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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.10 No.3 pp.30-36
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2019.10.3.030

Seismic Fragility Evaluation of Boiler Steel Structure by Dynamic Nonlinear Analysis

Minho Kwon1, Jinsup Kim2, Gyubin Kwon3, Kwansoo Park4
1Professor, Department of Civil Engineering, ERI, Gyeongsang National University, Jinju, Korea
2Assistant Professor, Department of Civil Engineering, ERI, Gyeongsang National University, Jinju, Korea
3Master’s course, Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, Jinju, Korea
4Senior Manager, Department of Power Planing & Construction, Korea South-East Power Company

본 논문에 대한 토의를 2019년 07월 31일까지 학회로 보내주시면 2019년 8월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Kim, Jin-sup Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, 501, Jinju-daero, Jinji-si, Gyeongsangnam-do, Republic of Korea. Tel: +82-055-772-1791, Fax: +82-055-772-1791, E-mail: jinsup.kim@gnu.ac.kr
April 2, 2019 April 5, 2019 May 7, 2019

Abstract


Boiler steel structure, one of the thermal power plant structures, is an important facility where water can be raised, but there is less research into safety assessment for earthquakes compared to its importance. In this study, 12 PGA values were selected for 16 seismic waves and a total of 200 dynamic nonlinear analyses were performed, including Pohang earthquake, in order to derive the fragility curve. Tensile⋅compressive stress and relative displacement of steel structures were measured. As a result of the fragility curve, the material strain of steel material(at 400MPa) was deformed to 38% of tension and 62.5% of compression based on 0.22G, and the relative displacement exceeded the limit by 0% probability based on 0.22G. These fragility curves from boiler steel structures can be utilized for quantitative evidence determining the limit condition for structures and for safety design for earthquakes.



동적비선형해석을 통한 보일러 강구조물의 지진취약도 평가

권 민호1, 김 진섭2, 권 규빈3, 박 관수4
1경상대학교 토목공학과 교수
2경상대학교 토목공학과 조교수
3경상대학교 토목공학과 석사과정
4한국남동발전 건설기술처 차장

초록


화력발전소 구조물 중 하나인 보일러 강구조물은 물탱크가 올라가게 되는 중요한 설비지만 그 중요성이 비해 지진에 대 한 안전성 평가에 대한 연구가 미비하다. 본 연구에서는 취약도 곡선을 도출하고자 16개의 지진파에 12개의 PGA값을 선정하고 포 항지진을 포함해 총 200회의 동적 비선형 해석을 수행하였다. 강재의 인장, 압축응력과 강구조물의 상대변위를 측정하였다. 강재 재 료적 특성의 경우 변형은 발생하였으나 파괴는 발생하지 않았고, 상대변위의 경우 한계점에 못 미치는 변위가 발생하였다. 취약도 곡선 도출결과 국내의 지진구역 구분 및 지역계수를 기준으로 강재의 재료적 변형(400MPa)에서는 인장이 38%, 압축이 62.5%로 변 형이 발생하였고, 상대변위는 0%의 확률로 한계점을 넘었다. 이러한 보일러 강구조물에 대한 취약도 곡선은 대상구조물에 대한 한 계상태를 판별하는 정량적 근거와 지진에 대한 안전설계시 활용될 수 있다.



    National Research Foundation of Korea
    NRF-2017R1C1B5016990

    1. 서 론

    최근에 국내에 다발적으로 발생한 지진으로 인해 국 내의 지진에 대한 대비의 필요성이 대두되고 있다. 특히 포항지진의 경우 최근 지열발전으로 인한 영향 이 추론되면서 국내 주요 사회기반시설물에 대한 내 진성능평가에 대한 연구가 필요한 시점이다.

    구조물의 지진에 대한 안정성을 평가하기 위하여 연구가 활발히 수행되고 있는데 최근엔 몬테카를로 시 뮬레이션(monte carlo simulation)을 기반으로 한 확률 론적 지진취약도 평가에 대한 연구가 주로 수행되고 있 다(Kim et al., 2017;Kwon et al., 2019;Moon, 2018;Kim, 2017).

    이에 따라 본 연구에서는 사회기반시설물인 화력 발전소에서 보일러 강구조물의 지진취약도를 분석하 였다. 유한요소 해석법으로 구조물을 해석하기 위해 해석프로그램을 사용하였으며 실제 가동중인 화력발 전소의 도면을 참고하여 3D로 모델링하였다. 이를 통 해 보일러 강구조물의 지진에 대한 손상 및 파괴에 대한 확률론적인 예측을 하고, 그와 관련된 발전구조 물의 도출된 취약도곡선을 이용해 내진 성능 평가의 기초자료로 활용하고자 한다. 따라서 기존의 연구를 참고하여 확률을 기반으로 한 안전성 해석에 대한 이 론적 연구를 바탕으로, 취약도 분석방법을 이용해 강 구조물의 내진 안전성 평가를 하였다. 이는 지진에 대한 손상을 좀 더 명확히 예측하고, 이를 바탕으로 발생하지 않은 지진에 대한 피해를 최소화하고자 함 에 그 목적성이 있다.

    2. 유한요소 해석모델

    2.1 구조물 개요

    보일러 구조물의 정확한 거동상태를 유한요소해석을 통 하여 확인하기 위해서는 유한요소 모델링을 최대한 실 제구조물에 가깝도록 구성할 필요성이 있다. 즉 구조 요소를 이루고 있는 제원뿐만 아니라 사용되는 재료 의 물리적인 특성치를 탄성영역 및 비탄성영역까지 고 려하여 해석을 수행해야만 해석결과의 신뢰성을 확보 할 수 있다. 특히 본 연구에서는 동적 해석을 수행해 야하므로 해석의 복잡도가 상당하므로, 유한요소의 모 델링을 최대한 실제 구조물에 가깝게 구성하면서 최 적으로 구조해석이 소요되도록 비선형 재료모델링을 수 행하였다.

    본 연구 대상 보일러 강구조물은 국내 화력 발전 소 내의 구조물로서 물탱크를 지탱하는 설비이고 H 형강 구조물로 되어있다.

    따라서 현장조사 및 설계도면을 참고하여 모델링 하였다. Fig. 1과 같이 실제가동 중인 현장에 방문하 여 실제도면과 비교 분석하였다. 그 결과, 보일러의 구 조형식은 철골가새골조방식으로 수직 및 수평가새(Bracing) 가 지진이나 풍하중 등의 횡하중을 저항하여 기 둥에 전달하도록 하는 방식이었고, 그 높이는 96.75m이 며 구조용 H형강으로 이루어져 있다.

    2.2 모델링

    해석대상인 보일러 강구조물의 해석을 위해 유한요소 해석프로그램인 Abaqus 6.14를 사용하였다(Abaqus Analysis User’s Manual, 2011). 설계 도면을 참고하여 각 파트 별로 구조용 H형강으로 모델링하여 한 좌표계로 구성 (Assembly)하였으며, 용접 접합되어 있음을 고려해 모 든 파트를 합쳐서(Merge) 하나의 구조물 모델링하였다. H형강 구조물 이외(배연시설, 작업계단 등)는 구조해석 상 큰 영향을 미치지 못하므로 무시하였다. 최종적인 보일러 구조물 형상은 Fig. 2와 같다.

    2.3 재료 물성치

    보일러의 구조모델링에 사용된 H형강의 재료적인 특 성은 KS D 3504 SD400의 구조용 강재가 사용되었고 특성은 Table 1에 나타내었다.

    응력(Stress) 400MPa, 변형률(Strain) 0.002까지는 완 전소성(Perfectly Plasticity)이고, 응력 560MPa, 변형률 0.198까지는 경화(Hardening)단계이고, 그 이후의 변형 률이 발생하면 취성효과(Brittleness Effect)가 나타난다. 자세한 강재의 비탄성 영역 물성치는 Fig. 3과 같다.

    3. 지진파

    선형지진응답을 수행할 때 주파수의 진폭을 조정한 인 공지진파를 ASCE 43-05(ASCE, 2005)에서 제안하고 있으나 실제로 기록된 지진파를 사용할 경우 비선형 지진응답해석에 좀 더 적합한 해석 값을 얻을 수 있 다. 따라서 본 해석에서는 총 16개의 실제발생 지진 에서 기록된 지진파로 해석을 수행하였고, 국내에서 발생한 포항지진도 포함하여 총 17개의 지진파를 사 용하였다. 포항지진을 제외한 16개의 지진에 대한 정보 는 Table 2와 같고, 포항지진의 경우 4개의 관측소에 서 측정한 데이터이며 자세한 내역은 Table 3과 같다.

    4. 해석결과

    선정된 지진파 16개의 경우 0.1G에서부터 1.0G까지 0.1 씩 증가하여 10회의 PGA(Peak Ground Acceleration)와 국 내 지진구역 구분 및 지역계수가 0.22G임을 고려하고 (KBC2016, 2016), 지반특성 및 지역계수를 고려해 0.315G 의 해석을 추가적으로 하여 총 12회의 PGA를 적용하 였다. 따라서 16개의 지진파와 각 지진파당 12개의 PGA 를 적용하여 총 192회의 내진성능평가를 실행하였다.

    포항지진의 경우 4개의 관측소(CHS, HAK, PHA2, DKJ)와 100Gal와 20Gal으로 나누어 정량화한 지진데 이터를 선정하였다. 따라서 총 8회의 내진성능평가를 실행하였다.

    4.1 강재 인장(Steel Tension)

    H형강의 인장강도를 측정하기 위해 전체 노드의 Max- Inprincipal 값의 시간별 최댓값을 확인하였다. 16개의 각 지진파별로 Table 4와 같이 인장강도의 최댓값이 측정되었고 0.22G를 기준으로 재료적 변형(400MPa 이상) 은 일어났으나, 한계점(560MPa)를 넘기진 않았다.

    포항 지진의 경우 8회의 지진파 모두 Fig. 4와 같 이 인장응력이 변화하였고, 국부적으로 바닥면에서만 한계점 이하의 응력이 분석되었다.

    4.2 강재 압축(Steel Compression)

    H형강의 압축강도를 측정하기 위해 전체 노드의 Min-Inprincipal 값의 시간별 최솟값을 확인하였다. 16 개의 각 지진파별로 Table 5와 같이 압축강도의 최댓 값이 측정되었고 0.22G를 기준으로 재료적 변형(400MPa 이상)은 일어났으나, 한계점(560MPa)를 넘기진 않았다.

    포항 지진의 경우 8회의 지진파 모두 Fig. 5와 같 이 압축응력이 변화하였고, 국부적으로 바닥면에서만 한계점 이하의 응력이 분석되었다.

    4.3 상대변위(Relative Displacement)

    H형강의 상대변위를 측정하기 위해 최상층 노드와 최 하층 노드의 변위 차를 측정하였다. 각 지진파 별로 Table 6같이 상대변위가 측정되었고 0.22G를 기준으로 한계상태(129mm, 전체 높이의 1/750)(Limit State Design, 2012)를 기준으로 한계점을 넘기진 않았다.

    포항 지진의 경우 8회의 지진파 모두 Fig. 6과 같 이 상대변위가 변화하였고, 마찬가지로 한계점을 넘 기진 않았다.

    5. 취약도 분석

    해석결과를 바탕으로 지진파 별로 PGA에 따른 취약도 분석을 하였다(Kim et al., 2004;B. G. Nielson, 2007). 파괴확률의 평균값과 표준편차를 기준으로 자연로그 데이터를 토대로 취약도 곡선을 산출하였다.

    강재인장의 경우 재료적 변형이 일어나는 400MPa 을 한계점으로 봤을 때 Fig. 7과 같다. 0.22G를 기준 으로 약 38%의 인장변형이 발생한다.

    강재압축의 경우 재료적 변형이 일어나는 400MPa을 한계점으로 봤을 때 Fig. 8과 같다. 0.22G를 기준으로 약 62.5%의 압축변형이 발생한다.

    상대변위의 경우 129mm를 한계점으로 봤을 때 Fig. 9와 같다. 0.22G를 기준으로 약 0%의 상대변위 에 의한 파괴가 발생한다.

    6. 결 론

    본 해석에서 발전소 보일러 강구조물의 내진안전성 평가를 위한 동적비선형해석을 수행하였다. 현장조사 와 설계도면을 참고하여 모델링을 수행하였고, 지진 은 16개의 지진파와 12개의 PGA로 구분하여 192회의 해석과 2017년 포항에서 발생한 지진의 4개 관측소 데이터와 2개의 Gal단위로 나누어 8회의 해석을 추가 적으로 실행하였다. 따라서 총 200회의 해석을 수행 하였다.

    그 결과 국내의 지진구역 구분 및 지역계수를 기 준으로 강재의 재료적 변형(400MPa)에서는 인장이 38%, 압축이 62.5%로 비교적 높게 나왔지만 한계점(560 MPa)를 넘기지 않아서 변형은 발생하더라도 재료적 파단이 일어나진 않았다. 상대변위의 경우 0.22G에서 한계점 129mm를 넘기지 않았다.

    따라서 이러한 결과를 바탕으로 화력발전소 보일 러 강구조물의 지진에 대한 취약도 곡선은 지진이 발 생하였을 때 구조물의 한계상태를 판별하는 정량적인 자료로 활용이 가능하다. 이를 바탕으로 보일러 강구 조물의 지진에 대한 안전설계시 기초자료로 활용이 가능하다. 추가적으로 후속연구에서는 연구가 덜 진 행된 화력발전소 내 구조물(터빈 및 발전기 건물 및 기초 등)에 대한 연구가 필요하다.

    감사의 글

    이 성과는 2017년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(NRF-2017R 1C1B5016990).

    Figure

    KOSACS-10-3-30_F1.gif
    Field Survey
    KOSACS-10-3-30_F2.gif
    3D Structure Modeling for Analysis
    KOSACS-10-3-30_F3.gif
    Constitutive Model for Steel Material
    KOSACS-10-3-30_F4.gif
    Maximun Tension Point(pohang)
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    Maximun Compression Point(pohang)
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    Time-Displacement Stress Graph(pohang)
    KOSACS-10-3-30_F7.gif
    Maximum Tension Stress Fragility Curve
    KOSACS-10-3-30_F8.gif
    Maximum Compression Stress Fragility Curve
    KOSACS-10-3-30_F9.gif
    Relative Displacement Fragility Curve

    Table

    Material Property of Steel (SD400)
    Information List of Seismic Waves
    Information List of Pohang Seismic Waves
    Result of Maximum Tension Stress
    Result of Maximum Compression Stress
    Result of Relative Displacement

    Reference

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