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.

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.

본 연구에서는 Steel Fiber를 원전 격납건물에 적용하기 위한 적용성 평가를 위해서 Steel Fiber가 삽입된 격납건물에 대 한 지진위험도 평가를 수행하였다. Steel Fiber를 콘크리트에 삽입함으로써 콘크리트의 구조적 성능에서 취약점인 인장성 능을 향상시킬 수 있고, 압축강도 및 전단강도도 증가시킬 수 있는 장점이 있기 때문이다. 그러나 아직까지 원전 격납건물 에 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 사 용하였을 경우, 격납건물의 지진안전성의 변화를 살펴보기 위하여 기존의 실험자료를 이용하여 취약도 평가를 수행하였다. 분석결과 Steel Fiber의 함유로 인하여 전단성능과 연성능력이 증가하여 지진취약도의 향상으로 나타났다. Steel Fiber함유 량이 1.0%인 경우 지진내력이 10%가량 증가하는 효과를 얻을 수 있었다. 그러나 본 연구의 결과는 제한된 기존의 실험결 과를 이용한 예비해석이므로 Steel Fiber의 실제 적용성을 적확하게 분석하기 위해서는 Steel Fiber가 함유된 다양한 콘크 리트 부재실험을 통하여 그 물성의 변화를 파악하여야 할 것이다.

본 연구에서는 변전소 시스템의 지진취약도 분석을 수행하여 변전소에 대한 지진취약도 함수를 제시하였다. 변전소는 여러 개의 설비와 구조물이 복합적으로 구성되어 있는 시스템이므로 각 설비에 대한 지진취약도 분석을 수행하여 이를 바탕으로 고장수목을 작성하여 변전소 전체의 파괴확률을 산정함으로써 변전소에 대한 지진취약도 평가를 수행하였다. 이를 위하여 국내 변전소의 현황을 파악하여 지진피해추정을 위한 변전소의 분류형식을 결정하였으며, 결정된 대표변전소 형식에 대한 평가대상 기기를 선정하였다. 대표 변전소 형식으로는 765kV, 345kV, 154kV 변전소의 GIS형 변전소로 결정하였다. 각 변전소의 취약도 검토대상 기기로는 변압기와 절연 애자를 선택하였다. 각 변전소의 변압기와 절연애자의 파괴모드와 파괴기준을 설정하여 지진취약도 곡선을 도출하였다. 최종적으로 변전소에 대한 고장수목을 이용하여 각 기기의 지진취약도 곡선으로부터 변전소 전체의 파괴확률을 산정하여 정의된 손상상태별 변전소의 지진취약도 함수를 산정하였다.

본 연구에서는 원자력발전소 비상디젤발전기의 내진안전성을 정량적으로 평가하기 위하여 지진취약도 분석방법을 제안하고 제안한 방법을 이용하여 비상디젤발전기의 지진취약도를 평가하여 정량적인 지진위험도를 제시하였다. 기존의 비상디젤발전기뿐만 아니라 면진장치를 설치하여 지진력 저감효과를 증대시킨 비상디젤발전기에 대한 지진취약도 분석을 함께 수행하여 비상디젤발전기와 같은 대형 회전기기의 경우 면진장치를 통한 지진취약도의 변화를 살펴보았다. 최종적으로 지진취약도 결과를 이용하여 HCLPF값의 변화를 비교하여 면진에 의하여 비상디젤발전기의 취약도를 크게 개선 할 수 있는 것을 알 수 있었으며, 면진된 경우 면진장치의 파괴가 전체 거동을 지배하므로 면진장치의 성능개선이 필요한 것을 알 수 있었다.

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.

비상디젤발전기는 원전의 안전성에 큰 영향을 미치는 매우 중요한 기기이다. 본 연구에서는 세 종류의 비상디젤발전기를 대상으로 가동중 진동을 계측하여 기초시스템에 따른 가동중 진동의 저감효과를 비교하였다. 대상 원전은 영광 5호기, 울진 2호기 및 울진 3호기 원전의 비상디젤발전기로 하였다. 영광 5호기와 울진 3호기의 비상디젤발전기는 동일한 종류의 비상디젤발전기로서 기초형식만 앵커볼트 고정과 스프링-댐퍼시스템을 이용한 면진으로 구분된다. 울진 2호기 비상디젤발전기는 기초부분에 seismic block을 설치하고 코일스프링을 이용하여 진동저감효과를 고려하였으므로 좋은 비교가 될 것이다. 이러한 진동계측의 목적은 기초형태에 따른 진동저감 효과를 비교해 보기 위함이다. 결과적으로 스프링-댐퍼 시스템이 진동저감과 시스템의 안정적 거동측면에서 좋은 효과를 보이고 있음을 알 수 있었다.

본 연구에서는 원전내 주요 안전관련 기기중 비상디젤발전기를 대상으로 한 진동대 실험을수행하였다. 원전의 비상디젤 발전기는 원전 전체의 노심손상빈도에 미치는 영향이 매우 크며 또한 면진장치를 설치하여 지진력을 저감시킬 경우 큰 폭으로 노심손상빈도를 감소시킬 수 있으며, 가동중 발생하는 소음과 진동으로 인하여 주변 구조물과 기기에 영향을 미치기도 한다. 따라서 지진력 저감과 기계 진동의 저감효과를 동시에 고려하기 위한 면진장치를 적용하여 그 효과를 평가하여 보고자하였다. 면진장치로는 코일스프링과 점성 댐퍼가 결합된 형태의 면진장치를 선정하였다. 실험의 대상으로 하는 비상디젤발전기는 영광 5,6호기에 설치되어 있는 모델로서 축소모형을 제작하였으며, 제작된 모형에 적합한 코일스프링-점성댐퍼 시스템을 설계하여 제작하였다. 제작된 면진장치를 축소모형에 설치하여 설계지진을 이용한 진동대 시험을 수행하여 지진력 저감효과를 분석하였다 본 연구를 통하여 설계지진의 경우 20% 그리고 Scenario 지진의 경우 70% 까지의 지진력 저감이 가능한 것을 확인하였으며, 면진장치의 기계적 특성이 설계값과 일치하지 않음으로 인하여 실제 지진력 저감효과가 크게 변할 수 있음을 확인할 수 있었다.

본 연구에서는 Coil Spring과 Viscous Damper 시스템의 동특성 분석을 위한 특성실험을 수행하였다. Coil Spring과 Viscous Damper 시스템은 원자력발전소 비상디젤발전기의 진동저감 및 지진력 저감을 위한 장치로 선정되었다. Viscous Damper 가진 속도에 따라서 그 특성이 다르게 나타나기 때문에 그 영향을 평가하여 진동저감과 지진력 저감효과를 동시에 고려할 수 있는 장치로서의 성능을 평가하고자 하는 것이다. 실험결과 수평방향의 경우 속도의존 비선형 거동이 두드러지게 나타나고 있는 반면 연직방향은 그러한 특성이 미미한 것으로 나타났다. 강성과 감쇠 모두 설계값보다 고평가 되고 있는 것으로 나타나서 전체 시스템의 면진 및 진동저감시 영향을 미칠 수 있는 것으로 나타났다.

2005년 3월 20일 발생한 Fukuoka 지진 시 국내 및 일본에서 관측된 자료를 이용하여 지반운동 감쇄특성을 분석하였다. 또한 최근 국내 및 일본에서 제시된 지반운동 거리감쇄식을 이용한 예측값과의 비교를 통하여 국내 강지진동 예측 시 일본에서 개발된 감쇄식의 적용가능성을 평가하였다. 그 결과 동일 거리에 위치한 국내 및 일본 관측소에서 측정한 기록이 비교적 유사하게 나타났으며 국내 및 일본에서 제시된 지반운동 거리감쇄식의 예측값이 매우 유사하게 나타나 국내에서의 강지진동 예측 시 일본에서 제시된 지반운동 감쇄식을 200km 이상의 비교적 원거리에 대한 국내 감쇄식의 평가 등에 유용하게 활용할 수 있는 것으로 나타났다.

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

원전 구조물 및 주요기기의 지진 안전성 평가에서는 내진성능을 정량화하는 방법으로 취약도 분석이 사용되고 있다. 지진취약도 분석은 격납건물의 설계 시 반영된 보수성을 배제한 실질적인 내진성능을 평가하는 것으로 이러한 보수성을 성능 및 응답에 관련된 확률론적 변수로 고려하여 평가하게 된다. 본 연구에서는 비선형 지진 해석으로부터 얻은 구조물의 변위응답을 기초로 한 지진취약도 분석 방법을 제시하였다. 또한 원전부지에서 선정된 발생가능한 근거리지진, 원거리지진, 설계지진 및 확률론적 시나리오지진을 시나리오지진으로 선정하고 이들 지진동에 대한 비선형 지진해석을 통하여 한국 표준형 원전 격납건물의 지진취약도를 평가하였다.

원전 구조물 및 기기의 내진설계를 위한 설계지진의 설정에는 결정론적 방법이나 확률론적 방법이 사용되어 왔다. 최근에는 확률론적 지진재해도 분석이 일반화 되면서 확률론적으로 설계지진 및 평가용 지진의 설정 방법이 합리적인 방법으로서 인식되어 많이 사용되고 있다. 우리나라의 경우 원전부지에 대한 확률론적 지진재해도 분석이 확률론적 지진위험도 평가의 일환으로 대부분 완료되어 있다. 본 연구에서는 확률론적 지진재해도의 재분해를 통하여 확률론적 시나리오 지진을 산정할 수 있는 기법을 확립하고 국내 원전 부지에 대한 확률론적 지진재해도 분석 결과를 이용하여 계산 예를 수행하였다. 이 기법을 사용하면 내진설계 및 내진안전성 평가에 활용할 수 있는 확률론적 시나리오 지진을 설정할 수 있어 매우 유용한 것으로 판단되며 합리적인 시나리오 지진의 산정을 위해서는 합리적인 지진구역도 및 감쇄식의 개발이 필요하다.

본 연구에서는 원전기기의 내진안전성을 증가시키기 위해 면진장치를 적용한 기기의 진동대 실험을 수행하였다. 원전구조물과 유사한 진동수 특성을 가지는 실험모형을 제작하여 실험에 사용하였으며 구조물 내부의 기기를 모형화 하기 위하여 400kg의 강체를 사용하였다. 탁월주파수 특성이 상이한 3종류 지진파를 이용하여 진동대 실험을 수행하였다. 면진장치로는 마찰진자형 베어링(FPS)을 사용하였다. 입력지진의 최대가속도를 0.1g, 0.2g, 0.25g의 3단계로 변화시키면서 실험을 수행하였고 또한 1방향, 2방향 및 3방향 가진에 의한 거동을 분석하였다. 실험결과 지진파의 연직성분이 FPS의 면진성능에 영향을 미치는 것을 알 수 있었으며 펄스타입의 속도성분이 큰 근거리 지진인 경우 면진효과가 감소하는 것을 알 수 있었다.

최근 수행된 우리나라 원전 부지에 대한 지진재해도 해석 결과 작성된 등재해도 스펙트럼에서 고진동수 성분의 지진동이 매우 우세하게 나타나고 있다. 일반적으로 지진취약도 해석에서는 설계 스펙트럼에 내재된 보수성을 평가하기 위해 스펙트럼 형상계수가 사용된다. 본 연구에서는 입력지반운동 스펙트럼의 형상이 변화함에 따른 층응답스펙트럼의 형상 변화를 분석하였다. 이때 입력 스펙트럼으로부터 직접 층응답스펙트럼을 작성할 수 있는 직접법을 사용하였다. 본 연구 결과 건물 내부에 설치된 기기의 취약도해석에서는 입력스펙트럼에 내재된 보수성을 구조물의 고유진동수에 대한 스펙트럼 형상계수가 아닌 기기의 고유진동수에 따른 층응답스펙트럼 형상계수로 고려하는 것이 정확한 취약도해석 결과를 주는 것으로 나타났다.

사각형 유체저장 탱크내에 저장되어 있는 유체의 비선형 유동거동을 섭동법을 사용하여 해석하였다. 제시된 방법에 의한 비선형 해석결과는 기존의 연구결과와 잘 일치하였다. 지반특성과 탱크형상에 따른 유체 표면의 비선형 거동 특성을 분석하여 비선형 해석의 중요성을 입증하였다. 유체의 비선형 거동은 토사지반에서 크게 나타나며 특히 Broad Tank에서의 응답은 대단히 크게 나타났다. 일반적으로 유체표면 유동의 비선형 해석결과는 선형해석결과 보다 크게 나타났다. 유체저장탱크의 설계시 선형해석 만으로는 최대응답을 과소평가할 수 있으므로 비선형 해석을 반드시 수행할 필요가 있다.

본 연구에서는 수평전단시험을 통하여 LRB(lead-rubber hearing)의 동적 특성을 분석하였다. 10ton 및 200ton 용량의 LRB를 이용하여 수평전단시험을 수행한 결과 LRB의 동적 특성은 수평하중의 재하속도, 연직하중의 크기 및 전단변형률 등에 따라 크게 달라지는 것으로 나타났다. 세장비가 큰 면진장치에 과도한 변형을 가할 경우 내부 납심에 소성한지가 발생되어 납심이 파괴되는 것으로 나타났다. 따라서 면진구조물의 설계 및 해석 시에는 지진응답과 재하하중의 크기에 따라서 달라지는 LRB의 기계적 특성치를 적용하여 안전한 설계가 이루어질 수 있도록 하여야 한다.

우리나라 전통 초가삼간의 1/4 축소모델을 제작하여 연약지반 조건에 대한 내진 성능실험을 수행하였다. Imperial Valley 지진파를 사용하여 모델의 파괴 시까지 거동을 분석하였다. 탄성한계 내에서 초가삼간의 고유진동수는 장방향 및 단방향 각각 1.66Hz 및 1.76Hz로 측정되었다. 탄성한게 내에서의 감쇠비는 약 7%이다. 수평방향의 최대 가속도응답은 입력에 비해 감소하며 이는 목조 프레임의 비선형, 비탄상 특성 때문이다. 수평방향의 변위응답은 입력이 증가함에 따라 급격히 증가하여 최대 지반가속도 0.25g에서 모델이 붕괴되었다. 비선형 지진해석 결과와 실험결과를 비교하였다.