선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 0이상의 지진이 3차례 발생하면서 진앙지 인근의 원자력발전소(이후 원전이라 표기함)에 대한 안전성에 대한 논의가 제기되고 있는 상황이다. 본 연구는 원전구조물에 면진장치가 설치된 경우에 대하여 경주지진에 대한 지진응답을 분석하는 것이 주된 내용이며 경주지진에 대한 응답과 원전구조물의 설계표준스펙트럼에 대응하는 인공지진 30개 세트에 대한 응답과도 비교하여 평가하였다. 현재까지 국내에 면진장치가 적용되지는 않았지만 강진에 대비하여 원전의 안전성을 확보하기 위하여 면진의 적용성에 대하여 활발한 연구가 진행되어 왔고 앞으로도 이에 대한 연구가 지속될 필요성이 있다.
- 현재 국내에 원전구조물에 면진이 적용된 사례는 없지만 해외 강진지역으로 국내표준원전을 수출하기 위하여 면진이 적용된 원전구조물의 지진응답에 대한 연구는 활발히 진행되고 오고 있었다. 본 연구는 경주지진이 면진된 원전구조물에 작용한다면 어떠한 응답을 나타내는지를 분석하는 목적이며, 경주지진에 의한 지진응답의 수준을 비교하기 위하여 원전용 표준설계스펙트럼에 대응하는 30개 인공지진을 작성하여 이를 적용시킨 경우와 비교하였다.
- 본 논문에서는 경주지진에 대한 면진된 원전구조물의 지진응답을 평가 하여 위하여 PGA 0.3 g 수준의 원전표준설계스펙트럼에 대응하는 인공 지진 30세트에 의한 지진응답과 비교하였다. 지진응답의 비교를 위하여 2절점 모델과 간략 Beam-Stick 모델을 사용하였다.
제안 방법
- 원전구조물의 내진설계를 위해서는 원전용 표준설계스펙트럼을 사용한다. 면진된 원전구조물의 지진해석을 위하여 원전표준설계스펙트럼에 대응하는 인공지진을 RspMatch 프로그램[4, 5]을 이용하여 X, Y, Z 방향에 대한 30세트를 생성하였다. RspMatch 프로그램은 실제의 지진가속도 기록을 SEED 지진[6]으로 사용하여 목표로 하는 응답스펙트럼에 대응되도록 변환시켜주는 프로그램이기 때문에 인공지진가속도 기록에 실제 지진가속도 응답의 특성을 반영하도록 하는 장점이 있다.
- 3 g인 원전표준스펙트럼은 국내의 원전의 내진설계에 사용되는 것이다. 본 연구에서는 0.3 g인 원전표준스펙트럼에 대응되는 인공지진을 사용하여 지진해석을 수행하였다. 원전표준스펙트럼과 인공지진의 응답스펙트럼의 평균값이 0.
- 157 초로 평가되었으며 이 결과는 정밀해석모델의 경우와 유사한 결과를 나타냄을 확인하였다. Table 2에 나타낸 LRB를 사용하여 원전구조물의 면진을 적용하기 위하여 필요한 면진장치 개수는 486개이지만 간략화된 Beam-Stick 모델에서는 해석에 소요되는 시간을 단축시키기 위해서 83개의 면진장치로 개수를 축소하여 배치하였고 83개의 면진장치가 실제 486개의 면진장치와 동일한 면진효과를 나타내도록 간략화된 Beam-Stick 모델의 1개의 면진장치는 Table 2에 나타낸 면진장치의 5.85개의 역할을 할 수 있도록 역학적 성질을 등가로 치환하여 적용시켰다. LRB의 비선형 해석모델은 이선형모델(bilinear model)을 사용하였으며 LRB는 설계목표 변위에 대하여 등가선형모델의 주기가 약 2 초가 되도록 설계하였다.
- 11(a)에 비교하여 나타내었다. 전단강도비를 구할 때 면진장치의 횡변위가 발생하기 이전의 전단강도를 초기전단강도로 하였고, 온도상승에 의해 최종적으로 감소된 전단강도 값을 전단강도비를 구하는데 사용하였다. 여기서 전단강도비가 1은 전단강도의 저하가 발생하지 않음을 의미한다.
- 지진응답의 비교를 위하여 2절점 모델과 간략 Beam-Stick 모델을 사용하였다. 2절점 모델을 이용하여 면진장치의 온도효과 반영유무에 따른 전단강성의 감소정도, 횡방향 변위응답의 증가정도, 수직강성의 감소정도를 정밀해석을 통하여 평가하였다. 또한 간략화된 Beam-Stick 모델을 이용한 면진된 격납구조물의 변위, 가속도, 전단력 응답을 격납구조물의 높이에 따라 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 2절점 모델을 이용하여 면진장치의 온도효과 반영유무에 따른 전단강성의 감소정도, 횡방향 변위응답의 증가정도, 수직강성의 감소정도를 정밀해석을 통하여 평가하였다. 또한 간략화된 Beam-Stick 모델을 이용한 면진된 격납구조물의 변위, 가속도, 전단력 응답을 격납구조물의 높이에 따라 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 2) LRB 면진장치의 내부온도가 상승함에 따라 전단강도가 작아지며 작아진 전단강도의 영향으로 LRB 면진장치의 횡변위가 증가한다. 또한 횡변위의 증가는 수직강성에 영향을 미쳐 수직강성의 저하로 이어지는 것을 2절점 모델을 이용하여 해석결과로부터 확인하였다. 이러한 경향은 원전표준스펙트럼에 대응하는 인공지진에 대하여는 뚜렷하게 나타나지만 경주지진의 경우에는 비탄성 응답의 정도가 미미할 정도로 작기 때문에 이러한 경향이 무시할 정도로 작게 나타남을 알 수 있었다.
대상 데이터
- 8의 경주지진은 진원 깊이 13 km이다. 진앙지에서 가까운 3곳인 DKJ(덕정리), MKL(명계리)와 USN(울산) 관측소에서 관측한 가속도 기록을 지진해석에 사용하였다. 이세 곳에서 관측된 수평 두방향 성분과 수직성분에 대한 가속도 기록을 Fig.
- 이는 면진된 원전구조물에 설치된 수백개의 면진장치 중에서 대표적인 한 개의 경우만 선택하여 정밀해석 하는 것이다. 본 연구에서 면진장치로는 납-고무 받침(lead rubber bearing, LRB)을 사용하였으며 사용된 LRB의 제원은 Table 2에 나타내었다. 이 LRB는 원전구조물의 면진을 위하여 설계된 경우로 외경이 1.
- Kalpakidis 등의 연구[7]를 참고하여 납의 밀도는 11,200 kg/m3 , 납의 비열은 130 J/kg3°C, 철판의 열전도율은 50W/m°C로 사용하였다.
데이터처리
- 면진장치의 비선형 모델링 및 면진된 원전구조물의 지진해석은 OpenSEES 프로그램[9]을 사용하여 수행하였다. 면진장치는 강진에 대하여 일반적으로 비탄성응답을 하게 되며 이 과정에서 비탄성응답에 다양한 영향인자를 포함하여 해석하는 것이 해석결과의 정확성을 향상시킨다.
이론/모형
- 원전구조물의 내진설계를 위해서는 원전용 표준설계스펙트럼을 사용한다. 면진된 원전구조물의 지진해석을 위하여 원전표준설계스펙트럼에 대응하는 인공지진을 RspMatch 프로그램[4, 5]을 이용하여 X, Y, Z 방향에 대한 30세트를 생성하였다.
- 85개의 역할을 할 수 있도록 역학적 성질을 등가로 치환하여 적용시켰다. LRB의 비선형 해석모델은 이선형모델(bilinear model)을 사용하였으며 LRB는 설계목표 변위에 대하여 등가선형모델의 주기가 약 2 초가 되도록 설계하였다. 2절점 모델과 간략 Beam-Stick 모델에 사용된 LRB 면진장치의 1차 강성(Ku ), 2차 강성(Kd ), 특성 강도 (Qd )의 역학적 성질은 Table 3에 나타내었다.
- 2절점 모델과 간략 Beam-Stick 모델에 사용된 LRB 면진장치의 1차 강성(Ku ), 2차 강성(Kd ), 특성 강도 (Qd )의 역학적 성질은 Table 3에 나타내었다. 2절점 모델은 간단하지만 OpenSEES 프로그램의 LeadRubber-X 모듈[6]을 적용하여 내부 온도 상승 영향 등 면진장치의 상세한 응답특성을 분석하는데 사용하였다. LeadRubber-X 모듈은 LRB 면진장치의 외경, 내경, 고무 두께, 층의 개수 등 상세한 모델링 정보를 사용하여 LRB 면진장치의 내부 온도 상승에 관한 영향 뿐 아니라 인장력에 의한 공동현상, 횡변위에 따른 좌굴영향까지 고려할 수 있다.
- 본 연구에서 2절점 모델(Fig. 6 참조)은 면진장치 하나에 대한 정밀해석을 위하여 사용하였고, 면진된 원전구조물의 전반적인 지진응답을 분석하기 위해서는 간략화된 Beam-Stick 모델(Fig. 7 참조)을 사용하였다.
- 3 g 수준의 원전표준설계스펙트럼에 대응하는 인공 지진 30세트에 의한 지진응답과 비교하였다. 지진응답의 비교를 위하여 2절점 모델과 간략 Beam-Stick 모델을 사용하였다. 2절점 모델을 이용하여 면진장치의 온도효과 반영유무에 따른 전단강성의 감소정도, 횡방향 변위응답의 증가정도, 수직강성의 감소정도를 정밀해석을 통하여 평가하였다.
성능/효과
- 4에 비교하여 나타내었다. USN 관측소 수평방향 지진성분의 응답스펙트럼이 0.1 초 주기부근에서 원전의 표준스펙트럼 보다 대략 2배정도 크게 나타남을 알 수 있으며 0.2 초 주기 이상의 주기영역에 대해서는 급격하게 감소하는 것을 알 수 있다. 또한, MKL 관측소 수평방향 지진성분의 응답스펙트럼이 0.
- 2 초 주기 이상의 주기영역에 대해서는 급격하게 감소하는 것을 알 수 있다. 또한, MKL 관측소 수평방향 지진성분의 응답스펙트럼이 0.09 초 보다 짧은 주기영역에서 원전의 표준스펙트럼 보다 약간 크게 나타남을 알 수 있다.
- 8에 나타내었다. 관측소 별로 온도 상승에 따른 최종온도는 DKJ는 0.39℃, MKL은 0.81℃, USN은 1.18℃로 나타났으며 결과적으로 면진장치의 내부온도 상승은 크지 않음을 알 수 있다. PGA 0.
- 9에서 경주지진은 관측소의 영문명으로 나타내었다. 경주지진과 원전표준스펙트럼에 대응하는 인공지진의 결과의 비교로부터 경주지진은 규모는 큰 편이지만 강진지속시간이 3초로 매우 짧아 면진장치의 내부온도 상승에 영향을 크게 미치는 반복거동의 횟수가 매우 적어 면진장치 내부온도 상승이 원전표준스펙트럼 대응 인공지진보다 10% 미만 수준으로 작게 나타났다고 판단된다.
- Fig. 10(a)는 DKJ 관측소에서 측정한 경주지진으로 최대변위가 1 mm로 면진장치의 항복변위인 1.88 mm 보다 작은 변위를 보이며 항복변위를 넘지 않아 탄성거동 범위에 머무르는 것으로 나타났다. Fig.
- 55% 전단강소 감소)로 전단감소가 거의 발생하지 않음을 나타낸다. 경주지진의 경우에 전단강도비는 내부온도 상승이 거의 없는 특성과 연관하여 전단강도감소 또한 크게 발생하지 않는 것을 확인할 수 있었다.
- 1의 수직강성비는 횡변위에 의한 수직강성의 변화가 없음을 의미한다. 원전표준설계스펙트럼에 대응하는 인공지진의 경우에 수직강성비는 평균 0.970로서 3%정도 감소가 되었음을알 수 있고 , 경주지진의 경우에는 수직강성비의 평균이 0.9999256으로서 횡변위에 의한 수직강성의 감소가 거의 없는 것으로 나타났다.
- 12(g)에 나타낸 면진격납구조물의 평균 변위응답으로부터 경주지진에 의한 면진장치의 변위응답은 10 mm 미만으로 나타나고 원전 표준 설계스펙트럼 대응 인공지진에 대해서는 약 70 mm의 변위응답을 나타낸다. 격납 구조물의 바닥 층과 꼭대기 층의 상대 변위는 DKL은 2.82 mm, MKL은 10.47 mm, USN은 14.57 mm로 평균 9.29 mm의 상대 변위를 가지는 것으로 나타났으며 이는 원전표준설계스펙트럼 30개의 평균 7.42 mm와 비슷한 수준을 나타냄을 알 수 있다.
- 12(c )에 나타내었다. 밑면 전단력의 크기는 DKJ, MKL, USN 각각 27.202 MN, 95.909 MN, 161.017 MN으로 나타났으며 평균 94.709 MN으로 원전표준설계스펙트럼에 대응하는 30개 인공지진의 밑면 전단력의 평균 154.18 MN 보다 작게 나타났다. 3가지 경주지진에 대한 지진응답의 평균값은 원전표준스펙트럼에 대응하는 인공지진에 대한 지진응답의 평균값 보다 작게 나타나고 있어서 경주지진이 규모에 비하여 면진된 원전구조물에 미치는 영향이 작다고 할 수 있다.
- 829로서 비슷한 결과를 나타낸다. 면진장치에 의한 가속도 저감효과는 경주지진에 대하여 약 20%, 원전표준설계스펙트럼에 대하여 가속도 저감효과가 약 17%로 나타났다. 이는 Table 2에 나타낸 면진장치가 외국의 강진지역 (PGA 0.
- 1) 경주지진의 가속도 응답 스펙트럼 분석 결과 0.1 초 주기 부근에서 최대치를 나타내며 0.2 초 이후 주기영역에서는 가속도 응답스펙트럼이 급격하게 감소되는 것을 알 수 있었다. 단주기 영역에서의 응답스펙트럼의 값이 크게 나타남을 알 수 있으며 강진지속 시간은 3초 정도로 짧아서 최대지반가속도에 크기에 비하여 구조물의 비탄성 응답에 미치는 영향은 작게 나타남을 알 수 있다.
- 2 초 이후 주기영역에서는 가속도 응답스펙트럼이 급격하게 감소되는 것을 알 수 있었다. 단주기 영역에서의 응답스펙트럼의 값이 크게 나타남을 알 수 있으며 강진지속 시간은 3초 정도로 짧아서 최대지반가속도에 크기에 비하여 구조물의 비탄성 응답에 미치는 영향은 작게 나타남을 알 수 있다.
- 2) LRB 면진장치의 내부온도가 상승함에 따라 전단강도가 작아지며 작아진 전단강도의 영향으로 LRB 면진장치의 횡변위가 증가한다. 또한 횡변위의 증가는 수직강성에 영향을 미쳐 수직강성의 저하로 이어지는 것을 2절점 모델을 이용하여 해석결과로부터 확인하였다.
- 3) 간략 Beam-Stick 모델을 이용하여 격납구조물의 높이에 따른 변위 응답, 가속도 응답, 전단력 응답을 경주지진과 원전표준스펙트럼에 대응하는 인공지진에 대하여 분석한 결과로부터 경주지진에 의한 지진응답이 원전표준스펙트럼에 대한 경우보다 작게 나타남을 알 수 있었다. 두 지진에 대한 면진장치의 비선형 거동의 차이는 경주지진의 경우에 비탄성 거동이 미미하여 뚜렷하게 나타났지만 격납구조물의 가속도와 전단력의 경우는 원전표준스펙트럼에 비하여 작게 나타났지만 면진장치의 비탄성 응답의 차이 보다는 크지 않았다.
- 3) 간략 Beam-Stick 모델을 이용하여 격납구조물의 높이에 따른 변위 응답, 가속도 응답, 전단력 응답을 경주지진과 원전표준스펙트럼에 대응하는 인공지진에 대하여 분석한 결과로부터 경주지진에 의한 지진응답이 원전표준스펙트럼에 대한 경우보다 작게 나타남을 알 수 있었다. 두 지진에 대한 면진장치의 비선형 거동의 차이는 경주지진의 경우에 비탄성 거동이 미미하여 뚜렷하게 나타났지만 격납구조물의 가속도와 전단력의 경우는 원전표준스펙트럼에 비하여 작게 나타났지만 면진장치의 비탄성 응답의 차이 보다는 크지 않았다.
- 4) 면진장치에 의한 가속도 저감효과는 경주지진에 대하여 약 20%, 원전표준설계스펙트럼에 대하여 가속도 저감효과가 약 17%로 나타났다. 이는 본 연구에 사용한 면진장치가 외국의 강진지역(PGA 0.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.