지진하중과 내압이 작용하는 배관계의 탄소성 거동 모사를 위한 최적 유한요소 모델링 가이드라인 제시 = Optimal Finite Element Modeling Guideline for Elastic-Plastic Behavior of Piping System Under Seismic Loading and Internal Pressure

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this paper, the elastic-plastic finite element analysis results according to the analysis conditions of the piping system under the seismic loading and internal pressures were analyzed, Through this, the optimal finite element modeling guideline for the strain-based seismic assessment procedure of the piping system was presented.
Since the existing stress-based seismic assessment procedure of the piping system of a nuclear power plant under seismic loading shows excessive conservatism, research on strain-based seismic assessment procedures to improve this is being actively conducted. The strain-based assessment uses equivalent plastic strain as the main factor, which is calculated through elastic-plastic finite element analysis. In particular, in the case of equivalent plastic strain, it tends to be sensitive depending on the analysis variables due to the nonlinearity of elastic-plastic finite element analysis. In addition, elastic-plastic finite element analysis takes a lot of time compared to elastic analysis. Therefore, a finite element analysis guideline that considers the convergence and efficiency of elastic-plastic finite element analysis is required for reliable strain-based seismic assessment of piping systems.
In this paper, to present a modeling guideline for efficient elastic-plastic finite element analysis of piping systems under the seismic loading and internal pressures, the acceleration, strain, and equivalent plastic strain results according to finite element types and densities were compared. Based on the seismic test information of the piping system performed at BARC, the elastic-plastic finite element analysis was performed applying the guideline presented in the JSME Code Case, and the density of the quadratic solid element that can obtain the sufficiently converged elastic-plastic finite element analysis result was reviewed. Then, for the efficiency of the elastic-plastic finite element analysis, the analysis results according to the linear solid element types were compared, and the linear solid element that could obtain the analysis results sufficiently comparable to that of the quadratic solid element was selected. In addition, by increasing the density of the selected linear solid element, reviewed the element density that can obtain the results of acceleration, strain, and equivalent plastic strain converging to the quadratic solid element.
Through the above study, this paper presented a finite element modeling guideline that can efficiently obtain converged results from elastic-plastic finite element analysis of piping systems under seismic load and internal pressure. It is expected that the results of this study will enable stable and efficient strain-based seismic evaluation of piping systems.

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 지진하중과 내압이 작용하는 배관계의 탄소성 유한요소해석 조건에 따른 결과를 분석하였으며, 이를 통해 배관계의 변형률 기반 내진평가절차를 위한 최적의 유한요소모델링 가이드라인을 제시하였다.
기존의 지진하중이 작용하는 원전 배관계의 응력 기반 내진평가절차는 과도한 보수성을 보이므로, 이를 개선하기 위한 변형률 기반의 내진평가절차의 연구가 활발히 수행되고 있다. 변형률 기반의 내진평가는 주요 평가인자로 등가소성변형률을 사용하며, 이는 탄소성 유한요소해석을 통해 계산된다. 특히 등가소성변형률 같은 경우 탄소성 유한요소해석의 비선형성으로 인해 해석 변수에 따라 민감한 경향을 보인다. 또한 탄소성 유한요소해석은 탄성 해석에 비해 해석에 많은 시간이 소요된다. 따라서 신뢰성 있는 배관계의 변형률 기반 내진평가를 위해서는 탄소성 유한요소해석의 수렴성과 효율성을 고려한 해석 가이드라인이 요구된다.
본 논문에서는 지진하중과 내압이 작용하는 배관계의 효율적인 탄소성 유한요소해석을 위한 모델링 가이드라인을 제시하기 위해, 유한요소 종류와 밀도에 따른 가속도, 변형률 등가소성변형률 결과를 비교하였다. BARC에서 수행된 배관계 지진동 시험 정보를 바탕으로 JSME Code Case에 제시된 탄소성 유한요소해석 가이드라인의 적용한 해석을 수행하였으며, 수렴된 탄소성 유한요소해석 결과를 얻을 수 있는 2차 솔리드 요소의 밀도를 검토하였다. 이후 효율적 해석을 위해 1차 솔리드 요소 종류에 따른 해석 결과를 비교하였으며, 2차 솔리드와 가장 유사한 해석 결과를 얻을 수 있는 1차 솔리드 요소를 선정하였다. 또한 선정된 1차 솔리드 요소의 밀도를 증가시켜 2차 솔리드 요소에 수렴하는 가속도, 변형률, 등가소성변형률 결과를 얻을 수 있는 요소 밀도를 검토하였다.
본 연구를 통해 지진하중과 내압이 작용하는 배관계의 탄소성 유한요소해석에서 수렴된 해석 결과를 얻기 위해 소요되는 시간을 단축할 수 있는 유한요소 모델링 가이드라인을 제시하였으며, 연구의 결과물을 통해 신뢰성 있고 효율적인 배관계 변형률 기반 내진평가를 수행할 수 있으리라 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서 론 1
• 1. 연구 배경 1
• 2. 관련 연구 현황 3
• 3. 연구 목적 및 내용 6
• 4. 논문의 구성 7
• II. 관련 이론 8
• 1. 반복경화 8
• III. JSME Code Case 가이드라인 적용성 검토 14
• 1. JSME 탄소성 유한요소해석 가이드라인 14
• 2. 배관계 탄소성 유한요소해석 대상 정보 15
• 3. JSME 탄소성 유한요소해석 가이드라인 검토 18
• IV. 배관계 최적 유한요소 모델링 가이드라인 제시 39
• 1. 1차 솔리드 요소 종류 검토 39
• 2. 1차 솔리드 요소 밀도 검토 52
• V. 결 론 57
• 참고문헌 59
• 영문초록(Abstract) 63
• 감사의 글 65