Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 19, No. 2 pp. 50-55, 2018 https://doi.org/10.5762/kais.2018.19.2.50 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 문종윤, 권민호 *, 김진섭, 임정희경상대학교토목공학과 Seismic Fragility Evaluation of Cabinet Panel by Nonlinear Time History Analysis Jong-Yoon Moon, Min-ho Kwon *, Jin-Sup Kim, Jeong-Hee Lim Department of Civil Engineering, ERI, Gyeongsang National University 요약지진은예보가거의불가능하고짧은시간동안일어나지진이발생할때적극적인대처를할시간적인여유가거의없어다른자연재해에비해인명피해와재산피해가많이발생한다. 최근전세계적으로지진이빈번하게발생하고있다. 이와같이지진의증가에따라구조물의안전성확보에대한연구가활발히진행되고있지만상대적으로비구조요소인전기시설등에대한연구는미비한실정이다. 그리고현재국내의전기설비는지진에대한안전설계를하지않는경우가많아지진이발생했을때손상에매우취약하다. 따라서본연구에서는 ABAQUS를통해실제수배전반과유사하도록모델링을하였고자연지진파를이용하여 3D 동적비선형해석을수행하였다. 송변전설비내진설계실무지침서의지진구역Ⅰ과보통지반암조건에따르면기능수행수준의최대응답가속도는 0.157g이다. 하지만본연구에서일반적인수배전반에대한해석결과의 0.1g 에서한계상태도달비율은 30% 로안전하다고볼수없다. 그리고해석결과를통해지진취약도를도출하고분석하였다. 도출된지진취약도는수배전반의한계상태를판별하는정량적근거로제시하고이와관련된연구의기초자료로활용되는데목적을가지고있다. Abstract Earthquakes are almost impossible to predict and take place in a short time. In addition, there is little time to take aggressive action when an earthquake occurs. Therefore, there are more casualties and property damage than with other natural disasters. Recently, earthquakes have been occurring all over the world. As the number of earthquakes increase, studies on the safety of structures are being carried out. On the other hand, there are few studies on the electric facilities, which are relatively non - structural factors. Currently, electrical equipment in Korea is often not designed for earthquake safety and is quite vulnerable to damage when an earthquake occurs. Therefore, in this study, modeling was conducted through ABAQUS similar to an actual cabinet panel and 3D dynamic nonlinear analysis was performed using a natural seismic. According to seismic zone Ⅰ and normal ground rock conditions of the power transmission and transmission facility seismic design practical guide, the maximum response acceleration of the performance level was 0.157g. In this study, however, it was not safe to reach the limit state of 30% of the analytical result at 0.1g for the general cabinet panel. From the results, the seismic fragility curve was derived and analyzed. The derived seismic fragility curve is presented as a quantitative basis for determining the limit state of the cabinet panel and can be utilized as basic data in related research. Keywords : ABAQUS, Cabinet panel, Earthquake, Fragility curve, Nonlinear time history analysis 본연구는국토교통부플랜트연구사업의연구비지원 (18IFIP-B128598-02) 에의해수행되었습니다. * Corresponding Author : Min-Ho Kwon(Gyeongsang National Univ.) Tel: +82-55-772-1796 email: kwonm@gnu.ac.kr Received December 13, 2017 Revised (1st January 3, 2018, 2nd January 29, 2018, 3rd February 1, 2018) Accepted February 2, 2018 Published February 28, 2018 50
1. 서론지진은짧은시간동안일어나지진이발생할때적극적인대처를할시간적여유가없어다른자연재해에비해인명피해나재산피해가크게발생하게된다. 그리고지진의발생횟수는꾸준히증가하는양상을보이고있고 2016년들어경주에서만각각규모 5.8과 5.1의지진이발생하였으며국내에서발생한지진의최대규모를경신하였다. 또최근에포항에서발생한규모 5.4의지진은경주지진보다피해가더크게발생하였다. 이와같이지진의증가에따라구조물의안전성확보에대한연구가다양하게진행되고있다. 그러나상대적으로비구조요소인전기시설등에대한내진성능평가는미비한실정이다. 특히전세계전력계통은전기저항으로인해발생되는손실량을최소화하기위해고전압화되어가는추세이고, 전기설비의시장규모는점점커지고있지만구조물에비해현재국내의전기설비는지진에대한안전설계가미비한경우가많으므로지진이발생할때손상에매우취약하다. 또전기설비의손상은 2차피해로전기설비를보유하고있는시설물전체의안전성에큰영향을미치며 2차적인인명피해가발생할수있으므로전기설비에대한안전성문제가중요하다. 또한수배전반의경우지진에의해서피해가발생할경우 2차적인인명사고로이어질가능성크므로지진에대한지진취약도분석을통한성능평가에대한연구가시급한실정이다. 하지만수배전반의경우발전시설물의종류와산업규모의크기에따라다양한형태를갖기때문에그형상을표준화하기에는어려움이있다. 또한수배전반설계시지진구역과지반조건에따라설계응답스펙트럼이다르고, 변압기본체, 축전지, 배전반등을포함한비애자형기기는지표면혹은 1층과 2층혹은 3층그리고 4층이상에따라다른증폭률을고려하여야한다. 따라서본연구에서는지진구역 Ⅰ과보통지반암 ( ) 지표면에위치하고일반적으로많이사용되는산업용수배전반을모델로하여실제제작된수배전반의도면을이용하여유한요소모델링을수행하였다 [1]. 그다음자연지진파를이용해 3D 동적비선형해석을수행하여손상및파괴를확인하여지진취약도를도출하여분석과성능평가를수행하였고, 이를기반으로관련된연구에대한기초자료로활용되는데목적이있다. 2. 유한요소모델링 2.1 수배전반구조요소별제원 수배전반의유한요소해석모델링을실제구조물에가깝도록구성하여야유한요소해석을통하여수배전반의정확한거동상태를알수있다. 또한해석결과의신뢰성을확보하기위해서는구조요소를이루고있는제원뿐만아니라재료의물리적인특성치를탄성영역및비탄성영역까지고려하여야한다. 그러므로본연구에서는유한요소해석프로그램인 ABAQUS를통하여실제수배전반과유사하도록유한요소모델링을수행하였고, 정밀한구조해석을위하여비선형재료모델링을수행하였다. 내부설비는중량이큰진공차단기 (VCB for MCSG) 와 DCI-204A(W) 만을모델링하였고, 진공차단기의중량은 486kgf이고, DCI-204A(W) 의중량은 38kgf로실제중량을고려하였다. 수배전반의제원을 Table 1에나타내었고수배전반의상세도는 Fig. 1과같다. 그리고본연구에서사용된수배전반은 SPCC강재로제작되었고, SPCC는 Steel Plate Cold Commercial의약자이고, 일본 JIS G3141 규격냉간압연강판이다. SPCC 는표면이여미한강재로여러분야에서사용되고있다. 강재는극한점이후에연화거동을보인후파괴에이르는특성을가지며, 본연구에서는 Fig. 2와같은응력-변형률곡선을가지는 SPCC강재를적용하였다. Table 1. Data of cabinet panel Component Thickness (mm) Width (mm) Height (mm) Frame 2250 1400 2500 VCB for MCSG 1000 963 1365 DCI-204A(W) 200 290 320 Fig. 1. Stress - Strain relation curve of SPCC 51
한국산학기술학회논문지제 19 권제 2 호, 2018 Table 2. Finite element characteristics of structural members Component Element type Number of elements Number of nodes Frame 4-Node shell 15,213 15,542 VCB for MCSG 8-Node solid 10,260 11,760 DCI 144 245 (c) Table 3. Material properties of frame Component Frame VCB for MCSG DCI-204A(W) (d) Fig. 2. Details of cabinet panel Detail of VCB for MCSG Detail of DCI-204A(W) (c) Front and back side of cabinet panel (d) Detail of cabinet panel Unit weight ( ) 7.15 0.377 2.087 Young's Modulus (GPa) 192.9 200 200 Poisson's ratio 0.3 0.2 0.2 Yield stress(mpa) 200 X X 2.2 수배전반유한요소모델링 ABAQUS를이용하여수배전반의구조요소별로실제상태와동일한제약조건을주고구조요소들상호간에용접이되어있는것을가정하여해석수행시간을고려하였다. 수배전반의모델링은주부재인프레임은 4절점쉘요소를사용하였고프레임두께는실제와같은두께를적용하고항복강도는 SPCC의일반적인항복강도 200MPa 로설정을하였다. 내부설비인진공차단기와 DCI-204A(W) 는각각 8절점입체요소를사용하였다. 또내부설비모델링에서는질량물성치는동적거동에대한타당성확보를위하여전체중량을등가중량으로환산하여설정하였다. 그리고 Constraint_Tie기능을적용해각각프레임에완전하게부착되어있는것으로가정하였고질량물성치는진공차단기와 DCI-204A(W) 각각실제중량을부피로나눈질량을적용하였다. 유한요소특성과구조요소별재료특성각각 Table 2와 Table 3에나타냈고 Fig. 3과같이각각구조요소별모델링을수행하였다. Fig. 3. Modeling details of cabinet panel Frame modeling DCI-204A(W) modeling (c) VCB for MCSG modeling 2.3 모드해석결과본연구에서시간이력해석을수행하기전구조물의동적특성과고유진동수를알기위해유한요소해석프로그램인 ABAQUS에서모드추출방법인 Lanczos방법 [2] 을사용해총 20 차모드까지해석을수행하였다. 그결 (c) 52
과 1차모드와비슷한파괴양상을보이고크리티컬한동적특성을가지는 17차모드형상을수배전반의동적특성으로보고해당하는고유진동수인 21.782Hz를수배전반의고유진동수로결정하였다. 각모드에대한고유치와고유진동수는 Table 4와같이나타났고모드형상은 Fig. 4와같이나타났다. 행할때주파수성분의진폭을조정해추계학적으로작성한인공적인시간이력을사용할수있다. 하지만지진응답해석을고려할경우실제로기록된지진파를사용할것을권장하고있다 [3]. 그러므로본연구에서는 3D 동적비선형해석을위해총 10개의전세계에실제로발생한대표적인지진들로지진파를구성하였다. Table 5에동적해석에사용한지진파의정보를나타내었다. 여기서, 규모 (Mag.) 는리히터규모를뜻하고 PGA(Peak Ground Acceleration) 는실가속도값을중력가속도 9.81 로나눈값이다. Table 5. Information list of natural earthquake waves Fig. 4. The result of mode analysis by ABAQUS 1st mode 17th mode Table 4. Eigen value and natural frequency of each mode Mode Eigen value Natural frequency (cycle/sec) 1 6184.0 12.516 2 6293.0 12.626 3 6559.0 12.890 4 6831.3 13.154 5 7029.1 13.344 6 7210.2 13.514 7 7859.6 14.110 8 8813.1 14.941 9 10377.0 16.213 10 11140.0 16.799 11 11428.0 17.014 12 12277.0 17.634 13 12690.0 17.929 14 14603.0 19.233 15 14732.0 19.318 16 16480.0 20.431 17 18731.0 21.782 18 21669.0 23.428 19 22499.0 23.872 20 24320.0 24.820 3. 지진파 3.1 지진파구성 ASCE 43-05(ASCE, 2005) 에서는선형지진응답을수 no. Events Year Station Mag. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Tabas Iran Imperial Valley Nahanni Canada N.palm N.palm Loma Prieta Kobe Japan San Fernando Imperial Valley 10 Newzealand 02 Sep,16th 1978 Oct, 15th 1979 Dec, 23rd 1985 July, 08th 1986 July, 08th 1986 Oct, 18th 1989 Jan, 16th 1995 Feb, 09th 1971 Oct, 15th 1971 Mar, 02nd 1987 PGA (g) Time (s) Dayhook 7.35 0.3279 23.82 Aeropuerto Mexicali 6.53 0.3267 11.14 Site 2 6.76 0.489 19.95 DeserHot NorthPalm Gilroy Array#1 Nishi Akashi Carbon Cayonon Dam Superstition MTN Camera Matahina Dam 6.06 0.3313 23.995 6.06 0.5941 20.025 6.93 0.2088 39.94 6.9 0.5093 40.95 6.61 0.0695 43.41 6.53 0.1092 28.275 6.6 0.2555 26.98 3.2 고속푸리에변환 (Fast Fourier Transform) 선정된지진파를고속푸리에변환을통해푸리에스펙트럼을 Fig. 5와같이나타났다. 10개의지진파를고속푸리에변환을한결과대체적으로 0Hz에서 5Hz의진동수가우세한지진으로분석되었다. 53
한국산학기술학회논문지제 19 권제 2 호, 2018 Table 6. Probability of failure Fig. 5. Fourier transform spectra no. 2(Imperial valley), no. 7(Kobe, Japan) 3.3 해석결과수배전반의지진취약도평가를위해 3D 동적비선형해석을수행하였다. 배전반에상재되는하중은자중및지진하중으로구성하였고지진하중은상대적으로약축인수배전반의정면문과평행한 X방향에따라바닥에지진하중을적용하였다. 지진파는 0.06g부터 0.01g 씩증가하여 0.1g까지 5개와 0.2g부터 0.2g 씩증가하여 1.0g까지 5개 1.1g부터 0.1g씩증가하여 1.5g까지 5개모두 15개의 PGA를선정하였고 150회의동적해석을수행하였다. 수배전반은 Mises 응력이항복응력을넘어섰거나, 소성변형이생겼을때한계상태에도달했다고판단하였다. 동적해석을수행한결과수배전반의진공차단기를받치고있는 VCB 취부재양끝단에서응력이집중되어손상되거나파괴가일어났다. 그리고비교적으로낮은 PGA 0.06g에서한계상태에도달비율은 30% 로나타났고, 1.4g에서한계상태도달비율은 100% 로나타났다. 4. 취약도곡선 지진취약도곡선 (Seismic fragility curve) 은지진이발생하였을때지진의크기에대한구조물의손상이발생할확률을의미한다. X축은지진의크기에해당하는 PGA, Y축은어떠한수준의손상이발생할확률이다. 본연구에서는취약도곡선의도출을위해 Y축을한계상태에도달하는비율로설정하였고중앙값 (Median value) 과대수표준편차 (Logarithmic standard deviation) 를구하였다. 한계상태에도달한비율은 Table 6과같이나타났고, 결과를통해중앙값 와대수표준편차 는각각 -0.9866과 0.6133으로구해졌다., 및한계상태에도달한비율을바탕으로 Fig. 6과같은지진취약도곡선을도출하였다 [4-6]. PGA Probability of failure PGA Probability of failure 0.06g 0.3 0.8g 0.7 0.07g 0.3 1.0g 0.8 0.08g 0.3 1.1g 0.8 0.09g 0.3 1.2g 0.8 0.1g 0.3 1.3g 0.9 0.2g 0.3 1.4g 1.0 0.4g 0.3 1.5g 1.0 0.6g 0.6 Fig. 6. Seismic fragility curve of cabinet panel 5. 결론 본연구에서는수배전반에자연지진파를적용해유한요소구조해석프로그램인 ABAQUS를이용하여 3D 동적비선형해석을수행하여지진취약도곡선을도출하여분석을하였고, 본연구의결론은다음과같다. (1) 수배전반의경우모드해석은일반적으로 1 ~20번모드까지수행되며모드중대부분은구조물의손상과는다소차이가있고진동모드를보였으며, 17번모드가수배전반주요부재의손상모드이므로 17번모드를동적특성으로보고이에따른진동수인 21.782Hz를수배전반의고유진동수로결정을하였다. (2) 실제로제작된수배전반의도면과동일하게모델링을수행하였다. 그후수배전반에 10개의지진파를 PGA 0.06g부터 1.5g까지 15개를적용하여총 150번의 3D 동적비선형해석을수행한결과 MCSG용진공차단기의하중을직접적으로부담하고있는 VCB 취부재양끝단이가장취약한것으로나타났으며, 양끝단에헌치등의보강이필요한실정이다. 54
(3) 송변전설비내진설계실무지침서의지진구역Ⅰ과보통지반암조건에따르면기능수행수준의최대응답가속도는 0.157g이다. 하지만본연구에서일반적인수배전반에대한해석결과의 0.1g에서한계상태도달비율은 30% 로안전하다고볼수없다. 따라서현장에적용된수배전반에대한지진취약도분석이필요한실정이고, 이를토대로수배전반내진설계의적용과수준에대해재검토가필요하다고판단된다. References 권민호 (Min-Ho Kwon) [ 정회원 ] 2000 년 8 월 : Univ.of Colorado Boulder ( 공학박사 ) 2000 년 8 월 ~ 2001 년 12 월 : Univ. of Colorado, Denver (Research Fellow) 2002 년 3 월 ~ 현재 : 경상대학교토목공학과교수 철근콘크리트구조해석, 전산구조, 내진성능평가 [1] "Practical Guide to Seismic Design of Transmission and Distribution Facilities", Korea Electric Power Corporation, 2003. [2] Lanczos, C, "An iteration method for the solution of the eigenvalue problem of linear differential and integral operators", J. Res. Natl. Bur. Stand., vol. 45, no. 4, pp. 255-282, 1950. DOI: https://doi.org/10.6028/jres.045.026 [3] H. S. Seo, "Seismic Retrofitting Strategies in RC Column for Rapid Construction and Optimal Placement Retrofitting Structure", Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University Graduate School, Korea, 2017. [4] Shinozuka, M., Feng, M. Q., Lee, J., Naganuma, T. Statistical Analysis of Fragility Curves, Journal of engineering mechanics, vol. 126, no. 12, pp. 1224-1231, 2000. DOI: https://doi.org/10.1061/(asce)0733-9399(2000) 126:12(1224) [5] Shinozuka, M., Feng, M. Q., Kim, H., Uzawa, T. Ueda, T, "Statistical analysis of fragility curves" Technical Report MCEER, 2003. [6] Alfredo H-S. Ang and Wilson H. Tang "Probability Concepts in Engineering", 2011. 문종윤 (Jong-Yoon Moon) [ 준회원 ] 김진섭 (Jin-Sup Kim) [ 종신회원 ] 2008 년 2 월 : 경상대학교토목공학과 ( 공학석사 ) 2014 년 2 월 : 경상대학교토목공학과 ( 공학박사 ) 2016 년 9 월 ~ 현재 : 경상대학교토목공학과교수 강구조, 구조해석, 복합재료보강재, 내진성능평가 임정희 (Jeong-Hee Lim) [ 정회원 ] 2013 년 2 월 : 경상대학교토목공학과 ( 공학석사 ) 2013 년 3 월 : 경상대학교토목공학과 ( 박사과정 ) 2016 년 2 월 : 경상대학교토목공학과 ( 공학사 ) 2016 년 3 월 ~ 현재 : 경상대학교토목공학과 ( 석사과정 ) 철근콘크리트구조해석, 전산구조, 내진성능평가 철근콘크리트구조해석, 전산구조, 내진성능평가 55