철근콘크리트 격납건물의 비선형 해석을 위한 쉘 유한요소

전영선,이홍표,Choun Young-Sun,Lee Hong-Pyo 한국전산구조공학회 2006 한국전산구조공학회논문집 Vol.19 No.1

격납건물은 원자로 사고발생시 방사능물질의 외부 유출을 막는 최후의 방벽이므로 가동 중 원전의 격납건물에 대한 안전성평가는 반드시 수행되어야 된다. 이러한 맥락에서 이 논문은 원전 격납건물의 비선형해석을 위해 탄소성 모델을 바탕으로 개발된 8절점 가변형도 쉘 요소와 이를 이용한 구조물의 비선형해석에 대하여 기술하였다. 비선형해석을 위해 콘크리트의 압축거동에 Drucker-Prager 파괴기준을 적용하였고 파괴포락선의 형상을 결정짓는 재료매개변수는 이축응력 실험으로부터 도출하였다. 개발된 쉘 유한요소는 퇴화 고체기법과 횡 전단변형도를 고려하기 위하여 Reissner-Mindlin(RM)가정을 도입하였고 쉘의 두께가 얇거나, 즉 종횡비가 작거나, 균일하지 않은 유한요소망을 사용할 경우 구조물의 강성이 과대하게 평가되는 묶임현상(locking phenomenon)을 제거하기 위해 본 논문에서는 가변형도법을 도입하였다. 개발된 철근콘크리트 쉘 요소의 성능검증을 위해서 벤치마크 테스트를 수행하였고 그 결과 이 논문에서 도출한 유한요소해석 결과는 실험결과와 잘 일치 하였다 It is absolutely essential that safety assessment of the containment buildings during service life because containment buildings are last barrier to protect radioactive substance due to the accidents. Therefore, this study describes an enhanced degenerated shell finite element(FE) which has been developed for nonlinear FE analysis of reinforced concrete(RC) containment buildings with elasto-plastic material model. For the purpose of the material nonlinear analysis, Drucker-Prager failure criteria is adapted in compression region and material parameters which determine the shape of the failure envelop are derived from biaxial stress tests. Reissner-Mindlin(RM) assumptions are adopted to develop the degenerated shell FE so that transverse shear deformation effects is considered. However, it is found that there are serious defects such as locking phenomena in RM degenerated shell FE since the stiffness matrix has been overestimated in some situations. Therefore, shell formulation is provided in this paper with emphasis on the terms related to the stiffness matrix based on assumed strain method. Finally, the performance of the present shell element to analysis RC containment buildings is tested and demonstrated with several numerical examples. From the numerical tests, the present results show a good agreement with experimental data or other numerical results.

강섬유 및 폴리아미드 섬유로 보강된 철근콘크리트 벽체의 전단성능 평가

전영선,이장화,전중규,Choun,Young-Sun,Lee,Jang Hwa,Jeon,Joong Kyu 한국방재학회 2013 한국방재학회논문집 Vol.13 No.3

콘크리트 전단벽 구조는 지진과 같은 큰 수평 반복하중에 효과적으로 저항할 수 있는 이상적인 구조시스템이다. 특히 섬유로 보강된 콘크리트 전단벽에서는 연성이 크게 향상되어 취성파괴를 방지할 뿐만 아니라 내진성능이 크게 향상되는 효과를 기대할 수 있다. 본 연구에서는 보통콘크리트에 강섬유와 폴리아미드 섬유를 혼합하여 제작한 전단벽의 전단성능을 평가하기 위하여 반복하중에 대한 벽체의 이력거동 시험을 실시하고 그 결과를 분석하였다. 최대전단력은 강섬유 콘크리트 시험체에서 가장 큰 것으로 나타났으나 보통콘크리트 시험체에서의 최대전단력에 비해 크게 증가하지는 못했다. 변위 연성능력과 에너지 소산능력은 강섬유 콘크리트 시험체에서 탁월하게 나타났으며, 폴리아미드 섬유 콘크리트 시험체에서는 보통콘크리트와 강섬유 콘크리트 시험체의 중간 정도의 전단성능을 갖는 것으로 평가되었다. A concrete shear wall system is an ideal structural system that can effectively resist large horizontal cyclic loads such as earthquakes. In particular, a significant increase of the ductility in fiber reinforced concrete shear walls can prevent a brittle failure and thus can enhance seismic resisting capacity significantly. This study investigated the shear resisting capacity of shear wall specimens, which are constructed with steel fibers or polyamide fibers reinforced concrete, by comparing hysteresis curves obtained from reversal cyclic tests. The shear resisting force in the steel fiber reinforced concrete specimen was larger than those in plain and polyamide fiber reinforced concrete specimens, but the increase was not great. The shear resisting capacity of the polyamide fiber reinforced concrete specimen was larger than that of plain concrete specimen, but smaller than that of steel fiber reinforced concrete specimen.

소형기기의 면진효과 분석을 위한 진동대 실험

전영선(Choun Young Sun),김민규(Kim Min Kyu),최인길(Choi In Kil) 대한토목학회 2003 대한토목학회 학술대회 Vol.2003 No.10

다른 온도환경에서 고감쇠고무 적층받침의 경년열화를 고려한 면진 원전구조물의 지진응답

박준희,전영선,최인길,Park, Junhee,Choun, Young-Sun,Choi, In-Kil 한국전산구조공학회 2014 한국전산구조공학회논문집 Vol.27 No.5

면진장치는 지진력을 감소시키기 위하여 사용되어왔다. 원자력발전소에 면진장치가 적용된다면, 운영기간동안 구조물과 기기들은 동일한 내구성 및 성능이 확보되어야 한다. 본 연구에서는 면진된 원전의 지진에 대한 안전성을 확보하기 위하여 면진구조물의 장기거동을 해석적으로 분석하였다. 경년열화에 의한 면진장치 특성을 분석하였고, 다른 온도환경에서 면진장치의 경년열화에 의한 구조물의 지진응답을 분석하였다. 해석결과에 의하면 면진장치의 경년열화에 의하여 면진구조물의 고유진동수는 증가하였다. 그러나 면진 구조물의 최대가속도와 최대변위는 온도에 따라 크게 변하지 않았다. 면진장치의 열화에 의하여 구조물의 손상은 발생하지 않았지만 목표진동수 영역에서 스펙트럼가속도는 온도에 따라 증가하였다. 따라서 면진구조물에서 면진장치는 온도에 따른 지진응답의 증가를 고려하여 설치 및 제작해야 할 것으로 판단된다. The isolators have been generally used to reduce a seismic force. If the isolators apply to the nuclear power plants(NPPs), the durability and capacity for the structures and equipments should be ensured during the life time. In this study, the long-term behavior of isolated NPPs was analyzed for ensuring the seismic safety. The properties of isolator due to the age-related degradation were analyzed. And the seismic behavior of isolated buildings was analyzed by considering the aging of rubber bearings in different temperature environments. According to the analysis results, the natural frequency of structures was increased with time. But the maximum acceleration and maximum displacement of isolated structures have not changed significantly. Although the damaged of structure did not occurred by aging of isolators, it was presented that the spectral acceleration at the target frequency of isolated structure increased with the temperature. Therefore the isolators in the isolated buildings should be carefully designed and manufactured considering the temperature-dependancy of rubber material.

유체요소를 이용한 직사각형 유체 저장구조물의 지진해석

金永晳(Young-Surck Kim),金裁民(Jae-Min Kim),田英善(Young-Sun Choun),尹楨邦(Chung-Bang Yun) 한국해양공학회 1992 韓國海洋工學會誌 Vol.6 No.2

In this paper, behavior of rectangular storage structures under earthquake loadings are investigated. Linear sloshing is assumed in this study. The effect of the wall flexibility is considered. Eulerian and Lagrangian approaches are presented. The Eulerian approach is carried out by solving the boundary value problem for the fluid motion. In the Lagrangian approach, the fluid as well as the storage structure is modelled by the finite element method. The fluid region is discretized by using fluid elements. The (1×1)-reduced integration is carried out for constructing the stiffness matrices of the fluid elements. Seismic analysis of the coupled system is carried out by the response spectra method. The numerical results show that the fluid forces on the wall obtained by two approaches are in good agreements. By including the effect of the wall flexibility, the forces due to fluid motion can be increased very significantly.

경년열화된 철근콘크리트 전단벽의 지진응답에 영향을 미치는 변수들의 민감도분석

박준희,전영선,최인길,Park, Jun-Hee,Choun, Young-Sun,Choi, In-Kil 한국전산구조공학회 2011 한국전산구조공학회논문집 Vol.24 No.4

철근콘크리트 구조물은 타설 후 시간이 경과함에 따라 물리적인 요인과 화학적인 요인으로 인하여 열화가 진행된다. 열화된 구조물의 효율적인 구조해석을 수행하기 위하여 구조물의 거동과 밀접한 관련이 있는 중요열화변수를 정의하는 것은 필요하다. 본 연구에서는 경년열화된 철근콘크리트 전단벽의 중요변수를 분석하기 위하여 일계이차모멘트법을 이용하여 민감도해석을 수행하였다. 콘크리트의 경화현상을 고려하지 않을 경우 구조물의 열화성능이 과소평가될 수 있으므로 콘크리트의 경화에 따른 해석변수들의 민감도를 분석하였다. 열화된 전단벽에서 변수의 중요도는 토네이도 다이어그램으로 나타내었다. After a concrete is poured, reinforced concrete structures were distressed by physical and chemical factor over time. It is in need to define important variables related to structural behavior for effectively conducting seismic analysis of structures with age-related degradation. In this study, a sensibility analysis using the first-order second moment method was performed to analyze an important variables for the reinforced concrete shear wall with age-related degradation. Because the seismic capacity of aging structures without a concrete hardening effect can be underestimated, the sensibility of analysis variables was analyzed according to the concrete hardening. Important variables for RC shear wall with age-related degradation was presented by using the tornado diagram.

고감쇠고무 적층받침의 경년열화를 고려한 원전구조물의 지진응답

박준희,전영선,최인길,Park, Junhee,Choun, Young-Sun,Choi, In-Kil 한국전산구조공학회 2013 한국전산구조공학회논문집 Vol.26 No.2

면진장치는 상부구조물의 지진력을 감소시키는데 크게 기여하지만, 고감쇠고무 적층받침에 사용되는 고무재료는 시간이 경과함에 따라 열화되어 상부구조물의 동특성과 기기들의 지진응답에 영향을 줄 수 있다. 따라서 면진장치의 경년열화를 고려한 구조물의 지진응답을 분석하는 연구가 필요하다. 본 연구에서는 기존 문헌을 통하여 분석된 고무의 경년열화 특성을 사용하여 면진장치를 모델링하였다. 면진된 원전의 지진응답을 평가하기 위하여 격납건물과 보조건물을 대상 구조물로 선정하고, 진동수 성분이 다양한 입력지진동을 사용하여 구조물의 고유진동수, 최대지진응답, 층응답스펙트럼을 시간의 경과에 따라 분석하였다. 해석결과에 의하면 면진장치의 경년열화에 의하여 지진응답이 소폭 증가하였으며, 면진장치가 설치된 후 20년까지 지진응답의 증가율이 크게 나타나므로 이 기간에 상세한 검사가 시행되어야 할 것이다. The high damping rubber bearings contributed to reduce a seismic force transmitted to upper structures, the material properties of rubber changes with time and the rubber with age-related degradation can affect the seismic response of structures and equipments. Therefore the seismic response of structure considering age-related degradation of isolators should be evaluated. In this paper, the stiffness and damping for isolators were defined using the aging data proposed by other researchers. The reactor containment building and the auxiliary building were selected to conduct the nonlinear analysis and the natural frequency, maximum responses, floor response spectrum(FRS) were evaluated with time using the four earthquakes with different frequency contents. According to the analysis results, the seismic responses are increased by the age-related degradation of isolators and the detail inspections should be conducted up to 20 years because it was presented that the change of FRS was high during this period.

한국형 원전 격납건물의 비선형해석에 관한 연구

이홍표,전영선,이상진,Lee, Hong-Pyo,Choun, Young-Sun,Lee, Sang-Jin 한국전산구조공학회 2007 한국전산구조공학회논문집 Vol.20 No.3

이 논문에서는 원전 격납건물의 극한내압능력 및 파괴모드 평가를 위해 개발된 비선형 유한요소해석 프로그램 NUCAS 코드에 대하여 기술하였다. NUCAS는 미시적인 재료모델을 도입한 퇴화 쉘 요소와 탄소성 재료모델을 도입한 저차고체요소로 구성되어 있고, 퇴화 쉘 요소와 저차고체요소는 유한요소에서 발생할 수 있는 강성과대(overstiffness) 및 묶임현상(locking phenomenon)을 방지하기 위해서 각각 가변형도법(assumed strain method)과 개선된 가변형도법(enhanced assumed strain method)을 적용하였다. 개발된 NUCAS코드의 성능을 검증하기 위해서 다양한 철근콘크리트 구조물의 벤치마크 테스트를 수행하였고, 그 결과로부터 이 논문에서 개발한 유한요소해석 프로그램의 해석결과는 실험결과와 잘 일치하였다. In this paper, a nonlinear finite element analysis program NUCAS, which has been developed for assessment of ultimate pressure capacity and failure mode for nuclear containment building is described. Degenerated shell element with assumed strain method and low-order solid element with enhanced assumed strain method is adapted to microscopic material and elasto-plastic material model, respectively. Finally, the performance of the developed program is tested and demonstrated with several examples. From the numerical tests, the present results show a good agreement with experimental data or other numerical results.

원전 격납건물의 Steel Fiber 적용성 평가를 위한 지진취약도 분석

김민규,박준희,전영선,최인길,Kim, Min Kyu,Park, Junhee,Choun, Young-Sun,Choi, In-Kil 한국전산구조공학회 2012 한국전산구조공학회논문집 Vol.25 No.5

본 연구에서는 Steel Fiber를 원전 격납건물에 적용하기 위한 적용성 평가를 위해서 Steel Fiber가 삽입된 격납건물에 대한 지진위험도 평가를 수행하였다. Steel Fiber를 콘크리트에 삽입함으로써 콘크리트의 구조적 성능에서 취약점인 인장성능을 향상시킬 수 있고, 압축강도 및 전단강도도 증가시킬 수 있는 장점이 있기 때문이다. 그러나 아직까지 원전 격납건물에 Steel Fiber를 적용하기 위한 노력은 진행되고 있지 않다. 재료적 우수성에도 불구하고 원전에 적용하기 위해서는 좀 더 많은 사용경험과 성능검증이 이루어져야 가능할 것이다. 따라서 본 연구에서는 원자력발전소 격납건물에 Steel Fiber를 사용하였을 경우, 격납건물의 지진안전성의 변화를 살펴보기 위하여 기존의 실험자료를 이용하여 취약도 평가를 수행하였다. 분석결과 Steel Fiber의 함유로 인하여 전단성능과 연성능력이 증가하여 지진취약도의 향상으로 나타났다. Steel Fiber함유량이 1.0%인 경우 지진내력이 10%가량 증가하는 효과를 얻을 수 있었다. 그러나 본 연구의 결과는 제한된 기존의 실험결과를 이용한 예비해석이므로 Steel Fiber의 실제 적용성을 적확하게 분석하기 위해서는 Steel Fiber가 함유된 다양한 콘크리트 부재실험을 통하여 그 물성의 변화를 파악하여야 할 것이다. In this study, a seismic risk analysis performed for an applicability assessment of steel fiber in containment structures. Steel fiber can increase tensile properties of concrete structures moreover compressive and shear capacity. But many of researches about steel fiber reinforced concrete structures are now only focused in axial load condition. Also it is very difficult to find an effort for application to containment structures in NPP. Therefore, in this study, seismic fragility assessment for a steel fiber reinforced concrete containment structure. As a result, a seismic fragility capacity improved according to increase of shear and ductile capacity of concrete. In the case of 1.0% of steel fiber volume fraction, seismic capacity increases as 10%. But very limited previous experimental results were used in this study, so various element tests were needed for more accurate investigation.

격납건물 내압해석을 위한 철근콘크리트 쉘 유한요소

이홍표(Lee Hong-Pyo),전영선(Choun Young-Sun) 대한토목학회 2009 대한토목학회논문집 A Vol.29 No.6A

이 논문은 원전 격납건물의 극한내압능력 평가와 비선형해석을 수행하기 위하여 개발된 해석프로그램인 9절점 퇴화 쉘 유한요소에 대하여 기술하였다. 개발된 쉘 유한요소는 퇴화 고체기법과 구조물에서 발생하는 횡전단변형도를 고려하기 위하여 Reissner-Mindlin(RM)가정을 도입하였다. 콘크리트의 재료모델은 등가응력-등가변형률의 관계를 이용하여 콘크리트의 응력과 변형률의 수준을 결정하고, 콘크리트에 균열이 발생하면 부착응력을 고려하는 인장강성모델과 균열면에서의 전단전달 메카니즘 그리고 균열면에서 압축강도 감소모델 등으로 재료적 거동을 나타내었다. 또한 균열발생기준으로 압축-인장영역에는 Niwa가 제안한 응력포락선을 도입하였고, 인장-인장영역에는 Aoyagi-Yamada가 제안한 응력포락선을 사용하였다. 개발된 프로그램의 성능은 다양한 수치예제를 통하여 검증하였다. 검증예제 결과로부터 개발된 쉘 유한요소를 이용한 해석결과는 실험결과 또는 다른 해석결과와 유사한 결과를 도출하였다. A 9-node degenerated shell finite element(FE), which has been developed for assessment of ultimate pressure capacity and nonlinear analysis for nuclear containment building is described in this paper. Reissner-Midnlin(RM) assumptions are adopted to develop the shell FE so that transverse shear deformation effects is considered. Material model for concrete prior to cracking is constructed based on the equivalent stress-equivalent strain relationship. Tension stiffening model, shear transfer mechanism and compressive strength reduction model are used to model the material behavior of concrete after cracking. Niwa and Aoyagi-Yamada failure criteria have been adapted to find initial cracking point in compression-tension and tension-tension region, respectively. Finally, the performance of the developed program is tested and demonstrated with several examples. From the numerical tests, the present results show a good agreement with experimental data or other numerical results.