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문제 정의
- 이 기존연구의 초점은 등가선형모델의 정확성이 이선형모델에 비하여 어느 정도인지를 분석하는 것이었다. 본 연구는 이선형 모델과 Bouc-Wen 모델의 비교에 의한 면진 원전의 지진응답의 평가가 주된 연구초점이다. 납-고무 받침에 의한 지진응답의 저감을 나타내는면진효과를 분석하기 위하여 면진되지 않은 원전구조물과 면진된 원전구조물의 지진응답을 비교하였다.
제안 방법
- Fig. 7에 나타낸 Geomatrix 분류법을 이용한 각 Site별 지진과 RG 1.60의 30개 인공지진을 이용하여 Fig. 1에 나타낸 면진 원전구조물의 응답이력해석을 수행하였다. 납-고무 받침은 Bouc-Wen 모델과 이선형모델로 구분하여 해석을 수행하여 납-고무 받침의 최대변위를 비교하여 Fig.
- OpenSEES[12]에서 Elastomeric Bearing 명령어를 이용하여 납-고무 받침을 모델링하였다. 가로‧세로의 길이가 40 m인 상부매트와 하부매트의 사이에 8 m 간격으로 25개의 면진장치(붉은 점으로 표시된 것이 면진장치)를 균일하게 배치하기 위해 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 정사각형 형태로 면진장치를 배치하였다. 납-고무 받침의 일반적인 형상은 Fig.
- 본 연구는 이선형 모델과 Bouc-Wen 모델의 비교에 의한 면진 원전의 지진응답의 평가가 주된 연구초점이다. 납-고무 받침에 의한 지진응답의 저감을 나타내는면진효과를 분석하기 위하여 면진되지 않은 원전구조물과 면진된 원전구조물의 지진응답을 비교하였다. 지진응답으로는 면진장치의 최대변위, 격납구조물의 높이별 변위응답, 전단력, 가속도 응답을 비교하였으며, 원전 내부구조물의 가속도 응답 증폭정도 평가를 위하여는 격납구조물 최상층부에 대한 층응답스펙트럼을 구하여 평가하였다.
- 또한 지진의 특성에 따른 면진원전의 지진응답을 비교하기 위하여 입력지진으로는 지반의 종류가 다른 5개 그룹의 가속도기록 222개 사용하였다. 또한 원전표준스펙트럼에 대응되는 30개의 인공지진도 사용하여 지진응답을 비교하였다. 지반의 종류에 따른 지진을 사용하여 납-고무 받침을 등가선형모델과 이선형모델로 모델링하여 지진응답과 지진취약도를 비교한 기존의 연구[9, 10]가 있다.
- 지진에 의해 유발되는 대부분의 비탄성응답은 면진 장치가 부담하고 상부 구조물은 탄성거동만 하게 되므로 격납구조물과 내부구조물은 탄성요소로 모델링하였다. 면진된 원전 구조물의 고유주기가 약 2초가 되도록 납-고무 받침을 설계하여 적용하였다.
- 본 연구에서 납-고무 받침의 모델링에 많이 사용되는 이선형 모델과 실제적인 완만한 이력거동의 표현에 적합한 Bouc-Wen 모델의 의한 지진응답의 비교를 통하여 모델링 방법에 따른 지진응답의 차이를 비교하여 분석하였다. 또한 지진의 특성에 따른 면진원전의 지진응답을 비교하기 위하여 입력지진으로는 지반의 종류가 다른 5개 그룹의 가속도기록 222개 사용하였다.
- Bouc-Wen 모델을 이용한 완만한 곡선형태의 이력거동을 기반으로 비탄성 응답스펙트럼[6], 강도감소계수[7], 비탄성 변위비[8] 등에 대한 연구가 수행되어 왔다. 이러한 연구는 이선형 모델에 비하여 완만한 곡선형 이력거동을 나타내는 Bouc-Wen 모델이 실제적인 구조부재나 구조시스템의 응답을 보다 정확하게 표현할 수 있다는 연구배경으로부터 연구가 수행되었으며 이선형 모델과의 차이점도 비교하였다. 이러한 연구는 단자유도계 응답에 대한 연구로서 내진설계방법의 기본 자료로 활용될 수 있다.
- 이선형 모델과 Bouc-Wen 모델에 의해 모델링된 납-고무 받침에 의해 면진된 원전구조물의 다양한 지반조건에서 계측된 지진하중들과 원전표준설계스펙트럼에 대응하는 인공지진에 대하여 응답이력해석을 수행하고 이를 면진이 적용되지 않은 경우와 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 납-고무 받침에 의한 지진응답의 저감을 나타내는면진효과를 분석하기 위하여 면진되지 않은 원전구조물과 면진된 원전구조물의 지진응답을 비교하였다. 지진응답으로는 면진장치의 최대변위, 격납구조물의 높이별 변위응답, 전단력, 가속도 응답을 비교하였으며, 원전 내부구조물의 가속도 응답 증폭정도 평가를 위하여는 격납구조물 최상층부에 대한 층응답스펙트럼을 구하여 평가하였다. 이러한 평가로부터 설계된 납-고무 받침의 면진효과를 분석하였으며, 면진장치에 의해 격납구조물의 상대변위, 전단력과 가속도 응답을 현저히 감소시킴을 확인하였다.
대상 데이터
- 실제지진은 Geomatrix 지반분류에 의한 5가지 지반 등급 A, B, C, D, E의 지진[9], [10], [16]을 사용했으며, A가 단단한 지반이며 E로 갈수록 연약한 지반을 나타낸다. Site A, B, C, D 각각 50 개씩과 Site E는 22개 로 지진의 개수는 총 222개를 사용하였다. 실제지진과 인공지진의 응답스펙트럼을 작성하여 Fig.
- 본 연구에서 납-고무 받침의 모델링에 많이 사용되는 이선형 모델과 실제적인 완만한 이력거동의 표현에 적합한 Bouc-Wen 모델의 의한 지진응답의 비교를 통하여 모델링 방법에 따른 지진응답의 차이를 비교하여 분석하였다. 또한 지진의 특성에 따른 면진원전의 지진응답을 비교하기 위하여 입력지진으로는 지반의 종류가 다른 5개 그룹의 가속도기록 222개 사용하였다. 또한 원전표준스펙트럼에 대응되는 30개의 인공지진도 사용하여 지진응답을 비교하였다.
- 5 g의 인공지진 30개를 이용하였다. 실제지진은 Geomatrix 지반분류에 의한 5가지 지반 등급 A, B, C, D, E의 지진[9], [10], [16]을 사용했으며, A가 단단한 지반이며 E로 갈수록 연약한 지반을 나타낸다. Site A, B, C, D 각각 50 개씩과 Site E는 22개 로 지진의 개수는 총 222개를 사용하였다.
- 입력지진은 원전의 표준설계스펙트럼에 대응하는 인공지진과 5가지 지반의 종류에 따른 실제지진을 사용하였다. 인공지진은 한국원자력연구원에서 면진원전 성능검증 기준을 검토하기 위해 RspMatch 프로그램[14]을 이용하여 RG 1.
- 해석에 사용한 원전 구조물의 모델은 Fig. 1에 나타낸 바와 같이SASSI-2000[11]의 예제 구조물을 사용하였으며, 상부 구조물은 Fig. 1의 오른쪽 그림과 같이 격납구조물과 내부 구조물로 구분하여 모델링하였으며, 격납 구조물의 높이는 63.274 m, 내부 구조물의 높이는 28.346 m, 하부매트는 6.696 m이다. 지진에 의해 유발되는 대부분의 비탄성응답은 면진 장치가 부담하고 상부 구조물은 탄성거동만 하게 되므로 격납구조물과 내부구조물은 탄성요소로 모델링하였다.
이론/모형
- OpenSEES[12]에서 Elastomeric Bearing 명령어를 이용하여 납-고무 받침을 모델링하였다. 가로‧세로의 길이가 40 m인 상부매트와 하부매트의 사이에 8 m 간격으로 25개의 면진장치(붉은 점으로 표시된 것이 면진장치)를 균일하게 배치하기 위해 Fig.
- 10에 비교하여 나타내었다. 납-고무 받침은 Bouc-Wen 모델과 이선형 모델을 적용한 경우로 구분하여 비교하였으며 입력지진으로는 Fig. 7에 나타낸 각 Site 별 지진과 RG 1.60 스펙트럼에 대응하는 인공지진을 사용하였다. 면진이 적용된 경우에 대부분의 변위응답은 면진장치에서 발생하고 격납구조물의 하층과 상층의 변위응답 차이인 상대변위는 면진이 적용되지 않은 경우에 비하여 현저하게 작아지는 것을 알 수 있다.
- 입력지진은 원전의 표준설계스펙트럼에 대응하는 인공지진과 5가지 지반의 종류에 따른 실제지진을 사용하였다. 인공지진은 한국원자력연구원에서 면진원전 성능검증 기준을 검토하기 위해 RspMatch 프로그램[14]을 이용하여 RG 1.60 설계응답스펙트럼[15]에 부합된 ZPA 0.5 g의 인공지진 30개를 이용하였다. 실제지진은 Geomatrix 지반분류에 의한 5가지 지반 등급 A, B, C, D, E의 지진[9], [10], [16]을 사용했으며, A가 단단한 지반이며 E로 갈수록 연약한 지반을 나타낸다.
성능/효과
- 7 Hz 부근이 격납구조물의 고유진동수로서 면진장치가 설치되지 않은 경우에 최대치를 나타내는 경향을 보인다. 1 Hz 이상의 층응답스펙트럼은 면진장치를 설치한 경우에 현저하게 줄어드는 경향을 나타내고 있어서 면진효과가 확인되고 있으며 원전구조물의 내부설비들은 대부분은 기계시설로 5 Hz 이상의 고진동수를 가지는 것이 일반적이므로 면진에 의한 층응답스펙트럼의 감소로 인한 설비의 안전성이 확보됨을 확인 할 수 있다. 0.
- 1) 이선형모델과 Bouc-Wen 모델에 의한 면진장치의 최대변위응답의 비교로부터, Bouc-Wen 모델에 의한 면진장치의 최대변위응답이 이선형 모델에 의한 최대변위응답보다 전반적으로 크게 평가하고 있음을 알 수 있다. 두 모델에 의한 변위응답 차이를 불일치율로 나타낼 때, Site 별 가속도 불일치율은 Site C에서 가장 크게 나타나며, 약 최소 –16% ~ 최대 56%, 인공지진에서는 약 최소 0.
- 2) 면진장치의 적용은 단단한 지반의 지진일수록 연약한 지반의 지진에 비하여 격납구조물의 상대변위를 저감시키는 면진효과가 보다 우수하게 나타난다.
- 3) 단단한 지반의 지진일수록 면진장치의 적용에 의해 격납구조물에 작용하는 전단력 및 가속도 응답을 연약한 지반의 지진에 비하여 더 크게 감소시킬 수 있음을 알 수 있다. 이는 원전구조물이 건설되는 부지가 단단한 지반일수록 면진에 의한 지진하중의 저감 효과가 크다는 것을 의미한다.
- 4) 면진원전 격납건물 상층부에서 층응답스펙트럼은 면진장치의 고유진동수인 0.5 Hz와 0.9 Hz부근에서는 두 개의 최대치가 나타나며, 지반이 연약할수록 즉Site A에서 E로 갈수록 0.9 Hz 보다는 0.5 Hz에서 최대치가 발생하는 경향을 나타낸다. 이는 지반조건이 연약할수록 장주기 성분이 많기 때문에 면진에 대한 고유진동수 중에서 저진동수의 응답이 크게 나타나기 때문이다.
- 5) 납-고무 받침의 모델링에 사용한 이선형 모델과 Bouc-Wen 모델에 의한 모델기법에 의한 지진응답의 영향은 설계에 영향을 줄 정도로 큰 차이를 나타내지는 않는다. 그러나 면진장치의 설계 시에 Bouc-Wen 모델이 면진장치의 변위응답을 이선형모델 보다는 크게 평가하는 경향이 있음을 반영하여 설계하여야 할 것이다.
- 두 모델에 의한 변위응답 차이를 불일치율로 나타낼 때, Site 별 가속도 불일치율은 Site C에서 가장 크게 나타나며, 약 최소 –16% ~ 최대 56%, 인공지진에서는 약 최소 0.5% ~ 최대 4% 정도 차이를 보이는 것을 알 수 있다.
- 최대변위 결과가 그림의 대각선에 가까울수록 Bouc-Wen 모델과 이선형 모델이 잘 일치함을 나타낸다. 두 지진 모두 대각선에 가깝게 나타나는 것을 알 수 있으며 Bouc-Wen 모델에 의한 면진장치의 최대변위응답이 이선형 모델에 의한 최대변위응답보다 약간 크게 평가하고 있음을 알 수 있다.
- 이러한 평가로부터 설계된 납-고무 받침의 면진효과를 분석하였으며, 면진장치에 의해 격납구조물의 상대변위, 전단력과 가속도 응답을 현저히 감소시킴을 확인하였다. 또한, 단단한 지반에서 계측된 지진보다 연약한 지반의 지진에 대해 면진에 의한 지진응답 저감효과가 감소함을 알 수 있었다. 이는 면진장치의 지진운동저감효과는 원전구조물의 지반조건이 단단할수록 효과적임을 나타낸다.
- 12에 비교하여 나타내었다. 면진장치의 적용에 의한 격납구조물의 하층부에서 전단력 감소율(Rs)은 Site A에서 Site E까지 각각 93%, 92%, 88%,84%, 81%의 전단력 감소율이 나타났다. 단단한 지반의 지진일수록 면진 장치의 적용에 의해 격납구조물에 작용하는 전단력을 연약한 지반의 지진에 비하여 더 크게 감소시킬 수 있음을 알 수 있다.
- 지진응답으로는 면진장치의 최대변위, 격납구조물의 높이별 변위응답, 전단력, 가속도 응답을 비교하였으며, 원전 내부구조물의 가속도 응답 증폭정도 평가를 위하여는 격납구조물 최상층부에 대한 층응답스펙트럼을 구하여 평가하였다. 이러한 평가로부터 설계된 납-고무 받침의 면진효과를 분석하였으며, 면진장치에 의해 격납구조물의 상대변위, 전단력과 가속도 응답을 현저히 감소시킴을 확인하였다. 또한, 단단한 지반에서 계측된 지진보다 연약한 지반의 지진에 대해 면진에 의한 지진응답 저감효과가 감소함을 알 수 있었다.
- 8의 가로축은 이선형 모델에 의한 최대변위를 나타내며, 세로축은 Bouc-Wen 모델에 의한 최대변위를 나타낸다. 최대변위 결과가 그림의 대각선에 가까울수록 Bouc-Wen 모델과 이선형 모델이 잘 일치함을 나타낸다. 두 지진 모두 대각선에 가깝게 나타나는 것을 알 수 있으며 Bouc-Wen 모델에 의한 면진장치의 최대변위응답이 이선형 모델에 의한 최대변위응답보다 약간 크게 평가하고 있음을 알 수 있다.
후속연구
- 이러한 연구는 이선형 모델에 비하여 완만한 곡선형 이력거동을 나타내는 Bouc-Wen 모델이 실제적인 구조부재나 구조시스템의 응답을 보다 정확하게 표현할 수 있다는 연구배경으로부터 연구가 수행되었으며 이선형 모델과의 차이점도 비교하였다. 이러한 연구는 단자유도계 응답에 대한 연구로서 내진설계방법의 기본 자료로 활용될 수 있다. Bouc-Wen 모델은 몇 가지 변수를 사용하여 다양한 형태의 이력거동을 나타낼 수 있는 특징이 있으므로 실제적인 납-고무 받침의 비탄성 이력거동을 나타내기에 적절하다.
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