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문제 정의
- 이 연구에서는 기초 묻힘 효과가 면진 원전구조물의 지진 응답에 미치는 영향을 분석하였다. 면진장치의 비선형성이 고려된 SSI 해석은 BRM 해석법을 이용하여 수행하였다.
- 본 연구에서는 묻힌기초 효과를 고려한 면진 원전구조물의 지진응답에 대한 영향을 분석하였다. 면진 원전구조물의 비선형 SSI 해석은 BRM 해석법을 이용하였다.
제안 방법
- BRM을 이용한 정확한 비선형 SSI 해석을 위해서는 선형해석 모델에 대한 신뢰성이 확보되어야 한다. 면진장치를 등가선형으로 모델링한 선형해석문제에 대한 BRM의 응답을 일반적인 지진해석의 응답과 비교 검토하였다. 선형모델에 대한 검증 후 지표 기초모델과 기초 묻힘 효과가 고려된 Moat 기초모델의 비선형 SSI 해석을 수행하였다.
- 면진장치를 등가선형으로 모델링한 선형해석문제에 대한 BRM의 응답을 일반적인 지진해석의 응답과 비교 검토하였다. 선형모델에 대한 검증 후 지표 기초모델과 기초 묻힘 효과가 고려된 Moat 기초모델의 비선형 SSI 해석을 수행하였다.
- 이때 해석프로그램은 진동수영역 선형 SSI 해석프로그램인 KIESSI-3D(Seo and Kim, 2012)를 이용하였다. 그리고 부구조(II)에서는 계산된 경계반력을 반대 방향의 하중으로 작용시켜 범용 유한요소해석 프로그램을 이용하여 비선형 시간이력해석을 수행한다. 비선형 시간이력 해석 프로그램은 면진장치의 비선형성을 고려할 수 있는 범용 유한요소해석 프로그램인 ANSYS(ANSYS Ver.
- , 2014a). 이 연구에서는 감쇠기-스프링으로 경계면을 모델링하였다. 경계면에 스프링요소 및 점성감쇠 요소의 계수 값은 Deeks와 Randolph(1994), Kellezi (2000), Liu(2006), Li와 Song(2014) 등이 제안한 방법을 이용할 수 있다.
- 따라서 BRM을 이용한 정확한 비선형 SSI 해석을 위해서는 경계반력의 정확성과 지반-구조물 상호작용에서 발생하는 방사감쇠를 효율적으로 처리할 수 있는 해석모델의 작성이 중요하다. 이 연구에서는 BRM 해석모델 및 계산된 경계반력을 검증하기 위해 등가선형 시간이력 해석을 수행하고, 구조물응답을 KIESSI-3D를 이용한 일반적인 지진해석결과와 비교하였다. 해석에 사용된 KIESSI-3D와 ANSYS의 해석모델은 Fig.
- 3Hz이다. 등가선형해석에서 면진장치의 강성은 Table 1의 Keff값을 적용하였으며, 면진장치의 감쇠는 점성감쇠계수로 모델링 하여 Ceff를 적용하였다.
- BRM 해석의 부구조(II) 유효하중인 경계면의 반력은 KIESSI-3D를 이용하여 선형영역과 비선형영역의 경계면인 면진장치 하단부 486개 지점에서 계산하였다. 경계반력은면진장치 하단부를 고정한 상태에서 일반적인 지진해석을 통하여 계산하였으며, KIESSI-3D 해석모델은 Fig.
- 면진장치를 등가선형으로 모델링한 BRM 해석에 의한 격납건물상단의 수평응답스펙트럼을 진동수영역 등가선형 SSI 해석에 의한 응답과 비교하였다. Fig.
- BRM을 이용하여 지표기초 구조물과 묻힘효과를 고려한 Moat 기초 구조물의 비선형 SSI 해석을 수행하고, 묻힘효과에 따른 비선형 SSI 해석의 응답을 평가하였다. 면진장치의 비선형요소를 제외한 BRM 해석모델 및 경계반력은 등가선형 해석모델과 동일하며, 면진장치의 비선형 특성은 Table 2와 같다.
- , 2014). 이 연구에서는 비선형 SSI 해석에 의한 지표기초와 Moat 기초 구조물에 면진장치의 변위를 비교하였다. Fig.
- 면진 원전구조물의 비선형 SSI 해석은 BRM 해석법을 이용하였다. 입력운동은 설계 스펙트럼을 만족하는 단일세트 입력운동과 다중세트 입력운동을사용하였으며, 비선형 SSI 해석결과로 지표기초와 Moat 기초 모델에 대한 면진장치의 변위 및 구조물의 응답을 비교 분석하였다. 이들 해석결과를 비교 검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 면진 원전구조물의 Moat 기초는 지진발생 시 면진된 상부구조물이 일정거리를 제한없이 움직일 수 있도록 하는 정지 거리(isolation gap)를 포함하고 있으며, 면진시스템의 과도한 변위를 방지하기 위하여 설계된 정지체(moat wall)를 포함하고 있다. Moat 기초는 지표면으로부터 21.3m(70ft) 묻혀 있으며, Moat 기초모델의 정지체는 Fig. 1(b)와 같이 쉘요소로 모델링하였다. 면진장치의 요소는 총 486개로 되어 있으며, 면진장치 요소는 Bilinear 모델로 모사하였다.
- 1(b)와 같이 쉘요소로 모델링하였다. 면진장치의 요소는 총 486개로 되어 있으며, 면진장치 요소는 Bilinear 모델로 모사하였다. 면진장치의 물성치는 Table 2와 같다.
- 지반조건은 국내 원전설계 지반조건 중 유연한 지반에 속하는 S2 지반조건과 일반적인 암반조건인 S7 지반조건(Han et al., 2015)을 사용하였으며, S2와 S7의 지반 물성치는 Table 3과 같다. S2 지반조건의 전단파속도는 256m/sec~1269m/sec이며, S7 지반조건은 523m/sec~2804m/sec이다.
- 0)를 이용하였다. ANSYS 해석모델 작성시 입체요소는 SOLID185요소, 쉘 요소는 SHELL181, 보요소는 BEAM44, 지반 및 면진장치의 스프링 요소는 COMBIN14와 COMBIN40을 이용하였다. BRM의 부구조(II)에서는 지반-구조물 상호작용에서 발생하는 방사감쇠의 효율적인 처리를 위하여 해석 영역의 경계에서 일종의 에너지흡수경계조건인 PML 요소나 감쇠기-스프링으로 경계를 처리할 수 있는 프로그램이 필요하다(Lee et al.
- 5와 같다. 이때 ANSYS 해석 모델의 경우 S2 지반모델은 지반의 모델링범위가 기초반경에 4R, S7 지반모델은 지반의 모델링범위가 기초반경에 2R인 모델을 사용하였다. S2 지반과 S7 지반 모델의 유한요소 최대크기는 동일하게 적용하였다.
데이터처리
- 그리고 부구조(II)에서는 계산된 경계반력을 반대 방향의 하중으로 작용시켜 범용 유한요소해석 프로그램을 이용하여 비선형 시간이력해석을 수행한다. 비선형 시간이력 해석 프로그램은 면진장치의 비선형성을 고려할 수 있는 범용 유한요소해석 프로그램인 ANSYS(ANSYS Ver.16.0)를 이용하였다. ANSYS 해석모델 작성시 입체요소는 SOLID185요소, 쉘 요소는 SHELL181, 보요소는 BEAM44, 지반 및 면진장치의 스프링 요소는 COMBIN14와 COMBIN40을 이용하였다.
이론/모형
- 이 연구에서는 기초 묻힘 효과가 면진 원전구조물의 지진 응답에 미치는 영향을 분석하였다. 면진장치의 비선형성이 고려된 SSI 해석은 BRM 해석법을 이용하여 수행하였다. BRM을 이용한 정확한 비선형 SSI 해석을 위해서는 선형해석 모델에 대한 신뢰성이 확보되어야 한다.
- 비선형 SSI 해석을 위한 구조물은 국내 면진 원전구조물 (Han et al., 2015)의 상부구조물이 간략화된 모델을 이용하였다. 간략화된 면진 원전구조물은 Fig.
- 선형 SSI 문제인 BRM의 부구조(I)에서는 진동수영역에 기반을 둔 SSI 해석프로그램을 이용하여 비선형 구조물 영역과 선형 지반-구조물 시스템의 경계면에서 경계반력을 계산한다. 이때 해석프로그램은 진동수영역 선형 SSI 해석프로그램인 KIESSI-3D(Seo and Kim, 2012)를 이용하였다. 그리고 부구조(II)에서는 계산된 경계반력을 반대 방향의 하중으로 작용시켜 범용 유한요소해석 프로그램을 이용하여 비선형 시간이력해석을 수행한다.
- 본 연구에서는 묻힌기초 효과를 고려한 면진 원전구조물의 지진응답에 대한 영향을 분석하였다. 면진 원전구조물의 비선형 SSI 해석은 BRM 해석법을 이용하였다. 입력운동은 설계 스펙트럼을 만족하는 단일세트 입력운동과 다중세트 입력운동을사용하였으며, 비선형 SSI 해석결과로 지표기초와 Moat 기초 모델에 대한 면진장치의 변위 및 구조물의 응답을 비교 분석하였다.
성능/효과
- 10은 다중세트 입력운동에 의한 응답이다. 각 입력운동과 지반조건에 따른 BRM에 의한 응답이 진동수영역 등가선형 SSI 해석결과와 매우 잘 일치하여 비선형해석을 위한 BRM 해석모델의 신뢰성을 확인할 수있었다.
- 단일세트 입력운동과 다중세트 입력운동에 의한 해석결과의 경향은 유사하였으며, Moat 기초 모델의 면진장치 최대변위는 지표기초 모델에 비해 단일세트 입력운동의 경우 S2 지반조건 약 14%, S7 지반조건 약 1%, 다중세트 입력운동의 경우 S2지반조건 약 18%, S7 지반조건 약 7% 감소하였다. Moat 기초 모델의 면진장치 최대변위는 지표기초에 비해 감소하였으며, 기초가 묻힘에 따른 면진장치 변위의 감소효과는 유연한 지반에서 더욱 크게 나타났다.
- 단일세트 입력운동과 다중세트 입력운동에 의한 해석결과의 경향은 유사하였으며, Moat 기초 모델의 면진장치 최대변위는 지표기초 모델에 비해 단일세트 입력운동의 경우 S2 지반조건 약 14%, S7 지반조건 약 1%, 다중세트 입력운동의 경우 S2지반조건 약 18%, S7 지반조건 약 7% 감소하였다. Moat 기초 모델의 면진장치 최대변위는 지표기초에 비해 감소하였으며, 기초가 묻힘에 따른 면진장치 변위의 감소효과는 유연한 지반에서 더욱 크게 나타났다. 이러한 원인은 Fig.
- Moat 기초에 의한 면진장치 변위와 구조물응답의 감소 효과는 PSD함수에 기반하여 작성된 단일세트 입력운동을 사용한 경우와 실측지진파를 수정한 다중세트 입력운동을 사용한 경우 모두 유사한 경향을 보였다.
- 1) Moat 기초 모델의 면진장치 최대변위는 지표기초에 비해 최대 18% 감소하였다. 이러한 원인은 Moat 기초 모델의 경우 면진진동수에서 SSI 효과와 입력운동의 감소효과가 크게 나타났기 때문이다.
- 2) 전반적으로 Moat 기초 모델에 의한 구조물의 응답은 지표기초 모델에 비해 감소하였다. 이는 Moat 기초에 의한 SSI 효과와 입력운동의 감소효과가 구조물의 응답에도 영향을 미친 것으로 판단된다.
- 3) Moat 기초에 의한 응답의 감소효과는 PSD함수에 기반하여 작성된 단일세트 입력운동을 사용한 경우와 실측 지진파를 수정한 다중세트 입력운동을 사용한 경우 모두 유사하게 나타났다.
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