Many piping systems installed in the power plant are directly related to the safety and operation of the plant. Various dampers have been applied to the piping system to reduce the damage caused by earthquakes. In order to reduce the vibration of the piping system, this study developed a steel coil damper (SCD) with a straightforward structure but excellent damping performance. SCD reduces the vibration of the objective structure by hysteretic damping. The new SCD damper can be applied to high-temperature environments since it consists of steel members. The paper introduces a design method for the elastoplastic coil spring, which is the critical element of SCD. The practical applicability of the design procedure was validated by comparing the nonlinear force-displacement curves calculated by design equations with the results obtained from nonlinear finite element analysis and repeated loading test. It was found that the designed SCD’s have a damping ratio higher than 25%. In addition, this study performed a set of seismic tests using a shaking table with an existing piping system to verify the vibration control capacity on the piping system by SCD. Test results prove that the SCD can effectively control the displacement vibration of the piping system up to 80%.

Seismic qualification of equipment including piping is performed by using floor response spectra (FRS) or in-structure response spectra (ISRS) as the earthquake input at the base of the equipment. The amplitude of the FRS may be noticeably reduced when obtained from coupling analysis because of interaction between the primary structure and the equipment. This paper introduces a method using a modal synthesis approach to generate the FRS in a coupled primary-secondary system that can avoid numerical instabilities or inaccuracies. The FRS were generated by considering the dynamic interaction that can occur at the interface between the supporting structure and the equipment. This study performed a numerical example analysis using a typical nuclear structure to investigate the coupling effect when generating the FRS. The study results show that the coupling analysis dominantly reduces the FRS and yields rational results. The modal synthesis approach is very practical to implement because it requires information on only a small number of dynamic characteristics of the primary and the secondary systems such as frequencies, modal participation factors, and mode shape ordinates at the locations where the FRS needs to be generated.

Seismic qualification of instruments and devices mounted on electrical cabinets in a nuclear power plant is performed in this study by means of the in-cabinet response spectrum (ICRS). A simple method and two rigorous methods are proposed in the EPRI NP-7146-SL guidelines for generating the ICRS. The simple method of EPRI can give unrealistic spectra that are excessively conservative in many cases. In the past, the time domain analysis (TDA) methods have been mostly used to analyze a structure. However, the TDA requires the generation of an artificial earthquake input motion compatible to the target response spectrum. The process of generating an artificial earthquake may involve a great deal of uncertainty. In addition, many time history analyses should be performed to increase the accuracy of the results. This study developed a numerical analysis program for generating the ICRS by frequency domain analysis (FDA) method. The developed program was validated by the numerical study. The ICRS calculated by FDA thoroughly matched with those obtained from TDA. This study then confirms that the method it proposes can simply and efficiently generate the ICRS compared to the time domain method.

Electrical instruments and devices contained in cabinets for controlling nuclear power plants require seismic qualification; likewise, in-cabinet response spectrum (ICRS) is necessary. Gupta et al. (1999) suggested the Ritz method, where rocking, frame bending, and plate bending behaviors of cabinets are considered, as a method for determining ICRS. This research proposes a method to determine the rocking stiffness of cabinets, which represents its rocking behavior. The cabinet is fixed on mounting frames and is connected to the base concrete by anchors. When horizontal excitation is applied to the cabinet, the mounting frames at anchors are locally deformed, the mounting frames are bent, and then rocking in the cabinet becomes evident. A method to determine equivalent vertical spring stiffness representing the local deformation of the mounting frames at anchors is then proposed. Subsequently, the rocking stiffness of this mounting frame is calculated upon assumption of the mounting frame as an indeterminate beam.

Safety-related cabinets and their electrical parts, such as relays and switches in nuclear power plants, should maintain continuous functioning, as well as structural safety according to the nuclear regulatory guidelines. Generally, an electrical part is qualified if its functioning is maintained without abnormality during excitement by motion compatible with the test response spectrum, which is larger than its in-cabinet response spectrum (ICRS). ICRS can be determined by shake-table test or dynamic analysis. Since existing cabinets in use can hardly be stopped and moved, dynamic analysis is preferred over shake-table test in determining ICRS. The simple method, suggested by the Electric Power Research Institute (EPRI) to determine ICRS, yields conservative or non-conservative results from time to time. In order to determine that the ICRS is better than EPRI method in a simple way, Ritz method considering global and local plate behaviors was suggested by Gupta et al. In this paper, the Ritz method is modified in order to consider the rocking and frame behaviors simultaneously, and it is applied to a simple numerical example for verification. ICRS is determined by Ritz method and compared with the results by finite element method (FEM). Based on this numerical example, recommendations for using Ritz method are suggested.

ASCE 4 requires that a hard stop be built around the seismic isolation system in nuclear power plants. In order to maintain the function of the isolation system, this hard stop is required to have clearance-to-stop, which should be no less than the 90th-percentile displacements for 150% Design Basis Earthquake (DBE) shaking. Huang et al. calculated clearance-to-stop by using a Latin Hypercube Sampling technique, without considering the rocking behavior of the isolated structure. This paper investigates the effects on estimation of clearance-to-stop due to 1) rocking behavior of the isolated structure and 2) sampling technique for considering the uncertainties of isolation system. This paper explains the simplified analysis model to consider the rocking behavior of the isolated structure, and the input earthquakes recorded at Diablo Canyon in the western United States. In order to more accurately approximate the distribution tail of the horizontal displacement in the isolated structure, a modified Latin Hypercube Sampling technique is proposed, and then this technique was applied to consider the uncertainty of the isolation system. Through the use of this technique, it was found that rocking behavior has no significant effect on horizontal displacement (and thus clearance-to-stop) of the isolated structure, and the modified Latin Hypercube Sampling technique more accurately approximates the distribution tail of the horizontal displacement than the existing Latin Hypercube Sampling technique.

It is very important to assure the seismic performance of equipment as well as building structures in seismic design of nuclear power plant(NPP). Seismically isolated structures may be reviewed mainly on the horizontal seismic responses. Considering the equipment installed in the NPP, the vertical earthquake responses of the structure also should be reviewed. This study has investigated the vertical seismic demand of seismically isolated structure by lead rubber bearings(LRBs). For the numerical evaluation of seismic demand of the base isolated NPP, the Korean standard nuclear power plant (APR1400) is modeled as 4 different models, which are supported by LRBs to have 4 different horizontal target periods. Two real earthquake records and artificially generated input motions have been used as inputs for earthquake analyses. For the study, the vertical floor response spectra(FRS) were generated at the major points of the structure. As a results, the vertical seismic responses of horizontally isolated structure have largely increased due to flexibility of elastomeric isolator. The vertical stiffness of the bearings are more carefully considered in the seismic design of the base-isolated NPPs which have the various equipment inside.

Seismic isolation has been considered and utilized in various industries as a way to prevent huge damage on to structures by large earthquakes in various industries. The laminated Laminated rubber bearings is are most frequently used in seismic isolation systems. The structural Structural safety could not be assured unless the performance of the rubber bearing is not guaranteed for the life time of the structure under the consideration that the bearing is a critical structural member to sustain vertical loads in the seismically isolated structure. However, there are few studies on the deterioration problems of rubber bearings during their service life. The long term performance of the rubber bearings was not considered in past designs of seismically isolated structures. This study evaluates the long term performance and creep characteristics of laminated natural rubber bearings that are used in seismically isolated buildings. For the this study, a set of accelerated thermal aging tests and creep tests are were performed on real specimens. The experimental results show that the natural rubber bearings would have a stable change rate of change for durability under severe environmental conditions for a long time.

Steel plate concrete (SC) composite structure is now being recognized as a promising technology applicable to nuclear power plants as it is faster and suitable for modular construction. It is required to identify its dynamic characteristics prior to perform the seismic design of the SC structure. Particularly, the damping ratio of the structure is one of the critical design factors to control the dynamic response of structure. This paper compares the criteria for the damping ratios of each type of structures which are prescribed in the regulatory guide for the nuclear power plant. In order to identify the damping ratio of SC shear wall, this study made SC wall specimens and conducted experiments by cyclic lateral load tests and vibration tests with impact hammer. During the lateral loading test, SC wall specimens exhibited large ductile capacities with increasing amplitude of loading due to the confinement effects by the steel plate and the damping ratios increased until failure. The experimental results show that the damping ratios increased from about 6% to about 20% by increasing the load from the safe shutdown earthquake level to the ultimate strength level.

최근 국내에서는 원자력발전소의 모듈화 공법에 적용하기 위하여 SC(steel plate concrete) 구조를 개발하는 연구를 진행하고 있다. 이 연구에서는 전단보강이 없는 비보강 SC 전단벽의 횡방향 내진성능 및 강성특성에 대하여 분석하기 위하여 전단벽 모형시편을 제작하고, 이를 대상으로 정적가력실험을 수행하였다. 실험 결과를 이용하여, 이 논문에서는 비보강 SC 구조의 횡력에 대한 파괴모드의 유형을 분석하고, 단면강도와 부재의 강성 특성을 검토하였다. 그리고 SC 구조용 설계기준에서 제시하는 단면의 강도 계산식과실험결과를 비교하였다. 연구결과, 비보강 SC 전단벽의 파괴 형태의 하나는 콘크리트와 강판의 부착 상실로 인한 휨전단파괴라는 사실을발견하였다. SC 구조 전단벽의 벽체 길이방향 거동은 파괴 시까지 벽체 외측의 강판이 내부 콘크리트를 구속하는 효과를 기대할 수 있으므로 연성능력이 향상되는 것이 확인되었다

비탄성요구스펙트럼의 형상은 구조물의 내진성능평가 결과에 많은 영향을 미친다. 비탄성요구스펙트럼은 강도감소계수를 적용하여 탄성응답스펙트럼을 비례축소시킴으로써 얻어질 수 있다. 이 연구는 기존에 많은 연구자들이 제안한 강도감소계수의 공식을 조사하였다. 이 논문에는 과거에 제안된 공식에 따라 작성된 강도감소계수 곡선과 비탄성요구스펙트럼 곡선의 형상 및 특성을 비교하고 있다. 조사된 공식으로 작성된 강도감소계수 곡선의 평균곡선을 구하고, 회귀분석을 통하여 평균 곡선의 공식을 유도하였다. 비교 연구를 통하여, 새롭게 제안된 강도감소계수 공식에 따라 작성된 비탄성요구스펙트럼의 형상은 기존에 제안된 공식으로 생성한 비탄성요구스펙트럼의 평균곡선과 일치함을 확인하였다.

원자력발전소(이하, 원전)에 설치되는 안전관련 전기기기들의 합리적인 내진검증을 위해서는 사전에 정확한 동특성분석이 필요하다. 이 연구에서는 원전에 설치되는 전기기기 캐비닛 구조를 대상으로 입력 진동의 수준에 따른 모드특성의 변화를 평가하였다. 이를 위해, 실제 전기기기 캐비닛을 시편으로 선정하고 가진 시험기를 이용하여 입력진동에너지의 크기를 변화시켜 가면서 진동시험을 수행하였다. 시험은 캐비닛의 문짝을 부착한 경우와 탈거한 경우로 구분하여 수행하였다. 진동시험을 통하여 계측된 시편의 가속도응답신호와 입력운동신호로부터 진동의 크기에 따라 진동수응답함수를 작성하였다. 다항식회귀분석기법을 이용한 모드분석기법으로 시편의 진동수응답함수를 분석하여 모드특성을 추출하고, 진동수준에 따른 시편의 동특성 변화를 검토하였다. 연구결과, 대상 기기는 입력진동의 크기가 증가할수록 모드진동수와 모드감쇠비가 비선형적으로 변화하는 것을 확인하였다. 문짝이 부착된 경우에는 문짝이 탈거된 경우에 비하여 캐비닛의 모드감쇠가 증가한다.

원자력발전소에 설치되는 안전관련 캐비닛형 전기기기는 설치 전에 내진검증이 요구된다. 전기기기의 동특성분석은 내진 검증에 포함된 중요한 과정이며, 기기의 정확한 해석모델을 작성하기 위해서도 필수적으로 요구되는 업무이다. 이 연구에서는 입력진동수준에 따른 기기의 동특성 변화를 분석하기 위하여 원전 지진감시시스템 캐비닛을 대상으로 진동대시험을 수행하고, 입력진동운동의 수준별로 계측된 진동응답신호를 진동수영역분해법으로 분석하였다. 분석결과, 대상기기는 입력진동수준의 크기에 따라 동특성이 비선형적으로 변화하고, 국내 원전의 안전정지지진 수준 이하의 진동에서도 동특성이 비선형적 거동을 보이고 있음을 확인하였다. 이러한 입력진동 수준에 따라 전기기기의 동특성이 비선형적으로 변하는 원인은 대상기기의 특성과 입력진동수준을 고려할 때 일반적인 재료 비선형보다는 각 부품들의 마찰력과 기하학적인 비선형성에 기인하는 것으로 판단된다. 따라서 전기 캐비닛의 입력진동수준에 따른 동특성의 비선형적 변화는 향후 안전관련 기기의 내진검증 업무에서 중요하게 검토되어야 할 것으로 판단된다.

원자력발전소에 설치되는 주요 전기기기들의 내부 부품을 내진검증하기 위해서는 캐비닛내부응답스펙트럼이 필요하고, 이는 캐비닛의 각 위치에서 정확한 지진응답을 구한 후에 생성이 가능하다. 반면에 대부분의 전기기기는 질량과 강성 분포가 복잡하기 때문에 해석적 방법에 의해 동적 분석을 수행하는 것이 어렵다. 이러한 여건을 감안하여 이 연구에서는 해석과 시험을 조합하여 기기의 지진응답을 예측하는 간편한 절차를 제안하였다. 제안된 절차는 먼저 충격시험을 통하여 규명된 실험모드특성을 이용하여 독립된 모드방정식을 구성하고, 이로부터 모드응답을 계산한 다음, 각 모드응답을 중첩함으로써 구조물의 지진응답을 예측한다. 제안된 절차의 신뢰성을 검증하기 위해서, 별도로 제작된 단순 강재 프레임 시편에 제안된 절차를 적용하여 지진응답을 예측하고, 이를 실제 진동대시험을 통하여 계측한 결과와 비교하였다. 이 연구를 통하여 충격시험에 의해 얻어진 실험모드특성을 이용하여 구조물의 지진응답을 비교적 정확하게 예측할 수 있음을 확인하였다.

최근 들어 구조물의 내진성능평가법으로서 간편법인 역량스펙트럼법이 건축물을 비롯한 교량분야에도 활용되고 있다. 현재까지의 연구는 대부분 대칭성을 갖는 정형화된 형상의 교량을 대상으로 하는 연구가 진행되어 왔다. 이 논문에서는 역량스펙트럼법을 비정형 곡선교에 적용시켰을 때의 실용성을 검토하였다. 이를 위해 3경간 연속 곡선교의 비탄성 내진성능을 역량스펙트럼법과 시간이력해석법으로 평가하였다. 곡선교의 응답은 단순 3경간 대칭형 직선교의 응답과 비교하고, 곡선교의 원호각의 정도에 따른 비탄성변위응답의 변화를 분석하였다. 역량스펙트럼법에 의한 평가결과는 비선형 시간이력해석법에 의한 결과와 비교하였다. 입력운동으로 사용한 지반 운동은 실제 기록 지진 중에서 선별된 El Centro지진과 Kobe지진이다. 해석결과, 역량스펙트럼법이 시간이력해석방법에 비하여 대체적으로 변위응답을 크게 산출하고 있는 것으로 확인되었다. 역량스펙트럼법에 의한 해석결과로 얻어진 직선교에 대한 변위 응답 값은 시간이력해석결과와 대체적으로 일치하고 있다. 하지만 곡선교의 원호각이 커질수록 교각의 비탄성 변위는 직선교의 비탄성 변위와 비교하였을 때 그 차이가 증가되는 것으로 확인되었다.

본 연구는 원자력발전소에 설치되는 캐비닛형 전기기기의 동적 진동시험 자료를 이용하여 캐비닛의 지진응답을 예측할 수 있는 기법을 제안하였다. 제안된 기법은 1) 절점질량 이상화 모델에 기반한 등가 지진하중 산정, 2) 진동시험자료에 기반한 캐비닛 구조의 입출력 상태방정식 규명, 3) 산정된 등가지진하중과 규명된 입출력 상태방정식을 사용한 지진응답산정의 과정으로 구성된다. 제안된 기법은 유한요소기법(FEM) 모델 개선(Model Updating)에 기반한 지진응답예측기법에 비하여 모델링 오차가 개입 되지 않는 장점을 가진다. 캐비넷 구조를 이상화한 2차원 프레임 모델과 3차원 상세 모델에 대한 수치검증을 통하여 제안된 기법이 지진응답을 매우 정확하게 예측을 함을 관찰하였고, 측정 노이즈에 대해서도 강인함을 관찰하였다. 추후연구로 실험검증이 요구된다.

지진과 같은 재난이 발생하였을 때에도 전력설비는 그 본래의 기능을 상실하지 않고 구조적인 안정성을 유지해야 하는 핵심 산업시설물이다. 이 연구는 가장 대표적인 전력설비인 154kV 변압기에 부착된 애자형 부싱의 진동특성과 내진성능을 분석하였다. 연구의 목적에 따라 국내에서 운용하던 실제 154kV 변압기 부싱을 대상으로 30tonf 용량의 진동대를 이용하여 진동시험이 실시되었다. 진동시험은 동특성분석시험과 내진성능시험 그리고 파괴한도시험으로 구분하고, 각각의 시험에는 정현소인파, 인공지진파 그리고 연속공진정현파를 진동대운동으로 입력하였다. 이 논문에는 시험에 사용된 시편과 진동설비의 특성 그리고, 시험 방법 및 종류를 설명하고, 시험 결과 얻어진 계측자료의 특성에 대하여 논의한다. 이 연구를 통하여 국내에서 운용중인 154kV 변압기 부싱은 그 고유진동수가 20Hz 이상인 고진동수 설비이며, 감쇠비는 4%미만인 것으로 분석되었다. 또한, 특별한 경우를 제외하고, 변압기 부싱은 국내의 설계기준지진에 대하여 충분한 내진안전성을 보유하고 있으며, 강한 공진운동에 의해 예상되는 부싱의 최초 파괴모드는 하단 개스킷의 파손인 것으로 밝혀졌다.

지진취약도분석 기술은 원자력발전소의 구조물 및 기기의 실제 내진성능을 평가하기 위하여 이용된다. 이 논문에서는 원자력 발전소를 구성하는 구조물들의 지진취약도를 평가하는 개선된 기법에 대하여 요약하였다. 또한, 최근 몇 년간 한반도에서 발생된 소규모 기록지진의 응답스펙트럼에 대한 공학적 특성을 평가하고, 이러한 기록지진의 응답스펙트럼을 부지의 실제 지반운동으로 사용할 경우, 지진취약도 분석에 미치는 영향을 검토하였다. 몇가지 예제 구조물에 대한 지진취약도분석을 통하여 기록지진의 특성이 한국형 원자력발전소의 내진성능에 미치는 영향을 정량적으로 평가하였다. 평가결과, 현재까지 부지의 실제 지반운동으로 사용되어 오던 Newmark 스펙트럼은 국내 시설물의 내진성능을 과대평가 할 수 있음을 보여주었다.

이 연구는 원자력발전소 구조물의 확률론적 내진성능을 평가하는 수단으로 이용되고 있는 지진취약도분석 기법에 대하여 소개하고, 지진취약도분석에 입력자료로 제공되는 기본변수의 특성에 대하여 논의하였다. 특히, 지진취약도 분석결과에 지대한 영향을 미칠 수 있는 입력변수의 하나인 응답스펙트럼형태계수의 정의 방법을 개선하였다. 새로운 응답스펙트럼형태계수는 구조물의 고유진동모드별 기여도가 전체 구조응답에 미치는 영향을 고려할 수 있도록 모드별 기여도를 이용하여 표현하였다. 대표적인 원자력발전소 구조물을 대상으로 예제분석을 수행하고, 제안된 응답스펙트럼형태계수의 유용성 및 적용성을 검증하였다. 특히, 이 논문의 방법은 복합모드감쇠특성을 갖는 구조물의 경우에도 효과적으로 적용될 수 있음을 확인하였다.

합리적인 기기의 활률론적 지진위험도 평가를 위해서는 모델의 동특성에 대한 보다 현실적인 정보가 제공되어야 한다. 이 연구에서는 심한 비선형 동적 거동을 보일 것으로 예상되는 철제 전기 캐비넷의 동특성 시험결과 및 분석 절차를 제시하였다. 특히, 이 연구에서는 가진 강도의 크기에 따른 동특성의 비선형 집중분석하고, 그 비선형성의 원인을 고찰하였다. 시험 결과 및 이 논문에 제시된 분석 절차를 이용하여 시험체의 동특성이 효과적으로 도출될 수 있으며, 대상 시험체는 가진 강도에 따라 심한 비선형 거동을 함을 입증하였다. 비선형성의 원인은 일반적인 재료 비선형이라기 보다는 각 부품들의 마찰력과 기하학적인 비선형성에 기인함을 발견하였다. 또한, 캐비넷 형식의 기긱에 대한 합리적인 내진안전성 평가를 위해서는 각 방향별로 서로 다른 감쇠값을 적용할 것을 추천하였다. 또한, 캐비넷 형식의 기기에 대한 합리적인 내진안전성 평가를 위해서는 각 방향별로 서로 다른 감쇠값을 적용할 것을 추천하였다.