2010. 9. 2 한국전력공사 전 력 연 구 원

1. 2010년 KEPIC-Week 부착식 텐던의 비파괴 긴장력 평가기술 개발 2010. 9. 2 한국전력공사 전 력 연 구 원

2. 발표내용 • 연구현황 및 배경 • 연구목표 • SI(System Identification) 기법 • - 1 방향 텐던 • - 2 방향 텐던 • - 유한요소해석 • 충격신호기술 • 결론

3. 현황 및 배경 • 부착식 및 비부착식 텐던 원자로건물 • 부착식(Bonded Type) : 텐던을 둘러싸고 있는 쉬스(Sheath)관을 시멘트 그라우트로 채움 • 비부착식(Unbonded Type) : 쉬스관을 그리스로 채움 • 부착식 텐던 원자로건물 현황 • 월성 1,2,3,4호기, 울진 1,2호기 [쉬스관] [월성 전경] [텐던 형상] [쉬스관 형상] 3

4. 현황 및 배경 • 가동 중 검사 • 측정주기 : 건설후 1, 2, 5년 이후 매 5년 • 측정방법 • 부착식 - 월성 1,2,3,4호기 : 원자로건물 건설시 테스트 빔을 제작하여 가동중 검사시 휨 실험, 파괴실험 및 Lift-Off Test를 수행하여 간접적으로 유효긴장력 측정 - 울진 1,2호기 : 매설된 변형률 게이지 및 Pendulum을 활용한구조건전성 시험 • 비부착식 : 직접 유효긴장력(Lift-Off Test) 측정 • 테스트 빔 제작 현황 [테스트 빔] 4

5. 현황 및 배경 • 테스트 빔에 의한 긴장력 평가 방법 • 문제점 • (1) 간접측정방법의 한계 • (2) 테스트 빔의 수량부족 [굽힘시험] [파괴시험] [Lift-off 테스트] 5

6. 현황 및 배경 • 월성 1호기의 계속운전 • 2012년 계속운전을 위하여 2009년 계속운전 심사보고서 교육과학기술부 제출 • 시간제한 경년열화분석(TLAA, Time Limited Aging Analysis) 수행 • 프리스트레싱 시스템의 유효 긴장력 평가는 유일한 구조물 관련 평가항목 • 규제기관(KINS)의 요구사항 • 월성 원전 원자로건물의 실제 유효 긴장력 평가를 위한 개선방안 요구 • 월성 원전에 대한 Level 2 PSA(Probabilistic Safety Assessment) 결과의 신뢰도 개선 요구 6

7. 연구목표 • 최종 연구목표 원자로건물 부착식 텐던의 긴장력 평가 및 확률론적 극한내압성능 평가기술 개발 • 연구내용 • SI기법에 의한 부착식 텐던의 비파괴 긴장력 평가시험 • SI기법을 위한 긴장력 평가모델 개발 • 충격신호기술을 이용한 긴장력 평가기술 개발 • 원자로건물 파손 시나리오에 따른 취약부 파손기준 설정 • 확률론적 극한내압 취약도 평가기술 개발

8. SI (System Identification)기법 • 실규모 모형시험 • 부착식 텐던의 긴장력과 SI 기법 매개변수의 상관성 분석 • 시험체 제작 • 1 방향 부착식텐던 시험체 • 제원 : 0.5m x 0.5m x 20.0m • 도입 긴장력 : 0.0Pu, 0.3Pu, 0.5Pu, 0.6Pu, 0.7Pu • 개수 : 5 개 • 2 방향 부착식 텐던 시험체 • 제원 : 3.0m x 3.0m x 0.3m • 도입 긴장력 : (0.0Pu, 0.0Pu), (0.5Pu, 0.55Pu), • (0.65Pu , 0.3Pu) • 개수 : 3 개 [1 방향 부착식 텐던시험체] [2 방향 부착식 텐던 시험체] 8

9. SI 기법 • 1 방향 부착식 텐던 시험체 • 시험방법 : 휨시험 • 계측센서 : 광섬유센서, 변위계 • 하중재하 방식 • 3 경간 휨시험 • 1 경간 휨시험 • 로드셀 : 도입 긴장력 측정 [광섬유센서] [변위계] [휨시험] 9

10. SI 기법 • 1 방향 부착식 텐던 시험체 [변위계] [광섬유센서] 10

11. SI 기법 • 2 방향 부착식 텐던 시험체 • 시험방법 : 휨시험 • 계측센서 : 광섬유센서, 변위계 • 로드셀 : 도입 긴장력 측정 [광섬유센서] [변위계] [휨시험] 11

12. SI 기법 • 2 방향 부착식 텐던 시험체 0.63Pu 0.3Pu [긴장력에 따른 변형량] [원환 및 수직방향 긴장력에 따른 변형량] 12

13. SI 기법 • 긴장력 평가모델 개발 • 부착식 텐던의 긴장력 평가를 위한 SI 기법 중 정해석(Forward Analysis)에 적용될 3 차원 유한요소모델 개발 • 해석프로그램 : ABAQUS • 구조부재 • 콘크리트 • 텐던 • 철근 • 강재 라이너 플레이트 ¼ -scale PCCV

14. SI 기법 • 3 차원 유한요소모델의 검증 • 3 차원 유한요소모델의 신뢰성 검증을 위하여 비선형해석으로 시험결과와 비교분석 • 검증대상 : 미국 SNL의 실증시험결과 • 검증모델 : 프리스트레스 콘크리트 원자로건물 ¼ 축소모델 (일본 OHI-3) ¼ -scale PCCV PCCV의 형상 및 주요 제원 14

15. SI 기법 • 3 차원 유한요소모델 • 콘크리트 : 8절점 고체요소(C3D8) • 철근과 텐던 : 3절점 트러스 요소(T3D3) • 강재 라이너 플레이트 : 4절점 면내요소(M3D4) 콘크리트 텐던 철근 강재 라이너 플레이트

16. SI 기법 • 재료모델 • 콘크리트 : Damaged Plasticity Model • 철근 : Hsu Model • 텐던 : Ramberg-Osgood Model • 강재 라이너 플레이트 : Elasto-Plasticity Model 텐던 콘크리트 철근 강재 라이너 플레이트

17. SI 기법 • 3차원 유한요소모델의 검증 • 미국 SNL의 실증시험결과를 유사하게 모사함으로써 개발된 해석모델의 신뢰성 입증 벽체중앙부분에서 원환방향에 대한 하중-변위관계 스프링라인에서 수직방향에 대한 하중-변위관계

18. SI 기법 • SI 기법의 흐름도

19. SI 기법 • SI 기법에 의한 텐던의 긴장력 추정 • 추정 대상 : 격납건물 ¼ 축소모델을 이용한 미국 SNL의 실증시험결과 • 실측 변위 : 벽체 중간부분의 변위 • SI 기법의 신뢰성과 안정적인 수렴성 입증 해석과 실측변위 비교 텐던의 긴장력 평가결과 수렴과정

20. 충격신호기술 • 실규모 모형시험 • 1. 실제 원자로건물 내 부착식 텐던의 긴장력 예측 가능성 평가 • 2. 충격신호와 긴장력의 상관식 도출 • 3. 충격신호에 대한 주변 구조계의 영향 평가 • 4. 원환방향 텐던을 위한 곡률 영향 평가 • 시험체 제작 • 시험목적 1 : 길이 영향평가 • 제원 : 0.5m x 0.5m x 40.0m • 도입 긴장력 : 0.5Pu • 개수 : 1 개 • 스트랜드 수 : 7 개 [시험목적 1] [시험목적 2, 3] 20

21. 충격신호기술 • 시험체 제작 • 시험목적 2 : 긴장력 영향평가 • 제원 : 0.5m x 0.5m x 20.0m • 도입 긴장력 : 0.0Pu, 0.3Pu, 0.5Pu, 0.6Pu, 0.7Pu • 개수 : 5 개 • 스트랜드 수 : 7 개 • 시험목적 3-1 : 주변 구조계 영향평가 • 제원 : 1.0m x 0.5m x 20.0m • 도입 긴장력 : 0.5Pu • 텐던 수 : 2개 • 개수 : 1 개 • 스트랜드 수 : 7 개 [시험목적 2] [시험목적 3-1] 21

22. 충격신호기술 • 시험체 제작 • 시험목적 3-2 : 스트랜드 수 영향평가 • 제원 : 0.5m x 0.5m x 20.0m • 도입 긴장력 : 0.5Pu • 개수 : 1 개 • 스트랜드 수 : 14 개 • 시험목적 4 : 곡률 영향평가 • 제원 : 0.3m x 0.3m x 8.0m • 도입 긴장력 : 0.35Pu, 0.7Pu • 개수 : 2 개 • 스트랜드 수 : 3 개 [시험목적 3-2] [시험목적 4] 22

23. 충격신호기술 • 종진동시험 • 시험방법 : Impact test • 측정대상 • Wire time history • Impact time history • 도입 긴장력 • 측정횟수 : 600회/시험체 • 시험일정 • 긴장 후 1 주 : 2010. 7. 01 • 긴장 후 4 주 : 2010. 7. 19 • 긴장 후 6 주 : 2010. 7. 29 Anchor PSC Anchor Acc. Load cell Tendon Impact Hammer Data logger computer [Test setup] 23

24. 충격신호기술 • 종진동시험 [시험체 제원 및 측정장력] 24

25. 충격신호기술 • 응력파 속도 산정 • 주파수영역에서 응력파 속도 산정식 • L : 강연선길이 • n : 모드수 • fn : n 번째 종진동수 (Hz) • 시간영역에서 응력파 속도 산정 : V = L/T • 장점 : 개별 텐던의 긴장력 평가 가능 • L : 강연선길이 • T : 임팩트 도달시간 • 종진동시험 결과 • 시험목적 1 : 길이 영향평가 • 40m PSC의 응력파 계측 성공 • 월성원전의 부착식 텐던에 대한 현장 적용 가능성 확인 T [40m 시험체의 응력파 도달속도 산정] 25

26. 충격신호기술 • 종진동시험 결과 • 시험목적 2 : 긴장력 영향평가 • 긴장력에 따른 응력파속도의 변화를 통하여 긴장력의 예측 가능성 확인 • 부착식 텐던의 충분한 긴장력 발현 후 상관식 도출 • 도출된 상관식을 이용하여 월성원전 부착식 텐던의 긴장력 평가 [20m 시험체] [8m 시험체] 26

27. 충격신호기술 • 종진동시험 결과 • 시험목적 3-1 : 주변 구조계 영향평가 • 인접한 텐던의 영향으로 인한 응력파속도 변화 없음 • 월성원전 부착식 텐던의 긴장력 평가 가능 • 시험목적 3-2 : 스트랜드 수 영향평가 • 스트랜드 수의 영향으로 인한 응력파 속도 변화 없음 • 월성원전 부착식 텐던의 긴장력 평가 가능 [시험목적 3-1] [시험목적 3-2] 27

28. 충격신호기술 • 종진동시험 결과 • 시험목적 4 : 곡률 영향평가 • 곡률의 영향으로 인하여 응력파 속도 에 약간의 변화 발생. • 부착식 텐던의 긴장력이 충분히 발현된 후 재시험 예정 • 긴장력 도입 후 3 개월 • 긴장력 도입 후 6 개월 [시험목적 4] 28

29. 충격신호기술 • 응력파속도와 긴장력의 상관식 • 응력파속도 V와 긴장력 σ 의 관계 (Hughe and Kelly, 1953) • 응력파 속도 V 와연직응력 p의 관계 • 제안 상관식 • (3) • 상수 a 와 b는긴장력 σ와 응력파속도 V를 이용하여 추정 • 계측된 응력파속도 V로 부터 부착식 텐던의 긴장력 추정 [응력파속도 - 긴장력 추정식] 29

30. 결 론 • 실물모형시험을 통하여 긴장력과 변형량의 상관성 분석 및 SI 기법의 적용성 평가 • 1 방향 부착식텐던 시험체 • 2 방향 부착식 텐던 시험체 • SI 기법을 위한 3차원 유한요소모델 개발 및 신뢰성 검증 • 부착식 텐던의 긴장력 예측을 위한 SI 기법 구축 및 실제 계측자료에 의한 SI 기법의 신뢰성 및 안정적인 수렴성 입증

31. 결 론 • 실물모형시험을 통하여 월성원전 내 부착식 텐던의 긴장력 평가를 위한 충격 신호기술의 적용성 확인 • 부착식 텐던의 긴장력 추정을 위한 응력파속도와 긴장력의 상관식 도출 및 분석시스템 구축