[논문]마찰진자시스템의 마찰계수 변화에 따른 면진된 원전구조물의 거동특성 비교

석철근; 송종걸

doi:10.5000/eesk.2016.20.2.125

마찰진자시스템의 마찰계수 변화에 따른 면진된 원전구조물의 거동특성 비교
Seismic Performance Evaluation of Seismically Isolated Nuclear Power Plants Considering Various Velocity-Dependent Friction Coefficient of Friction Pendulum System 원문보기

한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.20 no.2, 2016년, pp.125 - 134

석철근 ((주)티이솔루션, 풍동실험팀) , 송종걸 (강원대학교 토목공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In order to improve seismic safety of nuclear power plant (NPP) structures in high seismicity area, seismic isolation system can be adapted. In this study, friction pendulum system (FPS) is used as the seismic isolation system. According to Coulomb's friction theory, friction coefficient is constant regardless of bearing pressure and sliding velocity. However, friction coefficient under actual situation can be changed according to bearing pressure, sliding velocity and temperature. Seismic responses of friction pendulum system with constant friction and various velocity-dependent friction are compared. The velocity-dependent friction coefficients of FPS are varied between low-and fast-velocity friction coefficients according to sliding velocity. From the results of seismic analysis of FPS with various cases of friction coefficient, it can be observed that the yield force of FPS becomes larger as the fast-velocity friction coefficient becomes larger. Also, the displacement response of FPS becomes smaller as the fast-velocity coefficient becomes larger.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

원전에 적용 가능한 면진장치로는 고무계열과 마찰계열로 구분할 수 있는데 고무계열의 면진장치는 납-고무 면진받침(lead-rubber bearing)이 대표적이며, 마찰계열은 마찰진자시스템(FPS)이 대표적이다. 본 연구에서는 마찰계열의 대표적인 면진장치인 마찰진자시스템의 원전구조물에 대한 적용성을 분석하였다. 일반적으로 마찰계열의 면진장치의 해석모델의 작성에서 마찰계수의 역할이 중요하며, 간단한 방법으로는 마찰계수가 일정하다고 보고 해석에 적용하는 것이 통상적이나 마찰계수는 마찰진자시스템의 속도응답에 따라 변하는 값을 가지게 되므로, 일정한 마찰계수를 사용하여 해석한다면 실제적인 거동과 차이가 발생할 수 있다.

가설 설정

6에 나타낸 바와 같이 FEMA-274[6] 보고서에 제시된 속도에 따른 마찰계수를 사용하였다. Coulomb 마찰이론에 따른 일정한 마찰 계수 값 산정은 Fig. 6을 이용하여 가로축은 각 면진장치 당 재하되는 상재압을 49 MPa로 선택하였고, 세로축은 거동 직후나 느린 속도에서 발생되는 저속마찰계수(f_min)보다는 일정한 속도 이상으로 증가 후 수렴하는 고속 마찰계수(f_max)가 구조물의 거동에 큰 영향을 미칠 것으로 예상하여 고속마찰계수를 선택하여 이에 해당하는 마찰계수 값인 0.08로 가정하였다.

제안 방법

다양한 속도의존 마찰계수가 적용된 경우와 Coulomb 마찰이론의 일정한 마찰계수를 갖는 경우에 대하여 지진응답을 비교·분석하여 마찰진자시스템에 대한 다양한 마찰계수 적용에 따른 영향성을 검토하였다.
마찰진자시스템에 의해 면진된 원전 구조물에서 마찰계수 산정이 구조물 거동에 어떤 영향을 끼치는지에 대하여 분석하기 위하여, Table 2에서 정의한 7가지의 경우의 마찰계수에 대하여 지진해석을 수행하였다. Gazli 지진에 의해 생성된 인공지진에 대한 7가지 마찰계수에 대한 마찰진자시스템의 힘-변위 관계를 비교하여 Fig.
5에 나타낸 바와 같이 OpenSEES 프로그램[5]을 사용하여 모델링하였다. 면진된 원전구조물의 하부매트에 36개의 마찰진자시스템을 적용하였다. 상부구조물은 Fig.
본 논문에서 마찰진자시스템에 의해 면진된 원전구조물의 지진응답을 다양한 특성의 마찰계수를 적용하여 해석결과를 비교함으로써 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 면진장치의 속도와 면압에 따른 마찰계수의 변화에 대한 기존 연구결과들 [1-3]을 활용하여 다양한 지진하중에 따른 면진장치의 속도 변화에 따른 마찰계수의 변화를 해석에 반영하였으며 이를 일정한 마찰계수를 적용한 방법과 비교하였다. 결과 비교에는 면진장치의 마찰계수의 변화이력, 힘-변위관계, 원전격납구조물의 가속도 및 변위응답이 사용되었으며, 격납구조물의 상층부에 대한 층응답스펙트럼의 결과도 또한 비교하였다.
상·하부 매트 사이에 위치한 마찰진자시스템은 OpenSEES 프로그램에서 단일오목(single concave) 형태의 마찰진지시스템에 적합한 SingleFPBearing 명령어를 사용하여 모델링하였다.
상부구조물은 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 격납·내부 구조물로 구분하여 18개의 보요소로 모델링하였다.
일정한 마찰계수를 사용한 경우(Case 1)와 속도의존 마찰계수의 경우 (Case 2~ Case 7)의 결과의 불일치 정도를 식 (6)과 같이 계산하여 Table 3에 나타내었다. 즉, 속도의존 마찰계수를 적용한 경우의 해석결과가 일정한 마찰계수를 적용한 경우의 해석결과의 차이정도를 분석한 것이다.

대상 데이터

RG 1.60 설계 응답스펙트럼에 대응하는 입력지진을 생성하기 위해 사용된 실제계측 지진은 ATR(Active Tectonic Region) 25개와 SCR (Stable Continental Region) 5개로 선정하였으며, 지반상태는 암반을 위주로 하였으며, 근거리(near-fault) 지진의 특성을 가진 지진을 포함시켰으며 실제계측지진의 특성을 Table 1에 나타내었다. Table 1에 나타낸 지진 기록을 사용하여 RG 1.
5에 나타낸 바와 같이 격납·내부 구조물로 구분하여 18개의 보요소로 모델링하였다. 격납구조물은 높이는 63.274 m이고 내부구조물은 높이는 28.346 m 이며 면진장치에 의해 상부구조물은 탄성 거동만 하게 되므로 탄성요소로 모델링하였다. 상부구조물을 지지하는 매트는 상·하부 매트로 분류하여 지름 40 m, 높이 6.
08(f_max) 값을 사용하였다. 또한, Fig.6에 상재압 49 MPa에 대응하는 저속마찰계수의 한계치 분포인 0.035~0.06과 고속마찰계수의 한계치 분포인 0.1~0.12를 사용하여 저속마찰계수(f_min)과 고속 마찰계수(f_max)의 분포가 0.065(f_min )~0.10(f_max)와 0.035(f_min) ~0.12(f_max) 인 경우를 해석경우로 선정하였다.
상부구조물을 지지하는 매트는 상·하부 매트로 분류하여 지름 40 m, 높이 6.696 m의 원형으로 무질량 강체로 모델링하였다.

데이터처리

본 연구에서는 면진장치의 속도와 면압에 따른 마찰계수의 변화에 대한 기존 연구결과들 [1-3]을 활용하여 다양한 지진하중에 따른 면진장치의 속도 변화에 따른 마찰계수의 변화를 해석에 반영하였으며 이를 일정한 마찰계수를 적용한 방법과 비교하였다. 결과 비교에는 면진장치의 마찰계수의 변화이력, 힘-변위관계, 원전격납구조물의 가속도 및 변위응답이 사용되었으며, 격납구조물의 상층부에 대한 층응답스펙트럼의 결과도 또한 비교하였다.

이론/모형

면진 원전의 구조해석모델은 SASSI 2000[4]의 예제모델을 사용하였고 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 OpenSEES 프로그램[5]을 사용하여 모델링하였다. 면진된 원전구조물의 하부매트에 36개의 마찰진자시스템을 적용하였다.
보통 마찰계수는 실험적으로 구한 표면의 마찰력으로부터 계산하며, 본 연구에서는 Fig. 6에 나타낸 바와 같이 FEMA-274[6] 보고서에 제시된 속도에 따른 마찰계수를 사용하였다. Coulomb 마찰이론에 따른 일정한 마찰 계수 값 산정은 Fig.
입력지진은 면진원전 성능검증 기준을 검토하기 위해 RspMatch 프로그램[7]을 이용하여 RG1.60 설계 응답스펙트럼[8]에 부합되도록 작성한 세 방향 지진기록 30개 세트를 사용하였다. 여기서 설계응답 스펙트럼의 영주기 가속도(ZPA)는 강진지역을 반영하기 위하여 0.

성능/효과

1) 정지마찰계수 반영 여부에 따른 면진된 원전구조물의 지진응답의 차이는 거의 없다. 그 이유는 정지마찰계수는 면진장치의 미끄러짐 속도가 0이 되는 순간의 마찰계수로서 이 순간이 매우 짧은 시간이므로 정지마찰계수를 반영여부에 관계없이 면진장치의 응답에 거의 영향을 주지 못하기 때문이다.
7 Hz는 비면진된 원전 구조물의 고유진동수이다. 1차 강성을 고속마찰계수가 지배하고 가장 큰 마찰계수 값을 지닌 Case 7모델이 층 응답스펙트럼에서 가속도 응답이 제일 큰 것으로 나타나며, 저속마찰계수에 지배를 받으며 1차 강성이 가장 작은 Case 2모델이 지진에 대한 응답이 전체 모델 중에 제일 작은 것으로 나타났다.
3) 7가지 마찰계수에 따른 변위응답을 비교한 결과 고속마찰계수 값이 클수록 변위응답이 크게 나타난다. 이는 고속마찰계수 값이 클수록 마찰진자시스템의 마찰력을 증가시켜 항복강도는 증가시키고 증가된 항복 강도에 의해 변위응답이 줄어들기 때문이다.
4) 면진된 원전 구조물은 대부분의 지진에너지를 면진장치가 소산시킴으로서 면진장치의 상부구조물에 전달되는 지진에너지는 현저히 감소하게 된다. 마찰진자시스템의 적용에 의해 강진에 의한 가속도응답이 1/3 수준으로 줄었으며, 이로부터 면진설계의 성능목표가 달성되었다고 할 수 있다.
5) 격납 구조물의 높이에 따른 최대 변위의 평균을 적용된 마찰계수 7가지 경우별로 비교한 결과로부터, 변위응답은 고속마찰계수에 지배적인 영향을 받는 항복력이 클 수록 변위응답이 줄어듦을 알 수 있다. 즉 마찰계수의 범위에서 고속마찰계수가 클수록 변위응답은 작아진다고 할 수 있다.
고속마찰계수 값이 클수록 마찰진자시스템의 마찰력을 증가시켜 항복강도는 증가시키고 증가된 항복강도에 의해 변위응답이 줄어드는 것으로 판단된다. 또한, 같은 마찰계수 범위(f_min~f_max)를 갖는 해석모델에서 Table 2에 나타낸 바와 같이 저속마찰계수를 근거로 산정한 1차 강성이 고속마찰계수를 근거를 평가된 1차강성 보다 작게 나타나며 1차강성이 작게 평가될수록 변위응답이 크게 나타남을 알 수 있다. 특히 저속 마찰계수와 고속 마찰계수의 범위가 넓을수록 그 차이는 커짐을 알 수 있다.
12에 비교하여 나타내었다. 속도의존 마찰계수를 사용한 Case 2의 변위응답이 일정 마찰계수를 사용한 Case 1에 비하여 20 % 정도 크게 평가됨을 알 수 있다.
정지마찰계수의 반영여부에 따른 마찰진자시스템의 두 수평방향(X와 Z 방향)에 대한 힘-변위 관계를 Case 3의 경우에 대하여 비교하여 나타내었다. 정지마찰계수의 반영 여부는 마찰진지시스템의 지진 응답에 미치는 영향이 미미한 것으로 나타났다. 그 이유는 정지마찰계수는 미끄러짐 속도가 0인 경우에만 반영되며, 마찰진자시스템이 지진하중에 의해 거동을 하는 경우에는 Fig.
마찰계열 면진장치 중 하나인 마찰진자시스템(FPS)은 진자의 성질을 활용하여 면진된 구조물의 고유주기를 임의로 조절할 수 있는 장점이 있다. 특징으로는 상부구조물을 지지하는 볼베어링이 일정한 곡률을 지닌 복합형 재료소재의 마찰면에서 면진장치의 진자운동으로 인하여 곡률반경과 중력에 의한 고유복원력과 마찰에 의해 감쇠력을 갖는다는 장점이 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	최근 면진장치를 무엇의 방안으로 검토하고 있는가?	최근 지진발생과 같은 자연재해로 인해 원자력발전소의 안전성을 높이기 위한 방안으로 면진장치의 적용이 활발히 검토되어 오고 있다. 면진장치는 구조물 고유주기의 장주기화와 감쇠의 증가로 지진하중에 대한 상부구조물의 가속도응답과 상대변위를 저감시키는데 효과적으로 작용한다.
	본 논문에서 수행한, 마찰진자시스템에 의해 면진된 원전구조물의 지진응답에 다양한 특성의 마찰계수를 적용하여 해석결과를 비교한 실험 후 얻은 결론은 무엇인가?	1) 정지마찰계수 반영 여부에 따른 면진된 원전구조물의 지진응답의 차이는 거의 없다. 그 이유는 정지마찰계수는 면진장치의 미끄러짐 속도가 0이 되는 순간의 마찰계수로서 이 순간이 매우 짧은 시간이므로 정지마찰계수를 반영여부에 관계없이 면진장치의 응답에 거의 영향을 주지 못하기 때문이다. 2) 저속마찰계수가 1차 강성에 적용된 경우가 동일한 조건에서 고속마찰계수가 적용된 경우에 비하여 면진장치의 변위응답을 크게 평가한다. 이는 마찰계수 값이 작을수록 일차강성이 작아짐에 따라 고유주기의 증가 때문이다. 3) 7가지 마찰계수에 따른 변위응답을 비교한 결과 고속마찰계수 값이 클수록 변위응답이 크게 나타난다. 이는 고속마찰계수 값이 클수록 마찰진자시스템의 마찰력을 증가시켜항복강도는 증가시키고 증가된 항복 강도에 의해 변위응답이 줄어들기 때문이다. 4) 면진된 원전 구조물은 대부분의 지진에너지를 면진장치가 소산시킴으로서 면진장치의 상부구조물에 전달되는 지진에너지는 현저히 감소하게 된다. 마찰진자시스템의 적용에 의해 강진에 의한 가속도응답이 1/3 수준으로 줄었으며, 이로부터 면진설계의 성능목표가 달성되었다고 할수 있다. 5) 격납 구조물의 높이에 따른 최대 변위의 평균을 적용된 마찰계수 7가지 경우별로 비교한 결과로부터, 변위응답은 고속마찰계수에 지배적인 영향을 받는 항복력이 클 수록 변위응답이 줄어듦을 알 수 있다. 즉 마찰계수의 범위에서 고속마찰계수가 클수록 변위응답은 작아진다고 할 수 있다.
	원전에 적용 가능한 면진장치의 대표적인 방법에는 무엇이 있는가?	면진장치는 구조물 고유주기의 장주기화와 감쇠의 증가로 지진하중에 대한 상부구조물의 가속도응답과 상대변위를 저감시키는데 효과적으로 작용한다. 원전에 적용 가능한 면진장치로는 고무계열과 마찰계열로 구분할 수 있는데 고무계열의 면진장치는 납-고무 면진받침(lead-rubber bearing)이 대표적이며, 마찰계열은 마찰진자시스템(FPS)이 대표적이다. 본 연구에서는 마찰계열의 대표적인 면진장치인 마찰진자시스템의 원전구조물에 대한 적용성을 분석하였다.

참고문헌 (14)

Wu SC, Yang SM. Dynamics of Mechanical Systems with Coulomb Firciton, Stiction, Impact and Constraint Addition-Deletion- II : Planar Systems. Mechanism and Machine Theory, Vol. 21, 1986.
Constantinou MC, Whittaker AS, Kalpakidis Y, Fenz DM, Warn GP. Performance of Seismic Isolation Hardware under Service and Seismic Loading, MCEER-07-0012, Multidisciplinary Center for Earthquake Engineering Research, State Univ. of New York, Buffalo, NY. c2007.
American Association of State Highway and Transportation Officials. Guide Specification for Seismic Isolation Design. AASHTO. Washington. DC. c2010.
Lysmer J, Ostadan F, Chin CC. A system for analysis of soilstructure interaction, SASSI 2000 theoretical manual. UC Berkeley. c1999.
Mazzoni S, McKenna F, Scott MH, Fenves GL. OpenSees: Open System of Earthquake Engineering Simulation, Pacific Earthquake Engineering Center, Univ. of Calif., Berkeley. Available from: http://opensees.berkeley.edu, [cited 2007].
Federal Emergency Management Agency. NEHRP Commentary on the Guidelines for the Seismic Rehabilitation of Buildings(FEMA 274) Ch. 9. Seismic Isolation and Energy Dissipation, 9-1-9-60, Oct, 1997.
Hancock J, Watson-Lamprey J, Abrahamson NA, Bommer JJ, Markatis A, McCoy E, Mendis R. An improved method of matching response spectra of recorded earthquake ground motion using wavelets. Journal of Earthquake Engineering. 2006;10(S1): 67-89.
Koh. Generation of Target Power Spectral Density Function using Design Response Spectrum, Master's thesis Hanyang University. c2007.
Ronald L. Mayes, Fazard Naeim, The Seismic Design Handbook 2nd Edition Ch.14 Design of Structures with Seismic Isolation. Kluwer Academic Publishers. c2001 p.725-755.
American Society of Civil Engineers, ASCE 7-10; Minimum Design Loads for Buildings and other Structures, ASCE, Reston. c2010.
Nobuo Murota, Maria Q.Feng and Gee-Yu Liu. Experimental and Analytical Studies of Base Isolation System for Sesimic Protection of Power Transformers, MCEER-05-0008, Multidisciplinary Center for Earthquake Engineering Research, 2007.
Kim DK, Kim WB, Suh YP, Moon DS, Kim JY. Seismic Performance Evaluation for MCR of Nuclear Power Plant Isolated by FPS. Proceedings of EESK Conference, Earthquake Engineering Society of Korea. c2003. p.453-460.
Lee KJ, Kim KS, Suh YP. Dynamic Property Evaluation of Friction Pendulum Isolation Bearing. Proceedings of EESK Conference. Earthquake Engineering Society of Korea. c2003. p.465-472.
Mokha, Constaninou and Reinhorn, Experimental Study and Analytical Prediction of Earthquake Response of A Sliding Isolation System With A Spherical Surface. National Center For Earthquake Engineering Research. c1990.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증