2.1 유한요소모델

전기기기 캐비닛 구조물은 캐비닛이 설치되는 건물의 층응답스펙트럼 등 설계조건 이상의 역량을 보유하면 되기에 다양한 크기와 형상이 존재한다. 이에 따라 비구조요소에 대한 제진보강 실효성에 관한 연구를 진행하기 위해 원자력 발전소와 같은 발전플랜트 내 운용되고 있는 전기기기 캐비닛을 대상 구조물로 선정하여 해석적 연구를 수행하였다.

본 연구에서 검토한 전기기기 캐비닛은 실제 국내원전 적용을 위해 설계된 캐비닛을 기반으로 연구용으로 제작한 구조 프레임을 해석모델을 작성하였다(Kim, 2019)⁽⁹⁾. 실제 해당 캐비닛은 전기신호를 아날로그와 디지털 신호 간 변환 및 전송하는 기능을 수행하며 이를 위한 전기적 부품으로 구성되어 있다. 원전기기 내진검증(Seismic Qualification) 측면에서는 내부의 전기적 부품까지 반영하여 해석 모델을 구성하여야 하지만, 본 연구에서는 캐비닛 구조체의 동특성에 따른 증폭 및 응답 저감 가능성 검토함이 목적이므로 실제 제작된 캐비닛 구조물과 동일하게 외부 프레임 구조물만을 내진해석 범위로 설정하였다.

선정한 캐비닛 구조물의 유한요소모델링은 범용구조해석 프로그램인 Abaqus 6.14을 사용하고 설계도면을 참조해서 구성하고 있는 모든 요소를 반영하였다. 구성한 유한요소모델은 동적 거동으로 인해 발생되는 유한요소의 축력과 휨, 비틀림까지 고려하기 위해 3차원에 대한 계산이 가능한 고체요소로 구성하였다.

Fig. 1. FE model of Cabinet

캐비닛의 제원은 내부 3.9mm, 외부 프레임의 두께가 3.2mm로 전기기기가 부착되는 내부프레임을 고려하여 가속도 이력에 의한 응답을 도출할 수 있도록 구현하였다. 캐비닛의 내･외부프레임은 SS275 재질의 재료물성을 입력하여 탄성거동으로 가정하였다(Table 1, Fig. 1). 발전 플랜트 내부에 설치되기 때문에 정확한 수치해석을 위해서는 앵커볼트 고정이나 용접과 같은 정착조건 또한 반영되어야 한다. 그러나 본 연구의 목적은 캐비닛의 내부 증폭 등 가속도 응답수준 파악에 있기 때문에 캐비닛의 바닥 전면이 건물과 부착된 것으로 가정하여 해석을 진행하였다.

2.2 모드해석

지진동에 의한 동적거동을 파악하기 앞서, 캐비닛 구조물의 기본 동특성을 파악하기 위해 실제 조건과 유사하게 캐비닛의 바닥면 전체를 고정조건으로 가정하여 모드해석을 진행하였다. 또한, 모드해석으로 도출된 결과를 통해 유효질량 참여율을 분석하여 국부모드를 제외하고 확인하였으며, 지진동의 진동수 대역을 포함할 수 있도록 그 범위를 산정하였다.

일반적인 전기기기 캐비닛은 10Hz이상에서 1차 고유진동수가 발생하는 것으로 알려져 있으나(Merz, 1991(a))⁽¹⁰⁾, 본 연구에서 수행한 캐비닛 구조물은 상대적으로 고진동수인 24.56Hz에서 1차 모드 고유진동수가 발생하였으며, 고차모드로 산정된 각 차수별 고유 진동수는 100Hz이상으로 고차모드에 대해서는 비교적 강성거동을 보이는 것으로 판단된다(Fig. 2). 그러나 지진 하중으로 인한 캐비닛 구조물 자체의 구조건전성이 확보 되어도, 실제 전기기기 캐비닛에서 내부프레임에 부착되는 계전기(relay) 전기기기들은 오작동 및 신호 왜곡 발생 등 고진동수 진동에 민감한 것으로 알려져 있기 때문에(Merz, 1991(b))⁽¹¹⁾, 고진동수 대역에서의 캐비닛 내부프레임의 응답 수준의 저감 및 안전성이 확보되어야 할 것으로 판단된다.

2.3 동적해석

캐비닛 구조물의 설계 시 내진 실험 및 해석의 과정에서 사용되고 있는 Generic Equipment Ruggedness Spectra (GERS)를 기준으로 구성한 캐비닛 모델에 대한 응답스펙트럼해석 및 시간이력해석을 수행하였다. GERS 스펙트럼은 미국 내 원자력 발전소를 대상으로 다수의 발전소 및 설치위치에 따른 층응답스펙트럼을 포괄할 수 있도록 제작된 것으로 다양한 진동수 영역에서 상대적으로 높은 가속도를 갖도록 구성이 되어 있으므로 고유진동수에 따른 증폭 및 영향을 확인할 수 있을 것으로 판단하였다(EPRI NP-5223, EPRI NP-7147)^(10,11).

Fig. 3. Input data for dynamic analysis

2.3.2 동적해석결과

GERS 스펙트럼으로 인한 캐비닛 구조물의 응답을 정리한 결과는 Fig. 4에 정리된 바와 같으며, 응답스펙트럼해석으로 얻어진 내부프레임의 최대 응력결과, 상･중･하 각각의 지점에서 4.51, 1.14, 4.48MPa으로 도출되었고, 시간이력해석에서 얻어진 최대 응력수준 또한 비슷하였다.

또한, 가속도 이력에 따른 응답의 결과 값을 진동수의 영역으로 정리한 결과, 입력한 가속도는 약 15Hz의 진동수영역에서 상부 지점으로 진행될수록 증폭되는 것을 확인하였다.

도출된 상･하부의 응력수준은 유사하고 중앙부의 응력은 이에 대비해 낮다. 또한 동적거동에 의해 증폭되는 캐비닛의 진동수는 모드해석을 통해 얻어진 1차 고유진동수 24.56Hz에 대비해 낮은 진동수 15Hz에서 증폭이 일어난다. 이는 캐비닛의 국부거동으로 인해 발생되는 결과로 판단되며, 이를 파악하기 위해 캐비닛을 구성하고 있는 한 벽면에 대한 고유치 분석을 진행하였고, 1차 모드 진동수가 약 15Hz으로 도출되어 증폭되는 진동수의 영향을 확인할 수 있었다(Fig. 5(a), (b)). 응력의 경우 벽면에 대한 모드해석 결과를 관심주파수로 설정한 100Hz에 대해 주요모드를 산정하고, 이에 대한 각 차수별 발생된 변위, 질량참여율을 분석하였다. 이를 x방향에 대한 참여도로 정리하면 Fig. 5(c)와 같고 이는 지진동 이력 시 각 위치별 변형률로 반영되는 것을 알 수 있다. 이에 따라 다양한 기하학적인 요소를 가지는 복잡한 구조물의 경우는 완성된 하나의 구조물에 대해서만 동특성을 파악하는 것이 아닌 구성하고 있는 요소에 대해 다방면적인 고유치를 분석해야 한다.

본 전기기기 캐비닛 구조물의 경우 동적 거동의 결과로 도출된 캐비닛의 응력 수준을 고려하면 참조한 캐비닛은 높은 강성체로 GERS 스펙트럼에 의한 구조적 안전성은 확보되는 것으로 판단된다. 하지만, 캐비닛에 발생되는 낮은 응력 수준의 결과는 캐비닛 내부에 설치되는 전기부품이 가속도 이력 시 발생되는 증폭에 대해 기능적 안전성을 입증할 수 없다. 따라서 지진동 이력 시 증폭에 의한 전기부품의 기능적 안전성을 향상시키기 위해 기존 캐비닛을 대상으로 내진보강방안의 연구가 수행하였다.

Fig. 5. Modal analysis result of side element in cabinet

3.1 강재 플레이트 댐퍼

강재댐퍼는 건축물의 제진보강재의 일종으로 개발되었으며, 강재댐퍼 중 초기강성과 지진 하중에 의한 소성거동 시 에너지 흡수가 가능한 강재 플레이트 댐퍼를 참조하였다(Youn et al., 2017)⁽¹⁴⁾. Youn et al. (2017)⁽¹⁴⁾에 의하면 강재 플레이트 댐퍼(SS275 사용)는 대각형상비와 면적비에 따라 지진에너지흡수능의 차이가 있기 때문에 스트럿폭에 대한 변수를 30, 45, 60mm으로 설정하였고, 동적 실험과 해석을 수행하여 폭 45, 60mm의 경우가 폭 30mm에 비해 높은 에너지흡수능을 가지고 있음을 확인하였다. 또한, 강재댐퍼의 단위 X형상은 횡방향 변위가 발생하게 되면, 구속조건에 따라 내력이 발생하게 된다. 그리고 내력을 받은 강재댐퍼는 항복모멘트 및 소성모멘트에 이르게 되었을 때 소성힌지가 발생되고 식(2),(3)을 통해 직사각형 단면인 강재댐퍼의 형상변수로 항복 및 소성모멘트를 계산할 수 있다.

여기서, $M_{y}$는 항복모멘트(N･mm), $M_{p}$는 소성모멘트(N･mm), $b$는 스트럿폭(mm), $t$는 판의 두께(mm), $\sigma_{y}$는 강재의 항복강도(MPa)

따라서 캐비닛구조물에 적용 시 초기 단면강성과 모멘트 저항성이 상대적으로 높은 스트럿폭 60mm 강재 플레이트 댐퍼를 선정하였고(Youn et al., 2017)⁽¹⁴⁾, 강재 플레이트 댐퍼의 기본 단위형상인 X형상을 캐비닛의 외부프레임 면적에 맞추어 모델링하였다. 강재댐퍼는 SS275의 물성으로 10mm의 두께로 구성하여 내진보강에 의한 응답경향성을 뚜렷하게 확인하고자 하였다.

강재댐퍼의 부착위치는 실제 내진보강 시공 시 접근성을 감안하기 위해 기본적으로 캐비닛 외부프레임에 대해서만 고려하였다. 또한 효과적인 강재댐퍼의 제진 거동을 확인하기 위해 부착위치에 대한 검토를 캐비닛의 최상단면과 외부 두 옆면, 전･후면으로 총 3가지의 변수로 설정하였으며, 캐비닛 외부 면과 강재댐퍼가 접촉되어 있는 면은 모두 용접인 상황으로 가정하였다(Fig. 6).

여기서, 기본 캐비닛을 Basic Cabinet(BC)으로 강재댐퍼를 캐비닛에 부착한 경우를 Retrofitted Cabinet(RC)을 뜻하며, RC Door, Side, Top은 각각 캐비닛 전･후면, 외부 두 옆면, 외부 최상단면에 보강한 사례를 뜻한다.

Fig. 7. Mode shape of retrofitted cabinet

3.2 보강 캐비닛의 동특성

보강 전･후 캐비닛 구조물의 고유특성 변화를 확인하기 위해 전술하였던 모드해석의 방법으로 수행하였고, 기본 캐비닛에 대한 동적해석 시 사용하였던 하중 값을 보강 캐비닛에 적용하여 그 결과를 도출하였다.

3.3 기본 캐비닛과 동적응답 비교

보강 캐비닛에 대한 동적해석의 결과는 기본 캐비닛과 동일한 상･중앙･하부(내부프레임 1h 대비 0.75, 0.5, 0.25 h)에서의 지점 결과 값을 도출하고 정리하였다.

우선, 참조한 위치별 발생한 Fig. 8(a)에서 알 수 있듯이, 참조한 위치별 발생한 응력의 수준은 기본 캐비닛의 상부에서 발생한 최대 응력 4.49MPa에 대비하여 RC Door는 0.83MPa으로 81.5% 감소되는 것을 알 수 있는 반면, RC Top의 경우 5.24MPa이 발생하고 BC에서 발생한 응력 대비하여 16.7%가 증가하였고, 시간이력해석으로 얻어진 응력수준(Fig. 8(b))도 응답스펙트럼해석으로 도출된 결과와 비슷한 수준이었다.

진동수 영역에 따른 가속도의 증폭 수준을 비교한 결과, 동일한 외부 하중에 대하여 RC Door의 응답은 약 2.55g이고 BC의 경우 약 4.93g으로 약 48% 감소된다는 것을 확인할 수 있었으며, 증폭되는 진동수 영역은 비슷하였다. 하지만, 제진 장치를 부착하였음에도 RC Side와 Top의 최대 증폭수준은 BC와 유사하였으며, RC Door를 제외한 내부프레임 중앙부와 하부는 일치 거동함을 보여주고 있다(Figs. 8(c), (d), and (e)).

이는, 응답 감소를 확인한 RC Door의 경우 전･후 외부프레임에 부착된 강재댐퍼의 국부거동으로 인해 직접적인 지진동의 유입이 저감되는 반면, 상부와 측면에 보강을 진행한 경우 외부 프레임과의 일체거동으로 가속도 이력에 의한 강재댐퍼의 로컬거동이 이루어지지 않기에 발생되는 결과로 판단된다.