Improvement on optimal design of dynamic absorber for enhancing seismic performance of nuclear piping using adaptive Kriging method

곽신영,임승현,곽진성,이환호,오진호,구경회 한국원자력학회 2022 Nuclear Engineering and Technology Vol.54 No.5

For improving the seismic performance of the nuclear power plant (NPP) piping system, attempts havebeen made to apply a dynamic absorber (DA). However, the current piping DA design method is limitedbecause it cannot provide the globally optimum values for the target design seismic loading. Therefore,this study proposes a seismic time history analysis-based DA optimal design method for piping. To thisend, the Kriging approach is introduced to reduce the numerical cost required for seismic time historyanalyses. The appropriate design of the experiment method is used to increase the efficiency in securingresponse data. A gradient-based method is used to efficiently deal with the multi-dimensional unconstrained optimization problem of the DA optimal design. As a result, the proposed method showed anexcellent response reduction effect in several responses compared to other optimal design methods. Theproposed method showed that the average response reduction rate was about 9% less at the maximumacceleration, about 5% less at the maximum value of the response spectrum, about 9% less at themaximum relative displacement, and about 4% less at the maximum combined stress compared toexisting optimal design methods. Therefore, the proposed method enables an effective optimal DA designmethod for mitigating seismic response in NPP piping in the future

추계학적 선형화 기법을 접목한 다목적 최적화기법에 의한 비선형 지진격리시스템의 최적설계

곽신영,옥승용,고현무 한국지진공학회 2010 한국지진공학회논문집 Vol.14 No.2

본 논문에서는 비선형 지진격리교량의 최적 설계 방법을 제시하였다. 최적설계를 위한 목적함수로는 교각과 지진격리장치의 파괴확률을 고려하였으며, 상충하는 두 목적함수를 동시에 최적화하는 다수의 해를 효율적으로 검색하고자 유전자 알고리즘에 기반한 다목적 최적화기법을 도입하였다. 또한, 최적화 과정에서 요구되는 다수의 비선형 시간이력해석을 수행하지 않고도 교량의 확률적 응답을 효율적으로 예측할 수 있는 추계학적 선형화 방법을 접목하였다. 제시하는 방법의 효율성을 검증하기 위한 수치 예로서 실제 교량인 남한강교를 고려하였고, 제안하는 방법과 기존 비선형 시간이력해석을 이용한 생애주기비용 기반 설계법을 각각 적용하여 내진성능을 비교하였다. 내진성능을 비교한 결과, 제시하는 방법이 기존의 비용에 기반한 최적설계보다 우수한 성능 및 경제성을 보임을 검증하였다. 또한, 다양한 지진하중에 대해서도 제안된 방법이 보다 개선된 성능을 보임을 확인하였다. This paper proposes an optimal design method for the nonlinear seismic isolated bridge. The probabilities of failure at the pier and the seismic isolator are considered as objective functions for optimal design, and a multi-objective optimization technique is employed to efficiently explore a set of multiple solutions optimizing mutually-conflicting objective functions at the same time. In addition, a stochastic linearization method is incorporated into the multi-objective optimization framework in order to effectively estimate the stochastic responses of the bridge without performing numerous nonlinear time history analyses during the optimization process. As a numerical example to demonstrate the efficiency of the proposed method, the Nam-Han river bridge is taken into account, and the proposed method and the existing life-cycle-cost based design method are both applied for the purpose of comparing their seismic performances. The comparative results demonstrate that the proposed method not only shows better seismic performance but also is more economical than the existing cost-based design method. The proposed method is also proven to guarantee improved performance under variations in seismic intensity, in bandwidth and in the predominant frequency of the seismic event.

연구용원자로에 대한 항공기 충돌 안전성 평가 및 대비설계의 적용성 고찰

곽신영,류정수,Kwag, Shinyoung,Ryu, Jeong-Soo 한국복합신소재구조학회 2014 복합신소재학회논문집 Vol.5 No.1

본 연구에서는 국내외 항공기 충돌에 대한 원자력발전소의 안전성 평가 및 규제 현황과 연구용원자로의 안전성 평가 및 규제 현황을 살펴보았다. 이러한 현황과 평가와 관련하여 연구용원자로에 적용할 수 있는 항공기 충돌 안전성 평가 및 대비설계 기준을 원자력발전소에 적용되는 기준을 기반으로 정리하였다. 본 연구를 바탕으로 후속되는 연구에서는 연구용원자로에 대한 실질적인 항공기 충돌 안전성 평가 및 대비설계 기준을 도출할 수 있으며, 평가 및 대비설계 방법을 상세히 정립할 수 있을 것이다. 결과적으로, 이를 바탕으로는 항공기 충돌에 대비한 연구용원자로 건물의 예비개념설계 모델을 개발할 수 있을 것으로 예상된다.

원전 구조물-기기 상호작용이 기기 지진응답에 미치는 영향 연구

곽신영,임승현,정광섭,정재욱,최인길 한국전산구조공학회 2022 한국전산구조공학회논문집 Vol.35 No.2

Seismic design and analysis of nuclear power plant components are performed based on an decoupled model. However, this decoupledanalysis has a limitation in that it generates inaccurate results compared to the coupled analysis because it cannot simulate actual phenomenasuch as the interaction between structures and components. Thus, this study performed seismic coupled and decoupled analysis on an existingnuclear containment structure and related components, considering the mass and natural frequency ratios. And based on these results,comparative analyses of responses of components were conducted. Consequently, the seismic coupled analysis result generally gave a smallervalue than the decoupled analysis result. These results were similar to the analysis results for the simple coupled model, which was an existingstudy, but the difference in component responses was much more pronounced. Also, this was influenced by the installation location of thecomponent rather than the influence of the input frequency of the input seismic motions. Finally, the difference between the decoupled andcoupled seismic analysis occurred in the region where the mass ratio of the components was large, and the natural frequencies were almostsimilar due to the considerable dynamic interaction between the structure and the component in this realm. 원자력발전소 기기 내진설계 및 지진해석은 비연계모델을 대상으로 수행된다. 그러나 이러한 비연계해석은 실제 구조물-기기 간상호작용 등의 실제 현상을 모사할 수 없기 때문에 연계해석에 비하여 정확하지 못한 결과를 발생시키게 된다는 한계를 가진다. 이러한 배경 아래 이 연구는 실제 원전 격납건물 구조물 및 관련 부계통을 대상으로 질량비와 고유진동수비를 고려하여 지진 연계해석과비연계해석을 수행하고, 이를 바탕으로 부계통에서의 응답을 비교 분석하였다. 결과적으로 지진 연계해석 결과가 비연계해석 결과보다 대다수 작은 값을 주는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 기존 연구인 단순한 연계모델에 대한 해석 결과와 유사하지만, 부계통 응답차이는 훨씬 더 두드러지게 나타나는 것을 확인하였다. 또한, 이는 지진파의 입력 주파수의 영향보다는 부계통의 설치위치에 영향을받는 것으로 확인되었다. 마지막으로 비연계 및 연계 지진해석의 차이가 부계통의 질량비가 크고, 고유진동수가 거의 일치하는 영역에서 발생하는 이유는 이 영역에서 주계통과 부계통 동적 상호작용이 크게 나타나기 때문인 것으로 보인다.

지진 재해도의 닫힌 근사식 제안에 관한 연구

곽신영,함대기 한국지진공학회 2018 한국지진공학회논문집 Vol.22 No.4

In this paper, we address some issues in existing seismic hazard closed-form equations and present a novel seismic hazard equation form to overcome these issues. The presented equation form is based on higher-order polynomials, which can well describe the seismic hazard information with relatively high non-linearity. The accuracy of the proposed form is illustrated not only in the seismic hazard data itself but also in estimating the annual probability of failure (APF) of the structural systems. For this purpose, the information on seismic hazard is used in representative areas of the United States (West : Los Angeles, Central : Memphis and Kansas, East : Charleston). Examples regarding the APF estimation are the analyses of existing platform structure and nuclear power plant problems. As a result of the numerical example analyses, it is confirmed that the higher-order-polynomial-based hazard form presented in this paper could predict the APF values of the two example structure systems as well as the given seismic hazard data relatively accurately compared with the existing closed-form hazard equations. Therefore, in the future, it is expected that we can derive a new improved APF function by combining the proposed hazard formula with the existing fragility equation.

Development of an earthquake-induced landslide risk assessment approach for nuclear power plants

곽신영,함대기 한국원자력학회 2018 Nuclear Engineering and Technology Vol.50 No.8

Despite recent advances in multi-hazard analysis, the complexity and inherent nature of such problemsmake quantification of the landslide effect in a probabilistic safety assessment (PSA) of NPPs challenging. Therefore, in this paper, a practical approach was presented for performing an earthquake-inducedlandslide PSA for NPPs subject to seismic hazard. To demonstrate the effectiveness of the proposedapproach, it was applied to Korean typical NPP in Korea as a numerical example. The assessment resultrevealed the quantitative probabilistic effects of peripheral slope failure and subsequent run-out effecton the risk of core damage frequency (CDF) of a NPP during the earthquake event. Parametric studieswere conducted to demonstrate how parameters for slope, and physical relation between the slope andNPP, changed the CDF risk of the NPP. Finally, based on these results, the effective strategies were suggestedto mitigate the CDF risk to the NPP resulting from the vulnerabilities inherent in adjacent slopes. The proposed approach can be expected to provide an effective framework for performing theearthquake-induced landslide PSA and decision support to increase NPP safety

Robust Design of Seismic Isolation System using Constrained Multi-objective Optimization Technique

곽신영,옥승용 대한토목학회 2013 KSCE JOURNAL OF CIVIL ENGINEERING Vol.17 No.5

This study proposes a robust optimal design approach of seismic isolation system for bridges against uncertainties in the system such as model parameters of bridge and isolation bearing, for which a constrained multi-objective optimization problem is formulated by using the bi-objective and constraint functions. The two objective functions are defined as the mutually-conflicting failure probabilities of the bridge pier and the seismic isolator, and the constraint function is constructed by using a robustness index which is defined as the average value of the perturbed amount of the failure probabilities of the bridge so that it can be interpreted as the quantitative measure of the seismic performance degradation of the bridge system caused by the uncertainties. The nonlinear random vibration analyses that estimate the stochastic responses of the seismic isolation bridge system used in the bi-objective and constraint functions are efficiently handled by the stochastic linearization method without performing numerous nonlinear timehistory analyses. In order to demonstrate the effectiveness of the proposed approach, the constrained multi-objective optimization is performed on an example bridge. For comparison purposes, the unconstrained multi-objective optimization with no uncertainties in the system parameters is performed as well. The comparative results verify that the robust seismic isolation system obtained by the proposed design approach can balance the failure probabilities of both pier and isolator in a reasonable level while guaranteeing the bridge performance to remain insensitive to changes in the bridge parameters as well as the design variables of the isolator. The parametric investigation of the robust performance between two different systems also confirms guarantee of the robustness of the proposed method despite the uncertain characteristics of the stochastic ground motions.

동흡진기 적용을 통한 원전기기의 내진성능향상에 관한 수치적 연구

곽신영,곽진성,이환호,오진호,구경회 한국전산구조공학회 2019 한국전산구조공학회논문집 Vol.32 No.1

In this paper, we study the applicability of Tuned Mass Damper(TMD) to improve seismic performance of piping system under earthquake loading. For this purpose, a mode analysis of the target pipeline is performed, and TMD installation locations are selected as important modes with relatively large mass participation ratio in each direction. In order to design the TMD at selected positions, each corresponding mode is replaced with a SDOF damped model, and accordingly the corresponding pipeline is converted into a 2-DOF system by considering the TMD as a SDOF damped model. Then, optimal design values of the TMD, which can minimize the dynamic amplification factor of the transformed 2-DOF system, are derived through GA optimization method. The proposed TMD design values are applied to the pipeline numerical model to analyze seismic performance with and without TMD installation. As a result of numerical analyses, it is confirmed that the directional acceleration responses, the maximum normal stresses and directional reaction forces of the pipeline system are reduced, quite a lot. The results of this study are expected to be used as basic information with respect to the improvement of the seismic performance of the piping system in the future.

SAR값을 이용한 자기공명영상 장치의 전자기파 안전성 연구

곽신영,이태수 대한자기공명기술학회 2015 대한자기공명기술학회지 Vol.25 No.-

목 적 : 고자장과 고주파를 이용하는 MRI에서의 전자기파의 안전성에 관하여 전국병원의 자기공명영상장치 전자파 흡수율(specific absorption rate, SAR)을 알아보고 안전하게 사용되고 있는지 확인한다. 대상 및 방법 : 청주시에 소재한 H병원에서 2012년 1월부터 2014년 6월까지의 내원 환자 중 PACS에 저장되어진 132명의 환자영상 정보를 DICOM 파일을 이용하여 분석하였다. 자장의 세기에 따라 0.5T 이하, 1.5T, 3.0T MRI로 분류하고, ICNIRP의 몸통, 사지 구분 기준에 따라 SAR 값을 측정하기 위해 우리 신체를 머리, 몸통, 사지로 구분하고, 구분 되어진 신체 부위 중 임상에서 가장 많이 검사되어지고 있는 검사방법인 머리(머리, 머리 혈관), 몸통(허리), 사지(무릎) MRI영상을 선택하여 선행논문에서 MRI검사 시 비교적 SAR 값이 높게 측정되는 pulse sequence와 검사 방향을 분류하여 각각의 병원의 DICOM file TAG값 중에서 SAR값을 비교 한다. 결 과 : 머리의 경우 10개의 병원의 평균값은 1.63 W/kg으로 나타났고, 10개의 병원 중 7개의 병원에서 휴대폰의 기준을 초과하는 것으로 나타났다. 머리 TOF MR angiography와 몸통(허리)에서는 10개의 병원의 평균이 각각 1.8 W/kg과 2.01 W/kg으로 나타났고, 10곳의 병원 모두 휴대폰의 기준치를 초과하는 것으로 나타났다. 사지(무릎)에서의 측정값은 평균이 1.85 W/kg으로 10개의 병원 중 휴대폰의 기준을 초과하는 곳은 없었다. 1.5T에서 3.0T로 증가할수록 SAR 값이 증가할 것이라는 선행논문의 예측과는 달리 머리, 머리혈관, 몸통 모두의 경우 평균값 감소하였고, 머리, 머리혈관의 경우 통계적으로 유의미한 차이를 보였다 (p<0.05). 하지만 몸통의 경우 p-value 가 0.255(p>0.05)로서 통계적으로 유의한 결과가 나타나지는 않았다. 결 론 : 1.5T MRI의 경우 많은 병원에서 휴대폰의 SAR 값보다 많은 량의 전자기파가 발생하는 것으로 나타났고, 3.0T MRI의 경우 처음의 예상과는 달리 1.5T MRI 보다 SAR 값이 적게 나타났다. 하지만 현재 의료기기로써 MRI의 경우 IEC 60601-2-33 규정을 준용하고, 국내 검사도 IEC의 기준을 기반으로 하고 있어 IEC의 규정을 초과 하지는 않는다.

지진 확률론적 리스크 평가를 위한 샘플링기반 접근법

곽신영,임승현,박준희,최인길 한국전산구조공학회 2020 한국전산구조공학회논문집 Vol.33 No.2

In this study, we develop a sampling-based seismic probabilistic risk assessment (SPRA) quantification technique that can accuratelyconsider a partially dependent condition of component seismic fragility information. Specifically, the SPRA quantification method is proposedby combining the advantages of two representative methodologies: EPRI seismic fragility and JAERI seismic fragility input-basedquantification. The most important feature of the proposed method is that it performs a SPRA using a sampling technique by transforming theEPRI seismic fragility input into JAERI seismic fragility input. When the proposed sampling-based approach was applied to an example ofsimple system and to a SPRA problem of a nuclear power plant, it was observed that the proposed method yields approximately similar systemseismic fragility and seismic risk results as those of the exact solution. Therefore, it is believed that the approach proposed in this study can beused as a useful tool for accurately assessing seismic risks, considering the partial seismic dependence among the components; the existingSPRA method cannot handle such partial dependencies. 본 연구에서 기기 지진취약도 정보의 부분 종속 관계를 정확하게 고려할 수 있는 샘플링 기반 지진 확률론적 리스크 평가 정량화 기법을 개발하였다. 구체적으로 두 가지 대표적 방법론인 EPRI 지진취약도 입력기반 정량화 방법과 JAERI 지진취약도 입력기반 정량화 기법의 장점을 결합하여 리스크 정량화 방법를 제안하였다. 본 연구에서 제안하는 방법의 가장 중요한 특징은 EPRI 지진취약도 입력을 JAERI 지진취약도 입력 공간으로 치환하여 샘플링 방법으로 SPRA 수행하는 것에 있다. 제안된 샘플링기반 접근법을 간단한 예제부터 실제 원전의 지진 확률론적 리스크 평가 문제에 적용한 결과, 본 연구에서 제안하는 방법이 정해에 가까운 시스템 지진취약도및 지진리스크 값을 산출함을 확인할 수 있었다. 그러므로 본 연구에서 제안하는 방법론은 기존의 SPRA 정량화 방법이 다룰 수 없는시스템 내 부분 종속 조건을 고려하여 지진 리스크를 정확하게 평가할 수 있는 유용한 도구로 활용될 수 있을 것이라 기대한다.