무작위진동이론(random vibration thoery, RVT)에 기반하여 원전 시설물 부계통의 지진응답해석과 확률론적 지진안전성평가를 위 한 구조응답스펙트럼(in-structure response spectrum, ISRS) 스케일링 기법을 새로이 제안한다. 새로운 방법은 대상 구조물의 동적 특 성에 대한 정보를 활용하지 않고, 구조응답과 지진지반운동의 파워스펙트럼밀도(power spectral density, PSD) 함수의 비를 사용한다. 무작위 진동의 첨두값 계수를 사용하여 진동의 PSD 함수로부터 첨두값의 통계적 특성과 무작위 진동의 응답스펙트럼을 추정할 수 있으므로, 반복계산을 통해 기존 지반운동 응답스펙트럼과 ISRS에 부합하는 PSD 함수와 그 비례계수를 도출한다. 이 계수를 신규 지 반운동 응답스펙트럼에 부합하는 PSD 함수에 적용하여, 신규 ISRS의 PSD 함수와 이에 대응하는 ISRS를 도출하는 스케일링을 수행 한다. 제안된 RVT에 기반한 새로운 스케일링 기법을 예제 원전 구조물에 적용하고, 응답이력방법에 의한 참조해와 비교하여 제안한 새로운 스케일링 기법이 정확성을 확인할 수 있다. 비례계수를 산정하기 위한 기존의 근사 방법들과 비교하여, 새로운 스케일링 기법 은 ISRS의 첨두 등을 잘 표현할 수 있는 것을 관찰할 수 있다.

본 논문에서는 최근 제안된 신뢰성 기반 리질리언스 평가 기법을 기반으로 지역 별 지진 특성이 구조물의 리질리언스 성능에 미치 는 영향을 정량정으로 평가하였다. 이를 위해 한국 경주와 캐나다 밴쿠버를 대상 지역으로 선정하여 동일 구조물에 대한 리질리언스 해석을 수행하였다. 각 지역에 해당하는 설계 응답 스펙트럼곡선을 바탕으로 그에 상응하는 지진동을 생성하였고, 6층 철골 구조물 을 대상 구조물로 선정하여 해석을 수행하였다. 신뢰성 및 여용성 지수 산정 시 층간 변위의 한계상태 초과 사건을 구성요소의 파괴사 건으로, 최상단 변위의 한계상태 초과 사건을 시스템 단위의 파괴로 정의하였다. 고전 취약도 해석과 유사한 증분동적해석을 수행하 여 신뢰성과 여용성을 평가하였고, 계산 결과, 두 지역의 리질리언스에 유의미한 차이가 있음을 확인하였다. 특히 장주기 증폭이 예 상되는 밴쿠버 지역의 경우 경주에 비해 구조물의 여용성이 크게 감소하는 것을 확인하였다.

원자력발전소(원전) 시스템 내진성능 평가를 위하여 구조물내응답스펙트럼(ISRS)은 필수적으로 요구된다. 특히, 원전 부지 고유 스펙트럼 변경 시 새로운 ISRS 도출이 요구될 경우 지진 재해석 등의 상당한 비용을 필요로 하게 된다. 따라서 이 연구는 지진 재해석 이 필요 없는 ISRS 스케일링 근사 방법에 대한 여러 가지 접근법을 제공한다. 이러한 접근법으로 도출한 ISRS는 정확한 ISRS와 비교 한다. 근사 방법의 ISRS 가 원전 주요 시스템 지진응답 및 내진성능에 미치는 영향을 분석한다. 결과적으로 본 연구에서 제시한 ISRS 스케일링 근사 방법은 저주파에서 비교적 유사하게 ISRS를 도출하지만, 고주파에서는 그 정확도가 감소하였다. ISRS 스케일링 근사 방법이 시스템 지진응답/내진성능 산출 정확도에 미치는 영향은 방법의 시스템 주요 모드 응답 유사도 산출 정도에 따라 결정된 것을 확인할 수 있었다.

For important structures such as nuclear power plants, In-Structure Response Spectrum (ISRS) analysis is essential because it evaluates the safety of equipment and components installed in the structure. Because most structures are asymmetric, the response can be affected by eccentricity. In the case of seismically isolated structures, this effect can be greater due to the difference between the center of mass of the structure and the center of rigidity of the isolator layer. Therefore, eccentricity effects must be considered when designing or evaluating the ISRS of seismically isolated structures. This study investigated the change of the ISRS of an isolated structure by assuming accidental eccentricity. The variables that affect the ISRS of the isolated structure were analyzed to see what additional impact they had due to eccentricity. The ISRS of the seismically isolated structure with eccentricity was amplified more than when there was non-eccentricity, and it was boosted more significantly in specific period ranges depending on the isolator’s initial stiffness and seismic intensity. Finally, whether the displacement requirement of isolators can be applied to the variation of the ISRS due to eccentricity in the design code was also examined.

바람에 의한 구조물의 진동은 관심대상이 되는 지배모드의 감쇠비에 매우 민감하다. 감쇠비의 발현 메커니즘의 불확실성 등 에 의해 감쇠비의 추정은 여전히 도전과제이며 보다 정확한 감쇠비 추정을 위한 연구가 지속되고 있다. 본 연구에서는 스펙트럼 밀도 적분함수라는 새로운 개념을 이용하여 구조물의 감쇠비를 추정하는 기법을 다룬다. 모드 응답스펙트럼에 포함된 외부하중 스펙트럼을 적분에 의한 평균화효과에 의해 평탄화 한 후 이론적 적분함수와 비교하여 감쇠비를 구하는 원리이다. 감쇠비 추출 가능성 탐색을 위 해 이론적 스펙트럼 밀도 적분함수의 특성을 분석하였으며, 비고전감쇠 시스템이 가지는 혼성 모드응답에 적용할 수 있는 감쇠비 추 정법로 확장하였다. 본 연구에서 제안된 감쇠비 추정법을 검증하기 위한 수치해석과 계측응답에 대한 적용이 이루어졌으며, 검증결과 제안된 감쇠비 추정법이 안정적이며, 신뢰도가 높은 감쇠비 추정이 가능함을 알 수 있었다.

In order to evaluate the earthquake safety of equipment in structures, it is essential to analyze the In-Structure Response Spectrum (ISRS). The ISRS has a peak value at the frequency corresponding to the structural vibration mode, but the frequency and amplitude at the peak can vary because of many uncertain parameters. There are several seismic design criteria for ISRS peak-broadening for fixed base structures. However, there are no suggested criteria for constructing the design ISRS of seismically isolated structures. The ISRS of isolated structures may change due to the major uncertainty parameter of the isolator, which is the shear stiffness of the isolator and the several uncertainty parameters caused by the nonlinear behavior of isolators. This study evaluated the effects on the ISRS due to the initial stiffness of the bi-linear curve of isolators and the variation of effective stiffness by the input ground motion intensity and intense motion duration. Analyzing a simplified structural model for isolated base structure confirmed that the ISRS at the frequency of structural mode was amplified and shifted. It was found that the uncertainty of the initial stiffness of isolators significantly affects the shape of ISRS. The variation caused by the intensity and duration of input ground motions was also evaluated. These results suggested several considerations for generating ISRS for seismically isolated structures.

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.

In 2016, an earthquake occurred at Gyeongju, Korea. At the Wolsong site, the observed peak ground acceleration was lower than the operating basis earthquake (OBE) level of Wolsong nuclear power plant. However, the measured spectral acceleration value exceeded the spectral acceleration of the operating-basis earthquake (OBE) level in some sections of the response spectrum, resulting in a manual shutdown of the nuclear power plant. Analysis of the response spectra shape of the Gyeongju earthquake motion showed that the high-frequency components are stronger than the response spectra shape used in nuclear power plant design. Therefore, the seismic performance evaluation of structures and equipment of nuclear power plants should be made to reflect the characteristics of site-specific earthquakes. In general, the floor response spectrum shape at the installation site or the generalized response spectrum shape is used for the seismic performance evaluation of structures and equipment. In this study, a generalized response spectrum shape is proposed for seismic performance evaluation of structures and equipment for nuclear power plants. The proposed response spectrum shape reflects the characteristics of earthquake motion in Korea through earthquake hazard analysis, and it can be applied to structures and equipment at various locations.

본 논문에서는 질점계 비선형 지진응답해석을 통한 역량스펙트럼 도출방법을 소개한다. 일반적인 건축물의 손상도 평가는 비선형 등가정적해석(Push-over Analysis)을 통하여 건축물의 역량스펙트럼을 도출하고, 역량스펙트럼과 요구스펙트럼의 교차점을 성능점으로 평가하고 있다. 등가정적해석은 지진의 영향을 등가의 정적하중으로 환산한 후 이를 이용하여 정적해석을 수행함으로써 구조물의 지진에 의한 거동을 예측하는 방법이다. 이 방법은 고차모드 및 층별 동특성의 영향을 고려할 수 없다. 따라서 건축물의 동특성이 반영된 역량스펙트럼을 산출하기 위하여 질점계 비선형 지진응답해석을 진행하여 건축물의 역량 스펙트럼을 제안하고자 한다.

Structures in a nuclear power system are designed to be elastic even under an earthquake excitation. However a structural component such as an isolator shows inelastic behavior inherently. For the seismic assessment of nonlinear structures, response history analysis should be performed. In this study, the response of base isolation system was analyzed by response history analysis for the seismic performance assessment. Firstly, several seismic assessment criteria for a nuclear power plant structure were reviewed for the nonlinear response history analysis. Based on these criteria, the spectrum matched ground motion generation method modifying a seed earthquake ground motion time history was adjusted. Using these spectrum matched accelerograms, the distribution of displacement responses of the simplified base isolation system was evaluated. The resulting seismic responses excited by the modified ground motion time histories and the synthesized time history generated by stochastic approach were compared. And the response analysis of the base isolation system considering the different intensities in each orthogonal direction was performed.

쉘형 구조물의 동적 불안정 문제를 다룬 연구결과는 다소 발표되고 있으나 위상곡면을 이용하여 카오스 생성에 관한 기본적 현상을 다룬 연구는 거의 없는 실정이다. 동적 비선형 문제에서 여러 가지 초기조건에 의해 불안정 현상이 민감하게 발생하는 이유를 파악하기 위해서는 위상곡면에서 끌개의 특성을 조사하여 동적 불안정 생성과정을 검토하는 일은 매우 중요하다. 본 연구에서는 얕은 EP 쉘이 스텝하중을 받을 때, 직접 좌굴과 간접 좌굴의 발생 경로를 파악하기 위하여 Galerkin 법에 의해 전개된 이산화 방정식을 구한다. 이를 수치해석 기법으로 위상곡선과 연속응답스펙트럼을 구해 동적 불안정 특성을 규명한다.

건축물의 지진응답해석에서 입력지진동은 구조물의 비선형 응답에 중요한 영향을 미치는 요소이다. 지진동의 특성은 표층지반의 성질과 국부적인 지반 조건에 따른 여러 가지 인자에 의해 그 특성이 결정되기 때문에 구조물의 지진응답해석에서 일반성을 갖는 입력지진동을 선정하는 것은 매우 어려운 문제이다. 본 논문은 내진설계용 스펙트럼에 적합한 인공지진동파형을 작성한 후, 작성된 인공지진동에 의한 철근콘크리트 다층 골조구조물의 탄소성 응답특성을 분석한 것이다. 여기서 작성된 인공지진동파형은 과거 비교적 큰 규모의 지진에서 얻어진 기록지진동과 동일한 위상각을 가지며, 감쇠정수 h=5%일 때의 내진설계용 스펙트럼과 거의 일치하도록 작성하였다. 입력지진동의 탄성 가속도 응답스펙트럼이 동일한반면, 각 입력지진동띄 위상특성이 다른 인공지진동을 입력하여 다자유도 골조 구조물의 지진응답을 분석하여 건축물의 내진설계용 지진동으로서 타당성을 확인하는 것이 목적이다. 본 논문에서 작성된 인공지진동은 기록지진동에 비해 지진응답치가 안정된 값을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 그러므로 다층 골조구조물의 비선형 지진응답해석용 입력지진동으로 타당성이 높다고 사료되며, 비선형 지진응답해석용 입력지진동의 강도를 탄성 가속도 응답스펙트럼으로 규준화 하는 것이 합리적이라고 사료된다.

건축구조물의 응답스펙트럼 해석법은 주로 내진설계를 위하여 많이 사용되고 있고 시간이력 해석법은 기계, 설비, 사람에 의한 하중 등이 건축물에 가해지는 경우에 많이 사용되고 있다. 응답스펙트럼 해석법과 시간이력해석법을 비교해 보면 시간이력 해석법은 복잡하고 분석이 어려우며 해석에 시간을 많이 필요로 하고 구조물이 복잡해질 경우에는 해석이 어려운 경우도 있다. 본 연구에서는 응답스펙트럼해석법을 이용하여 기계나 사람에 의한 하중을 받는 건축물 바닥판의 연직응답을 구하고자 한다. 이를 위하여 모드조합에서는 CQC기법을 적용하였으며, 사람의 활동을 중심으로 하중간의 상관관계를 분석하여 해석에 적용하였다. 제안방법은 시간이력해석결과와도 비교하였으며 하중간의 상관계수는 복수의 하중을 받는 바닥판구조물의 응답스펙트럼 해석에 반드시 고려해야 하는 결과를 얻었다.

Structures with Coulomb-friction damping system have strong nonlinearity that the dynamic behavior is highly affected by the relative magnitude between frictional force and excitation load. In this study, normalized response spectra of the structures with non-dimensional friction force are obtained through nonlinear time history analyses of the mass-normalized single degree of freedom systems using ground motion data designed by ATC-40 and Korean Building Code 2005(KBC 2005) on each slte. The variation of the control performance of Coulomb-frictional damping system is investigated in terms of the dynamic load and the structural natural period, of which effects were not considered in the previous studies. Finally, Design spectra of the structure with Coulomb-frictional damper considering the safety of structural design is proposed though linear curve fitting

원자력발전소의 기기, 배관 시스템과 같은 부속구조물의 동적 응답을 먼기 위해 사용되는 층응답스펙트럼은 일반적으로 주구조물과 부속구조물의 동적 상호작용이 반영되지 않고 만들어진다. 본 연구에서는 기기와 구조물의 동적 상호작용이 고려된 해석을 통해 층응답스펙트럼을 생성시키는 해석법을 기술하였다. 이 방법은 기기를 모사하는 단자유도계와 기기가 놓여있는 구조물의 임피던스로 분할되는 부분구조 해석법을 적용하여 기기의 응답을 구한다. 단자유도계의 진동수, 감쇠비 및 질량 특성을 변화시키면서 최대 동적 응답을 계산함으로써 일련의 층응답스펙트럼을 작성한다. 전형적인 원자력발전소의 원자로 구조물에서 본 방법을 고려한 층응답스펙트럼과 기기를 포함한 전체 해석으로부터 작성된 층응답스펙트럼과 비교함으로써 본 연구의 타당성을 확인하였다. 기기-구조물 상호작용 효과를 확인하기 위하여 구조물 질량의 1% 이내인 기기에 대하여 기술된 방법과 기존 방법을 각각 적용하여 최대 응답값을 비교하였다. 그 결과 지배 진동수 부근에서 기기-구조물 상호작용을 고려한 응답이 그렇지 않은 경우인 기존방법의 응답에 비하여 저감되는 현상을 보였다.

동적 불안정 좌굴현상에 관한 연구는 다소 발표되고 있으나, 주기성을 가진 하중하에서의 동적 좌굴을 다룬 연구는 그리 많지 않은 편이다. 주기성을 가진 하중하에서의 거동은 STEP 하중하에서의 거동과는 매우 다르리라 예상된다. 본 논문에서는 동적 불안정의 기본 메커니즘을 파악하기 위하여 양단 핀으로 고정된 정현형 아치가 정현형 조화하중을 받았을 때의 얕은 아치를 대상으로 한다. 얕은 아치의 동적 간접 좌굴 메커니즘을 파악하기 위하여 STEP 하중뿐만 아니라 정현형 조화하중일 때를 대상으로 한다. 동적 비선형 응답 특성을 알기 위하여 수치적분에 의해 기하학적 비선형 운동방정식을 유도한다. 여기서 얻어진 비선형 변위 응답으로 FFT(Fast Fourier Transform)에 의한 연속 응답 스펙트럼을 구해 동적 불안정 특성에 관해서 분석한다.

유체-구조물 상호작용 효과를 고려하여, 실린더형 수중 구조물의 유한요소 모델을 상용 전산코드를 사용하여 작성하고 동적하중에 대한 응답해석을 수행하였다. 구조 유한요소에 부착되는 유체 유한요소로 인하여 발생하는 요소행렬의 비대칭성으로 인하여, 일반적으로 사용되는 유한요소 해석 전산코드로 유체-구조물 상호작용 모델에 대한 응답스펙트럼해석을 수행하는 것은 불가능하다. 이 문제의 해결을 위하여, 등가 비 유체-구조물 상호작용 모델을 구성하고, 등가비 유체-구조물 상호작용 모델에 대한 응답스펙트럼 해석 및 조화가진 응답해석 결과를 이용하여 유체-구조물 상호작용 모델의 스펙트럼 가진에 대한 동적 응답을 계산할 수 있는 효율적인 방법을 제시하였다.

일반적으로 응답스펙트럼 해석법은 지지해석에 널리 쓰이고 있지만 동적하중에 의한 구조물의 진동해석은 주로 시간이력해석에 의존한다. 그러나 시간이력해석법은 응답스펙트럼 해석법에 비하여 복잡하며 어렵고 또한 시간이 많이 소요된다 따라서본 논문에서는 응답스펙트럼 해석법을 이용하여 구조물의 연직 최대 응답을 예상하는 방법을 연구하였다 이를 위하여 우선 지지해석에서 응답스펙트럼 해석법과 시간이력해석법에 의하여 구조물의 최대응답을 구하여 비교하였으며 동적하중에 대한 응답스펙트럼 해석을 수행하는 과정을 나타내었다. 마지막으로 제안된 방법과 시간이력해석에 의한 결과를 비교하였다.