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지진하중 조건의 비선형 유한요소해석에서 반복경화 거동 고려를 위한 Bi-linear 응력-변형률 곡선
Bi-linear Stress-Strain Curves for Considering Cyclic Hardening Behavior of Materials in the Nonlinear FE Analysis under Seismic Loading Conditions 원문보기

한국압력기기공학회 논문집 = Transactions of the Korean Society of Pressure Vessels and Piping, v.14 no.2, 2018년, pp.59 - 68  

정현준 (조선대학교 원자력공학과) ,  김진원 (조선대학교 원자력공학과) ,  김종성 (세종대학교 원자력공학과) ,  구경회 (한국원자력연구원)

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This study compares true stress-true strain curves obtained by tensile tests of various piping materials with bi-linear stress-strain approximation suggested in the JSME Code Case(CC) Draft, a guideline for piping seismic inelastic response analysis. Based on the comparisons, the reliability of the ...

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문제 정의

  • 따라서, 본 논문에서는 JSME CC 초안에 제시된 각 재료의 Bi-linear 응력-변형률 곡선식을 국내 원전에 사용되고 있는 탄소강, 저합금강(LAS, Low-alloy Steel), 그리고 오스테나이트계 스테인리스강 배관재의 인장시험 데이터와 비교함으로써, JSME CC 초안에 제시된 각 재료의 Bi-linear 응력-변형률 곡선식에 대한 적용 신뢰성을 확인하였다. 추가적으로 탄소강과 저합금강 배관재에 대해서는 개선된 Bi-linear 응력-변형률 곡선식을 제시하였다.
  • JSME CC 초안은 TP347 스테인리스강과 주조 스테인리스강 배관재에 대한 별도의 Bi-linear 응력-변형률 곡선식을 제시하지 않고 있다. 따라서, 여기서는 JSME CC 초안에 제시된 TP316 및 TP304 스테인리스강의 Cy와 CE를 적용하여 SA312 TP347 스테인리스강과 주조 스테인리스강 배관재에 대한 Bi-linear 응력-변형률 곡선을 결정할 수 있는지 살펴보았다. 즉, SA312 TP347 스테인리스강과 CF8A 주조 스테인리스강 배관재에 대한 설계코드(12)의 항복강도와 영률에 TP316과 TP304 스테인리스강의 Cy와 CE를 적용하여 Bi-linear 응력-변형률 곡선을 결정하고, SA312 TP347 스테인리스강과 CF8A 주조 스테인리스강 배관재의 진응력-진변형률 곡선과 비교하였다.
  • 본 논문에서는 JSME CC 초안에 제시된 각 재료별 Bi-linear 응력-변형률 곡선식의 적용 신뢰성을 확인하기 위해서, 각 재료 별로 JSME CC 초안에 따라 결정된 Bi-linear 응력-변형률 곡선과 인장시험에서 주어진 진응력-진변형률 곡선을 비교하였다. 추가적으로 탄소강과 저합금강 배관재에 대해서는 재선된 Bi-linear 응력-변형률 곡선 결정식을 제시하였다.
  • 저합금강 배관재에 대해서는 JSME CC 초안이 Bi-linear 응력-변형률 곡선식을 제시하지 않고 있다. 여기서는 JSME CC 초안에 제시된 탄소강 배관재의 Cy와 CE를 적용하여 저합금강 배관재의 Bi-linear 응력-변형률 곡선을 구할 수 있는지 살펴보았다. 즉,SA508 Gr.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
설계기준초과지진 조건에서 고려되어야 할 사항은 무엇인가? (1-3) 기존의 설계기준지진 조건에서는 원전 기기와 설비가 탄성거동을 갖도록 설계되며, 선형 탄성해석과 응력기반의 허용기준을 적용하여 구조건전성을 평가한다.(4) 그러나, 설계기준초과지진 조건에서는 큰 진폭의 반복하중이 작용되므로 구조건전성 평가시 기기와 설비의 비선형 거동이 고려되어야 한다.(5-8) 즉, 재료의 반복 변형거동이 반영된 동적 탄소성 해석이 수행되어야 하며, 반복 변형거동을 고려하기 위한 적절한 경화 모델의 적용은 해석 결과의 신뢰성에 크게 영향을 미친다.
탄소성 유한요소해석에서 재료의 반복 변형 거동을 고려하기 위한 경화 모델은 어떠한 것들이 있는가? 일반적으로 탄소성 유한요소해석에서 재료의 반복 변형 거동을 고려하기 위한 경화 모델로는 등방경화, 이동경화, 그리고 복합경화 모델이 적용된다.(9) 기존 연구에 의하면 이들 모델 중 Chaboche 모델(10)에 기초한 복합경화 모델이 재료의 반복 응력-변형률 시험 결과를 가장 잘 예측하며, 지진하중 조건의 배관 거동에 대해서는 이동경화 모델과 복합경화 모델이 거의 유사한 예측 결과를 보이는 것으로 알려져 있다.
Chaboche 모델에 기초한 경화 모델 문제점을 보완하기 위한 대책에는 어떠한 것이 있는가? 그러나, Chaboche 모델에 기초한 경화 모델을 적용하는 경우에는 재료 상수 결정에 따른 오차가 큰 것으로 알려져 있다.(9) 따라서, 배관의 비선형 지진응답해석을 위해 개발 중인 일본의 JSME Code Case(CC) 초안(11) 에서는 배관 계통에 대한 비선형 지진해석시 반복경화 모델로 Bi-linear 응력-변형률 곡선에 기초한 이동경화 모델의 적용을 권장하고 있다. 또한, 원전 배관에 사용되는 탄소강(CS, Carbon Steel)과 TP316 및 TP304 스테인리스강(SS, Stainless Steel)에 대해서는 설계코드(12)의 재료 물성에 기초한 Bi-linear 응력-변형률 곡선 결정식을 제시하고 있다.
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참고문헌 (16)

  1. Saji, G., 2014, "Safety goals for seismic and tsunami risks: Lessons learned from the Fukushima Daiichi disaster," Nucl. Eng. Des., Vol.280, pp.449-463. 

  2. Stevenson, J.D., 2014, "Summary of the historical development of seismic design of nuclear power plants in Japan and the U.S.," Nucl. Eng. Des., Vol.269, pp.160-164. 

  3. IAEA, 2016, "Consideration of the application of the IAEA safety requirements for the design of nuclear power plants," International Atomic Energy Agency, Vienna, IAEA TECDOC-1791. 

  4. ASME BPVC Sec. III Div.1 Sub. NB, 2007, "Rules for Construction of Nuclear Facility Components," American Society of Mechanical Engineers, NY. 

  5. Donavin, P.R., 2016, "Technical Basis for Proposed ASME Section XI Code Case on Beyond Design Bases Earthquake," Proc. of ASME 2016 PVP Conference, Vancouver, BC, July 17-21, PVP2016-63827. 

  6. Nakamura, I. and Kasahara, N., 2015, "Excitation tests on elbow pipe specimens to investigate failure behavior under excessive seismic loads," Proc. of ASME 2015 PVP Conference, Boston, MA, July 19-23, PVP2015-45711. 

  7. OECD/NEA, 2015, "Interim Report on Metallic Components Margins under High Seismic Loads," Nuclear Energy Agency, Paris, NEA/CSNI/R(2015)8. 

  8. Paul, S. K. Sivaprasad, S., Dhar, S., and Tarafder, S., 2011, "Key issues in cyclic plastic deformation: Experimentation," Mech. of Mater., Vol.43, pp.705-720. 

  9. Jeon, D. S., Kang, J. Y., Huh, N. S., Kim, J. S., and Kim, Y. J., 2017, "Effects of Hardening Models on Cyclic Deformation Behavior of Tensile Specimen and Nuclear Piping System," Trans. of the KPVP, Vol.13, No.2, pp.67-74. 

  10. Chaboche, J. L., Dnag Van, K., and Gordier, G., 1979, "Modelization of the Strain Memory Effect on the Cyclic Hardening of 316 Stainless Steel," Proc. of 5th Int. Conference on SMiRT, Div.L, Berlin, Germany. 

  11. Otani, A., Shibutani, T., Morishita, M, Nakamura, I., Watanabe, T., and Shiratori, M., 2017, "Seismic Qualification of Piping System by Detailed Inelastic Response Analysis Part 2. A Guideline for Piping Seismic Inelastic Response Anslysis," Proc. of ASME 2017 PVP Conference, Wailkoloa, HW, July 16-20, PVP2017-65190. 

  12. ASME BPVC Sec. II Part D, 2010, "Properties Materials," American Society of Mechanical Engineers, NY. 

  13. Morishita, M, Otani, A., Watanabe, T., Nakamura, I., Shibutani, T., and Shiratori, M., 2017, "Seismic Qualification of Piping System by Detailed Inelastic Response Analysis Part 1. A Code Case for Piping Sesimic Evaluation Based on Detailed Inelastic Response Analysis," Proc. of ASME 2017 PVP Conference, Wailkoloa, HW, July 16-20, PVP2017-65166. 

  14. Nara, K., Nakamura, K., Yasunami, H., Kawabata, F., and Shiwaku, T., 2004, "Statistic investigation for thickness and strength of structural steel plate used for bridge," J. of Jap. Soc. Civ. Eng., No.752/I-66, pp.299-310 (in Japanese). 

  15. JSME, 2015, "Code for nuclear power generation facilities: rules on design and construction for nuclear power plants", Japanese Society of Mechanical Engineers, JSME SNC1-2015(in Japanese). 

  16. Nakamura, I., Otani, A., Morishita, M, Shiratori, M., Watanabe, T., and Shibutani, T., 2017, "Seismic Qualification of Piping System by Detailed Inelastic Response Analysis Part 3 - Variation in Elastic-Plastic Analysis Results on Carbon Steel Pipes from the Benchmark Analyses and the Parametric Analysis," Proc. of ASME 2017 PVP Conference, Wailkoloa, HW, July 16-20, PVP2017-65316. 

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