벨로우즈 신축이음관은 구조적 특성으로 인해 큰 변위 용량을 갖으며 과도한 상대변위에 의한 매립 배관 시스템의 손상을 저감시키기 위해 연결부로써 사용된다. 벨로우즈 신축이음관의 내진성능 평가를 위한 연구에서 한계상태는 변형률을 적용하였지만 변형률 기반 한계상태는 벨로우즈 신축이음관의 큰 변위용량을 고려할 수 없다. 또한 벨로우즈 신축이음관의 성능평가와 한계상태 분석을 위한 해석적 및 실험적 연구는 수행된 사례가 극히 적다. 따라서 본 연구는 단조 및 반복하중을 받는 벨로우즈 신축이 음관의 해석적 연구를 통해 벨로우즈 신축이음관의 한계상태를 분석하였다. 결과적으로 단조하중 보다 반복하중을 받는 벨로우즈 신축이음관은 더 낮은 변위에서 누출이 발생하였다. 반복하중으로 인한 피 로 및 라체팅 현상으로 인해 단조하중 보다 낮은 변위의 성능을 갖는 것으로 보여진다. 따라서 반복하 중에서 관측된 변위응답을 기반으로 벨로우즈 신축이음관의 내진성능 평가를 수행하는 것이 보수적일 것으로 판단된다.

Prestressed Concrete Containment Vessels(PCCV)는 중대사고 발생 시 방사능 누출을 막기 위한 최 후의 방벽이며 체르노빌 및 스리마일 섬 원전 사고 이후 PCCV의 내압성능에 대한 관심이 높아졌다. PCCV는 장비반입 및 작업자 출입 등을 위한 다양한 관통부가 존재한다. 이러한 관통부로 인해 PCCV는 비축대칭적인 변형을 보이며 관통부는 취약부위로 고려된다. 하지만 관통부의 거동은 전체모 델에서 정확히 모사할 수 없다. 따라서 PCCV의 내압성능 평가를 위한 규제지침인 Reguratory Guide(RG) 1.216은 관통부에 대한 내압성능 평가를 위해 상세국부모델을 작성하여 평가하도록 권고하고 있다. 하 지만 대부분의 국부모델을 이용한 PCCV의 내압성능 평가와 관련된 선행연구는 전체모델을 이용하여 관통부의 응답을 관측하고 보정인자를 사용하여 수행되었다. 따라서 본 연구는 내압을 받는 1:4 scale PCCV의 관통부에 대한 거동 분석과 내압성능 평가를 위해 관통부의 상세 국부 유한요소 모델을 구축 하였다. 미국의 Sandia National Laboratory의 실험적 연구 결과와 비교하여 구축된 모델을 검증하였 으며 관통부의 내압거동을 분석하였다.

원자력발전소(원전) 내부에 설치되어 있는 주요 기기는 원전의 안정적인 운영을 돕는 주요 2차 구조 물이다. 경주 지진, 포항 지진과 같은 강한 지진이 발생하였을 때, 원전 주요 기기의 손상은 원전의 안정한 정지에 문제를 초래할 수 있다. 따라서, 원전 주요 기기의 지진응답을 저감시키기 위한 연구가 필수적으로 요구된다. 이러한 배경 아래, 본 연구에서는 원전 주요 기기의 내진성능 향상을 위하여 동 흡진장치(Dynamic Absorber)를 활용하였다. 연구에서 사용된 동흡진장치는 스프링, 댐퍼, 및 질량체로 구성된다. 이러한 동흡진장치를 설계하기 위하여 기존에 제안된 방법론들을 활용하였으며, 각 방법론 들을 기반으로 설계된 동흡진장치의 지진응답 저감효과를 비교 및 분석하였다. 구체적으로, 진동대 시 험 결과를 바탕으로 유한요소 모델을 검증하였다. 또한, 이를 기반으로 기존 동흡진장치의 설계방법론 에 따른 원전 주요 기기의 지진응답 저감 효과를 비교 및 분석하였다. 결과적으로 각 방법론들은 원전 주요기기의 가속도, 변위, 응력 응답을 평균적으로 약 30% 정도 감소시키는 효과를 보였다.

격납건물은 원자력 발전소의 중대 사고 발생시 방사성 물질의 외부 방출을 막는 심층 방어 체계 중 마지막 방벽이다. 중대사고 발생시 격납건물 내부에선 노심 융해와 수소 발생으로 인한 내압 상승과 증기 폭발로 인한 구조적 손상이 일어나며, 이에 대한 구조적 건전성을 평가하기 위해 격납건물에 대 한 극한 내압 성능 평가를 실시한다. 극한 내압 성능 평가 방법 중 확률론적 평가시 현실적인 제약으 로 인해 고신뢰도 유한요소해석 모델을 이용하며 이때에 불확실성 인자들의 확률 분포 특성을 고려한 데이터 셋을 샘플링 기법을 이용하여 구성한 후 비선형 해석을 실시한다. 도출된 비선형 해석 결과는 취약도 곡선을 도출에 사용되며, 취약도 곡선을 이용하여 확률론적인 평가가 실시된다. 샘플링 기법에 따라 적절한 표본 크기가 아닌 데이터셋을 구성하게 되면 통계적 불확실성으로 인한 취약성 분석의 오차가 증대된다. 하지만 유한요소해석시 발생하는 막대한 계산 비용으로 인하여 기존의 방식은 적절 한 샘플링 크기 선정 및 부적절한 샘플링 크기 선정으로 인한 확률론적인 성능평가에 대한 영향에 대 한 정량화 및 평가를 제한적으로 수행하였다. 따라서 본 연구에서는 격납건물의 재료적 특성 및 내압 으로 인한 변위 데이터를 기반으로 생성한 인공신경망 모델을 통해 유한요소 해석에 대한 대리모델을 생성한다. 이후 생성한 대리모델을 기반으로 일반적인 불확실성 분포 샘플링에 사용되는 Monte Carlo method, latin hypercube sampling, Sobol sequence을 이용하여 표본 크기에 따른 격납건물 확률론적 인 극한내압성능 평가에 대한 영향을 정량화 및 평가를 실시하겠다. 이를 통해 제한적으로 탐색되었던 불확실성 공간에 대하여, 그 통계적 불확실성 및 전방위적인 탐색이 가능해 질것으로 기대한다.

전기 캐비닛은 병원 및 발전소와 같은 중요 시설물에서 운영과 관리를 위한 시스템 기기를 보관한 다. 지진과 같은 극한하중 하에서 중요 시설물은 지속적으로 운영 및 제어되어야 하기 때문에 전기 캐 비닛의 안전성은 평가되고 확보되어야 한다. 하지만 실험적 연구만으로 다양한 유형의 전기 캐비닛에 대한 내진성능 평가를 수행하는 것은 많은 제약이 있다. 따라서 다양한 연구자들은 전기 캐비닛의 유 한요소 모델을 구축하고 내진성능 평가를 수행하였다. 유한요소 모델은 beam-stick 요소를 기반으로 구축되거나 3차원 shell 요소를 기반으로 구축되어왔다. Beamk-stick 요소 기반 및 3차원 shell 요소 기반의 유한요소 모델에 대한 전체거동에 대한 비교를 수행한 사례는 있으나 국부거동에 대한 동적응 답을 비교한 연구사례는 없다. 전기 캐비닛은 내부에 시스템 기기가 보관되므로 내부의 국부거동 기반 의 내부응답을 포착할 수 있어야한다. 따라서 본 연구는 단문형 전기 캐비닛에 대한 beam-stick 요소 및 3차원 shell요소를 기반으로 유한요소 모델을 구축하고 동일한 높이에서 가속도 응답을 비교하였다. 결과적으로 beam-stick 요소 기반의 3차원 유한요소 모델은 전기 캐비닛 내부 응답 스펙트럼을 정확 히 예측할 수 없기 때문에 내부 응답 스펙트럼을 위해서는 3차원 shell요소 기반의 상세 유한요소 모 델을 사용해야 한다.

원자력 발전소에서 배관 시스템은 냉각수 및 오염수를 운반하고 생성된 증기를 터빈으로 이동시켜 에너지를 생산하는 중요한 설비이다. 국내에 건설된 원자력 발전소의 가동연수가 증가함에 따라 배관 시스템의 물리적, 기계적 성질의 열화현상은 발생할 수 있으며 이를 경년열화로 정의한다. 배관 시스 템의 경년열화는 재료의 피로, 부식(국부감육), 마모 등과 같은 메커니즘을 통해 발생할 수 있으며 재 료의 강도 및 시스템의 성능 저하와 균열을 야기할 수 있다. 지속적이고 안정적인 에너지 생산을 위해 경제성과 정확도를 고려한 원전 배관 시스템의 손상 감시 기술은 필요하다. 따라서 본 연구는 원전 배 관 시스템의 손상 감시 기술을 개발하기 위한 기초적인 연구로써 배관 시스템의 취약요소로 판단되는 elbow의 국부적인 감육에 따른 거동의 변화를 분석하고자 한다.

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.

전기 설비는 원자력 발전소와 같은 발전소에서 발전 시스템을 운영하고 시설물 전체의 안전을 유지하는데 중요한 역 할을 한다. 이러한 전기 설비들은 캐비닛 내부에 설치되어 외부의 위험으로부터 보호된다. 캐비닛 자체 구조와 내부의 전기 장 치들의 내진검증은 발전소의 안전한 운영을 위해 필수적이다. 부분 전기 캐비닛의 내진검증 연구들은 진동대 시험에 의존하여 진행되고 있다. 그러나 시험을 기반으로 한 내진검증의 경우 다양한 종류의 전기 캐비닛의 특성을 포함하기에는 한계가 있다. 이러한 문제는 상세 3D 유한요소 모델을 통한 내진 검증평가는 진동대 시험으로 인한 비용 및 시간을 절약할 수 있고 다양한 형태 및 위치의 전기설비 설치에 따른 내부의 응답 민감성을 확인해 볼 수 있다. 본 연구에서는 단문형 전기 캐비닛의 내진응 답에 대한 연구를 실시하였다. 먼저 진동대 시험으로 얻은 모달해석 결과를 바탕으로 ABAQUS software를 통해 구축된 3D 상세 유한요소 모델을 검증하였다. 그리고 캐비닛 내부의 다양한 기기 설치를 모사하기 위해 캐비닛 하부 및 상부 위치에 캐비닛 총 무게의 2%, 4%, 6%의 질량을 유한요소 모델에 추가하였다. 또한 2개의 고주파 지진과 2개의 저주파 지진을 입력 지진으로 선 정하여 캐비닛 내부 기기의 질량 변화에 따른 캐비닛 내부와 외부의 가속도 응답 변화를 분석하였다.

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.

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.