[논문]캐비닛내부응답스펙트럼을 위한 전기캐비닛 전도강성

정연하; 홍기증; 조성국

doi:10.5000/eesk.2020.24.2.095

캐비닛내부응답스펙트럼을 위한 전기캐비닛 전도강성
Rocking Stiffness of Electrical Cabinet for In-Cabinet Response Spectrum 원문보기

한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.24 no.2, 2020년, pp.95 - 102

정연하 (국민대학교 건설시스템공학과) , 홍기증 (국민대학교 건설시스템공학과) , 조성국 (이노스기술(주))

Abstract ▼ AI-Helper

Electrical instruments and devices contained in cabinets for controlling nuclear power plants require seismic qualification; likewise, in-cabinet response spectrum (ICRS) is necessary. Gupta et al. (1999) suggested the Ritz method, where rocking, frame bending, and plate bending behaviors of cabinets are considered, as a method for determining ICRS. This research proposes a method to determine the rocking stiffness of cabinets, which represents its rocking behavior. The cabinet is fixed on mounting frames and is connected to the base concrete by anchors. When horizontal excitation is applied to the cabinet, the mounting frames at anchors are locally deformed, the mounting frames are bent, and then rocking in the cabinet becomes evident. A method to determine equivalent vertical spring stiffness representing the local deformation of the mounting frames at anchors is then proposed. Subsequently, the rocking stiffness of this mounting frame is calculated upon assumption of the mounting frame as an indeterminate beam.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

캐비닛을 Ritz방법으로 해석하기 위해서는 캐비닛의 전도(Rocking)거동, 주 프레임의 휨 거동, 측면 철판(steel plate)의 국부변형에 대한 고려가 필요하다. 이들 중 본 연구에서는 캐비닛의 전도거동을 표현하기 위한 전도강성의 계산방법을 개발했다.

가설 설정

3과 같이 모델링하고 유한요소해석으로 변위를 계산한다. 여기서, 탄성계수 E는 210 GPa, 포아송비 v는 0.3으로 가정했다. 앵커 위치에 1,000 N의집중하중 P를 가했을 때의 최대변위를 δ라 하면 각 단면에서 계산된 최대변위는 (a) 50 × 50 × 1.

제안 방법

- 등가회전스프링으로 지지된 상부판 모델로 국부변형 등가수직스프링계수를 구하여 검증했다.
1) 본 연구에서는 장착프레임의 단면이 정사각형 강관인 경우에 대해 앵커연결부의 등가수직스프링계수(k_v)를 계산하기 위한 식을 유도하였다.이를 토대로, 장착프레임이 직사각형 강관인 경우에 대해 본 논문에서 유도한 식을 확장할 수 있다.
1) 앵커연결부의 수직 국부 거동을 표현하는 등가수직스프링계수를 좀 더단순화된 방법으로 구할 수 있는 방법을 제시했다.
2) 세 개의 앵커로 지지된 장착프레임을 2차부정정 보 구조로 취급하여 전도강성(Kθ)을 계산하는 방법을 제시하였고 이를 검증했다.
본 연구에 사용된 캐비닛의 사각형 강관 장착프레임을 쉘(Shell) 요소로 Fig. 3과 같이 모델링하고 유한요소해석으로 변위를 계산한다. 여기서, 탄성계수 E는 210 GPa, 포아송비 v는 0.
앞 절에서 장착프레임의 전도강성을 구하기 위해 3.2절의 “상부판+등가회전스프링” 모델에서 구한 국부변형 등가수직강성(kv )을 사용하였다.
9 N으로 거의 0에 가깝게 계산되며, 다음과 같은 이유로 k_v,C의 오차가 크게 나타나는 것으로 보인다. 앞 절에서, 상당한 앵커수직하중으로 인해 국부변형이 발생하는 조건으로 등가수직스프링계 수를 계산하였다. 반대로, 앵커수직하중이 크지 않아 국부변형이 발생하지 않는 경우에는 등가수직스프링계수로 표현할 수 없는 상당히 다른 거동을 갖게 된다.
여기서, 1, 2차 부정정 해석에 “상부판+등가회전스프링” 모델(3.2절) 해석으로 구한 kv를 사용하여 전도강성(Kθ)을 구하였다.
16와 같이 Shell 요소로 구성된 모델을 만든다. 여기서, 상부판의 3개 앵커연결부 위치는 수직과 수평방향으로 고정하였고, 단부 E의 아랫부분은 수직방향으로 고정하였다.
이 연구에서는, 일반구조용 정사각형 강관으로 구성된 장착프레임이 캐비닛의 기초에 앵커로 연결되어 있을 경우, Ritz방법을 이용하여 캐비닛의 ICRS를생성하는데 필요한 캐비닛 장착프레임의 전도강성을 간편하게 구할 수 있는 방법을 다음과 같이 제안했다.
장착프레임 Shell 모델의 두께(t)는 각각 3.2 mm, 2.3 mm와 1.6 mm로 하고, 장착프레임 길이(LFrame )는 500 mm, 550 mm, ⋯, 1150 mm로 하여 매개변수분석 한다.

이론/모형

등가프레임(Fig. 7의 우측)의 D점과 C점에 모멘트(M)를 가하고 이를 강성법으로 등가회전스프링계수(kθ)를 계산한다.
캐비닛 전기부품의 내진검증을 위해서는 캐비닛내부응답스펙트럼(InCabinet Response Spectrum, ICRS)이 필요하다. 이것을 생성하기 위해 서 Gupta et al. (1999) [3]은 Ritz방법을 적용하였다. 캐비닛을 Ritz방법으로 해석하기 위해서는 캐비닛의 전도(Rocking)거동, 주 프레임의 휨 거동, 측면 철판(steel plate)의 국부변형에 대한 고려가 필요하다.

성능/효과

- Ritz방법으로 ICRS를 구하기 위해 본 연구에서 제시한 단순화된 방법을 사용할 수 있음을 확인하였다.
3) 본 연구에서는 캐비닛이 전도되는 방향과 평행한 장착프레임의 거동을 고려했지만, 전체 장착프레임의 4변에 배치된 앵커를 모두 고려한 경우의 전도강성을 계산할 수 있는 식의 유도가 가능하다.
반면에, 1차부정정 구조해석으로 구한 전도강성(Kθ)는 장착프레임 길이(Lframe)가 짧을수록, 두께(t)가 얇을수록 장착프레임 Shell 해석으로 구한 전도강성과 차이가 크게 나타났다.
이들 그림에서, 2차부정정 구조해석으로 구한 전도강성(Kθ)이 장착프레임 길이(Lframe)나 두께(t)에 상관없이 장착프레임 Shell 해석으로 구한 전도강성과 거의 차이가 없음을 확인했다.
)를 계산하기 위한 식을 유도하였다.이를 토대로, 장착프레임이 직사각형 강관인 경우에 대해 본 논문에서 유도한 식을 확장할 수 있다.
이를 통해 앵커연결부 국부변형 등가수직스프링 계수(kv )를 “상부판+등가회전스프링” 모델로 해석한다면 장착프레임 shell 모델 해석과 근사한 결과를 얻을 수 있음을 확인했다.

후속연구

2) 본 연구에서는 캐비닛의 전도강성을 구하기 위해서 장착프레임을 고정단이 있는 부정정구조로 가정했으나, 경우에 따라 장착프레임이 앵커연결부에서 지지되는 연속보처럼 거동할 수 있으므로, 이를 고려할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기캐비닛이란?	원자력발전소와 같은 중요한 국가기반시설에서 제어장비로 사용되는 전기캐비닛의 경우, 캐비닛 내 전기부품의 내진검증을 수행해야 한다. 우리 나라의 원자력산업분야에서는 이 전기부품들의 내진검증을 위해, IEEE Std 344-2004 [1]를 기반으로 제정된 KEPIC END-2000 (2007) [2]을 적용하고 있다.
	전도거동의 발생 조건은?	본 연구에서 예제로 사용된 캐비닛의 하부에는 장착프레임과 앵커로 캐 비닛과 기초를 고정해 준다. 이 장착프레임에 휨변형이 발생하면 캐비닛에 전도거동이 발생한다. 이때 장착프레임의 앵커연결부에는 국부변형이 발생하고, 이러한 국부변형 효과를 표현하기 위해 적절한 강성표현이 필요하 다.
	캐비닛내부응답스펙트럼(InCabinet Response Spectrum, ICRS)의 해석을 위해서 무엇이 필요한가	(1999) [3]은 Ritz방법을 적용하였다. 캐비닛을 Ritz방법으로 해석하기 위해서는 캐비닛의 전도(Rocking)거동, 주 프레임의 휨 거동, 측면 철판(steel plate)의 국부변형에 대한 고려가 필요하다. 이들 중 본 연구에서는 캐비닛의 전도거동을 표현하기 위한 전도강성의 계산방법을 개발했다.

참고문헌 (6)

IEEE Std 344-2004. IEEE Recommended Practice for Seismic Qualification of Class 1E Equipment for Nuclear Power Generating Stations. The Institute of electrical and electronics Engineers. Inc., New York. c2005.
KEPIC END-2000. Recommended Practice for Seismic Qualification of Class 1E Equipment for Nuclear Power Generating Stations. Korea Electric Power Industry Code. Korea Electric Association. c2007.
Gupta A, Rustogi SK, Gupta AK. Ritz Vector Approach for Evaluating Incabinet Response Spectra. Nuclear Engineering and Design. 1999 Mar;190(2):255-272.

상세보기
Kim KH, Hong KJ, Cho SG, Park WK. Formulation and Verification on Ritz Method for In-Cabinet Response Spectrum. EESK J Earthquake. 2019 Sep;23(5):279-288.
KS D 3568. Carbon Steel Square Pipes for General Structural Purposes. c2018.
Yang, JR, Gupta A. Rocking Stiffness of Mounting Arrangements in Electrical Cabinets And Control Panels. Nuclear Engineering and Design. 2002 Jul;219:127-141.

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