Bellows expansion joints enhance the displacement performance of piping systems owing to their unique geometrical features. However, structural uncertainties such as wall thinning in convolutions, a byproduct of the manufacturing process, can impair their structural integrity. This study addresses such issues by conducting a global sensitivity analysis to assess the impact of these uncertainties on the performance of bellows expansion joints under monotonic loading. Global sensitivity analysis, which examines main and nth order interaction effects, is computationally expensive. To mitigate this, we employed a surrogate model-based approach using an artificial neural network. This model demonstrated robust prediction capabilities, as evidenced by metrics such as the coefficient of determination. The sensitivity indices of the main effect for the 2-ply and 3-ply bellows at the sixth convolution were 0.3340 and 0.3233, respectively. The sensitivity index of the sixth convolution was larger than that of other convolutions because the maximum deformation of the bellows expansion joint under monotonic bending load occurs around it. Interestingly, the sensitivity index for the interaction effect was negligible (0.01%) compared to the main effect, suggesting minimal activity between uncertainty factors across convolutions. Notably, bellows expansion joints under repetitive loading exhibit more complex behaviors, with the initial leakage typically occurring at the convolution. Therefore, future studies should focus on the structural uncertainties of bellows expansion joints under cyclic loading and employ a surrogate model for comprehensive global sensitivity analysis.

배관 시스템은 기체 및 액체 등의 에너지원을 수송하기 위해 사용되며 주로 건물 내부에 설치되거나 지반에 매립되 어 설치된다. 매립된 배관 시스템은 지진이나 지반침하와 같은 큰 상대변위를 받을 수 있으며 이는 배관의 연결부에 손상을 야 기할 수 있다. 벨로우즈는 기하학적 특성으로 축방향 및 회전 변형을 일부 허용한다. 그러므로 벨로우즈 신축관이음을 적용하면 큰 상대변위에 의한 손상을 줄일 수 있는 것으로 예상된다. 하지만 벨로우즈의 성형과정에서 회선의 벽 두께 감소가 발생할 수 있으며 이는 휨 및 인장 성능에 영향을 미칠 수 있다. 본 연구는 단조하중을 받는 벨로우즈 신축관이음의 성능을 분석하기 위 한 실험적 연구를 수행하였다. 또한 단조하중 실험 결과를 바탕으로 벨로우즈 신축관이음의 유한요소모델을 구축하였으며 실험 결과와 비교하여 검증하였다. 검증된 유한요소 모델을 이용하여 회선의 두께 감소에 의한 성능 변화를 분석하였다. 벽 두께 감 소율은 5%, 10%, 15%, 20%, 25%로 가정하였다. 해석 결과 인장 및 휨 하중에 따른 하중-변위 관계의 전체적인 강성과 최대 하 중이 감소하는 것으로 나타났다. 벽 두께 감소율이 25%일 때 인장 및 휨 하중에 따른 최대 하중은 각각 14%, 26% 감소하는 것 으로 나타났다.

대표적인 비구조요소인 배관의 지진에 의한 손상은 관성력과 두 지지점 사이의 위상차에 의해 작용하는 반복하중 그 리고 허용변형량을 초과하는 상대변위 등에 의해 발생할 수 있다. 특히 주요 손상모드는 큰 반복하중에 의한 저주기피로임이 많은 실험적 연구를 통하여 알려졌다. 따라서 과도한 지진변위에 의한 배관의 손상을 방지하기 위하여 지진상대변위가 발생할 수 있는 위치에 지진분리이음 또는 지진분리장치의 적용이 요구된다. 신축관이음 중 하나인 벨로우즈는 지진분리이음으로 적용 할 수 있다. 본 논문에서는 3ply 금속 벨로우즈 신축관이음의 온도차에 의한 내진성능의 변화를 분석하기 위한 실험적 연구를 수행하였다. 상온환경에서 점진증폭 반복하중재하실험을 수행하였으며, -20°C의 저온조건에서 동일한 실험을 수행하고 그 결과 를 비교하였다. 실험 결과로부터, -20°C의 저온환경에서 금속벨로우즈의 변위성능은 약 10% 저하될 수 있음을 확인하였다.

배관시스템은 대표적인 사회기반시설이다. 지진으로 인한 배관 손상은 심각한 피해를 초래할 수 있으므로 배관시스 템은 지진으로부터 반드시 보호되어야 할 필요가 있다. 지진은 설계기준을 초과하는 상대변위를 동반할 수 있다. 이러한 지진의 거동은 배관 이음부에 손상을 줄 수 있다. 배관시스템에서 과도한 변형이 발생할 수 있는 위치에 지진분리이음을 적용하면 내 진성능을 향상시킬 수 있다. 적층형 금속 벨로우즈는 지진과 같은 저주기 피로 하중에 대한 내구성이 우수하다. 따라서 다중 적층 형 금속 벨로우즈는 파이프의 면진 이음새로 사용할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서는 지진분리이음의 하나인 다중 적 층형 금속 벨로우즈에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 2종류의 다중 적층형 벨로우즈 신축관이음에 대하여 단조하중 및 반복 하중재하시험을 수행하고 손상모드와 한계상태를 추정하였다. 그리고 단조재하시험과 반복재하시험의 결과를 비교 분석하였다.

This study proposes a low-cycle fatigue life derived from measurement points on pipe elbows, which are components that are vulnerable to seismic load in the interface piping systems of nuclear power plants that use seismic isolation systems. In order to quantitatively define limit states regarding leakage, i.e., actual failure caused by low-cycle fatigue, in-plane cyclic loading tests were performed using a sine wave of constant amplitude. The test specimens consisted of SCH40 6-inch carbon steel pipe elbows and straight pipes, and an image processing method was used to measure the nonlinear behavior of the test specimens. The leakage lines caused by low-cycle fatigue and the low-cycle fatigue curves were compared and analyzed using the relationship between the relative deformation angles, which were measured based on each of the measurement points on the straight pipe, and the moment, which was measured at the center of the pipe elbow. Damage indices based on the combination of ductility and dissipation energy at each measurement point were used to quantitatively express the time at which leakage occurs due to through-wall cracking in the pipe elbow.

상⋅하수도 관로 시설은 대표적인 국가기반 시설물로서 국민생활에 있어서 매우 중요한 라이프 라인이다. 지진으로 인한 관로시설의 손상은 급수의 차단을 유발하여 심각한 피해를 초래할 가능성이 매우 크다. 그러므로 상⋅하수도 관로 시설은 지진으로부터 반듯이 안전하게 보호되어야 할 필요가 있다. 지진 및 지반침하로 인한 설계변위를 초과하는 상대변위는 구조물과 연결되는 배관의 이음부에서 손상을 발생시킨다. 벨로우즈형 신축이음관은 온도차에 의한 배관의 팽창 및 변형을 흡수하고 기계진동에 의한 배관의 손상을 막기 위한 장치이다. 본 연구에서는 매설된 상⋅하수도 관로를 보호하고자 지진변위와 지반침하 대응을 목적으로 벨로우즈를 적용하였다. 적층형 하이드로포밍 메탈 벨로우즈는 기존의 벨로우즈와 달리 지진과 같은 저주 기피로하중에 대한 내구성이 우수하다. 따라서 3ply 벨로우즈형 신축이음관을 대상으로 반복가력 굽힘시험을 수행하고 지진안전성과 내침하성능을 평가하였다. 그 결과, 3ply 벨로우즈형 신축이음관은 8.8°이상의 횡방향 변형각에 대응할 수 있는 것으로 나타났다.

배전기 캐비닛은 발전소와 같은 플랜트 시설에서 전자기기 혹은 시스템 컨트롤러 등을 보관하는 역할을 한다. 전기 캐비닛이 지진과 같은 외부하중에 의해 손상될 경우 시스템 장애 혹은 운영 중단이 발생할 수 있다. 안정적이고 지속가능한 에너지 공급을 위해 외부 하중에 의한 전기 캐비닛의 안전성 평가는 매우 중요하다. 전기 캐비닛은 주로 콘크리트 슬래브에 앵커 로 지지되기 때문에 앵커의 지지력 상실로 인해 전기 캐비닛이 손상될 수 있다. 콘크리트 재료는 다양한 불확실성이 존재하며 변동성이 다른 재료에 비해 큰 편이다. 따라서 본 연구에서는 선행연구에서 개발된 전기 캐비닛-앵커 시스템의 유한요소 모델을 이용하여 콘크리트 재료의 불확실성을 고려한 지진 취약도 평가를 수행하였다. 30개의 콘크리트 재료 모델을 라틴 하이퍼큐브 샘플링을 이용하여 샘플링하였으며 울진 지역의 등재해도 스펙트럼을 만족하는 인공지진을 적용하여 시간이력 해석을 수행하였다. 앵커의 응력과 캐비닛 최상단의 변위를 한계상태로 정의하였다. 지진 취약도 분석 결과 0.2g를 초과할 때 앵커의 응력 및 캐비닛 최상단 변위가 정해진 한계상태를 초과하는 것으로 나타났으며 대부분 0.5g에서 파괴되는 것으로 나타났다. 추후 연구에서는 지진의 불확실성과 재료의 불확실성을 동시에 고려하여 지진 취약도 평가를 수행하고자 한다.

배관 시스템은 다양한 산업영역에서 액체 및 기체로 이루어진 에너지를 수송을 담당하는 중요한 비구조요소로 지진과 같은 외부하중에 의해 손상될 경우 누수로 인한 홍수 및 가연성 가스 누출로 인한 화재 등의 2차피해가 발생할 수 있다. 배관 시스템은 구조물 내부에 설치되는 경우도 있으며 지반에 매립되어 설치되는 경우도 있다. 지반에 매립될 경우 지진으로 인한 과도한 상대변위에 의해 연결부의 손상을 초래할 수 있어 종종 벨로우즈 신축이음관을 적용하여 이러한 피해를 저감시킬 수 있다. 따라서 본 연구에서는 벨로우즈 신축이음관의 반복가력 실험을 기반으로 유한요소 모델을 구축 하여 내진성능을 검토하였다. 반복가력실험은 ±28mm 변위에서 최대 ±123.4mm까지 증가시켜 변위제어를 통해 수행되었으며 추가적으로 유한요소 모델의 신뢰성을 높이기 위해 벨로우즈 배관에 사용된 재료인 STS304의 재료 인장실험을 수행하여 탄성계수 및 항복응력을 결정하였다. 에너지 소산량과 등가 점성 감쇠를 비교하여 개발된 모델의 타당성을 검토하였으며 적용되는 변위가 커짐에 따라 최대 10% 미만의 오차가 발생하여 실험 및 해석결과가 잘 일치하는 것으로 나타났다.

원자력 발전소에 지진격리장치를 설치하여 내진성능을 향상시킬 수 있다. 그러나 지진격리장치의 적용으로 지반과 구조물 사이에서 큰 상대 변위가 발생하게 된다. 따라서 지진격리된 구조물과 일반 구조물을 연결하는 연결배관시스템의 경우 지진리스크가 증가할 수 있다. 따라서 이러한 배관시스템의 지진취약도를 분석할 필요가 있다. 본 연구에서는 지진취약도 분석 을 위해 지진격리된 APR1400 원자력발전소와 주증기관을 대상으로 지진취약도를 분석하였다. 주증기관은 지진격리된 nuclear island의 보조 건물과 터빈 건물을 연결하는 인터페이스 배관이다. 지진취약도 분석을 위한 파괴모드는 누출관통균열로 정의하였다. 누출은 실험결과와 수치해석을 통해 손상지수로 정량화하여 취약도 분석을 위한 파괴기준으로 사용하였다. 파괴기준의 변동에 의한 취약도 곡선의 변동성을 확인하기 위하여 손상지수의 최솟값, 최댓값, 평균값 및 중앙값을 파괴기준으로 하여 지진취약도 곡선을 작성하였다.

Nuclear power plant’s safety against seismic events is evaluated as risk values by probabilistic seismic safety assessment. The risk values vary by the seismic failure correlation between the structures, systems, and components (SSCs). However, most probabilistic seismic safety assessments idealized the seismic failure correlation between the SSCs as entirely dependent or independent. Such a consideration results in an inaccurate assessment result not reflecting real physical phenomenon. A nuclear power plant’s seismic risk should be calculated with the appropriate seismic failure correlation coefficient between the SSCs for a reasonable outcome. An accident scenario that has an enormous impact on a nuclear power plant’s seismic risk was selected. Moreover, the probabilistic seismic response analyses of a nuclear power plant were performed to derive appropriate seismic failure correlations between SSCs. Based on the analysis results, the seismic failure correlation coefficient between SSCs was derived, and the seismic fragility curve and core damage frequency of the loss of essential power event were calculated. Results were compared with the seismic fragility and core damage frequency of assuming the seismic failure correlations between SSCs were independent and entirely dependent.

급증하는 전련소비량을 감당하기 위해서 발전소는 필수적인 사회기반시설이며 안정적인 에너지 공급을 위해 발전소 내 구조적/비구조적 요소의 외부하중에 의한 안전성 평가는 반드시 필요하다. 국내에서 발생되는 지진의 상당수는 고주파 영역의 지진으로 보고되고 있으며 국내외 선행연구들에 의해 비구조적 요소가 고주파 지진에 더 많이 피해가 발생할 수 있는 것으로 연구되었다. 발전소 내에 대표적인 비구조적 요수중 하나인 전기 캐비닛의 경우 선행연구들에서 고유진동수가 10Hz 이상의 고주파 영역에 속하는 것으로 나타났으며 이에 따라 고주파 지진에 의한 안전성 평가가 필요할 것으로 판단된다. 본 연구에서는 전기 캐비닛의 고주파 지진에 의한 영향성 평가에 앞서 양문형 전기 캐비닛의 유한요소 모델을 구축하여 모드해석을 수행하였으며 진동대를 이용한 공진탐색실험 결과와 비교하여 모델의 타당성을 검토하였다. 또한 모델의 신뢰성을 높이기 위해 ABAQUS와 ANSYS Platform을 이용하여 모델을 구축하고 모드해석을 수행하였다. 실험에서 얻어진 1차, 2차 3차 전역모드의 주파수와 비교하였을 때 최대 약 5%의 오차가 발생하는 것으로 나타났다. 또한 1차, 2차, 3차 전역모드에 유효질량이 90%이상 참여하는 것으로 나타나 가장 지배적일 것으로 판단되며 모드형상이 유사한 것으로 판단되어 구축된 모델이 양문형 전기 캐비닛의 전체적인 동적 거동을 잘 모사할 수 있을 것으로 판단된다.

Analysis of the 2016 Gyeongju earthquake and the 2017 Pohang earthquake showed the characteristics of a typical high-frequency earthquake with many high-frequency components, short time strong motion duration, and large peak ground acceleration relative to the magnitude of the earthquake. Domestic nuclear power plants were designed and evaluated based on NRC's Regulatory Guide 1.60 design response spectrum, which had a great deal of energy in the low-frequency range. Therefore, nuclear power plants should carry out seismic verification and seismic performance evaluation of systems, structures, and components by reflecting the domestic characteristics of earthquakes. In this study, high-frequency amplification factors that can be used for seismic verification and seismic performance evaluation of nuclear power plant systems, structures, and equipment were analyzed. In order to analyze the high-frequency amplification factor, five sets of seismic time history were generated, which were matched with the uniform hazard response spectrum to reflect the characteristics of domestic earthquake motion. The nuclear power plant was subjected to seismic analysis for the construction of the Korean standard nuclear power plant, OPR1000, which is a reactor building, an auxiliary building assembly, a component cooling water heat exchanger building, and an essential service water building. Based on the results of the seismic analysis, a high-frequency amplification factor was derived upon the calculation of the floor response spectrum of the important locations of nuclear power plants. The high-frequency amplification factor can be effectively used for the seismic verification and seismic performance evaluation of electric equipment which are sensitive to high-frequency earthquakes.

경주지진과 포항지진으로 수도관 파열과 상수도관 누수가 보고되었다. 따라서 상수도 시설의 지진안전성 확보는 지속적이고 안정적인 물공급을 위하여 중요한 이슈이다. 상수도관은 주로 도로 하부나 일반 성토지반에 매설되어있기 때문에 지진파에 의한 변형뿐만 아니라, 지반의 영구변형, 사면의 불안정성 및 지반 액상화 등에 의한 배관의 굽힘 변형이 발생하게 된다. 이러한 배관의 굽힘 변형이 과도하게 발생 되면 배관 이음부 변위허용량을 초과하여 손상 및 누수로 이어지게 된다. 따라 서, 상수도관 이음부의 허용 변형각이 산출되어야 지진으로 인한 지반의 변형에 대하여 상수도관의 지진안전성을 정확하게 평가할 수 있다. 상수도 시스템은 현장 상황과 설치 여건에 따라 다양한 종류의 상수도관을 이용하고 있다. 그중 주철 상수도관은 오랜 기간 사용되고 개선되어 일반적으로 널리 사용되고 있다. 본 연구에서는 한국주철관공업(주)에서 제작한 EZ-LOK 조인트가 적용된 주철 상수도관에 대하여 4점 굽힘시험을 수행하였으며, 매설된 주철 상수도관의 내진 및 내침하 설계기준인을 참조하여 지진안전성을 평가하였다.