영역축소법을 이용한 원전구조물의 비선형 지반-구조물 상호작용 해석법 개발 :Development of Nonlinear Soil-Structure Interaction Analysis Method of Nuclear Power Plant Structures using Domain Reduction Method

임재성

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자료유형: 학위논문

저자정보: 임재성 (전남대학교 )

지도교수: 김재민

발행연도: 2023

저작권: 전남대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수3

이 논문의 연구 히스토리 (4)

2023

영역축소법의 보조응답에 따른 원전구조물의 비선형 지반-구조물 상호작용 해석 사례

임재성 , 김재민 대한토목학회 학술대회 2023.10 학술대회자료

영역축소법을 이용한 원전구조물의 비선형 지반-구조물 상호작용 해석법 개발

임재성 건축토목공학과 2023.01 학위논문

2022

등가선형응답과 영역축소법(DRM)을 결합한 원전 격납구조물의 시간영역 지반-구조물 상호작용해석 사례

임재성 , 김재민 대한토목학회 학술대회 2022.10 학술대회자료

2016

p-version 무한요소를 적용한 지반-구조물 상호작용해석의 계산속도 향상

임재성 , 손일민 , 김재민 외 1명 한국전산구조공학회논문집 2016.01 학술저널

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이 논문에서는 원전구조물에 대한 비선형 지반-구조물 상호작용 (Soil-Structure Interaction, SSI) 해석을 위한 영역축소법(Domain Reduction Method, DRM)에서 보조응답의 개선을 위한 연구를 수행하였다. DRM의 유효지진하중을 결정하는 일반적인 방법은 자유장 보조시스템을 이용하여 결정된다. 이 논문에서는 진동수영역 SSI 보조시스템에서 등가선형 SSI 해석응답을 사용함으로써 DRM을 개선하는 방법을 제안하였다. 제안한 방법의 적용성과 정확성을 검증하기 위하여 국내 표준형 원전구조물에 대한 선형 및 비선형 지진응답해석을 수행하였다. 또한, 영역축소법과 다양한 에너지흡수경계조건에 따른 지진응답해석을 수행하여 수치해의 정확도를 평가하였다. 검증을 위한 참조해로 진동수영역 SSI 해석과 응답을 이용하였다.
원전구조물에 대한 지진응답해석을 수행한 결과, 제안된 SSI 해석 보조응답을 사용한 해석결과가 기존의 자유장해석 보조응답을 사용한 해석결과보다 참조해에 근접한 것으로 나타났다. 또한, 근역지반에서 원역으로 전파되는 방사파의 크기는 제안된 방법이 기존 방법보다 작게 나타났다. 이로 인해, 제안된 방법을 적용할 경우 에너지흡수경계가 부담해야하는 파동에너지를 크게 줄일 수 있는 장점을 보였다. 제안 방법의 이 같은 장점 때문에 지반의 유한요소모델 외곽에 에너지흡수경계를 사용하지 않는 고정경계조건을 적용해도 참조해에 근접한 결과를 얻을 수 있었다. 따라서, 이 연구에서 제안한 보조응답을 적용한 DRM 방법이 시간영역 SSI 해석에 효과적으로 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
마지막으로, 실제 원자력발전소의 부지 조건 및 상부구조물을 고려한 시간영역 비선형 SSI 해석을 수행함으로써 해석방법의 적용성을 입증하였다. 이때 고려한 비선형성은 지반 재료의 비선형과 지반 및 기초 사이의 접촉 경계 비선형이다. 먼저, 낮은수준지진 입력에 대한 지진응답해석을 통해 해석모델에 적용한 비선형 특성이 선형거동함을 검증하였다. 또한, 설계기준을 초과하는 지진에 대한 구조물의 비선형 응답을 도출하여 비선형 거동을 확인하였다. 비선형 SSI 해석결과, 수평방향 가속도응답은 지반의 소성변형과 기초의 슬라이딩 거동에 의해 감소되었다. 하지만, 수직방향 가속도응답은 기초의 들림과 접지과정에서 발생한 충격에 의해 증가되었다. 또한, 접촉 경계에서 슬라이딩과 들림이 부분적으로 발생하였다.

This paper studies the improvement of auxiliary response in the Domain Reduction Method (DRM) for nonlinear Soil-Structure Interaction (SSI) analysis of nuclear power plant structures. The conventional approach for determining the effective seismic load of DRM involves using the free-field auxiliary system. In this study, a method is proposed to improve DRM by incorporating the response of equivalent linear SSI analysis in the frequency-domain SSI auxiliary system. To validate the applicability and accuracy of the proposed method, linear and nonlinear seismic response analyses were conducted on a standard-type nuclear power plant in Korea. Furthermore, seismic response analyses are performed using DRM and various energy Absorbing Boundary Conditions (ABCs) to assess the accuracy of the numerical solution. The frequency-domain SSI analysis and its response are employed as reference solutions for verification purposes.
The seismic response analysis of nuclear power plants reveals that the results obtained using the proposed SSI analysis auxiliary response are in closer agreement with the reference solution compared to the results obtained using the conventional free-field analysis auxiliary response. Moreover, the proposed method results in a smaller magnitude of radiated waves propagating from the near-field soil to the far-field soil compared to the conventional method. This demonstrates the advantage of significantly reducing the wave energy carried by the ABCs through the application of the proposed method. Consequently, the proposed method enables obtaining results that closely align with the reference solution, even when fixed boundary conditions are applied without the use of ABCs on the edges of the finite element model of the soil. Therefore, it is believed that the DRM method with the auxiliary response proposed in this study can be effectively employed in time-domain SSI analysis.
Finally, the applicability of the analysis method is demonstrated by conducting time-domain nonlinear SSI analysis considering the actual site conditions and upper structures of a nuclear power plant. The nonlinearities considered in this study encompass the nonlinearity of the soil properties and the nonlinearity of the contact boundary between the soil and the foundation. Initially, through seismic response analysis for low-level seismic input, it is verified that the applied nonlinear characteristics in the analysis model exhibit linear behavior. Additionally, the nonlinear response of the structure to beyond-design earthquakes is derived, and the nonlinear behavior is confirmed. The nonlinear SSI analysis reveals a decrease in horizontal acceleration response due to the plastic deformation of the soil and the sliding behavior of the foundation. However, the vertical acceleration response increases due to the uplift of the foundation and the impact generated during the grounding process. Furthermore, sliding and uplift occur partially at the contact boundary.

#영역축소법 #비선형 지반-구조물 상호작용 #에너지 흡수경계조건

1장 개요 1
1.1 연구배경 1
1.2 문헌조사 3
1.2.1 비선형 지반-구조물 상호작용 3
1.2.2 부분구조법 5
1.3 연구목적 및 연구내용 8
2장 영역축소법 9
2.1 개요 9
2.2 DRM 이론 9
2.3 유효지진하중 결정방법 18
2.3.1 자유장응답을 이용한 유효지진하중의 결정 18
2.3.2 진동수영역 SSI 응답을 이용한 유효지진하중의 결정 18
2.4 자유장문제에 대한 DRM 방법의 검증 19
2.4.1 자유장문제 정의 19
2.4.2 일차원 자유장해석 21
2.4.3 자유장문제의 해석모델 23
2.4.4 자유장문제의 해석결과 26
3장 DRM 및 경계조건에 따른 정확성 평가 29
3.1 개요 29
3.2 에너지흡수경계조건 (ABC) 29
3.2.1 점탄성경계 (Visco-Elastic Boundary, VEB) 29
3.2.2 Perfectly Matched Layer (PML) 31
3.3 고정경계 (Fixed Boundary, FB) 33
3.4 DRM과 ABC의 조합에 따른 정확성 평가 34
3.4.1 해석모델 34
3.4.2 DRM과 ABC의 조합에 따른 해석응답 검토 37
3.4.3 PML의 요소 개수에 따른 해석응답의 정확성 검토 45
4장 원전구조물의 비선형 지반-구조물 상호작용 해석 50
4.1 개요 50
4.2 문제 정의 51
4.2.1 원전구조물의 정의 및 해석모델 검증 51
4.2.2 지반 재료의 비선형성 및 해석모델 검증 58
4.2.3 접촉 경계 비선형성 검증 60
4.3 원전구조물의 지반-구조물 상호작용 해석 62
4.3.1 진동수영역 SSI 해석 방법론 검증 62
4.3.2 원전구조물 해석모델의 근역지반 영역 검증 65
4.3.3 낮은수준지진 입력 DRM과 경계조건에 따른 비선형 SSI 해석 비교 69
4.3.4 설계초과지진 입력 DRM과 경계조건에 따른 비선형 SSI 해석 비교 76
4.3.5 지반의 2차 비선형성을 고려한 비선형 SSI 해석 82
4.4 원전구조물의 SSI 해석에 대한 소결 85
5장 요약 및 결론 87
참고문헌 89
(Abstract) 94

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