[논문]비부착텐던 PSC 격납건물에 대한 구조건전성시험 및 수치해석 II

노상훈; 정래영; 이병수; 임상준

doi:10.7734/coseik.2015.28.5.535

비부착텐던 PSC 격납건물에 대한 구조건전성시험 및 수치해석 II
The Structural Integrity Test for a PSC Containment with Unbonded Tendons and Numerical Analysis II 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.28 no.5, 2015년, pp.535 - 542

노상훈 (한국수력원자력(주) 중앙연구원) , 정래영 (한국원자력안전기술원 구조부지평가실) , 이병수 (한국수력원자력(주) 중앙연구원) , 임상준 (한국수력원자력(주) 중앙연구원)

초록
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원자로 격납건물은 냉각재상실사고와 같이 내부의 과도한 압력이 유발되는 사고에 있어서도 방사성 물질이 외부로 누출되지 않도록 막는 최종의 방벽이다. 이러한 격납건물의 기능적 중요성에 기인하여, 건설 초기 구조건전성시험(SIT)을 수행한다. 이러한 SIT거동을 가장 실제와 가깝게 예측하기 위한 해석 연구를 수행하였다. 해당 연구의 결과는 2편의 논문으로 정리되었는데, 본 논문은 그 중 II편으로 I편의 해석모델 구성 시의 주요 고려사항의 분석 및 예비해석 결과를 반영한 상세 해석 모델의 구성 과정 및 해석 결과를 제시하고 있다. 특히 비부착식 텐던으로 시공된 구조물에서 덕트관에 의한 강성 저감효과 및 덕트관을 사이에 둔 텐던과 콘크리트간의 밀착 여부에 따른 영향을 해석 시 최대한 고려하고자 하였다. 이러한 과정을 통해 구축된 해석 모델에 따른 변위과 신고리 3호기 SIT 측정변위를 비교한 결과, ASME CC-6000 기준을 충분히 만족시키는 결과가 나타남을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A reactor containment acts as a final barrier to prevent leakage of radioactive material due to the possible reactor accidents into external environment. Because of the functional importance of the containment building, the SIT(Structural Integrity Test) for containments shall be performed to evaluate the structural acceptability and demonstrate the quality of construction. In this paper, numerical analyses are presented, which simulate the results obtained from the SIT for a prestressed concrete(PSC) structure. A sophisticate structural analysis model is developed to simulate the structural behavior during the SIT properly based on various preliminary analysis results considering contact condition among structural elements. From the comparison of the analysis and test results based on the acceptance criteria of ASME CC-6000, it can be concluded that the construction quality of the containment has been well maintained and the acceptable performance of new design features has been verified.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 난관을 고려하여, 본 연구에서는 (F)항의 효과를 Fig 3(b)와 같이 부벽 및 일반 벽체 부위에서만 반영하고, 기하학적 형상이 복잡한 구역에 대해서는 후속 연구를 통해 그 방안을 찾을 예정이다. 다만, 본 연구의 해석결과 분석 과정에서 기하학적 형상이 복잡한 구역에 대한 덕트의 무강성 효과를 정성적으로 고찰하고자 하였다.
이에 따라 개선 모델 시에도 별도로 고려하지 않았다. 다만, 해석 결과 분석 과정에서 재료적 불확실성과 임의성 등이 있음을 염두에 두고 분석하고자 하였다.
, 2015)에서는 SIT 계측결과와 초기 해석모델에 따른 해석결과(KHNP TR, 2013) 비교 분석 및 초기해석모델 개선 방안을 파악하기 위한 예비 해석결과 등을 제시하였다. 본 II편에서는 1편의 예비 해석결과 및 개선 방안을 토대로 SIT 예측을 위한 해석 모델링 구성 시 보다 상세하고 신중하게 고려해야 할 인자들을 최대한 해석모델에 반영하여 해석을 수행한 결과를 제시하고 있다. 해석에 따른 변위는 실제 SIT 시험을 통해 계측된 결과와 상당히 근접한 결과를 도출함을 확인하였다.
본 연구에서는 APR1400 노형의 원자로격납건물에 대한 구조해석 모델 개발 시 고려해야 할 주요 인자와 이러한 인자가 해석결과에 미치는 영향을 분석하고 그 결과를 반영한 상세한 해석모델을 구축하였다.
이러한 해석모델의 한계를 개선하기 위한 연구를 통해 해석모델과 실제 구조물의 주요 차이점을 분석하여 개선하고자 하였다. 해당 연구의 결과는 2편의 논문으로 정리되었으며, I편(Noh et al.
즉, 원환 방향의 텐던이 부벽에 정착하기 위해 정착부에 이르는 직선구간(tangent line)의 텐던이 덕트와 밀착되지 않음을 반영하고자 하였다. 그 외에도 장비반 입구 및 작업자 출입구 등의 대형 관통부 곡률 변화 부위(변곡점) 등에서 텐던이 덕트와 밀착되지 않을 것으로 판단되나, 그 정도가 명확하지 않아 본 연구에서는 해당 부위의 영향은 우선 배제하였다.
한편, 80% 이하인 경우나, 110% 이상인 경우에 대해서는 그 원인을 좀 더 정성적으로 파악하고 분석하고자 하였다. 80% 이하로 나타난 계측 위치 중 반경방향 변위 측정 위치(R9)는 방위각 28.

제안 방법

2.1절 및 2.2절의 해석 모델링 및 요소 간 연결 방법을 활용하여, SIT 최대가압 압력인 69psig(0.47MPa)의 압력까지 원자로 건물 내부에 가압하는 해석을 수행하였다.
I편에서 분석된 해석 모델링 시의 주요 고려사항을 반영하기 위해 Table 1에서와 같이 초기 해석모델((KHNP TR, 2013)을 개선하고자 하였다.
SIT에 대한 보다 상세한 내용은 2편으로 구성된 본 논문의 I편(Noh et al., 2015)을 참조바라며, 본 II편에서는 SIT 수행 시 계측된 변위와 이를 예측하고 평가하기 위한 해석모델 구성 및 해석결과에 대한 과정 및 결과를 중점으로 기술하였다.
개선 모델에서는 텐던과 덕트의 밀착이 명확하게 구현되지않는 부벽의 부위에서의 효과만을 반영하였다.
덕트 요소는 등가의 직육면체 요소로 고려하여, 감차 적분고체요소(8절점 육면체, C3D8R)를 사용하여 모델링하였다. 보다 상세한 모델링 방법론은 I편의 3차원 예비 해석 과정을 참고할 수 있다.
동일한 해석요소로 구성된 해석모델에서 텐던 요소의 재료 물성치와 텐던의 매입 여부를 변수로 하여, (2) 덕트 무강성 효과 미고려 및 텐던 전체 매입 (3) 덕트 무강성 효과 고려 및 텐던 전체 매입 (4)덕트 무강성 효과 고려 및 텐던 일부 매입을 고려한 세가지 경우에 대한 해석을 수행하였고, 그 결과를 Table 3의 (1) SIT 수행 시의 측정 변위와 같이 정리하였다.
수치해석에 사용된 프로그램은 범용코드인 ABAQUS 6.10이며, 본 논문에서는 요소의 속성을 기술함에 있어 ABAQUS 상에서의 해석요소 명칭을 병기하였다.
이 장에서는 SIT 거동을 모사하기 위한 수치해석 모델의 모델링 과정을 상세히 기술하고, SIT 시 계측된 변위 결과와 비교 검토하였다.
특히, 휨 거동이 발현되는 부분에서 변위 증가에 미치는 효과는 크다. 이를 고려하기 위해서 I편의 3차원 예비 해석에서 적용한 방법론을 동일하게 적용하였다.
이에 따라 두께방향으로 부벽 6개층 및 벽체 8개층 이상, 원환방향으로 0.5°간격 내외, 높이 방향 0.5ft(0.15m) 간격 기준으로 요소를 세분화하였으며, 수직 및 수평 덕트가 지나는 위치는 덕트의 무강성 효과를 반영하여, 3개의 부벽 부위에 대해 총 825,443개의 8절점 육면체 혹은 6절점 오면체 요소(C3D8R 혹은 C3D6)로 구성하였다.
전반적으로 8절점 감차적분 고체요소(C3D8R)로 구성하고자 하였으나, 기하학적 복잡함에 따라 일부 불가피한 구역에는 6절점 삼각기둥 요소(C3D6)로 구성하였다.
3(b)와 같이 별도로 설정되었다. 콘크리트 요소와 덕트 요소는 절점들이 상호간에 연속적으로 연결되도록 모델링하였다.

대상 데이터

라이너 플레이트 요소는 Fig. 2(b)와 같은 구성으로 관통부 슬리브 보강철판 및 장비반입구 해치 커버 등을 포함하여 총 107,215개의 쉘요소(S4R)로 구성하였다.
즉 일반 벽체 부위는 두께방향으로 5~9개층, 원환방향으로 0.9°간격을 기준으로 요소를 세분화하였으며, 수직 및 수평 덕트가 지나는 위치는 덕트의 무강성 효과를 반영하여, 총 588,679개의 감차 적분 고체요소(8절점 육면체, C3D8R)로 구성하였다.
철근요소는 47,200개의 트러스 요소(T3D2)로, 텐던요소는 48,740개의 트러스 요소(T3D2)로 Fig. 8과 같이 구성하였다. 돔 부분의 철근은 돔 부부의 덕트에 따른 강성 저감효과를 별도로 고려하지 못한 관계로, 돔부위의 강성을 상당히 과대 평가할 우려가 있어, 돔 부위의 철근은 해석 시 반영하지 않음을 통해 실제 구조물의 강성에 보다 가깝도록 고려하였다.

성능/효과

SIT 수행 당시, SIT 거동을 예측하기 위해 기 개발된 해석모델(KHNP TR, 2013)에 따라 산정된 변위와 계측된 변위를 비교한 결과, 일부 위치에서 반경 혹은 직경 방향 변위의 경향이 해석과 계측에 있어 상이하게 나타났다. 특히, 텐던(tendon)을 정착하기 위하여 단면이 크게 보강된 부벽(buttress)의 강성 증가 효과가 해석결과 대비 실제 계측에서는 작은 것으로 분석되었다.
상기 사항들을 반영하여 최종적으로 구성된 모델(DH_PE)를 이용한 해석결과, 해석 변위 대비 측정 변위가 최대 116%로 연관 기술 기준인 ASME CC-6000항(ACI-ASME joint technical committee, 1998)에서 제시하는 130%값을 초과하지 않을 뿐만 아니라 전반적으로 10% 내외의 작은 차이를 보임을 확인하였다.
특히, 비부착식 텐던으로 시공된 구조물에서 덕트관에 의한 강성 저감 효과 및 덕트관을 사이에 둔 텐던과 콘크리트간의 밀착 여부에 따른 강성 영향을 적절히 고려하는 것이 중요함을 확인하였고, 이를 반영한 해석을 통해 계측값에 보다 더 가까운 결과를 얻게 되었다.
SIT 수행 당시, SIT 거동을 예측하기 위해 기 개발된 해석모델(KHNP TR, 2013)에 따라 산정된 변위와 계측된 변위를 비교한 결과, 일부 위치에서 반경 혹은 직경 방향 변위의 경향이 해석과 계측에 있어 상이하게 나타났다. 특히, 텐던(tendon)을 정착하기 위하여 단면이 크게 보강된 부벽(buttress)의 강성 증가 효과가 해석결과 대비 실제 계측에서는 작은 것으로 분석되었다.
본 II편에서는 1편의 예비 해석결과 및 개선 방안을 토대로 SIT 예측을 위한 해석 모델링 구성 시 보다 상세하고 신중하게 고려해야 할 인자들을 최대한 해석모델에 반영하여 해석을 수행한 결과를 제시하고 있다. 해석에 따른 변위는 실제 SIT 시험을 통해 계측된 결과와 상당히 근접한 결과를 도출함을 확인하였다.

후속연구

다만, 본 논문에서는 미처 반영하지 못한 다수의 배관 관통부 등에 대한 고려, 장비반입구 및 작업원출입구를 인근을 지나는 텐던의 덕트의 무강성 효과 및 텐던과 덕트의 밀착 여부 등을 실제 구조물과 유사하게 반영하여 해석을 수행한다면, 해석 구조물의 전체적인 강성 분포가 보다 실제 구조물에 가까워 질 수 있을 것으로 예상되며, 이에 대한 상세한 분석은 후속 연구를 통해 수행될 예정이다.
다만, 이러한 관통부의 영향을 고려하는 것은 본 논문의 연구 범위에서는 우선 배제하고 후속 연구를 통해 보완해 갈 예정이다.
그러나 장비반입구나 작업자 출입구 보강 부위를 지나는 덕트의 실제 기하학적 배치는 복잡하며, 이러한 배치를 해석에 그대로 일일이 고려하는 것은 상당한 어려움을 수반한다. 이러한 난관을 고려하여, 본 연구에서는 (F)항의 효과를 Fig 3(b)와 같이 부벽 및 일반 벽체 부위에서만 반영하고, 기하학적 형상이 복잡한 구역에 대해서는 후속 연구를 통해 그 방안을 찾을 예정이다. 다만, 본 연구의 해석결과 분석 과정에서 기하학적 형상이 복잡한 구역에 대한 덕트의 무강성 효과를 정성적으로 고찰하고자 하였다.
장비반입구 및 작업자 출입구 등의 관통부 부위는 관통부를 우회하는 텐던 및 덕트가 밀집되고, 그 위치도 우회되는 등 덕트의 무강성 효과를 고려하기 위한 해석요소 구성이 상당히 어렵다. 이에 따라 관통부 부위의 덕트의 무강성 효과는 본 논문에서는 반영하지 못하였으며, 후속 연구를 통해 보완해 갈 예정이다.
3(b)에서와 같이 장비반입구 및 작업원 출입구에서의 덕트의 무강성에 따른 강성 저하를 별도로 고려하지 못하였다. 이에 따라, 관통부 인근 부위에 위치한 R3, R4, R12의 해석결과로 도출된 변위가 실제 계측된 변위보다 11~16% 수준의 차이가 도출된 것으로 판단되며, 이러한 현상은 후속 연구를 통해 관통부에서의 덕트의 무강성 효과를 적절히 고려한다면 개선될 수 있으리라 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	원자로 격납건물의 기능적 중요성에 기인하여 건설 초기 수행하는 것은 무엇인가?	원자로 격납건물은 냉각재상실사고와 같이 내부의 과도한 압력이 유발되는 사고에 있어서도 방사성 물질이 외부로 누출되지 않도록 막는 최종의 방벽이다. 이러한 격납건물의 기능적 중요성에 기인하여, 건설 초기 구조건전성시험(SIT)을 수행한다. 이러한 SIT거동을 가장 실제와 가깝게 예측하기 위한 해석 연구를 수행하였다.
	원자로 격납건물은 무엇인가?	원자로 격납건물은 냉각재상실사고와 같이 내부의 과도한 압력이 유발되는 사고에 있어서도 방사성 물질이 외부로 누출되지 않도록 막는 최종의 방벽이다. 이러한 격납건물의 기능적 중요성에 기인하여, 건설 초기 구조건전성시험(SIT)을 수행한다.
	구조건전성시험은 수행하는 이유는 무엇인가?	원자로 격납건물의 구조건전성을 확인하기 위해 격납건물 시공 후 실증 시험을 수행하는데, 이를 구조건전성시험(structural integrity test, SIT)이라 한다(ACI-ASME joint technical committee, 1998).

참고문헌 (4)

ACI-ASME Joint Technical Committee (1998) Code for Concrete Containments, ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section III, Division 2, American Society of Mechanical Engineers, New York.
Jung, R.Y., Cho, H.I., Ahn, S.M. (2013) The Structural Integrity Test for the Shin-Kori Unit 3 Containment and Acceptance Criteria, Transactions, SMiRT-22 Division VI.
KHNP TR (2013) Structural Integrity Test Report_Shin Kori 3, Korea Hydro and Nuclear Power Co. Ltd.
Noh, S.H., Jung, R.Y., Kim, S.T., Lim, S.J. (2015) The Structural Integrity Test for a PSC Containment with Unbonded Tendons and Numerical Analysis I, J. Comput. Struct. Eng. Inst. Korea, 28(5), pp.523-533.

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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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