설정
- 5와 같이 배열하였다. 면진장치 하부의 지반은 고정지반으로 가정하였다.
- 면진장치의 강성은 이선형(bilinear)모델이고, K1 = 10K2인 경우로 가정하였다. 수치해석을 위해 설계지진계수(SD1)는 0.
- 25인 Newmark 적분법을 적용하여 운동방정식을 직접적분하였다. 원전구조물의 구조감쇠는 5%로 가정하였다.
제안 방법
- APR1400 모델의 구조물은 격납건물, 내부구조물, 보조건물, 기초와 내부의 핵증기공급계통시스템으로 구성되어 있으며, 구조물과 기기를 포함한 모델의 총 질량은 약 47,000 ton이다. APR1400의 상부구조는 집중질량 보요소 모델로 표현하고, 기초는 고체요소로 표현하여 해석모델을 작성 하였다. 구조물의 질량은 집중질량으로 배치하고, 추가되는 크레인이나 기기의 질량도 절점질량에 부가하였다(Fig.
- 각 모델의 지진응답 특성을 분석하기 위하여 모델별 면진장치의 가속도와 변위시간이력, 하중-변위 곡선을 나타내고, 모델의 주요 위치에서 가속도시간이력응답을 계산하여 응답의 전달함수와 층지진요구도인 FRS를 계산하였다. 해석모델에서 4개의 주요 위치 즉, 천정크레인 지점, PSW 상단, SSW 상단, 제어실을 검토 위치(Fig.
- 5 g, 유효감쇠비는 20%, 전단변형률은 100%로 정하였다. 그리고 고무 1층의 두께는 16 mm, 면진장치의 직경은 1600 mm, 납의 항복응력은 10 MPa로 설계하였다. 관련 문헌을 참고하여, 고무의 체적탄성계수는 K=2000 MPa[13], 그리고 고무의 경도에 따른 보정계수는 k = 0.
- 0초인 4가지 경우로 설정하였다. 그리고 면진장치가 적용된 원전의 지진에 대한 영향을 분석하기 위하여 동일한 모델에 지반조건을 고정단으로 적용한 비면진 구조물을 추가하여 비교하였다.
- 면진 APR1400의 구조시스템에 인공지진과 기록지진을 입력하여 지진 응답해석을 수행하고, 구조물의 주요 위치에서 수직방향 층응답스펙트럼 (FRS)과 전달함수를 계산하였다. APR1400 면진 원전의 비선형 시간이력 지진응답해석을 위하여 범용 전산프로그램인 SAP2000 15.
- 이 연구에서는 국내의 표준형 원전 모델인 APR1400에 LRB받침을 이용하여 면진설계한 후, 지진해석을 통하여 구조물의 주요 위치에서 얻어지는 수평방향과 수직방향 층응답(floor response)을 검토하였다. 면진 원전시스템의 수평방향 고유주기를 4 종류로 다르게 설계한 후, 수치해석을 수행하고, 수평방향 고유주기의 변화가 원전의 수직방향 동특성과 건물의 층응답에 미치는 영향을 평가하였다.
- 85 를 적용하였다[15]. 면진장치의 직경을 동일하게 고정하였으므로 장치의 수평방향 강성을 변화시키기 위하여 고무의 전단탄성계수와 고무의 총 두께를 변경하였다.
- 1은 LRB의 설계절차를 요약한 것이다. 설계 조건에서 지반종류, 지반가속도, 목표주기, 유효감쇠를 통하여 설계변 위와 유효강성을 결정한다. 설계에서는 고무의 재질 및 고무 층수, 납의 적용여부를 결정한다.
- 설계에서는 고무의 재질 및 고무 층수, 납의 적용여부를 결정한다. 설계에 반영된 사항을 토대로 수압면적을 선정하여 항복강도 및 수평, 수직강성을 계산한다. 이 과정에서 LRB의 설계는 고무의 강성에 의존하게 된다.
- 설계 조건에서 지반종류, 지반가속도, 목표주기, 유효감쇠를 통하여 설계변 위와 유효강성을 결정한다. 설계에서는 고무의 재질 및 고무 층수, 납의 적용여부를 결정한다. 설계에 반영된 사항을 토대로 수압면적을 선정하여 항복강도 및 수평, 수직강성을 계산한다.
- 설계한 면진장치의 거동을 알아보기 위하여 격납건물에 적용한 면진장치에 대한 응답을 분석하였다. 인공지진파를 통하여 면진장치 응답의 시간 이력곡선을 수평방향과 수직방향으로 나타내었다.
- 인 경우로 가정하였다. 수치해석을 위해 설계지진계수(SD1)는 0.5 g, 유효감쇠비는 20%, 전단변형률은 100%로 정하였다. 그리고 고무 1층의 두께는 16 mm, 면진장치의 직경은 1600 mm, 납의 항복응력은 10 MPa로 설계하였다.
- 시간이력해석을 통하여 각 응답 위치에서의 수직방향 가속도시간이력과 변위시간이력을 구하였다. Table 4는 가속도시간이력에 대한 수직방향 최대 가속도를 나타낸 것이고, Table 5는 변위시간이력에 대한 수직방향 최대 변위를 나타낸 것이다.
- 0초 정도로 고려하고 있다. 이 수치를 고려하여 이 연구에서 목표주기는 1.5초, 2.0초, 2.5초, 3.0초인 4가지 경우로 설정하였다. 그리고 면진장치가 적용된 원전의 지진에 대한 영향을 분석하기 위하여 동일한 모델에 지반조건을 고정단으로 적용한 비면진 구조물을 추가하여 비교하였다.
- 면진구조물의 수직방향 응답은 면진장치의 유연성으로 인해 구조물의 수직응답을 더 크게 증폭시킬 수 있다. 이 연구에서는 국내에서 개발된 표준형 원전인 APR1400모델에 면진장치를 설치하고, 수치해석을 통하여 실제 기록지진과 인공지진에 대한 지진응답을 분석하였다. 이 연구를 통하여 얻어진 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 그러므로 면진 원전을 설계하기 이전에 면진장치로 인하여 구조물의 수직 진동특성의 변화와 수직 지진응답의 변화가 어느 정도인지를 충분히 평가할 필요가 있다. 이 연구에서는 국내의 표준형 원전 모델인 APR1400에 LRB받침을 이용하여 면진설계한 후, 지진해석을 통하여 구조물의 주요 위치에서 얻어지는 수평방향과 수직방향 층응답(floor response)을 검토하였다. 면진 원전시스템의 수평방향 고유주기를 4 종류로 다르게 설계한 후, 수치해석을 수행하고, 수평방향 고유주기의 변화가 원전의 수직방향 동특성과 건물의 층응답에 미치는 영향을 평가하였다.
대상 데이터
- APR1400 모델의 구조물은 격납건물, 내부구조물, 보조건물, 기초와 내부의 핵증기공급계통시스템으로 구성되어 있으며, 구조물과 기기를 포함한 모델의 총 질량은 약 47,000 ton이다. APR1400의 상부구조는 집중질량 보요소 모델로 표현하고, 기초는 고체요소로 표현하여 해석모델을 작성 하였다.
- 4). 이 연구에서 사용한 면진장치는 454개의 LRB로서 기초의 하부에 Fig. 5와 같이 배열하였다. 면진장치 하부의 지반은 고정지반으로 가정하였다.
- 지진해석의 입력운동으로 1 세트의 인공지진과 2 세트의 기록지진이 사용되었다. 이 연구에서 선정한 기록지진은 El Centro 지진과 Bam 지진이다. El Centro 지진은 가장 잘 알려진 지진이며, Bam 지진은 수직 지진의 영향이 큰 특성이 있다[10].
- 이 연구의 목적에 따라 면진원전의 수직방향 지진응답 특성을 검토하기 위하여 국내 APR1400 원전을 대상으로 수치해석을 수행하였다. 해석을 위하여 APR1400 원전구조물(Fig.
- 지진해석의 입력운동으로 1 세트의 인공지진과 2 세트의 기록지진이 사용되었다. 이 연구에서 선정한 기록지진은 El Centro 지진과 Bam 지진이다.
- 각 모델의 지진응답 특성을 분석하기 위하여 모델별 면진장치의 가속도와 변위시간이력, 하중-변위 곡선을 나타내고, 모델의 주요 위치에서 가속도시간이력응답을 계산하여 응답의 전달함수와 층지진요구도인 FRS를 계산하였다. 해석모델에서 4개의 주요 위치 즉, 천정크레인 지점, PSW 상단, SSW 상단, 제어실을 검토 위치(Fig. 7)로 선정하였다.
- 이 연구의 목적에 따라 면진원전의 수직방향 지진응답 특성을 검토하기 위하여 국내 APR1400 원전을 대상으로 수치해석을 수행하였다. 해석을 위하여 APR1400 원전구조물(Fig. 3)은 목표주기가 다른 4 종류의 모델로 LRB를 이용하여 면진 설계하였다. 면진원전의 목표주기를 너무 길게 하면 변위의 문제가 발생하고, 너무 짧으면 면진효과가 줄어든다.
데이터처리
- 면진 APR1400의 구조시스템에 인공지진과 기록지진을 입력하여 지진 응답해석을 수행하고, 구조물의 주요 위치에서 수직방향 층응답스펙트럼 (FRS)과 전달함수를 계산하였다. APR1400 면진 원전의 비선형 시간이력 지진응답해석을 위하여 범용 전산프로그램인 SAP2000 15.0.1[16]을 이용하였다. 해석에서 적분상수 γ = 0.
이론/모형
- 해석에서 적분상수 γ = 0.5, β = 0.25인 Newmark 적분법을 적용하여 운동방정식을 직접적분하였다.
성능/효과
- 1) 면진구조물의 수평방향 고유주기가 클수록 수직방향 강성은 감소하고 수직방향 고유주기도 증가한다. 면진으로 인하여 변화된 구조물의 수직 방향 진동특성은 구조물의 수직방향 가속도 응답에 큰 영향을 준다.
- 2) 면진구조물의 수직방향 최대응답가속도는 비면진구조물의 최대 수직가속도 응답에 비하여 크게 증가하며, 이것은 수평방향으로는 장주기 고유진동특성과 면진장치의 비선형 에너지소산으로 구조물의 응답이 크게 감소하지만, 수직방향으로는 고유진동수가 입력지진운동의 주된 진동수 영역으로 근접하고, 면진장치의 에너지 소산능력도 수평방향에 비해 작기 때문인 것으로 판단된다.
- 4) 면진 원전은 비면진구조와 달리 구조물의 각 층에서 수직방향 지진요구도의 증가가 예상되므로 내부에 수용된 기기 및 설비의 내진검증에 사용하는 수직방향 지진요구도의 생성 시 주의가 필요하다.
- 7 Hz 정도로서 면진구조물의 두 번째 모드진동수와 근접하고 있다. 면진구조물의 수직 방향 모드진동수는 비면진구조물의 고유진동수보다 감소하였으며, 면진주기가 길어질수록 점점 더 유연한 구조의 성격을 띠는 것을 알 수 있다.
- 12에 각 모델의 주요 위치에서 계산된 가속도 FRS(5% 감쇠)를 비교하였다. 목표면진주기가 길어질수록 면진 모델의 모든 검토 위치에서 최대스펙트럼가속도는 비면진모델에 비하여 더 크게 증가하는 것을 알 수 있다. 증폭의 크기는 지진의 종류와 건물의 위치에 따라 약간 다르게 나타나고 있지만, 비면진구조에 비하여 면진구조의 수직방향 응답은 약 3.
- Table 4는 가속도시간이력에 대한 수직방향 최대 가속도를 나타낸 것이고, Table 5는 변위시간이력에 대한 수직방향 최대 변위를 나타낸 것이다. 비면진 원전구조물에 비하여 면진을 적용한 원전 구조물의 최대 가속도와 변위가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 응답 위치별로 최대가속도와 최대 변위를 확인한 결과, Bam 지진파로 해석한 경우 Polar Crane 위치에서 최대 가속도와 최대 변위가 발생하였다.
- 비면진 원전구조물에 비하여 면진을 적용한 원전 구조물의 최대 가속도와 변위가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 응답 위치별로 최대가속도와 최대 변위를 확인한 결과, Bam 지진파로 해석한 경우 Polar Crane 위치에서 최대 가속도와 최대 변위가 발생하였다. Polar Crane 위치에서 Model D는 2.
- Furukawa 등 (2013)[9]은 고무면진시스템이 구비된 4층짜리 철근콘크리트 건물의 내부에 각종 의료용 기기들을 설치하고, 진동대 실험을 수행하였다. 이 실험을 통하여, 면진장치가 수평방향에 대해서는 효과적으로 지진력을 감소시키지만 수직방향에 대해서는 건물의 지진응답을 증폭시켜 내부 기기들에는 큰 피해를 입히는 것을 확인하였다. 상대적으로 수직 지진력이 큰 Bam과 고베지진과 같은 입력운동은 면진시스템이 설치된 건물의 모서리 기둥의 압축력을 증가시키고, 면진장치에는 인장 축력을 증가시켜 받침부의 들림이 발생할 수도 있다[10].
- 해석결과에서, 비면진구조물 즉 고정기초모델의 수평방향 기본모드에 대한 고유진동수는 약 6.0 Hz 부근이며, 수평 두 방향으로 진동수의 값이 약간의 차이가 있고, 질량참여율은 50%를 밑돈다. 반면에 면진구조의 경우는 수평방향 기본고유진동수가 목표주기의 역수와 일치하고, 모드의 참여율이 약 98%로서 면진장치의 모드가 구조물의 전체 모드를 지배하는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 5) 현행 설계기준 혹은 실무지침에서는 면진장치의 수직방향 강성 계산에 관한 상세한 규정이 마련되어 있지 않으므로 면진장치의 정밀한 수직강성 계산식과 관련 규정을 장치의 종류별로 개발하고, 이에 대한 규정을 제공할 필요가 있다.
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