[논문]마찰진자시스템의 강성중심 변화에 따른 면진된 원전 구조물의 지진응답평가

석철근; 송종걸

doi:10.5000/eesk.2017.21.6.265

마찰진자시스템의 강성중심 변화에 따른 면진된 원전 구조물의 지진응답평가
Seismic Response Evaluation of Seismically Isolated Nuclear Power Plant with Stiffness Center Change of Friction Pendulum Systems 원문보기

한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.21 no.6, 2017년, pp.265 - 275

석철근 (대한산업안전협회 건설안전본부) , 송종걸 (강원대학교 토목공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In order to improve the seismic performance of structures, friction pendulum system (FPS) is the most commonly used seismic isolation device in addition to lead rubber bearing (LRB) in high seismicity area. In a nuclear power plant (NPP) with a large self weight, it is necessary to install a large number of seismic isolation devices, and the position of the center of rigidity varies depending on the arrangement of the seismic isolation devices. Due to the increase in the eccentricity, which is the difference between the center of gravity of the nuclear structure and the center of stiffness of the seismic isolators, an excessive seismic response may occur which could not be considered at the design stage. Three different types of eccentricity models (CASE 1, CASE 2, and CASE 3) were used for seismic response evaluation of seismically isolated NPP due to the increase of eccentricity (0%, 5%, 10%, 15%). The analytical model of the seismic isolation system was compared using the equivalent linear model and the bilinear model. From the results of the seismic response of the seismically isolated NPP with increasing eccentricity, it can be observed that the effect of eccentricity on the seismic response for the equivalent linear model is larger than that for the bilinear model.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

현재 국내에서 작성 중인 원전구조물의 면진설계기준(KEPIC-STC) [1]은 고무계열과 마찰계열 면진장치에 대한 적용을 언급하고 있다. 마찰진자시스템(Friction Pendulum System, FPS)도 전 세계적으로 많이 적용되는 마찰계열 면진장치로서 원전에 대한 적용성을 본 연구를 통하여 검토하고자 한다. 마찰진자시스템은 진자의 성질을 활용하여 고유주기를 임의로 조절할 수 있는 장점이 있는 면진장치다.
본 연구에서는 마찰진자시스템에 의해 면진된 원전 구조물의 지진해석을 마찰진자시스템을 등가선형모델과 이선형모델로 모형화하여 적용한 경우에 대하여 수행하였다. 면진된 원전구조물의 질량중심과 면진장치의 강성중심의 차이에 따른 편심효과를 분석하기 위하여, 전체 면진시스템의 강성을 부분적으로 변화시켜 강성중심에 편향을 줌으로써, 각각 5%, 10%,15%로 편심을 유발하고 면진된 원전 구조물의 구조응답 변화를 분석하였다.
본 연구에서는 마찰진자시스템을 원전에 적용하는 경우에 대하여 면진 장치의 강성중심과 상부구조물의 질량중심의 차이인 편심정도에 따른 지진응답의 영향을 분석하였다. 면진장치들의 배치나 강성차이에 의해 영향을 받는 면진시스템의 강성 중심과 상부구조물의 질량중심간의 불일치로 인해 면진된 구조시스템의 비틀림 거동이 발생할 수 있으며, 이러한 비틀림 거동은 설계 시에 일반적으로 고려하는 응답이 아니기 때문에 예상치 못한 구조물의 손상을 유발할 수도 있다.
본 연구에서는 이러한 강성중심의 변동에 따른 편심효과를 분석하기 위하여 세 가지 종류의 편심모델을 가정하여 해석에 사용하여 면진된 원전구조물의 응답변화를 비교 분석하였다. 원점으로부터 x_i , y_i가 되는 거리에 면진장치 강성 K_1,K_2,K_3, K₄를 갖는 간단한 면진된 구조물의 예가 Fig.
기존의 마찰진자시스템은 하나의 구면을 가지지만 여러 개의 구면을 가지는 다중구면 미끄러짐 베어링(multi-spherical sliding bearing)시스템으로몇 가지 종류(Triple FPS, Modified Single FPS, Double FPS)가 개발되어 해석적인 거동과 실험적인 거동에 대하여 분석한 연구 등[8, 9]이 있다. 본 연구에서는 일반적인 하나의 구면을 가진 마찰진자시스템에 대하여 연구를 수행하였다.

가설 설정

본 연구에 사용한 면진장치의 배치는 하부 원형 매트에 따라서 균일하게 배치하여 면진장치의 개별적인 횡방향 강성이 동일하다면 강성중심은 원형매트의 도심에 위치하여, 질량중심이 하부매트의 도심에 가깝게 위치한다면 편심의 영향은 거의 없을 것이다. 면진 장치의 강성중심과 질량중심의 차이인 편심율에 따른 횡방향 거동을 분석하기 위하여 본 연구에서는 강성중심의 위치 변화를 이상적인 형태로 가정하여 고려하였다. 면진장치는 강성중심의 위치변화는 면진장치 생산 시 품질 관리에 따른 개별 강성차이 및 시간의 경과에 따른 강성변화에 따라 발생할 수 있다.
면진된 원전 구조물의 허용 편심이 규정되어 있지는 않지만 국내 건설관련 시방서 및 ACI(American Concrete Institute)에서는 일반 구조물의 경우 허용 편심을 2 % 또는 50 mm 이내로 규정하고 있다. 본 논문은 강성중심의 이동에 따른 편심효과를 분석하기 위하여 이러한 허용편심보다 과도한 5, 10, 15 %의 편심이 발생하는 경우를 가정하였다. 면진된 원전구조물의 징량중심과 면진장치의 강성중심의 차이에 의한 임의의 편심의 유발은 강성중심의 이동을 통하여 달성하였다.
이러한 면진장치들의 강성중심과 질량중심의 불일치의 정도를 편심으로 정의할 수 있고 편심이 증가할수록 면진된 원전구조물의 지진에 의한 수평방향 거동은 비틀림의 영향이 증가하게 되어 원전구조물의 안전성을 저해하는 요인이 될 수 있다. 본 연구에 사용한 면진장치의 배치는 하부 원형 매트에 따라서 균일하게 배치하여 면진장치의 개별적인 횡방향 강성이 동일하다면 강성중심은 원형매트의 도심에 위치하여, 질량중심이 하부매트의 도심에 가깝게 위치한다면 편심의 영향은 거의 없을 것이다. 면진 장치의 강성중심과 질량중심의 차이인 편심율에 따른 횡방향 거동을 분석하기 위하여 본 연구에서는 강성중심의 위치 변화를 이상적인 형태로 가정하여 고려하였다.

제안 방법

면진된 원전구조물의 징량중심과 면진장치의 강성중심의 차이에 의한 임의의 편심의 유발은 강성중심의 이동을 통하여 달성하였다. 강성중심의 이동은 면진장치의 강성을 증가시키거나 감소시키는 방법을 사용하였으며, 세 가지 대표적인 편심 적용 모델을 Fig. 9에 나타낸 바와 같이 설정하여 해석에 사용하였다. Fig.
마찰진자시스템의 힘-변위 응답도 강진에 의해 이선형(bilinear) 모델과 유사한 거동을 나타내기 때문에 실제 구조해석에서 등가선형모델과 이선형 모델이 해석모델로서 많이 사용된다. 마찰진자시스템에 의해 면진된 원전구조물을 대상으로 면진장치를 등가선형 및 비선형모델로 각각 모델링한 경우에 대하여 지진응답을 비교하였다.
마찰진자시스템의 등가선형모델과 이선형 모델의 물성치는 Table 1에 나타내었다. 마찰진자시스템의 등가선형모델을 적용할 경우에 고유주기가 2초 정도가 되도록 설계하여 물성치를 평가하였다.
매트의 마찰진자시스템은 OpeSEES프로그램 [17]의 SingleFPBearing 명령어를 사용하여 균등하게 36개를 매트와 매트 사이에 배치시켰다. 마찰진자시스템의 종류는 단일 오목면(single concave)을 가진 마찰진자시스템을 사용하였다.
696 m의 원형으로 모델링하였으며 무질량 강체로 모델링하였다. 매트의 마찰진자시스템은 OpeSEES프로그램 [17]의 SingleFPBearing 명령어를 사용하여 균등하게 36개를 매트와 매트 사이에 배치시켰다. 마찰진자시스템의 종류는 단일 오목면(single concave)을 가진 마찰진자시스템을 사용하였다.
본 연구에서는 마찰진자시스템에 의해 면진된 원전 구조물의 지진해석을 마찰진자시스템을 등가선형모델과 이선형모델로 모형화하여 적용한 경우에 대하여 수행하였다. 면진된 원전구조물의 질량중심과 면진장치의 강성중심의 차이에 따른 편심효과를 분석하기 위하여, 전체 면진시스템의 강성을 부분적으로 변화시켜 강성중심에 편향을 줌으로써, 각각 5%, 10%,15%로 편심을 유발하고 면진된 원전 구조물의 구조응답 변화를 분석하였다. 편심 모델의 방법으로는 강성을 편향적으로 저하시켜 고유주기가 증가를 유도하는 방법(CASE 1), 강성을 편향적으로 증가시켜 고유주기를 감소시키는 방법(CASE 2), 편향적으로 강성의 저하·증가를 유도하여 고유주기가 동일화되는 방법(CASE 3)을 사용하였으며, 편심에 따른 지진해석을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
12에 비교하여 나타내었다. 면진장치에 의한 지진응답의 저감효과를 비교하기 위하여 면진장치가 설치되지 않은 경우를 함께 비교하여 나타내었다. 격납구조물의 최대변위를 나타낸 Fig.
면진된 원전 구조물은 SASSI 2000 [16]의 예제모델을 사용하였고 원전구조물의 하부매트에 36개의 마찰진자시스템을 설계하여 모델링하였으며 해석프로그램으로는 OpenSEES 프로그램 [17]을 사용하였다. 상부구조물은 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 집중질량을 가진 18개의 beam-stick으로 모델링 하였으며 격납과 내부구조물을 구분하여 모델링하였다. 격납구조물은 높이 63.
전법규 등 [6]은 가변적인 고유 진동수를 가짐으로 인하여 특정 주파수에 응답특성을 집중시키지 않는 내진장치인 CFPBS (Cone-type Friction Pendulum Bearing System)를 개발하고 이 장치의 성능을 자유진동실험과 수치적 동적해석을 통하여 검증하였다. 이 연구에서 CFPBS의 이론적 모델을 정립하고 이론식과 설계식을 제안하였으며 이를 바탕으로 수치적 동적해석과 실시간 진동대 실험을 통하여 CFPBS의 내진성능을 평가함과 동시에 설계식의 타당성을 검증하였다. 김권일 등[7]은 배관시스템에 대한 수치해석 및 진동대 시험을 통하여 진동 저감 특성을 분석하고 마찰진자형 방진기의 내진 성능을 검토하여, 마찰진자형 방진기는 주로 20 Hz 이하 주파수 대역에서 진동이 저감되는 것을 확인하였다.
입력 지진으로는 ATC-63 프로젝트의 FEMA P-695 보고서 [10]에서활용된 원거지 지진(far field ground motion)을 이용하였으며, 하부매트에 배치된 면진장치들의 부분적인 강성의 증가 또는 저하 정도의 가정에 따른 강성 중심의 변화를 통해 다양한 정도의 편심발생(면진장치의 강성중심과 상부구조물의 질량중심과의 차이)에 따른 면진된 원전구조물의 거동특성을 분석함으로써 편심효과가 면진된 원전구조물의 미치는 영향을 분석하였다.
면진장치의 유효강성 및 유효감쇠비가 일정하게 수렴하도록 반복과정을 진행한다. 최종적으로 수렴되면 반복과정을 종료하고 등가선형모델의 최종물성치를 확정하여 이를 사용하여 지진해석을 수행한다.
편심 모델의 방법으로는 강성을 편향적으로 저하시켜 고유주기가 증가를 유도하는 방법(CASE 1), 강성을 편향적으로 증가시켜 고유주기를 감소시키는 방법(CASE 2), 편향적으로 강성의 저하·증가를 유도하여 고유주기가 동일화되는 방법(CASE 3)을 사용하였으며, 편심에 따른 지진해석을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
13에 나타내었다. 편심모델 CASE 1은 Fig. 8에 나타낸 바와 같이 원형 배치된 면진장치 중 약50%의 면진장치에 대하여 강성을 감소시켜 편심을 유발하였다. 그러므로 면진시스템의 강성의 총합이 작아지면서 면진된 원전구조물의 고유주기가 장주기화가 되어 편심이 증가할수록 변위응답이 증가함을 알 수 있다.

대상 데이터

FEMA P-695 보고서 [10]에서 언급된 원거리 지진파를 입력지진으로 사용하였으며 지진파의 선정에 사용한 기준은 Table 2에 나타내었고, 선정된 19개의 지진가속도에 대한 기록성분, 규모, 최대지반가속도는 Table 3에 나타내었다. Table 3에 나타낸 19개의 입력지진에 대한 가속도 및 변위 응답스펙트럼을 각각 Fig.
5에 나타낸 바와 같이 집중질량을 가진 18개의 beam-stick으로 모델링 하였으며 격납과 내부구조물을 구분하여 모델링하였다. 격납구조물은 높이 63.274 m, 내부구조물은 높이 28.346 m로 면진장치에 의해 지진하중이 상부구조물이 감소되어 전달되므로 상부구조물은 탄성거동을 하므로 탄성요소를 사용하여 모델링하였다.
매트는 상·하부 매트로 분류하여 지름 40 m, 높이 6.696 m의 원형으로 모델링하였으며 무질량 강체로 모델링하였다.

데이터처리

면진된 원전 구조물은 SASSI 2000 [16]의 예제모델을 사용하였고 원전구조물의 하부매트에 36개의 마찰진자시스템을 설계하여 모델링하였으며 해석프로그램으로는 OpenSEES 프로그램 [17]을 사용하였다. 상부구조물은 Fig.

이론/모형

등가선형모델은 면진장치의 비선형적인 힘-변위응답을 유효강성과 유효감쇠를 이용하여 등가선형적인 거동으로 치환한 해석모델이다. FEMA-274 보고서 [12]와 ASCE 7-10 [13]에서 제시한 유효강성, 유효감쇠비를 사용하여 등가선형모델을 구성하였다. 마찰진자시스템의 등가선형화 절차는 Fig.
마찰진자시스템의 비선형 모델은 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 이선형(bilinear) 모델을 사용하였다. 이선형 모델을 정의하는 1차강성(K_u)과 2차강성(K_d)은 FEMA 274 보고서 [12]에 의거하여, 각각 식 (6)과 식 (7)로 정의할 수 있고, 1차 강성(K_u)은 식 (6)과 같이 마찰력(F_f )의 함수로 정의할 수 있다.

성능/효과

1) 마찰진자시스템에 의한 지진응답의 저감효과를 비교하기 위하여 면진 장치가 적용되지 않은 경우와 마찰진자시스템에 의한 면진된 경우의 변위응답 비교로부터, 등가선형모델에 의한 면진장치의 변위(약19 cm)가 이선형 모델의 변위(약8 cm)에 비하여 약2배정도 크게 나타남을 알 수 있다. 마찰진자시스템에 의한 면진된 경우의 격납구조물의 하층부(6.
2) 격납구조물의 최대가속도응답의 비교로부터 마찰진자시스템에 의해 기초부의 가속도 0.4 g가 마찰진자시스템를 통과하면서 0.2 g 이하로 약50% 수준으로 저감됨을 확인할 수 있다. 면진장치가 없는 경우는 격납구조물 상층부의 최대가속도가 1.
3) 마찰진자시스템이 적용됨으로써 구조물-내부 응답스펙트럼이 현저히감소됨을 알 수 있고 이로부터 마찰진자시스템은 원전내부의 설비의 내진 안전성을 향상시키는데 탁월한 역할을 하는 것을 알 수 있다.면진장치가 적용되지 않은 경우에는 2 Hz 이상의 고진동수에 대하여 큰 응답을 보이며 격납구조물의 고유진동수인 약 7 Hz 부근에서 가장 큰 응답을 보였다.
4) 면진장치의 강성을 편향적으로 저하시켜 원전의 질량중심과 면진시스템의 강성중심의 차이인 편심의 증가를 유도하는 방법(CASE 1)을 분석한 결과, 편심이 증가할수록 고유주기와 변위응답이 증가하며 가속도 응답은 감소한다. 그 이유는 편심증가에 따른 면진시스템의 강성의 총합이 감소로 인하여 변위가 증가하고, 편심이 증가할수록 주기가 중가하고 주기의 증가에 의해 가속도의 응답이 감소하는 것으로 판단된다.
5) 면진장치의 강성을 편향적으로 증가시켜 편심을 증가시키는 방법(CASE2)을 분석할 결과로부터 편심이 증가할수록 변위응답이 감소하고 가속도응답은 증가하는 경향을 나타낸다.
6) 면진장치의 강성의 저하·증가를 편향적으로 유도하여 주기가 동일화되는 방법(CASE 3)을 분석한 결과로부터 편심의 증가에 따라 구조물의 고유주기가 동일할 지라도 변위응답과 가속도응답은 감소하는 경향을 나타낸다. 이러한 차이는 등가선형모델을 사용할 경우에는 의미 있는 차이가 나타나지만 이선형 모델을 사용하는 경우에는 편심의 증가에 따른 변위와 가속도 응답의 차이가 크지 않음을 알 수 있다.
등가선형모델의 경우에 편심모델 CASE 1은 편심이 증가할수록 양방향 수평변위가 증가함을 알 수 있다. CASE 2는 편심이 증가할수록 X방향변위(DX)는 약간 감소하지만 Z방향변위(DZ)는 다소 증가하는 특성을 나타내며, CASE 3는 편심이 증가할수록 X방향변위(DX)는 거의 동일하지만 Z방향변위(DZ)는 다소 증가하는 특성을 나타낸다. 이선형모델의 경우가 등가선형모델에 비하여 Z방향변위(DZ)가 크게 발생함을 알 수 있다.
마찰진자시스템은 진자의 성질을 활용하여 고유주기를 임의로 조절할 수 있는 장점이 있는 면진장치다. 특징으로는 상부구조물의 자중을 지지하는 볼 베어링이 일정한 곡률을 지닌 복합형 재료소재의 마찰면에서 진자운동으로 인하여 곡률반경과 중력에 의한 마찰과 고유복원력에 의한 감쇠력을 갖는다는 것이다. 마찰진자시스템은 1985년 EPS (Earth Protection System)에서 처음 개발되었으며, 해외에서는 이에 대하여 활발히 연구되고 있으며 [2-5], 국내에서도 최근에 연구가 활성화되고 있는 상황이다.
특히, 등가선형모델의 경우가 이선형 모델의 경우보다 편심에 의한 변위응답의 증가가 크게 나타난다. 편심모델 CASE 2는 면진장치의 강성의 합이 편심이 증가할수록 커지기 때문에 고유주기와 변위, 전단력이 편심율의 증가에 따라 반대로 감소하는 것을 알 수 있다. 편심모델 CASE 3는 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마찰진자시스템의 장점은?	마찰진자시스템(Friction Pendulum System, FPS)도 전 세계적으로 많이 적용되는 마찰계열 면진장치로서 원전에 대한 적용성을 본 연구를 통하여 검토하고자 한다. 마찰진자시스템은 진자의 성질을 활용하여 고유주기를 임의로 조절할 수 있는 장점이 있는 면진장치다. 특징으로는 상부구조물의 자중을 지지하는 볼 베어링이 일정한 곡률을 지닌 복합형 재료소재의 마찰면에서 진자운동으로 인하여 곡률반경과 중력에 의한 마찰과 고유복원력에 의한 감쇠력을 갖는다는 것이다.
	마찰진자시스템은 어떤 성질을 활용하여 고유주기를 조절하는가?	마찰진자시스템(Friction Pendulum System, FPS)도 전 세계적으로 많이 적용되는 마찰계열 면진장치로서 원전에 대한 적용성을 본 연구를 통하여 검토하고자 한다. 마찰진자시스템은 진자의 성질을 활용하여 고유주기를 임의로 조절할 수 있는 장점이 있는 면진장치다. 특징으로는 상부구조물의 자중을 지지하는 볼 베어링이 일정한 곡률을 지닌 복합형 재료소재의 마찰면에서 진자운동으로 인하여 곡률반경과 중력에 의한 마찰과 고유복원력에 의한 감쇠력을 갖는다는 것이다.
	마찰진자시스템의 특징은?	마찰진자시스템은 진자의 성질을 활용하여 고유주기를 임의로 조절할 수 있는 장점이 있는 면진장치다. 특징으로는 상부구조물의 자중을 지지하는 볼 베어링이 일정한 곡률을 지닌 복합형 재료소재의 마찰면에서 진자운동으로 인하여 곡률반경과 중력에 의한 마찰과 고유복원력에 의한 감쇠력을 갖는다는 것이다. 마찰진자시스템은 1985년 EPS (Earth Protection System)에서 처음 개발되었으며, 해외에서는 이에 대하여 활발히 연구되고 있으며 [2-5], 국내에서도 최근에 연구가 활성화되고 있는 상황이다.

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