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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.11 No.5 pp.60-66
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2020.11.5.060

Dynamic Characteristics of Double-Door Electrical Cabinet by 3D Finite Element Analysis Model

Hoyoung Son1, Woobin So2, Bubgyu Jeon3, Wooyoung Jung4, Bu-Seog Ju4
1Ph.D. Candidate, Department of Civil Engineering, Kyunghee University, Yongin, Korea
2Master, Department of Civil Engineering, Kyunghee University, Yongin, Korea
3Senior Researcher, Seismic Simulation Test Center(SESTEC), Pusan National University Busan, Korea
4Professor, Department of Civil Engineering, Gangneung-Wonju National University, Gangneung, Korea
5Professor, Department of Civil Engineering, Kyunghee University, Yongin, Korea

본 논문에 대한 토의를 2020년 11월 30일까지 학회로 보내주시면 2020년 12월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author:Ju, Bu-Seog Department of Civil Engineering, Kyunghee University, 1732, Deogyeng-daero, Giheung-gu, Yongin, Korea. Tel: +82-31-201-3688, Fax: +82-31-201-3688 E-mail: bju2@khu.ac.kr
August 25, 2020 September 4, 2020 September 7, 2020

Abstract


Electrical cabinets must remain operational and functional to meet seismic requirements during and after an earthquake in order to provide essential power in nuclear and non-nuclear power plants. In recent years, strong ground motions exceeding magnitude of 5.0 have struck around the Gyeongju and Pohang areas of Korea, in which energy facilities are concentrated. Thus, it was revealed that nonstructural components such as electrical and mechanical equipment are sensitive to high-frequency strong ground motion. Therefore, it is necessary to develop the seismic demand of electrical equipment such as cabinets including relays and switch boxes for critical facilities at risk of high-frequency earthquakes, since most existing critical facilities were designed for the frequency range 1-10Hz. This study presents the dynamic characteristics of double-door electrical cabinet based on experimental and analytical results. The global modes of the cabinet associated with shaking table tests were 15Hz (1st), 18Hz (2nd), and 20.5Hz (3rd), respectively, and an analytical model was constructed in the ABAQUS and ANSYS platform. The analytical model was validated using the experimentally determined dynamic characteristics of the cabinet and further analyses such as in-cabinet response spectra and risk assessment of the cabinet were evaluated.



양문형 전기 캐비닛의 3차원 유한요소 모델 기반 동특성 분석

손 호영1, 소 우빈2, 전 법규3, 정 우영4, 주 부석4
1경희대학교 사회기반시스템공학과 박사수료
2경희대학교 사회기반시스템공학과 공학석사
3부산대학교 지진방재연구센터 책임연구원
4강릉원주대학교 토목공학과 교수
5경희대학교 사회기반시스템공학과 교수

초록


급증하는 전련소비량을 감당하기 위해서 발전소는 필수적인 사회기반시설이며 안정적인 에너지 공급을 위해 발전소 내 구조적/비구조적 요소의 외부하중에 의한 안전성 평가는 반드시 필요하다. 국내에서 발생되는 지진의 상당수는 고주파 영역 의 지진으로 보고되고 있으며 국내외 선행연구들에 의해 비구조적 요소가 고주파 지진에 더 많이 피해가 발생할 수 있는 것으 로 연구되었다. 발전소 내에 대표적인 비구조적 요수중 하나인 전기 캐비닛의 경우 선행연구들에서 고유진동수가 10Hz 이상의 고주파 영역에 속하는 것으로 나타났으며 이에 따라 고주파 지진에 의한 안전성 평가가 필요할 것으로 판단된다. 본 연구에서 는 전기 캐비닛의 고주파 지진에 의한 영향성 평가에 앞서 양문형 전기 캐비닛의 유한요소 모델을 구축하여 모드해석을 수행하 였으며 진동대를 이용한 공진탐색실험 결과와 비교하여 모델의 타당성을 검토하였다. 또한 모델의 신뢰성을 높이기 위해 ABAQUS와 ANSYS Platform을 이용하여 모델을 구축하고 모드해석을 수행하였다. 실험에서 얻어진 1차, 2차 3차 전역모드의 주 파수와 비교하였을 때 최대 약 5%의 오차가 발생하는 것으로 나타났다. 또한 1차, 2차, 3차 전역모드에 유효질량이 90%이상 참 여하는 것으로 나타나 가장 지배적일 것으로 판단되며 모드형상이 유사한 것으로 판단되어 구축된 모델이 양문형 전기 캐비닛 의 전체적인 동적 거동을 잘 모사할 수 있을 것으로 판단된다.



    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    20IFIP-B128598-04

    1. 서 론

    전력 수요량의 증가에 따라 지속적으로 에너지를 공 급하기 위해 발전소는 필수적인 사회기반 시설로써 원자력, 화력, 수력 등의 발전소 시설이 존재한다. 발전소 내에는 다양한 구조적/비구조적 요소가 설치 되어 있으며 이중 전기 캐비닛의 경우 발전소 시스 템의 컨트롤러 등을 보관하는 역할을 한다.

    지진, 홍수 등의 자연재해로 인한 외부하중으로 전기 캐비닛이 피해를 입을 경우 전력 공급 시스템 의 중단 및 기기 오작동 등으로 인해 화재, 폭발과 같은 2차 피해로 이어 질 수 있다. 미국 전력연구소 의 연구에 따르면 지진파의 고주파 특성이 건축물의 구조적 요소보다 비구조적 요소에서 변형, 맞부딪침, 볼트체결 풀림 등의 문제를 발생시킬 수 있는 것으 로 보고되었다(EPRI, 2007). 국내에서 발생한 경주 및 포항 지진은 일반적인 구조물의 고유 진동수인 5Hz 이상의 고주파수 성분이 두드러지는 지진파로 구조적 요소 보다 비구조적 요소에 피해가 많은 것 으로 연구되었다(Oh and Shin, 2016).

    위에서 언급된 이유들로 인해 전기 캐비닛의 고 주파 지진에 의한 안전성 평가는 반드시 필요한 연 구이며 실험적 연구와 해석적 연구를 통한 안전성 평가로 나뉠 수 있다. 실험적 연구를 통한 지진 안 전성 평가의 경우 진동대 실험 및 임팩트 해머 실험 등을 통해 전기 캐비닛의 고유진동수를 탐색하거나 진동대에 실지진파 및 인공지진파를 적용하여 전기 캐비닛의 동적 거동 분석을 통해 안전성 평가를 수 행할 수 있다. 전기 캐비닛의 실험적 연구를 통한 안전성 평가는 다양한 연구자들에 의해 수행되었다 (Kim and Choi, 2009;Cho, et al., 2010;Kim, et al., 2012;Park, et al., 2017;Yun, et al., 2019).

    실험적 연구의 경우 실제 사용 중인 전기 캐비닛 을 이용한 실험이 불가능하다는 문제점과 실험 시 소모되는 시간적, 경제적 자원이 적지 않다는 문제 점이 있어 유한요소 모델을 이용하여 전기 캐비닛의 지진 안전성 평가 연구가 다양하게 수행되었다.

    Cho(2005)는 안전계통의 캐비닛의 유한요소 모델 을 구축하였으며 공진탐색실험 및 진동대 실험을 통 해 얻어진 결과를 해석결과와 비교하여 구축된 모델 의 유의성을 검토하였다.

    Koo et al.(2008)은 충격해머 실험을 기반으로 전 기 캐비닛 지진응답을 예측할 수 있는 방법론을 제 안하였으며 프레임 모델과 3차원 유한요소 모델을 통해 제안된 방법론의 수치 해석적 검증을 수행하여 제안된 기법이 지진응답을 잘 예측할 수 있는 것으 로 언급하였다.

    또한 Cho el al.(2011)Koo et al.(2008)의 연구를 확장하여 전기 캐비닛 내부 기기의 응답스펙트럼을 예 측하는 기법을 제안하여 3가지 구조모델을 대상으로 제안한 기법을 수치적으로 검증하였다. 예측된 결과와 수치해석결과가 잘 일치하는 것으로 나타며 제안된 방 법이 전기 캐비닛의 내부 기기 및 전체적인 동적응답 을 유사하게 모사할 수 있는 것으로 나타났다.

    Hur et al.(2012)은 전기 캐비닛의 상세한 모델 구 축은 많은 어려움이 존재함을 언급하였으며 이를 극 복하기 위해 고정부 경계조건과 부재 사이의 연결을 고려한 단순화된 수치해석 모델 제안하였다. 해석결 과를 바탕으로 캐비닛의 비선형 거동이 표현할 수 있으며 상세 모델에 비해 적은 시간이 소요되는 것 을 확인하였다.

    Lim et al.(2016)은 부재 사이의 연결에 비선형 회 전 및 병진 스프링을 사용하여 구조적 손상으로 인 한 비선형 거동을 모사하여 유한요소 모델의 신뢰성 을 높이고자 하였다. 상세 모델과 비교하였을 때 상 당히 유사한 결과가 발생하는 것으로 나타나 구축된 모델의 유의성을 검증하였지만 내부 전자기기와 기 타 연결 부재에 대한 고려가 없어 추가적인 검증이 필요한 것으로 언급되었다.

    Son et al.(2019)은 단문형 캐비닛의 단순화된 모 델을 이용하여 전기 캐비닛-앵커 시스템의 지진 취 약도 분석을 수행하였다. 전기 캐비닛-앵커 시스템의 경우 고주파 지진을 적용하였을 때 민감하게 반응하 는 것으로 나타났으며 경주지진을 적용하였을 때 가 장 큰 응답이 발생하는 것으로 나타났다. 이 연구의 경우 단순화된 모델을 사용하여 전기 캐비닛의 전체 적인 거동과 앵커에 대한 평가만이 이루어졌으며 내 부 기기에 대한 검토는 이루어지지 않았다.

    따라서 본 연구에서는 전기 캐비닛의 고주파 지 진에 의한 영향성 평가에 앞서 양문형 전기 캐비닛 의 3차원 유한요소 모델을 구축하였으며 모드해석을 통한 고유진동수를 분석하였다. 또한 진동대를 이용 한 공진탐색실험에서 얻어진 전역모드와 비교하여 구축된 유한요소 모델의 유의성을 검증하였으며 해 석결과의 신뢰성을 높이기 위해 ABAQUS와 ANSYS Platform을 이용하여 유한요소 모델을 구축하고 모드 해석을 수행하였다.

    2. 양문형 전기 캐비닛의 공진탐색 실험

    2.1 양문형 전기 캐비닛의 구성

    양문형 전기 캐비닛은 수직 및 수평 주 프레임과 Strut, Channel, 외벽체 등으로 외부가 구성되어 있으며 내 부에는 바닥판에서 130mm 떨어진 곳에 계기용 변압 변류기(Metering Out Fit, M.O.F.), 1,260mm 떨어진 곳 에 스위치 박스가 위치하고 있다. 캐비닛과 진동대 사이에는 높이 300mm의 Jig를 설치하였다.

    양문형 캐비닛을 구성하는 주 프레임 및 Channel, 외벽체, 내부 기기는 볼트 및 용접이 복합적으로 적 용되어 연결되어 있다. 또한 국부적인 변형으로 인 한 실험 오차를 줄이기 위해 문 중앙과 가장자리에 플레이트를 보강하여 볼트 체결 하였으며 Jig와 캐비 닛 바닥판 가장자리를 용접 체결 하였다.

    양문형 전기 캐비닛 실험체의 크기는 1,200mm× 600mm×2,350mm이며 내부기기를 포함한 총 무게는 549kg이다. Jig의 크기는 1,600mm×910mm×300mm이며 무게는 386kg이다. Fig. 1은 진동대 위에 설치된 양 문형 전기 캐비닛과 내부기기 사진이다.

    공진탐색 실험에서 가속도 응답을 계측하기 위해 진동대 상단(A1), Jig 상단(A2), M.O.F.(A3), 스위치박 스(A4), 문 중앙(A5), 최상단 모서리(A6)에 가속도계 를 부착하였으며 Fig. 2에 정리하여 나타내었다.

    2.2 공진탐색 실험

    공진탐색 실험을 위해 최대 하중이 6,000kg이고, 6자 유도 실험이 가능하며 0.1Hz∼60Hz 범위의 주파수 탐색이 가능한 진동대를 이용하여 실험을 수행하였 다. ICC-ES AC156 기준에 따라 공진탐색 실험을 수 행하였으며 X, Y, Z 방향으로 각각 Fig. 3과 같은 Sinusoidal Sweep을 적용하였다. Sweep Rate는 2 Octave/min 이며 0.10g±0.05g 수준의 가속도와 1.3Hz ∼33.3Hz의 주파수 범위를 포함한다. 식 (1)과 같은 전달함수 추정 방법을 이용하여 양문형 전기 캐비닛 의 고유주파수를 결정하였다(IEEE, 2013).

    T x y ( f ) = P y x ( f ) P x x ( f )
    (1)

    여기서, Txy (f)는 전달함수이며 Pxy (f)와 Pxx (f) 는 출력과 입력신호의 전력 스펙트럼 밀도함수 이다.

    Table 1은 공진탐색 실험 결과를 표로 정리하여 나타낸 것으로 X-Axis의 경우 Jig에 부착된 A2 계측 기를 제외한 전체 계측기에서 15.00Hz로 나타났으며 Y-Axis 또한 A2를 제외한 전체 계측기에서 20.50Hz 로 나타났다.

    Fig. 4는 각 방향에 해당하는 전달률을 그래프로 나타내었다. Fig. 4 (a)에서 볼 수 있듯이 15.00Hz에 서 모든 계측기의 전달률이 증폭되는 것으로 나타났 으며 18.00Hz에서 전역적인 증폭이 발생하는 것으로 나타났다. Fig. 4 (b)는 20.50Hz에서 전역적인 증폭이 발생하는 것으로 나타났다.

    따라서 본 연구에서는 1차, 2차, 3차 모드를 각각 15.00Hz, 18.00Hz, 20.50Hz로 설정하였다. 이외에 증 폭이 발생하는 것은 각 계측기가 부착된 위치의 국 부적인 모드로 판단되고 있으며 본 연구에서는 고려 하지 않았다.

    3. 유한요소 해석

    3.1 양문형 캐비닛의 유한요소 모델

    양문형 전기 캐비닛은 외벽체, 주프레임, 내부 전자 기기 등의 내부 구성요소가 볼트 및 용접 체결로 연 결되어 있다. 전기 캐비닛의 경우 외벽체, 주프레임 등의 구조적 성능뿐만아니라 내부 기기의 기능적 성 능 유지 또한 중요하다. 단순화된 유한요소 모델의 경우 내부 기기에서 발생되는 응답을 관측할 수 없 다는 단점이 존재하기 때문에 본 연구에서는 3D 유 한요소 모델 기반의 동특성 분석을 위해 상용 구조 해석 프로그램을 이용하여 해석적 모델을 구축하였 다. 모드해석을 통해 얻어진 해석결과와 실험결과의 비교를 통해 해석모델의 유의성을 분석하고자 하였 으며 모델의 신뢰성을 높이기 위해 ABAQUS 및 ANSYS Platform을 이용하여 모델을 구축하여 해석 적 연구를 수행하였다.

    Table 2에는 양문형 전기 캐비닛을 구성하는 요 소의 유한요소 모델에 사용된 재료 특성을 정리하여 나타내었다. Frame과 Panel, Jig의 경우 일반적인 강 재의 재료특성을 사용하였으며 내부기기인 M.O.F.와 Switch Box의 경우 질량과 부피 비를 고려한 등가질 량으로 환산하여 밀도를 설정하였다.

    Table 3은 각 구성요소에 사용된 Platform별 요소 의 종류, 요소 및 노드의 개수를 정리하여 나타내었 다. ABAQUS Platform에서 사용된 요소의 개수는 총 47,323개 이며 노드의 개수는 총 54,077개 이다. ANSYS Platform에서 사용된 요수의 총 개수는 42,544개 이 며 노드의 총 개수는 55,689개 이다.

    양문형 전기 캐비닛을 구성하는 요소 간의 연결 은 볼트 및 용접 체결이 복합적으로 사용되어 연결 되어 있기 때문에 ABAQUS Platform의 경우 용접 체 결을 모사하기 위해 Tie 기능을 사용하였으며 볼트 체결을 모사하기 위해 Coupling 기능을 적용하였다. ANSYS Platform의 경우 용접 체결 모사를 위해 Bonded, 볼트 체결을 모사하기 위해 Revolute를 적용 하였다.

    경계조건의 경우 실제 실험에서 Jig 하단에 M24 볼트로 진동대에 고정되어 있으므로 동일한 위치에 M24 볼트의 헤드 면적과 동일한 면적을 경계조건으 로 설정하였으며 고정단으로 정의하였다.

    Fig. 5는 ABAQUS Platform을 이용하여 구축된 유한요소 모델의 전체적인 형상과 내부 모습이며 Fig. 6은 ANSYS Platform을 이용하여 구축된 모델의 모습이다.

    3.2 양문형 캐비닛의 모드해석

    ABAQUS와 ANSYS Platform의 Lancoz 방법을 이용 하여 모드해석을 수행하였다.

    Fig. 7은 ABAQUS Platform을 이용한 1차, 2차, 3 차 전역 모드에 해당하는 모드해석 결과를 그림으로 나타내었다.

    Fig. 7 (a)은 1차 전역모드에 해당하는 모드 형상 으로 문 중앙(A3)에 모드형상이 집중되어 있는 것을 볼 수 있으며 이때 주파수는 15.854Hz로 실험결과와 약 5%의 오차가 발생하였다.

    Fig. 7 (b)은 2차 전역모드에 해당하는 모드형상 이며 이때의 주파수는 18.544Hz로 약 3%의 오차가 발생하였다. Fig. 4 (a)에서 문 중앙(A3)과 M. O. F. (A3)의 전달률이 크게 증폭되는 것을 볼 수 있는데 해석결과도 이와 비슷하게 앞뒷문과 M.O.F.에 모드 형상이 집중되어 있는 것으로 나타났다.

    Fig. 7 (c)은 3차 전역모드에 해당하는 모드형상 이며 20.888Hz의 주파수를 갖는 것으로 나타나 약 4%의 오차가 발생하였다. 2차 전역모드와 마찬가지 로 Fig. 4 (b)와 비교하였을 때 Switch Box(A4)와 최 상단 모서리(A6)에 모드형상이 집중되는 것으로 나 타났다.

    Fig. 8은 ANSYS Platform을 이용한 모드해석 결 과로 1차, 2차, 3차 전역 모드에 해당하는 모드형상 과 주파수를 정리하여 나타내었다.

    Fig. 8 (a)은 1차 전역모드에 해당하는 모드형상 으로 ABAQUS Plarform을 이용한 해석결과와 유사한 것으로 나타났다. 이때의 주파수는 15.743Hz로 약 5% 의 오차가 발생하였다.

    Fig. 8 (b)은 2차 전역모드에 해당하는 모드형상 이며 18.751Hz의 주파수가 발생하였으며 실험결과와 약 4%의 오차가 발생하였다.

    Fig. 8 (c)은 3차 전역모드로 판단되는 모드형상 으로 19.717Hz의 주파수를 가지며 약 1%의 오차가 발생하였다.

    ABAQUS와 ANSYS Platform 모두 실험결과에서 나타난 전역모드의 주파수 영역과 비교하였을 때 최 대 약 5%의 오차가 발생하는 것으로 나타났다. 여기 서 발생한 오차는 실제 연결에 사용된 볼트와 너트, 용접 등의 Parts의 미반영과 각 부재의 결합 방법에 의한 차이로 판단된다. 또한 두 Platform 사이에 발 생한 차이의 경우 부재간의 연결 정의에 사용된 각 각의 기능의 차이와 모델 구축 시 사용된 요소의 차 이로 인한 것으로 판단된다.

    3개의 모드에서 발생한 유효질량이 전체 유효질 량의 약 90%이상을 차지하고 있는 것으로 나타나 가장 지배적인 모드일 것으로 판단된다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 양문형 전기 캐비닛의 3D 유한요소 모델을 구축하였으며 실험결과와 비교하여 구축된 모델의 타당성을 검토하였다. 해석모델의 신뢰성을 높이기 위해 두 개의 Platform을 이용하여 모델을 구 축하고 모드해석을 수행하였으며 공진탐색실험결과 와 비교하여 모델의 타당성을 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

    두 개의 Platform 해석결과에서 얻어진 1차, 2차, 3차 전역모드에 해당하는 주파수가 실험결과와 비교 하였을 때 최대 5%의 오차가 발생하는 것으로 나타 났다.

    1차, 2차, 3차 전역 모드에서 발생한 유효질량이 전체 유효질량의 90% 이상이 참여한 것으로 나타나 가장 지배적인 모드일 것으로 판단된다.

    Fig. 4를 보았을 때 공진탐색실험의 1차, 2차 전 역모드의 경우 M.O.F.(A3)와 문 중앙(A5)의 전달률 증폭이 두드러진 것으로 나타났으며 3차 전역 모드 의 경우 Switch Box(A4)의 전달률 증폭이 두드러졌다.

    Fig. 7과 Fig. 8의 모드형상을 보았을 때 1차, 2차 전역모드의 경우 문 중앙과 M.O.F.에 모드형상이 집 중되어 있으며 3차 모드의 경우 Switch Box에 모드 형상이 집중되어 있는 것으로 나타났다.

    위에 언급된 결과들을 바탕으로 구축된 유한요소 모델이 실제 양문형 전기 캐비닛의 전역적인 동적거 동을 유사하게 표현할 수 있을 것으로 판단된다.

    본 연구에서는 전역모드만을 고려하여 유한요소 모델을 구축하였으므로 20.50Hz 이상 영역에서 발생 된 내부 기기의 국부적인 모드는 검토되지 않았다. 이것은 기능성 유지에 필수적인 내부기기에 대한 응 답을 올바르게 모사할 수 없으므로 추후 연구에서는 유한요소 모델 업데이팅을 통해 20.50Hz 이상의 영 역에서 발생한 국부적인 모드에 대한 검토가 수행되 어야 할 것으로 판단된다.

    ACKNOWLEDGEMENT

    본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원 플랜 트 연구사업(20IFIP-B128598-04)의 연구비지원에 의해 수행되었습니다.

    Figure

    KOSACS-11-5-60_F1.gif

    Specimen Set-up

    KOSACS-11-5-60_F2.gif

    Location of Accelometer

    KOSACS-11-5-60_F3.gif

    Sinusoidal Sweep

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    Trnsfer Function of Acceleration Responses

    KOSACS-11-5-60_F5.gif

    Finite Element Model Double Door Cabinet in ABAQUS Platform

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    Finite Element Model Double Door Cabinet in ANSYS Platform

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    Mode Shape in ABAQUS Platform

    KOSACS-11-5-60_F8.gif

    Mode Shape in ANSYS Platform

    Table

    Result of Resonant Search Test
    Material Properties of Components
    Elements Properties of Components Used Each Platform

    Reference

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