[논문 리뷰] Dynamic Structure-Soil-Structure Interaction for Nuclear Power Plants

Konstantinos Kanellopoulos, Peter Rangelow외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 16.

Structural Response to Dynamic Loads인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 실재 ESSI 시뮬레이터를 사용하여 고정밀 3차원 유한요소 모델을 활용해 원자력발전소의 동적 구조-토양-구조 상호작용(SSSI)을 조사하며, 비선형 토양 및 인터페이스 거동이 유해한 회전 결합을 유익한 역행성 수평 상호작용으로 전환시켜 보조 건물의 공진 주파수 근처에서 중요한 냉각제 구성 요소의 스펙트럼 가속도를 최대 55% 감소시킬 수 있음을 밝혀냈다.

ABSTRACT

The paper explores the linear and nonlinear dynamic interaction between the reactor and the auxiliary buildings of a Nuclear Power Plant, aiming to evaluate the effect of the auxiliary building on the seismic response of crucial components inside the reactor building. Based on realistic geometrical assumptions, high-fidelity 3D finite element (FE) models of increasing sophistication are created in the Real-ESSI Simulator. Starting with elastic soil conditions and assuming tied soil-foundation interfaces, it is shown that the rocking vibration mode of the soil-reactor building system is amplified by the presence of the auxiliary building through a detrimental out-of-phase rotational interaction mechanism. Adding nonlinear interfaces, which allow for soil foundation detachment during seismic shaking, introduces higher excitation frequencies (above 10 Hz) in the foundation of the reactor building, leading to amplification effects in the resonant vibration response of the biological shield wall inside the reactor building. A small amount of sliding at the soil-foundation interface of the auxiliary building slightly decreases its response, thus reducing its aforementioned negative effects on the reactor building. When soil nonlinearity is accounted for, the rocking vibration mode of the soil-reactor building system almost vanishes, thanks to the strongly nonlinear response of the underlying soil. This leads to a beneficial out-of-phase horizontal interaction mechanism between the two buildings, reducing the spectral accelerations at critical points inside the reactor building by up to 55% for frequencies close to the resonant one of the auxiliary building. This implies that the neighboring buildings could offer mutual seismic protection to each other, in a similar way to the recently emerged seismic resonant metamaterials, provided that they are properly tuned during the design phase.

연구 동기 및 목표

• 동적 SSSI를 통해 보조 건물이 냉각제 건물의 지진 반응에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 원자력발전소의 SSSI 메커니즘에 영향을 미치는 토양 및 인터페이스의 비선형성의 영향을 평가하기 위해.
• 이웃한 구조물이 공진 메타물질과 유사한 방식으로 상호 지진 보호를 제공할 수 있는지 조사하기 위해.
• 현실적인 토양 프로파일과 비선형 인터페이스를 갖춘 고정밀 3차원 유한요소 모델을 개발하고 적용하기 위해.

제안 방법

• 냉각제 및 보조 건물의 고정밀 3차원 유한요소 모델을 Real-ESSI 시뮬레이터를 사용하여 개발하였다.
• SH파 가속도 기록을 토양 영역에 주입하기 위해 영역 감소 방법(DRM)을 적용하였다.
• 점성 플라스틱 거동 모델을 사용하여 점성 토양의 탄성 및 비선형 토양 거동을 모의하였다.
• 결속 및 비선형 토양-기초 인터페이스를 시뮬레이션하였으며, 간극 형성 및 제한된 슬라이딩을 포함하였다.
• 진행적 복잡도의 모델을 분석함: 먼저 탄성 토양과 결속 인터페이스, 그 다음 비선형 인터페이스, 마지막으로 비선형 토양과 비선형 인터페이스를 고려하였다.
• 다양한 주파수 범위에서 냉각제 건물의 중요한 점에서의 스펙트럼 가속도를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보조 건물의 존재가 탄성 토양과 결속 인터페이스 조건에서 냉각제 건물의 지진 반응에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 토양 및 인터페이스의 비선형성이 인접한 원자력 건물 간의 동적 상호작용 메커니즘을 어떻게 변화시키는가?
• RQ3 인접한 구조물 간의 SSSI가 공진 메타물질과 유사한 유익한 지진 보호를 초래할 수 있는가?
• RQ4 비선형 인터페이스는 냉각제 건물 기초에서 고주파수 진동의 발생에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이웃한 건물의 동적 특성을 얼마나 조절할 수 있을지, 이를 통해 중요한 구성 요소의 지진 요구량을 얼마나 줄일 수 있는가?

주요 결과

• 탄성 토양과 결속 인터페이스 조건에서 보조 건물의 존재는 악성 역행성 수평 회전 상호작용 메커니즘으로 인해 냉각제 건물의 스펙트럼 가속도를 증폭시킨다.
• 비선형 인터페이스는 냉각제 건물 기초에 고주파수 진동(>10 Hz)을 유도하여 생물학적 보호벽 및 냉각제 용기의 공진 반응을 증가시킨다.
• 보조 건물의 인터페이스에서 제한된 슬라이딩은 그 응답을 약간 감소시켜 냉각제 건물에 대한 부정적 영향를 줄인다.
• 비선형 토양 거동은 냉각제 건물의 흔들림 모드를 억제하여 상호작용을 바람직한 수평 역행성 메커니즘으로 전환시킨다.
• 보조 건물의 공진 주파수 근처에서, 냉각제 구성 요소(예: 실린더 벽 및 냉각제 용기)의 스펙트럼 가속도는 이 유익한 동적 상호작용 덕분에 최대 55% 감소한다.
• 결과는 SSSI가 적절히 조정될 경우 상호 지진 보호를 제공할 수 있음을 입증하며, 지진 지역에서 내진성 높은 건물 집단 또는 '메타시티' 설계의 잠재적 가능성을 시사한다.