배관계 지진동 실험에 대한 변형률 기반 손상 평가 :Strain-Based Damage Assessments for Piping System Tests under Seismic Loads

장동주

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자료유형: 학위논문

저자정보: 장동주 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 허남수

발행연도: 2021

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2021

배관계 지진동 실험에 대한 변형률 기반 손상 평가

장동주 기계설계로봇공학과 2021.01 학위논문

2020

배관계 지진동 실험에 대한 저주기 피로평가

장동주 , 이종민 , 남현석 외 4명 대한기계학회 춘추학술대회 2020.07 학술대회자료

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본 연구에서는 지진하중과 같은 과도한 반복하중이 가해지는 배관계의 변형률 기반 손상 평가를 수행하였다. 이를 위해 탄소성 유한요소해석을 수행하였으며 재료의 반복 소성변형을 고려하기 위한 반복경화모델(cyclic hardening model)과 효율적인 해석을 위한 복합모델(hybrid model)의 적용성을 검증하였다.
설계 기준을 초과하는 지진 또는 쓰나미에 의한 원전 사고가 발생함에 따라 원전 구조물의 구조적 건전성(structural integrity)과 안전 여유도(safety margin) 확보의 중요성이 대두되었다. 설계 기준을 초과하는 지진하중이 작용하는 원전 배관계에 대한 많은 연구들이 수행되어 왔으며, 피로(fatigue) 또는 피로-라체팅(fatigue-ratcheting)은 배관계의 주요 파손 모드(failure mode)로 규명되었다. 따라서 배관계의 구조 건전성을 확보하기 위해 피로 파괴를 고려할 수 있는 손상 평가를 수행해야 하며, 과도한 하중 하 배관계의 안전 여유도를 정량적으로 평가하기 위해 소성변형을 고려할 수 있는 변형률 기반 손상 평가가 필요하다. 손상 평가를 위한 탄소성 해석 시 반복적인 소성변형에 따른 재료의 경화 거동을 고려해야 하며, 이를 모사할 수 있는 적합한 반복경화모델이 요구된다.
본 연구에서는 인도 Bhabha 원자력연구소에서 수행한 배관계 지진동 실험과 일본 방재과학기술연구소에서 수행한 엘보우 반복하중 실험을 대상으로 탄소성 유한요소해석을 수행하였다. 효율적인 해석을 위해 빔 요소와 솔리드 요소로 구성된 복합모델을 사용하였으며, 탄소성 해석 시 복합모델의 적용성을 검증하기 위해 솔리드모델과 복합모델을 사용한 해석 결과를 비교 검토하였다. 또한 재료의 경화 거동을 모사하기 위해 JSME(Japan Society of Mechanical Engineers) Code Case에 제시된 bi-linear 이동경화(kinematic hardening)모델과 Chaboche 이동경화모델을 고려하였으며, 해석 결과와 실험 결과를 비교하여 탄소성 해석 시 반복경화모델의 적용성을 검증하였다. 해석 결과를 기반으로 변형률 기반 누적소성손상(cumulative plastic damage) 및 누적피로손상(cumulative fatigue damage) 평가를 수행하였으며, 실험 시 측정된 배관계, 엘보우 파손 결과와 평가 결과를 비교하였다. 이를 통해 손상 평가 절차의 적용성을 검증하고, 각 경화모델의 손상 평가 시 적용성과 보수성을 확인하였다.
본 연구로부터 변형률 기반 손상 평가 절차와 이를 위한 탄소성 해석 절차를 정립하였으며, 본 연구의 결과는 향후 과도한 반복하중이 작용하는 구조물의 건전성 평가에 기여할 것으로 판단된다.

In this study, strain-based damage assessments were performed for piping systems under excessive cyclic loads such as seismic loads. For assessments, elastic-plastic FE analyses were carried out, and applicabilities for cyclic hardening models were verified to consider repeated plastic deformations of materials. In addition, applicabilities for hybrid models to perform efficient analyses were investigated.
As nuclear disasters by earthquakes and tsunamis exceeding design criteria occurred, necessities of structural integrity assessment and safety margin securement of nuclear power plant facilities have been raised. Many researches have been conducted for nuclear piping systems under beyond design basis earthquake globally, it was found that the major failure modes of nuclear piping systems are fatigue or fatigue-ratcheting. Therefore, in order to secure the integrity of piping systems, damage assessments for the fatigue failure should be performed. And, to evaluate the safety margin of piping systems under excessive loads quantitatively, strain-based damage assessments which can take plastic deformations into account are needed. In the elastic-plastic analyses for damage assessments, it is necessary to consider hardening behaviors of materials due to repeated plastic deformations. For this reason, appropriate cyclic hardening models that can simulate cyclic deformations are required.
In the present paper, elastic-plastic FE analyses were carried out for the piping system test under seismic loads conducted by BARC(Bhabha Atomic Research Center) in India and the elbow test under cyclic loads conducted by NIED(National research Institute for Earth science and Disaster resilience) in Japan. For efficient analyses, hybrid models consisting of beam and solid elements were used, and analysis results using hybrid and solid FE models were compared and examined to verify the applicability of hybrid models in elastic-plastic FE analyses. In addition, to simulate hardening behaviors of materials, the bi-linear kinematic hardening model suggested in JSME Code Case and the Chaboche kinematic hardening model were considered, and the applicability of two cyclic hardening models in the elastic-plastic FE analyses were verified by comparing the analysis results with the experimental results. Based on the analysis results, strain-based cumulative plastic damage and cumulative fatigue damage assessments were employed, and failure results of the piping system and the elbow measured during the test were compared with the assessment results. Through this, the applicability of the damage assessment procedures was verified, and the applicability and conservatism of each cyclic hardening model were confirmed in the damage assessments.
From this study, procedures for strain-based damage assessments and elastic-plastic analyses were established. The results of the present study can contribute to the integrity assessment for structures under excessive loads in the future.

#Strain-based damage assessment #Piping system #Finite element method #Cyclic hardening model #Seismic test

요약 i
표목차 iii
그림목차 iv
기호설명 vi
I. 서 론 1
1. 연구 배경 1
2. 관련 연구 현황 3
3. 연구 목적 및 내용 5
4. 논문의 구성 6
II. 관련 이론 7
1. 반복경화모델 7
2. 변형률 기반 손상 평가 절차 13
III. 배관계 지진동 실험에 대한 변형률 기반 손상 평가 17
1. 실험 조건 및 결과 17
2. 유한요소 해석모델 및 반복경화모델의 영향 평가 23
3. 변형률 기반 손상 평가를 통한 최적 반복경화모델 제시 40
IV. 엘보우 반복하중 실험에 대한 변형률 기반 손상 평가 47
1. 실험 조건 및 결과 47
2. 유한요소 해석모델 및 반복경화모델의 영향 평가 52
3. 변형률 기반 손상 평가를 통한 최적 반복경화모델 제시 68
V. 결 론 79
참고문헌 81
영문초록(Abstract) 86

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