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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.10 No.6 pp.84-90
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2019.10.6.084

Seismic Fragility Analysis of Electrical Cabinet at Anchor System

Son Hoyoung1, Jung Wooyoung2,Jeon Bubgyu3,Ju Buseog4
1Ph.D. Candidate, Department of Civil Engineering, Kyunghee University, Yongin, Korea
2Professor, Department of Civil Engineering, Gangneung-Wonju National University, Gangneung, Korea
3Senior Researcher, Seismic Simulation Test Center(SESTEC), Pusan National University, Busan, Korea
4Professor, Department of Civil Engineering, Kyunghee University, Yongin, Korea
Corresponding author: Ju, Buseog Department of Civil Engineering, Kyunghee University, 1732, Deogyeng-daero, Giheung-gu, Yongin, Korea. Tel: +86-31-201-3688 Fax: +86-31-201-3688, E-mail: bju2@khu.ac.kr
November 1, 2019 November 18, 2019 November 18, 2019

Abstract


The recent earthquakes in Gyeongju and Pohang have caused a lot of damage to structural elements as well as structural elements due to seismic waves that contain a lot of high frequency areas. Among the non-structural elements, the electrical cabinet keeps the power generation system controller of the plant, so that the damage in the electrical cabinet can be extended to secondary damage, such as the interruption of stable energy supply and the fire accident. In this study, the finite element model of electrical cabinet-anchor system is constructed and verified to apply input earthquake considering high frequency earthquake to perform seismic fragility analysis. For the finite element model of the electrical cabinet, the resonance frequency search result had a error of approximately 1% with the target frequency, and the finite element model of the post installed anchor showed a good match of the initial stiffness and maximum load point when compared with the experimental results. The time history analysis was performed by varying the scales to 0.2g, 0.5g, 0.8g, and 1.2g. Based on the analysis results, the seismic fragility assessment was performed, which is a probabilistic safety assessment. The analysis of time history of 0.2g scale showed that the stress generated by the anchors was the greatest at 280.15MPa and that they reacted sensitively to high frequency earthquakes. The slope changed rapidly between 0.2g and 0.5g when analyzing the seismic fragility with the stress of the anchors limited, and the displacement at the top of the cabinet was shown to be more sensitive to the displacement of the X-axis than the displacement of the Z-axis when analyzing the seismic fragility.



전기 캐비닛-앵커 시스템의 지진 취약도 분석

손호영1, 정우영2,전법규3,주부석4
경희대학교 사회기반시스템공학과 박사수료1, 강릉원주대학교 토목공학과 교수2, 부산대학교 지진 방재연구센터 책임연구원3, 경희대학교 사회기반시스템공학과 교수4

초록


최근 발생한 경주 및 포항 지진은 고주파 영역의 성분이 많이 포함된 지진파로 구조적 요소 뿐만아니라 비구조적 요 소에 피해가 많이 발생하였다. 비구조적 요소 중 전기 캐비닛은 발전소의 발전 시스템 컨트롤러를 보관하는 함으로써 전기 캐 비닛의 피해는 안정적인 에너지 공급의 중단과 화재 등의 2차적인 피해로 확장될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 전기 캐비닛- 앵커 시스템의 유한요소 모델을 구축하고 검증하여 세계 각지에서 발생한 지진파 적용을 통한 지진 취약도 평가를 수행하고자 한다. 전기 캐비닛의 유한요소 모델의 경우 공진탐색 결과의 타겟 주파수와 약 1%의 오차가 발생하였으며 선설치 앵커의 유한 요소 모델은 실험결과와 비교하였을 때 초기 강성 및 최대 하중점이 잘 일치하는 것으로 나타났다. 0.2g, 0.5g, 0.8g, 1.2g로 스케 일을 변화시켜 시간이력해석을 수행하였으며 해석결과를 바탕으로 확률론적 안전성 평가인 지진 취약도 평가를 수행하였다. 0.2g 스케일의 시간이력 해석결과 경주 지진을 적용하였을 때 앵커에서 발생한 응력은 280.15MPa로 가장 크게 발생하였으며 고 주파 지진에 민감하게 반응하는 것으로 나타났다. 앵커의 응력을 한계상태로 지진취약도 분석 시 0.2g와 0.5g 사이에서 기울기 가 급격히 변하였으며 캐비닛 최상단의 변위를 한계상태로 지진 취약도 분석 시 Z축 변위 보다 X축 변위에 대해 민감하게 반 응하는 것으로 나타났다.



    1. 서 론

    최근 들어 전 세계적으로 지진의 발생 빈도와 규모 가 점차 커지고 있으며 우리나라 또한 예외는 아니 다. 2016년 경주 지진과 2017년 포항 지진으로 많은 피해가 발생하였으며 많은 연구들을 통해 경주 및 포항 지진이 고주파 영역의 성분이 많이 포함되어 있는 것으로 보고되었고(Oh, et al., 2016;Lee, et al., 2018) 이로 인해 비구조적 요소에 대한 피해가 많이 발생하였다.

    비구조요소 중 전기 캐비닛의 동특성 분석 및 내 진성능 평가를 위한 실험적 연구는 많은 연구자들에 의해 수행되었다(Kim, et al., 2009;Cho, et al., 2010;Kim, et al., 2012;Park, et al., 2017;Yun, et al., 2019). 실험적 연구의 경우 실제 가동 중인 캐비닛을 대상으로 연구를 수행하는 것은 현실적이지 못하며 다수의 캐비닛의 내진성능평가를 수행하기에는 금전 적, 공간적 제약이 존재한다.

    이러한 제약조건들로 인해 전기 캐비닛의 유한요 소모델을 구축하고 실험결과를 바탕으로 검증된 모 델을 이용한 내진성능평가 및 동적 거동 특성에 대 한 연구가 활발히 진행되었다. Cho (2005)는 3차원 유한요소 모델을 구축하고 신뢰성을 검증하였으며 OBE와 SSE 조건의 지진하중에 대한 구조적 안전성 을 평가하였다. Lim et al.(2016)은 Shell과 Beam요소 를 활용한 단순화된 유한요소 모델을 개발하여 상세 모델과 비교 검증하였으며 패널과 주프레임 사이의 손상, 패널의 탄성좌굴로 인한 비선형 효과, 탄성 국 부좌굴을 확인할 수 있음을 언급하였다. Rise et al.(2017)의 연구에서 캐비닛의 진동대 실험은 많은 비용과 시간이 요구되므로 신뢰성 있는 유한요소 모 델 구축을 통해 내부 전자기기 위치의 응답을 얻어 내어 전자기기에 대한 소규모 실험을 통해 시간과 비용을 절약할 수 있음을 언급하였다.

    하지만 상세 유한요소 모델의 경우 캐비닛 내부 의 복잡한 연결로 인해 많은 시간이 소모되므로 Beam과 집중질량을 이용한 단순화된 모델에 대한 연구 및 In-Cabinet Response Spectrum(ICRS) 계측을 위한 방법론에 대한 연구도 진행되고 있다.

    Gupta et al.(1999)는 Rayleigh-Ritz 방법을 기반으 로 캐비닛 내부의 국부적인 중요 모드를 계산할 수 있는 새로운 방법론을 제시하였다. Lin et al.(2013)은 전기 캐비닛의 상세 모델링에 대한 시간적 제약과 단순 모델의 편리성을 언급하였다. 실험과 해석결과 를 통해 모델의 타당성을 검증하였지만 추가적인 실 험과 상세한 유한요소 모델을 통한 검증을 수행해야 할 것을 강조하였다.

    구조물의 지진에 의한 피해를 예측하기 위해 많 은 연구가 진행되었으며 확률론적 안전성 평가인 지 진 취약도에 대한 연구가 활발히 진행되었다(Kwon et al., 2019;Kim et al., 2018;Kim et al., 2018). Moon et al.(2018)의 연구에서 비선형 해석 기반 수 배전반의 지진 취약도 분석에 관한 연구를 수행하여 내진설계의 필요성과 수배전반의 적용성에 대한 재 검토가 필요할 것을 언급하였다.

    따라서 본 연구에서는 선설치 앵커의 인발 성능 실험 및 단문형 전기 캐비닛의 공진탐색 실험을 수 행하고 실험결과를 바탕으로 앵커와 캐비닛의 유한 요소 모델을 구축하였다. 실험적 연구 결과와 비교 를 통해 구축된 유한요소 모델을 검증하였으며 실제 캐비닛의 설치된 조건을 고려하기 위해 콘크리트 블 록위에 캐비닛과 앵커를 위치시킨 유한요소 모델을 구축하였다. 지진파의 불확실성을 고려하여 경주 및 포항지진을 포함한 10개의 지진을 선정하여 입력지 진으로 사용하였으며 XZ평면의 지반운동을 고려하 였다. 입력 지진을 0.2g, 0.5g, 0.8g, 1.2g의 스케일로 변화시켜 시간이력해석을 수행하였으며 결과를 기반 으로 캐비닛-앵커 시스템의 확률론적 안전성 평가인 지진 취약도 평가를 수행하였다.

    2. 실험적 연구

    2.1 선설치 앵커의 인발성능 실험

    선설치 앵커의 인발성능 평가를 위해 콘크리트 슬래 브에 직경 10mm, 길이 250mm의 J형 선설치 앵커를 근입깊이 170mm로 매립하였으며 실험체의 규격은 Table 1에 정리하였다. Fig. 1과 같이 반력바닥에 8개 의 고장력 볼트를 이용하여 콘크리트 슬래브를 고정 하여 인장그립에 앵커볼트를 고정하였으며 동일한 조건에서 3개의 실험체를 대상으로 실험을 수행하였 다. 실험방법은 1,000kN UTM을 이용하여 중력 반대 방향으로 단조가력 하였으며 가력방법은 변위제어를 통해 0.4mm /min의 속도로 가력 하였다.

    실험은 동일한 시편을 이용하여 3회를 수행하였 으며 결과는 Fig. 2에 정리하여 나타내었다. 3회의 실험 모두 일정 수준의 변위가 발생하면서 앵커의 파괴로 인해 실험이 종료되었다. 이는 앵커의 직경 이 비교적 작고 앵커와 콘크리트 슬래브의 정착이 견고하기 때문인 것으로 판단된다.

    2.2 단문형 전기 캐비닛의 공진탐색 실험

    6자유도 진동대를 이용하여 단문형 전기 캐비닛의 공진탐색 실험을 수행하였으며 Sine Sweep을 이용하 여 1Hz ~ 50Hz 영역에서 0.07g 수준으로 수행하였 다. 캐비닛은 800mm×800mm×2350mm의 크기 이며 전체 중량은 480kg이다. 가속도를 측정하기 위해 내 부 수직 패널과 외부 상단, 하단, 앞문, 옆문에 Fig. 3과 같이 가속도계를 부착하였다.

    Fig. 4는 공진탐색 실험결과이며 그래프에서 볼 수 있듯이 내부 및 외부에서 모두 증폭이 발생하는 16Hz와 24Hz를 전역 모드로 판단하였으며 본 연구 에서는 이를 타겟으로 유한요소 모델을 구축하고 결 과를 비교하였다. 30Hz 이상에서 발생되는 증폭의 경우 내부 및 외부의 국부적인 모드로 발생된 것으 로 본 연구에서는 고려하지 않았다.

    3. 해석적 연구

    3.1 선설치 앵커의 유한요소 모델

    선설치 앵커의 유한요소 모델은 앞선 2.1절에서 언 급된 실험과 동일한 크기로 Fig. 5와 같이 콘크리트 슬래브와 J형 앵커를 구축하였다. 콘크리트 슬래브와 J형 앵커 모두 ABAQUS Platform에서 일반적으로 사 용되는 3차원 Solid 요소인 C3D10 요소를 사용하였 다. 사용된 요소의 총 개수는 104,154개, 절점의 총 개수는 148,593개로 Table 2에 정리하였다. 경계조건 콘크리트 슬래브 하단을 고정단으로 설정하였으며 실험결과에서 콘크리트 슬래브의 손상 없이 앵커의 파단으로 인해 실험이 종료되었기 때문에 J형 앵커 와 콘크리트 슬래브 사이는 Tie조건을 이용하였다. 하중조건은 실험과 동일하게 변위제어를 통해 0.4mm/min의 속도로 단조가력 하였다.

    유한요소 해석결과와 실험결과를 비교하여 Fig. 6 에 그래프로 나타내었다. 실험결과에서 2.72mm의 변 위가 발생하였을 때 34.12kN의 하중이 발생하였고 같은 변위에서 해석결과는 32.82kN의 하중이 발생하 여 약 3%의 오차가 발생하였다. 초기강성과 최대 하 중이 잘 일치하는 것으로 보아 모델의 타당성이 적 절한 것으로 판단된다.

    3.2 단문형 전기 캐비닛

    본 연구에서는 단문형 전기 캐비닛의 유한요소 모델 에 집중질량을 적용하여 단순화된 모델로 구축하였 다. 실험과 동일한 800mm×800mm×2350mm의 크기를 적용하였으며 수평 패널을 기점으로 Fig. 7(a)와 같이 집중질량 적용점을 설정하였다. 캐비닛 내부의 수평 패널을 기준으로 등가질량으로 환산하여 Fig. 7(b)와 같이 적용하였으며 단면 2차 모멘트 Ixx는 9.290×108mm4이다.

    앞선 단문형 전기 캐비닛의 공진탐색 실험결과로 부터 본 연구의 타겟 주파수를 16.0Hz와 24.0Hz로 설정하였다. Table 3에는 유한요소 모델을 통한 고유 치 해석결과를 정리하였으며 1차 모드와 2차 모드에 서 90% 이상의 질량 참여율을 보여 가장 지배적인 모드일 것으로 판단된다. 1차 모드의 16.032Hz는 타 겟 주파수 16.0Hz와 약 0.20%의 오차가 발생하였고 2차 모드의 24.473Hz는 약 1.97%의 오차가 발생하여 구축된 모델이 전기 캐비닛의 전체적인 거동을 잘 표현할 수 있을 것으로 판단된다.

    3.3 전기 캐비닛-앵커 시스템의 유한요소 모델

    실제 전기 캐비닛의 설치 상태를 고려하여 지진 취 약도 평가를 수행하기 위해 Fig. 8과 같이 1,800mm ×1,870mm× 500mm 크기의 콘크리트 블록 위에 앞선 절에서 검증된 단문형 전기 캐비닛 모델을 위치시키 고 8개의 선설치 앵커 모델을 적용한 유한요소 모델 을 구축하였다. 유한요소 모델에 사용된 재료 특성 은 Table 4에 정리하였으며 앵커의 경우 Isotropic Hardening Model을 적용하였다. 콘크리트는 2%의 감 쇠비를 적용하고 강재는 5%의 감쇠비를 적용한 Damping을 적용하였다. Table 5에 각 구성요소에 사용 된 요소의 종류와 개수를 정리하였으며 사용된 총 요 소 개수는 43,701개이며 총 노드 개수는 53,277개이다.

    본 연구에서는 경주 지진 및 포항 지진 등의 고 주파 지진을 고려하여 10개의 입력지진을 선정하였 으며 Table 6에 각 지진파의 정보를 정리하였다. X 축과 Z축 방향의 지진파를 고려하였으며 0.2g, 0.5g, 0.8g, 1.2g로 스케일을 변화시켜 시간이력해석을 수 행하였다.

    Fig. 9는 0.2g 스케일의 지진파일 이용하여 시간 이력 해석을 수행한 결과이다. 최대응력은 EQ9 즉, 경주지진을 적용하였을 때 280.15MPa로 발생하였으 며 EQ2 즉, Duzce 지진을 적용하였을 때 200.12 MPa로 최소응력이 발생하였다. 대체적으로 고주파 지진이 적용되었을 때 큰 응력응답이 발생하는 것으 로 나타났으며 이는 전기 캐비닛의 동적 특성이 고 주파 영역에 존재하기 때문인 것으로 판단된다.

    4. 지진 취약도 분석

    4.1 지진 취약도 정의

    지진 취약도의 개념은 원자력 발전소 설비의 손상빈 도와 PGA의 상관관계를 분석하면서 연구되기 시작 하였다(Kennedy et al., 1984). 취약도 함수는 외부에 서 발생한 자극으로 구조물의 거동이 정해진 한계상 태를 초과하는 확률을 함수로 표현한 것으로 일반적 으로 로그 정규누적분포 함수로 표현된다. 지진파의 불확실성과 구조물의 재료적 특성에서 발생하는 불 확실성을 고려하여 구조물의 안전성 평가를 수행할 수 있으며 일반적으로 식 (1)과 같다.

    F d ( x ) = P [ D d | X = x ] = Φ ( ln ( x / θ d ) β d )
    (1)

    여기서, D는 특정 구성요소의 불확실한 손상상 태, d는 정해진 한계상태, X는 불확실성을 내포하는 외부자극, X의 특정 값, θd는 로그정규 누적분포 함 수의 평균 값, βd는 로그정규 누적분포 함수의 표준 편차를 의미한다.

    4.2 한계상태

    본 연구에서는 캐비닛의 전체적인 거동과 앵커의 성 능에 대한 지진 취약도 평가를 수행하기 위해 캐비 닛 최상단의 변위와 앵커에서 발생한 최대 응력을 한계상태로 설정하였다.

    전기 캐비닛의 명확한 한계상태에 대한 국내 기 준이 없으면 관련연구가 부족하여 본 연구에서는 2012년 제정된 방송통신설비의 안전성․신뢰성 및 통 신규약에 대한 기술기준법에서 제시하고 있는 통신장 비 실험의 최상단 단방향 수평변위 제한인 75 mm를 캐비닛의 변위 한계상태로 설정하였다.

    본 연구에서 사용된 M10 J형 선설치 앵커의 인 발성능 실험을 3회 수행하여 얻어진 하중-변위 곡선 을 이용해 응력-변형률 곡선을 도출하였다. 3회의 실 험에서 발생한 최대 응력의 평균값은 390MPa이며 보수적인 평가를 위해 380MPa를 한계상태로 설정하 여 지진 취약도 평가를 수행하였다.

    4.3 지진 취약도 분석

    고주파 지진을 고려한 입력지진을 적용하여 지진 취 약도 분석을 수행하였다. Fig. 10은 앵커에서 발생한 응력을 한계상태로 분석된 지진 취약도, Fig. 11과 Fig. 12는 각각 캐비닛 최상단의 X축과 Z축 변위를 한계상태로 분석된 지진 취약도이다. 앵커의 응력에 대한 지진 취약도는 0.2g와 0.5g 사이에서 민감하게 반응하는 것으로 나타났으며 0.6g를 지나면서 모두 파괴가 발생하는 것으로 나타났다. 캐비닛 최상단의 X축 변위에 대한 지진 취약도는 0.1g를 넘어서면서 파괴가 발생하기 시작했고 0.7g를 지나서 대부분이 한계상태를 초과하는 것으로 나타났다. Z축 변위의 경우 X축 변위보다 완만한 기울기를 보이며 0.3g를 넘어서면서 파괴가 발생하는 것으로 나타났다. 이는 집중질량 캐비닛 모델의 동적 거동 특성과 고주파 지진에 기인한 것으로 판단된다.

    5. 결 론

    본 연구에서는 전기 캐비닛-앵커 시스템의 지진 취 약도 분석을 위해 실험적 연구를 바탕으로 앵커와 전기 캐비닛의 유한요소 모델을 구축하고 실험결과 와 비교하여 검증하였다. 검증된 모델을 이용하여 전기 캐비닛-앵커 시스템의 유한요소 모델을 구축하 여 포항 및 경주 지진 등의 고주파 지진을 포함한 입력 지진을 통해 시간이력해석을 수행하였으며 해 석 결과를 바탕으로 확률론적 안전성 평가인 지진 취약도 평가를 수행하여 다음과 같은 결론은 도출하 였다.

    선설치 앵커의 인발성능 실험을 바탕으로 유한요 소 모델을 구축하여 해석한 결과를 실험결과와 비교 하였을 때 초기강성 및 최대 하중점이 잘 일치하는 것으로 나타났다. 또한 전기 캐비닛의 진동대 실험 결과를 바탕으로 집중질량 모델을 구축하였고 고유 치해석 결과 타켓 주파수와 약 1% 내외의 오차가 발생하는 것으로 나타나 앵커 및 전기 캐비닛 모델 이 신뢰성이 있는 것으로 판단된다.

    경주 및 포항 지진은 5Hz 이상의 고주파 영역의 성분이 많이 포함되어 있기 때문에 고주파 지진을 고려하여 입력 지진을 선정하여 시간이력해석을 수 행하였으며 0.2g 스케일의 지진파를 적용하였을 때 응력응답이 고주파 지진에서 민감하게 반응하였다. 앵커의 응력을 한계상태로 지진 취약도 분석 시 0.2g를 지나면서 파괴가 시작되어 0.6g를 넘어서면서 대부분 한계상태를 넘어서는 것으로 나타났다. 캐비 닛의 최상단 변위를 한계상태로 취약도 분석 시 Z축 보다 X축 변위에 민감한 것으로 나타났으며 이는 캐비닛의 동적 특성과 고주파 지진의 영향인 것으로 판단된다.

    추후 연구에서는 전기 캐비닛의 고충실도 모델을 기반으로 내부기기가 부착되는 위치의 고주파 지진 에 대한 영향성을 분석하고자 한다.

    ACKNOWLEDGMENT

    본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원 플랜트 연구사업(19IFIP-B128598-03)의 연구비지원에 의해 수 행되었습니다.

    Figure

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    Pull-Out Test of Cast-in-Place Anchor
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    Experimental Test Results
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    Sensor Location
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    Resonant Frequency Test Result
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    FE Model of Cast-in-Place Anchor
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    Reconciliation of Analytical and Experimental Results
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    FE Model of Single Door Cabinet
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    FE Model of Cabinet-Anchor System
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    Comparison to Each Earthquake in 0.2g Scale
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    Seismic Fragility of Stress for Anchor
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    Seismic Fragility of X-Direction Displacement at the Cabinet
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    Seismic Fragility of Z-Direction Displacement at the Cabinet

    Table

    Specimen Properties
    FE Model Properties
    Properties of Each Mode
    FE Model Properties
    FE Model Properties
    Input Ground Motions

    Reference

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