Structural Design Requirements and Safety Evaluation Criteria of the Spent Nuclear Fuel Disposal Canister for Deep Geological Deposition

Young-Joo Kwon,Jong-Won Choi 한국방사성폐기물학회 2007 방사성폐기물학회지 Vol.5 No.3

본 논문에서는 고준위폐기물 처분용기를 지하 심지층에 처분하기 위하여 요구되는 구조설계 요구조건과 구조안전성 평가 기준을 도출하였다. 고준위폐기물은 높은 열과 많은 방사능을 방출하기 때문에 고준위폐기물을 넣어 보관하는 처분용기는 그 취급에 많은 주의가 요구된다. 이를 위하여 고준위폐기물 처분용기는 장기간(보통 10,000년 동안) 안전한 장소에 보관되어야 한다. 보통 이 보관 장소는 지하 500m에 위치한다. 지하 깊은 화강암에 고준위폐기물을 보관하도록 설계되는 처분용기는 내부주철삽입물과 이를 감싸고 있는 부식에 강한 와곽쉘, 위 덮개와 아래 덮개로 구성되는 구조로 되어 있으며 지하수압과 벤토나이트 버퍼의 팽윤압을 받는다. 따라서 고준위폐기물 처분용기는 심지층에 보관 시 이들 외력들을 견디도록 설계되어야 한다. 만약에 발생 가능한 모든 하중조합을 고려한 처분용기 설계가 되지 않으면 심지층에 위험한 고준위폐기물 처분 시에 처분용기에 소성변형이나 크랙 또 좌굴같은 구조적 결함이 발생할 수 있다. 따라서 심지층에 처분용기를 처분 시에 처분용기에 발생하는 구조적 문제들이 발생하지 않게 하기 위하여 여러 가지 구조해석이 수행되어야 한다. 이러한 구조해석 수행에 앞서 처분용기 설계 타당성을 평가하기 위한 기준이 필요하다. 또한 평가기준에 영향을 미치는 설계요구조건(설계변수)이 명확히 검토되어야 한다. 따라서 본 논문에서는 처분용기의 구조설계 요구조건(설계변수)과 구조 안전성 평가기준을 도출하고자 한다. In this paper, structural design requirements and safety evaluation criteria of the spent nuclear fuel disposal canister are studied for deep geological deposition. Since the spent nuclear fuel disposal canister emits high temperature heats and much radiation, its careful treatment is required. For that, a long term(usually 10,000 years) safe repository for the spent nuclear fuel disposal canister should be secured. Usually this repository is expected to locate at a depth of 500m underground. The canister which is designed for the spent nuclear fuel disposal in a deep repository in the crystalline bedrock is a solid structure with cast iron insert, corrosion resistant overpack and lid and bottom, and entails an evenly distributed load of hydrostatic pressure from underground water and high pressure from swelling of bentonite buffer. Hence, the canister must be designed to withstand these high pressure loads. If the canister is not designed for all possible external loads combinations, structural defects such as plastic deformations, cracks, and buckling etc. may occur in the canister during depositing it in the deep repository. Therefore, various structural analyses must be performed to predict these structural problems like plastic deformations, cracks, and buckling. Structural safety evaluation criteria of the canister are studied and defined for the validity of the canister design prior to the structural analysis of the canister. And structural design requirements(variables) which affect the structural safety evaluation criteria should be discussed and defined clearly. Hence this paper presents the structural design requirements(variables) and safety evaluation criteria of the spent nuclear fuel disposal canister.

시스템 다이내믹스 기반 해양구조물 분리시스템의 설계검증 방법에 관한 연구

황존규,고재용,이동건,박본영 해양환경안전학회 2020 海洋環境安全學會誌 Vol.26 No.6

본 연구는 시스템 다이내믹스를 기반으로 해양구조물 분리시스템(Separation system)의 설계검증 방법을 제안하였다. 해양구조물 분리시스템은 부가가치 측면에서 EPC 프로젝트의 성공 여부를 결정할 수 있는 상부구조(Topsides)의 가장 중요한 시스템 중 하나이다. 그럼에도 불구하고, 설계검증에 대한 지금까지의 실태는 설계 작업의 프로세스 진행이나 도면작성 및 제공에 국한되어 있어 기본설계 단계에서 설계검증의 미흡으로 인하여 계약 후 잦은 설계변경에 의한 기업손실이 발생되어 왔다. 이러한 맥락에서 본 연구의 목적은 해양구조물의 전체 프로젝트 수행 기간에 성공적인 사업수행을 도모하고자 설계검증 모델을 구축하여 적용하도록 하였다. 제안된 설계검증 방법은 상세설계의 효과적인 실행뿐만 아니라 초기설계 단계에서 기술적 오류나 불일치 사항을 미리 찾아냄으로써 해양구조물의 엔지니어링, 조달 및 건조에 대한 경쟁력을 향상시키는데 기여 할 것으로 예상한다. 본 연구에서는 먼저 건조한 실적선 자료를 바탕으로 설계검증을 수행하여 FPSO 분리시스템에 적용하고 ISO 15288 국제 표준을 준수하였다. 결과적으로, 제안된 설계검증 방법이 해양구조물의 FEED 검증 프로세스에 적용될 수 있으며, 향후 해양 프로젝트의 성공적인 수행에 의한 이익창출을 도모할 수 있을 것이다. 또한, 해양구조물 건조 시 설계변경에 의한 막대한 손실을 최소화 할 수 있을 것으로 기대한다. This paper proposes a design verification method based on system dynamics for offshore separation systems. Oil and gas separation systems are key components of offshore oil platforms; these systems determine the competitiveness of engineering, procurement, and construction (EPC) projects, especially in terms of added value. However, previous research on design verification has been limited to the process and deliverables of design. To address this, the study aims to develop a comprehensive design verification method and the associated functions from the perspective of project management, for the entire project life-cycle of offshore structures. The proposed methodology for design verification is expected to contribute toward effective and detailed designs as well as improve the competitiveness of EPC companies in constructing offshore structures during the early design stages. We first analyzed the separation system of the FPSO using the design verification method adopted by advanced countries and compared it with the system dynamics process formalized as ISO 15288. Subsequently, a tailored process for the design verification of the offshore structure was derived. It is shown that the proposed design verification method can be applied to the front-end engineering design process of offshore structures. Moreover, it can contribute toward the successful performance of offshore projects in the future and also minimize design changes and critical risks during the construction of these offshore structures.

환경하중을 고려한 Jack-up rig의 내하력 설계 기준에 대한 연구

Joo Shin Park,Yeon Chul Ha,Jung Kwan Seo 해양환경안전학회 2020 海洋環境安全學會誌 Vol.26 No.1

잭업 드릴링 리그 (Jack-up drilling rigs)는 해양자원개발 분야 중 석유 및 가스 탐사 산업에서 널리 사용되는 대표적인 해양구조 물이다. 이러한 잭업 구조물은 대체로 얕은 수심에서 사용하도록 설계되었지만 에너지 산업의 추세로 대수심 및 가혹한 환경 조건에서도 사용이 가능한 설계가 요구되고 있다. 이러한 잭업구조물의 운영환경 확장에 따라서 과도한 설계를 최소화하고 신뢰성 반영된 설계법이 요구되었다. 기존의 해양구조물 산업에서 잭업 구조물의 설계법은 사용(혹은 허용)응력 설계 (WSD: Working (or Allowable) Stress Design) 방법을 사용하여 설계가 되고 있었다. 이러한 설치환경변화에 따라서 충분한 신뢰성을 확보가 가능한 하중 및 저항계수 (LRFD: Load and Resistance Factored Design) 방법을 최근 개발되었고 규정화가 되었다. LRFD 방법은 통계적 기반으로 한 한계상태설계 개념으로 잭업구조 물의 구성구조부재의 하중과 전산수치해석을 이용한 강도의 불확성을 하중 및 저항 계수로 표현하는 설계법이다. 개발된 LRFD 방법은 실제 잭업구조물 설계의 적합성 판단을 위하여 기존의 WSD 방법과의 정량적인 비교 분석이 반드시 필요하다. 따라서 본 연구는 기존의 WSD와 LRFD 방법으로 이용하여 실 잭업 구조물의 레그 구조를 대상으로 상용유한요소해석코드를 이용하여 정량적인 UC (Unity Check) 값을 기반으로 비교 분석하였다. 분석된 결과로 다양한 환경하중조건 하에서 LRFD 방법을 사용하여 잭업구조물의 레그(Leg) 설계에서 상 당히 합리적인 UC 값을 가지고 기존 대표적인 WSD기법 중에 하나인 API-RP 코드 대비 약 31 % 차이가 분석되었다. 따라서 LRFD 설계 방법이 WSD 방법에 비해 구조 최적화 및 합리적인 설계에 더 유리하다는 것을 확인할 수 있었다. Jack-up drilling rigs are widely used in the offshore oil and gas exploration industry. Although originally designed for use in shallow waters, trends in the energy industry have led to a growing demand for their use in deep sea and harsh environmental conditions. To extend the operating range of jack-up units, their design must be based on reliable analysis while eliminating excessive conservatism. In current industrial practice, jack-up drilling rigs are designed using the working(or allowable) stress design (WSD) method. Recently, classifications have been developed for specific regulations based on the load and resistance factor design (LRFD) method, which emphasises the reliability of the methods. This statistical method utilises the concept of limit state design and uses factored loads and resistance factors to account for uncertainly in the loads and computed strength of the leg components in a jack-up drilling rig. The key differences between the LRFD method and the WSD method must be identified to enable appropriate use of the LRFD method for designing jack-up rigs. Therefore, the aim of this study is to compare and quantitatively investigate the differences between actual jack-up lattice leg structures, which are designed by the WSD and LRFD methods, and subject to different environmental load-to-dead-load ratios, thereby delineating the load-to-capacity ratios of rigs designed using theses methods under these different enviromental conditions. The comparative results are significantly advantageous in the leg design of jack-up rigs, and determine that the jack-up rigs designed using the WSD and LRFD methods with UC values differ by approximately 31 % with respect to the API-RP code basis. It can be observed that the LRFD design method is more advantageous to structure optimization compared to the WSD method.

허용응력설계법 및 하중저항계수설계법에 의한 고정식 해양구조물 설계결과 비교

정배근,조두용 한국구조물진단유지관리공학회 2023 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.27 No.2

When designing fixed jacket structures, overseas design standards are applied due to the absence of domestic design methods. Althoughthe US API standards are mainly applied, API RP 2A suggests two design methods: the allowable stress design method (WSD) and the load resistancecoefficient method (LRFD), and is applied according to the designer's judgment. In this study, the stress ratio of the two design methods was reviewedand compared using SACS, an analysis program dedicated to marine structures, for fixed marine structures actually installed on the domestic coast. As a result of the review, it was found that the LRFD design method showed a greater stress ratio for extreme load analysis and transportation analysis,and the WSD design method showed a greater stress ratio for loading and lifting. Therefore, when applying the design method, it is consideredappropriate to select the final design method considering safety and economic feasibility after conducting an applicability review for the two designmethods. 고정식 자켓구조물 설계 시 국내 설계법의 부재로 해외 설계기준을 적용하고 있다. 특히, 미국의 API기준을 주로 적용하고있으나 API RP 2A는 허용응력설계법(WSD)과 하중저항계수법(LRFD)의 두 설계법을 제시하고 있고 설계자의 판단에 따라 적용하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 국내 연안에 실제 설치된 고정식 해양구조물에 대해 해양구조물 전용프로그램인 SACS를 이용하여 두 설계법에 대한 응력비를 검토비교 하였다. 검토결과, 환경하중의 영향이 큰 극한하중해석과 운송해석 시에는 LRFD설계법이, 자중의 영향이큰 평상시 하중해석과 선적 및 인양 시에는 WSD설계법이 더 큰 응력비를 보여주고 있어 기본설계 시 두 설계법에 대한 적용성 검토를수행한 후 안전성과 경제성 등을 고려하여 최종 설계법을 선택하는 것이 적정하다고 판단된다.

초고층건물의 통합설계시스템에서 개념구조설계법 개발

송화철,조용수 한국공간구조학회 2005 한국공간구조학회지 Vol.5 No.3

초고층건물 구조설계를 효율적으로 수행하고 설계정보를 합리적으로 처리하기 위해서 통합설계에 대한 필요성이 증가하고 있으며, 또한 기존의 설계사례를 D/B화하여 초기 설계단계에 적용하는 연구가 필요하다. 구조설계 초기 단계에서는 주재료와 구조형태를 선정하고 대략적인 부재치수를 선정하게 되는데, 이것은 건물높이, 사용하중, 기본풍속, 설계가속도, 최대수평변위, 기둥간격, 층고 등과 같은 정보와 유사 사례에 대한 정보를 토대로 결정하게 된다. 그리고 초기 개념설계 단계에서 주어진 문제를 해결하는 방법은 과거 유사한 문제의 해결지식이 유용하게 적용된다. 본 논문에서는 초고층건물의 통합설계시스템에서의 개념구조설계법을 소개하고, 초기 설계단계에서의 적합성을 초고층건물 적용 예제를 이용하여 검토하고자 한다. The conceptual structural design consists of selecting structural material and form of the building, producing a preliminary dimensional layout. The information such as height of the building use, typical live load, wind velocity, design acceleration, maximum lateral deflection, span, story height is a important factor in conceptual design phase. In this case, the knowledge solutions for past similar problems cam be used in the process of defining and finding a solution to the design problems. In this paper, the conceptual structural design method using case-based reasoning which is intended to assist engineers in the conceptual phase of the structural design of tall buildings is introduced. Inductive retrieval method and nearest-neighbor retrieval method are used for selecting structural system and similar design case, respectively.

다단계 목표계획법을 이용한 복합구조제어시스템의 통합최적설계

박관순,고현무,옥승용 한국지진공학회 2003 한국지진공학회논문집 Vol.7 No.5

이 연구에서는 지진하중을 받는 빌딩구조물에 대한 복합구조제어시스템의 최적설계방법을 제시한다. 복합구조제어시스템의 설계는 구조물의 부재뿐만 아니라 수동제어시스템 및 능동제어시스템의 용량 및 위치 최적화 과정으로 정의된다. 최적설계는 이 연구에서 제안된 다단계 목표계획법(Multi-Stage Goal Programming)을 이용하여 최적화문제를 정식화하고 목표갱신 유전자알고리즘(Goal-Updating Genetic Algorithm을 적용하여 합리적인 최적화를 진행해가는 과정으로 구성된다. 다단계 목표계획법에서는 구조물의 층간 상대변위와 제어시스템의 용량에 대한 설계목표를 여러 단계로 선정하고, 각 물리량과 설계목표간의 정규화된 거리 합으로서 목적함수를 정의한다. 목표갱신 유전자알고리즘은 각 단계별 설계목표를 만족하는 최적해를 검색하고, 현 단계의 모든 설계목표를 만족하는 최적해가 존재할 경우 설계목표를 순차적으로 갱신함으로써 보다 상위수준의 설계목표로 접근해 나아간다. 지진하중을 받는 9층의 빌딩구조물에 대한 수치 예를 통하여 복합구조제어시스템의 통합최적설계 과정을 기술하였고, 구조부재, 수동 및 능동제어시스템이 균등분포된 구조물과 최적 설계결과를 비교하여 제시하는 방법의 효율성을 검증하였다. An optimal design method for hybrid structural control system of building structures subject to earthquake excitation is presented in this paper. Designing a hybrid structural control system may be defined as a process that optimizes the capacities and configuration of passive and active control systems as well as structural members. The optimal design proceeds by formulating the optimization problem via a multi-stage goal programming technique and, then, by finding reasonable solution to the optimization problem by means of a goal-updating genetic algorithm. In the multi-stage goal programming, design targets(or goals) are at first selected too correspond too several stages and the objective function is th n defined as the sum of the normalized distances between these design goals and each of the physical values, that is, the inter-story drifts and the capacities of the control system. Finally, the goal-updating genetic algorithm searches for optimal solutions satisfying each stage of design goals and, if a solution exists, the levels of design goals are consecutively updated to approach the global optimal solution closest too the higher level of desired goals. The process of the integrated optimization design is illustrated by a numerical simulation of a nine-story building structure subject to earthquake excitation. The effectiveness of the proposed method is demonstrated by comparing the optimally designed results with those of a hybrid structural control system where structural members, passive and active control systems are uniformly distributed.

소성거동을 고려한 병렬 RC 구조벽체시스템의 설계

유승윤,엄태성,강수민 한국전산구조공학회 2017 한국전산구조공학회논문집 Vol.30 No.4

본 연구에서는 다양한 변수를 갖는 병렬 RC 구조벽체시스템에 대한 성능기반설계의 타당성과 이에 따른 모멘트 재분배 개념의 적용성을 분석하기 위해 횡력을 지지하는 병렬 RC 구조벽체시스템에 대한 비선형해석을 수행하였다. 설계변수(철근 비, 콘크리트변형률, 벽체높이)가 병렬 RC 구조벽체시스템의 거동에 미치는 영향을 분석하였으며 이를 기반으로 병렬 RC 구조벽체시스템의 성능기반 설계를 위한 고려사항을 제안하였다. 비선형해석 결과, 병렬 RC 구조벽체시스템 성능기반 설계 와 모멘트 재분배 개념의 적용을 위해서는 연결보의 항복여부에 대한 고려가 필요한 것으로 나타났다. 높은 벽체의 경우, 연 결보가 항복하지 않고 탄성 상태로 거동할 수 있기 때문에 고층 병렬 RC 구조벽체시스템에 대해 성능기반 설계 및 모멘트 재분배 개념을 적용하기 위해서는 벽체에 높은 수준의 소성변형능력을 필요로 하며, 이를 위해 벽체 압축단부에 횡보강을 필수적으로 실시해야 한다. Reinforced concrete(RC) structural walls are major lateral load-resisting structural member in building structures. Generally these RC structural walls are coupled with each other by the coupling beams and slabs, and therefore they behave as RC coupled structural wall system. In the design of these coupled structural wall systems, member forces are calculated using elastic structural analysis. These elastic analysis methodologies for the design of coupled structural wall system was not reasonable because it can not consider their ultimate behavior and assure economic feasibility. Performance based design and moment redistribution method to solve these problems is regarded as a reasonable alternative design method for RC coupled structural wall system. However, it is not verified under various design parameters. In this study, nonlinear analysis of RC coupled structural wall system was performed according to various design parameters such as reinforcement ratio, ultimate concrete strain and wall height. Based on analysis results, design considerations for coupled RC structural wall system was proposed.

달 탐사선 경량구조 개념 설계 연구

신희준,유원영,이석제,김인걸,김선원,김원석,황도순 한국항공우주학회 2011 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2011 No.4

본 논문에서는 주어진 임무요구조건을 고려한 달 탐사선의 개념 구조설계를 수행하고, 이에 대한 정적 구조해석 및 최적설계를 수행하였다. 다양한 구조형상 개념 중 대표적으로 실린더 구조형상 개념과 트러스 구조형상 개념을 선정하여 구조설계를 수행하였다. 각각의 구조형상에 대한 유한요소 모델을 구성한 후, 상용 유한요소 해석 소프트웨어를 활용하여 정적 구조해석을 수행하였다. 상용 최적화 소프트웨어인 Visual DOC를 활용하여 강도 및 강성 요구조건을 제한조건으로 하며 구조물의 무게를 최소화하기 위해 실린더 및 스트럿의 두께를 설계변수로 하는 최적구조설계를 수행하였다. 임무요구조건을 만족하는 두 개의 최적 경량구조형상을 제안하였다. In this paper, the conceptual structural design of the lunar exploration module is performed under the given requirements. The static structural analysis and the optimal design are also performed. Among a variety of structural configuration designs, the cylinder and truss structural configuration concept are examined in the conceptual structural design phase. Static and dynamic analysis for both structure by using finite element analysis and the optimal structural design by using the commercial optimization S/W, Visual DOC are performed. In optimal design, the design variables such as cylinder and strut thickness are chosen to minimize the structural mass with satisfying strength and stiffness constraints. Two optimal light-structure designs satisfying given requirements are proposed.

터보프롭 항공기 프로펠러 블레이드의 스킨-스파-폼 샌드위치 복합재 구조 설계 연구

공창덕,이경선,박현범,최원 한국항공우주학회 2011 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2011 No.11

본 연구에서 차세대 고속 운송 시스템으로 개발 중인 터보프롭 항공기의 프로펠러 블레이드에 대한 구조 설계 연구를 수행하였다. 터보프롭 항공기의 프로펠러는 고속으로 비행할 수 있는 추력을 얻기 위해 구조적으로 높은 강도가 요구된다. 본 연구에서는 프로펠러 구조 설계 시 고강도 및 고강성의 특성을 지닌 카본/에폭시 복합재료가 적용되었으며, 경량화를 위하여 스킨-스파-폼 샌드위치 구조 형태를 채택하였다. 구조 설계를 위한 구조 하중은 블레이드에 작용하는 공력하중과 원심 하중을 분석하여 결정하였으며, 스파 플렌지는 굽힘 하중을 담당하고 스킨은 전단 하중을 담당하도록 복합재료 설계 개념을 반영하였다. 구조 안전성을 평가하기 위하여 상용 유한 요소 해석 코드인 나스트란을 활용하여 구조 해석을 수행하였다. 최종 공력 및 구조 설계 결과 분석을 통하여 설계된 프로펠러 블레이드의 효율이 우수하며 안전한 구조인 것으로 검토되었다. In this study, structural design of the propeller blade for turboprop aircraft, which will be a high speed transportation system for the next generation, was performed. The propeller of turboprop shall have high strength to get the thrust to fly at high speed. The high stiffness and strength carbon/epoxy composite material was used for the major structure and skin-spar -foam sandwich structural type was adopted for improvement of lightness. As a design procedure for the present study, firstly the structural design load was estimated through investigation on aerodynamic load and then flanges of spars from major bending loads and the skin from shear loads were preliminarily sized using the netting rule. In order to investigate the structural safety and stability, stress analysis was performed by finite element analysis code MSC. NASTRAN. Finally, it is investigated that designed blade have high efficiency and structural safety to analyze of aerodynamic and structural design results.

샌드위치 복합재 바닥 구조물의 구조 설계 및 해석

박현범 항공우주시스템공학회 2017 항공우주시스템공학회지 Vol.11 No.6

This work dealt with structural safety analysis about sandwich composite structure of automotive floor board. In this work, structural design and analysis of sandwich composite structure for automobile floor board were performed. Firstly, structural design requirement of automobile floor board was investigated. After structural design, the structural analysis of the automobile floor board were performed by the finite element analysis method. It was performed that the stress and displacement analysis at the applied load condition. After structural test of target structure, structural test results were compared with analysis results. Through the structural analysis, it was confirmed that the designed floor board structure is safety. 본 연구는 자동차 바닥 구조로 적용된 샌드위치 복합재 구조의 안전성 해석에 관한 연구이다. 본 연구에서 샌드위치 복합재 구조 적용 자동차 바닥의 구조 설계 및 해석을 수행하였다. 1차적으로 자동차바닥 구조의 구조 설계 요구 조건이 분석되었다. 구조 설계 이후 유한 요소 해석 기법을 활용하여 자동차 바닥 구조의 구조 해석이 수행되었다. 적용 하중 조건에서 응력 및 변위 해석이 수행되었다. 최종바닥 구조의 구조 시험을 수행한 후 해석 결과와 비교하였다. 구조 해석을 통해 설계된 샌드위치 복합재 바닥 구조는 안전한 것으로 확인되었다.