[논문]노출형 조압수조의 해석모델별 내진성능평가

김용곤; 옥승용; 김일규; 류선호; 배정주

doi:10.14346/jkosos.2016.31.5.67

노출형 조압수조의 해석모델별 내진성능평가
Seismic Performance Assessment of Atmospheric Surge Tank 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.31 no.5, 2016년, pp.67 - 73

김용곤 (한경대학교 토목안전환경공학과) , 옥승용 (한경대학교 토목안전환경공학과) , 김일규 (한경대학교 토목안전환경공학과) , 류선호 (한경대학교 토목안전환경공학과) , 배정주 (한국시설안전공단)

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigates the seismic performance of the surge tank which is of the atmospheric type and constructed above the ground. For that purpose, three different numerical models of the surge tank have been taken into account. Two models are constructed to describe the surge tank with different support conditions: one is to model all supports as fixed, and the other is to use spring element for the rock conditions. The third model is constructed to describe not only the surge tank with spring element of the rocks but also the vertical waterway tunnel. Through the time-history analysis of the surge tank subjected to three artificially excited ground motions, it is demonstrated that there can be much difference between the three models of our interest according to the support conditions and inclusion of the vertical waterway tunnel. However, their seismic performances still remain below the safety criteria, i.e., dynamic allowable stress. Also, the numerical results let us know where the critical sections occur. These results could be used to develop the efficient seismic enhancement method for the surge tank.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구에서는 노출형 조압수조의 내진성능 평가연구를 수행하고자 한다. 해석 모델로는 조압수조의 지상부만 고려하는 경우와 지하부를 포함하는 경우를 함께 고려하고자 하며, 지상부 및 지하부와의 접촉면에서의 경계조건도 고정단과 지반스프링을 각각 고려하는 경우로 세분화하여 각 모델별 내진성능을 상호 비교함으로써 해석모델에 따른 내진성능의 변화를 살펴보고자 한다.
이 연구에서는 댐의 부속시설물로서 설치되는 조압수조의 해석모델에 따른 내진성능 평가결과를 비교 분석하였다. 조압수조의 모델링 방법으로는 조압수조만 고려하되 지점의 경계조건을 달리 하는 2가지 경우와 조압수조가 연결되는 수직터널을 포함한 경우를 고려하였다.
이 연구에서는 노출형 조압수조의 내진성능 평가연구를 수행하고자 한다. 해석 모델로는 조압수조의 지상부만 고려하는 경우와 지하부를 포함하는 경우를 함께 고려하고자 하며, 지상부 및 지하부와의 접촉면에서의 경계조건도 고정단과 지반스프링을 각각 고려하는 경우로 세분화하여 각 모델별 내진성능을 상호 비교함으로써 해석모델에 따른 내진성능의 변화를 살펴보고자 한다.

제안 방법

각 모델별 시간이력해석을 통한 최대 지진응답을 살펴보았다. 먼저 최대 가속도 응답이 발생하는 최상단 위치에서의 모델별 가속도 시간이력곡선을 Fig.
조압수조의 모델링 방법으로는 조압수조만 고려하되 지점의 경계조건을 달리 하는 2가지 경우와 조압수조가 연결되는 수직터널을 포함한 경우를 고려하였다. 내진성능 평가방법은 시간이력해석방법에 따른 최대 응력결과를 비교 분석하였으며, 유사정적해석법 결과와의 차이도 살펴보았다. 해석결과로부터 해석 모델에 따라 달라지는 응력분포의 변화 및 거동차이를 파악할 수 있었으며, 조압수조에서 내진보강을 가장 필요로 하는 취약 부위도 발견할 수 있었다.
마지막으로 각 모델별 내진성능 평가방법에 있어서 지진하중을 정적 재하하는 유사정적해석결과와 동적 시간이력해석결과를 상호 비교․검토하였으며, 최대응력값을 Table 8에 제시하였다. Table 8에서 동적해석 결과는 앞서의 Tables 5~7에서의 최대 응력값을 도시한 결과이다.
수위조건은 발전 정지 중의 저수지 만수위로 고려하였으며, 내부 저수에 의한 동수압은 수평진동에 의한 동수압을 부가질량으로 모델링하여 지진 관성력과 함께 고려하였다^,3,4). 지진하중으로는 유사정적해석과 시간이력해석을 수행하여 두 응답해석결과를 상호 비교하였다.
시간이력해석에 사용된 지진하중은 내진1등급, 지반 조건은 경암지역(C_a=0.09, C_v=0.09), 위험도계수 1.4(1000년 재현주기)를 갖는 지진⁵⁾을 고려하였으며, Fig. 4에 도시한 바와 같이 PGA=0.126 g를 갖도록 3개의 인공지진가속도를 생성하고 이에 대한 최대응답을 고려하였다.
조압수조 해석은 원형 형상을 고려하여 3차원 해석 모델(Fig. 3)을 사용하였으며, 작용 하중으로는 자중(D), 내부 저수에 의한 정수압(SW)과 동수압(DW) 및 지진 관성력(E)을 고려하였다. M₁과 M₂는 수직터널을 고려하지 않으므로 실제 정수압과 동수압은 작용하지 않으며, M₃는 수직터널에 정수압과 동수압이 작용하므로 이를 고려하여야 한다.
이 연구에서는 댐의 부속시설물로서 설치되는 조압수조의 해석모델에 따른 내진성능 평가결과를 비교 분석하였다. 조압수조의 모델링 방법으로는 조압수조만 고려하되 지점의 경계조건을 달리 하는 2가지 경우와 조압수조가 연결되는 수직터널을 포함한 경우를 고려하였다. 내진성능 평가방법은 시간이력해석방법에 따른 최대 응력결과를 비교 분석하였으며, 유사정적해석법 결과와의 차이도 살펴보았다.
. 지진하중으로는 유사정적해석과 시간이력해석을 수행하여 두 응답해석결과를 상호 비교하였다.

성능/효과

세부적으로 살펴보면, M₁과 M₂에서는 정적해석보다는 동적해석결과가 비교적 차이를 보이고 있으나, M₃에서는 압축응력을 제외하고는 두 방법에 있어서 그 차이는 크지 않음을 확인할 수 있다. M₃모델의 압축응력에서는 동적해석결과보다는 정적해석결과가 큰 결과를 보임으로써 다른 응력들과는 상이한 결과를 보이고 있다.
이상의 결과로부터, 조압수조의 내진응답해석에 있어서 수직터널의 고려 유무 및 지점조건의 반영에 있어서 현장조건을 보다 정확하게 반영할 필요가 있음을 확인할 수 있다. 한편, 불확실성이 큰 경우에는 조압수조의 저면 및 수직터널과의 접합부에 대한 직접적인 단면 보강을 하든지 또는 기존 조압수조와 같이 해당 취약부위의 직접적인 보강이 힘든 경우에는 내진보강을 통한 취약부위의 응력 저감효과를 확인할 필요가 있다.
최대 가속도값을 모델별로 비교해보면, M₃에서 0.378g, M₁에서 0.374g, M₂에서 0.306g의 유사한 수준에서 가속도 응답이 발생하고 있음을 확인할 수 있다.
이러한 결과로부터 경계조건 및 수직터널의 고려유무에 따라 각 모델별 최대응력값은 크게 차이를 보일 수 있음을 확인할 수 있다. 하지만 각 최대응력들의 동적 허용치(Table 3)와 비교할 때 비록 큰 폭으로 증폭되는 결과를 보인 M3의 경우에도 여전히 안전 측에 머무르고 있음을 확인할 수 있다.
내진성능 평가방법은 시간이력해석방법에 따른 최대 응력결과를 비교 분석하였으며, 유사정적해석법 결과와의 차이도 살펴보았다. 해석결과로부터 해석 모델에 따라 달라지는 응력분포의 변화 및 거동차이를 파악할 수 있었으며, 조압수조에서 내진보강을 가장 필요로 하는 취약 부위도 발견할 수 있었다. 이상의 결과로부터 조압수조의 내진성능평가 시 수직터널과의 연결부에 대한 지점조건 및 수직터널의 포함여부에 대한 세밀한 모델링 검토가 필요할 것이다.
해석방법에 따른 각 모델별 결과를 살펴보면, 응력 유형에 따라 차이를 보이나 전반적으로 동적해석결과가 유사정적해석결과보다는 조금씩 큰 응력결과를 보이고 있으나 그 차이는 크지 않음을 알 수 있다.

후속연구

특히, 불확실성이 큰 경우에는 조압수조의 개별적 해석에 있어서 상세한 현장조사를 통하여 해당 구조물의 거동을 가장 잘 모사할 수 있는 지점조건과 수치모델의 적용이 필요하며, 이로부터 내진보강이 필요한 경우 취약부위에 대한 내진성능 개선효과를 검토할 필요가 있을 것이다. 본 연구결과를 바탕으로 추후 조압수조의 효과적 내진보강방안에 대한 후속연구를 수행하고자 한다.
해석결과로부터 해석 모델에 따라 달라지는 응력분포의 변화 및 거동차이를 파악할 수 있었으며, 조압수조에서 내진보강을 가장 필요로 하는 취약 부위도 발견할 수 있었다. 이상의 결과로부터 조압수조의 내진성능평가 시 수직터널과의 연결부에 대한 지점조건 및 수직터널의 포함여부에 대한 세밀한 모델링 검토가 필요할 것이다. 특히, 불확실성이 큰 경우에는 조압수조의 개별적 해석에 있어서 상세한 현장조사를 통하여 해당 구조물의 거동을 가장 잘 모사할 수 있는 지점조건과 수치모델의 적용이 필요하며, 이로부터 내진보강이 필요한 경우 취약부위에 대한 내진성능 개선효과를 검토할 필요가 있을 것이다.
이상의 결과로부터 조압수조의 내진성능평가 시 수직터널과의 연결부에 대한 지점조건 및 수직터널의 포함여부에 대한 세밀한 모델링 검토가 필요할 것이다. 특히, 불확실성이 큰 경우에는 조압수조의 개별적 해석에 있어서 상세한 현장조사를 통하여 해당 구조물의 거동을 가장 잘 모사할 수 있는 지점조건과 수치모델의 적용이 필요하며, 이로부터 내진보강이 필요한 경우 취약부위에 대한 내진성능 개선효과를 검토할 필요가 있을 것이다. 본 연구결과를 바탕으로 추후 조압수조의 효과적 내진보강방안에 대한 후속연구를 수행하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	조압수조의 기능은?	조압수조(Surge Tank)는 도송수 관로 사이의 수(水) 충격을 방지하기 위해 설치하는 댐 부대시설물로서, 상류 측 도수로와 하류 측 수압관로의 접합부에 설치되어 발전에 사용하는 수량(水量)의 변동에 기인한 수압관로 내의 압력 변동을 흡수하여 과대한 압력 변동이 도수로에 전파되지 않도록 하는 기능을 갖는다(Fig. 1).
	조압수조가 지상에 노출된 부분이 높아지는 경우에서 예측되는 것은?	그러나, 때때로 지상에 노출되는 노출형으로 설치되는 경우에 지상에 노출된 부분이 높아지는 경우가 있다. 이 경우에는 조압수조의 거동이 캔틸레버보와 유사한 거동을 보이므로 지상에 노출되는 접촉부에서 과도한 응력이 발생할 수 있으며 상부 또한 과다한 변위가 발생할 수 있을 것으로 예측된다. 또한, 지하부에서도 지질 불량부와 접하는 경우에는 지진에 의해 큰 변위가 발생할 수도 있으므로 이에 대해서도 손상에 대한 해석 검토가 포함되어야 할 필요가 있다.
	조압수조는 무엇인가?	조압수조(Surge Tank)는 도송수 관로 사이의 수(水) 충격을 방지하기 위해 설치하는 댐 부대시설물로서, 상류 측 도수로와 하류 측 수압관로의 접합부에 설치되어 발전에 사용하는 수량(水量)의 변동에 기인한 수압관로 내의 압력 변동을 흡수하여 과대한 압력 변동이 도수로에 전파되지 않도록 하는 기능을 갖는다(Fig. 1).

참고문헌 (5)

Manual of Seismic Performance Investigation of Hydraulic Power Facilities, Japanese
Korean Society of Civil Engineers and Korea Bridge Design and Engineering Research Center, Korean Bridge Design Specifications, 2008.
H. M. Westergaard, "Water Pressures on Dams during Earthquakes", Trans. ASCE, Vol. 98, p. 418-433, 1933.
Y. Kim, S. Kim, S.-Y. Ok, "Seismic Performance Improvement of Concrete Gravity Dam by Post-tensioned Anchors", Journal of the Korean Society of Safety, Vol. 28, No. 5, pp. 49-33, 2013.
Korea Infrastructure Safety & Technology Corporation, A Study on Seismic Performance Evaluation and Improvement of Structures Appurtenant to Dams, Technical Report, 2014.

저자의 다른 논문 :

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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