1. 서 론

원자력발전소를 포함한 발전플랜트 시설은 지진에 의한 손

상이 발생할 경우 사회 전반적인 막대한 손실을 동반하기 때

문에 고도의 지진 안전성이 요구된다. 내부 기기의 기능성 및

구조적 안전성 등 전반적인 지진 안전성에 있어 가장 엄격한

설계 및 요구 조건을 가지고 있는 원전 산업계에서는 1980년

대 후반부터 미국에서 장기운영 중인 원전의 지진 안전성 확

보가 중요한 사안으로 대두되어 USI A-46에 따라 재평가가

수행된 바 있다(U.S. NRC, 1987). 이후 국내 원전에서도 구조

물 및 기기에 대한 전반적인 점검과 검증 방법에 관한 연구가

수행되었다(KAERI TR-2071, KAERI TR-2484). 한편 2011

년 후쿠시마 원전사고 및 2016년 국내 경주지진 이후 원전을

비롯한 주요 시설물의 내진성능 확보 여부 평가 및 보강 방안

에 대한 사회적 관심이 증가하고 있으며, 일반 건축물 및 산업

시설물을 대상으로도 관련 기술기준의 개발 및 각종 연구개

발이 수행되고 있다.

건축 구조물을 포함한 기존 주요 구조물의 내진성능 보강

을 위해 다양한 연구와 기술개발이 수행된 바 있으나 상대적

으로 전기기기 캐비닛과 같은 비구조요소에 대한 연구는 부

족한 실정이다. 내부 기기와 같은 비구조요소의 내진성능 확

보를 위해 여러 가지의 설계 개념이 적용될 수 있으며 주요 구

조요소와 같이 내진, 면진, 제진 방식 등 크게 3가지의 방법으

로 분류할 수 있다. 내진 방식은 보강 대상의 강성, 점성, 탄성

력 등을 증대시켜 지진 하중에 대한 저항력을 높이는 방법이

며, 면진 방식은 목적 구조와 기초 간에 면진장치를 설치하고

손상을 초래할 수 있는 지진동의 전달을 차단하여 지진 에너

지의 유입으로 인한 대상 구조의 손상을 방지하는 것이다. 또

한, 제진 방식은 댐퍼 등을 설치하여 지진 에너지를 소산하는

방식으로 다양한 형태의 제진 장치에 대한 연구개발이 이루

어지고 있다.

이에 따라 전기기기 캐비닛의 내진성능 보강을 위해 내진

이나 면진 방식보다는 구조적으로 큰 변경 없이 설치 가능한

댐퍼 또는 각종 제진 장치를 적용하여 내진성능 상향을 고려

할 수 있는 제진 방식이 적합한 것으로 판단된다. 그러나 충분

한 보강 효과를 얻기 위해서는 일반적인 구조물과 마찬가지

로 동적 거동에 대한 면밀한 판단이 필요하며, 대상 캐비닛 기

기의 내진성능 평가 및 보강 방안 도출을 위해서는 고유진동

수와 같은 동특성 파악 또한 필요하다.

본 연구에서는 원자력 발전소 및 산업 시설에 설치된 전기

기기 캐비닛의 내진성능 보강 방안 연구를 수행하였다. 일반

적으로 내진해석 및 시험을 통해 동특성을 파악할 수 있으며,

Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection

Vol. 24, No. 2, April 2020, pp.1-8

https://doi.org/10.11112/jksmi.2020.24.2.1

pISSN 2234-6937

eISSN 2287-6979

발전플랜트 시설 내부 비구조요소의 내진 안전성 향상을 위한 해석적 연구

방진수1, 권양수2

, 임홍재3*

Analytical Study for Seismic Capacity Enhancement for Non-structural Elements in

Power Plants

Jin Soo Bang1, Yangsu Kwon

2, Hong Jae Yim

3*

Abstract: In the case of power plant facilities, seismic stability of non-structural elements is important. In particular, Cabinet structures to which electrical

equipment is attached, should have functional safety against earthquakes. Therefore, in this study the dynamic characteristics of non-structural elements

inside existing power plant buildings were identified and the response level generated during dynamic behavior was analyzed. In addition, The steel

plate dampers were adopted and adjusted to suit the size of the target equipment. In order to derive the optimal seismic reinforcement, the variables

according to the attachment location were set and the responses were analyzed by the seismic movement input before and after reinforcement.

Keywords: Earthquake, Power Plants, Non-Structural Elements, Seismic reinforcement

1정회원, 경북대학교 건설방재공학과 석사과정2정회원, 한국수력원자력(주) 중앙연구원 선임연구원3정회원, 부산대학교 사회환경시스템공학부 조교수

*Corresponding author: yimhongjae@gmail.com

Department of Civil Engineering, Pusan National University, Busan, 46241,

Korea

∙본 논문에 대한 토의를 2020년 5월 31일까지 학회로 보내주시면 2020년 6월

호에 토론결과를 게재하겠습니다.

Copyright Ⓒ 2020 by The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection. This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution

Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0)which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium,

provided the original work is properly cited.

1

2 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 제24권 제2호(2020. 04)

임팩트 해머 시험과 같은 현장 비파괴 시험 또한 사용될 수 있

다. 과도응답해석의 결과를 비교하여 지진동에 의한 캐비닛

의 주요 응답 위치를 파악한 연구(Lee et al., 2005)와 함께 캐

비닛 구조물의 내진성능을 평가하기 위해 내진해석모델 방법

에 따라, 내진보강 방법에 대한 변수해석을 통해 캐비닛 구조

물의 내진응답(In-Cabinet Response Spectra, ICRS)의 감소를

확인할 수 있으며, 층응답스펙트럼을 이용한 예측과 분석을

통해 원전 구조물과 기기의 내진 안전성에 대한 평가가 수행

되었다(Lee et al., 2003; Koo et al., 2008; Eem and Choi, 2018).

이처럼 구조물 자체에 대한 내진검증뿐만 아니라 비구조물에

대한 내진성능 검증 및 향상에 관한 연구가 수행되고 있으나,

기존 설치되어 운영 중인 전기기기 캐비닛에 대한 내진안전

성과 캐비닛 내부 부착되어있는 전기기기에 대한 오작동의

안전성을 확보하기 위한 연구 또한 필요한 것으로 판단된다.

따라서 본 연구에서는 발전플랜트 시설에서 운영 중인 전

기기기 캐비닛을 선정한 뒤 기본 동특성을 파악하였으며, 동

적 거동에 의한 응답 수준을 파악하고 내진보강 방안을 도출

하기 위한 해석적 연구를 수행하였다. 건물 내부 기 설치된 전

기기기 캐비닛은 지진에너지의 유입 시 내부프레임에 설치되

어있는 전기기기의 직접적인 손상을 발생시킬 수 있다. 따라

서 이를 방지하기 위한 제진 보강 적용이 지진 하중 유입에 의

한 응답의 감소 측면에서 가장 효율적인 내진보강이라 할 수

있다. 본 연구에서는 이를 수행하기 위해 제진 보강재의 일종

인 강재댐퍼를 설치 위치에 따른 변수를 설정하고 해석을 진

행하였으며, 가속도 이력에 의한 기존 캐비닛의 응답과 제안

하고자 하는 내진 보강 캐비닛의 응답을 비교･분석하였다.

2. 전기기기 캐비닛의 동특성

2.1 유한요소모델

전기기기 캐비닛 구조물은 캐비닛이 설치되는 건물의 층응

답스펙트럼 등 설계조건 이상의 역량을 보유하면 되기에 다

양한 크기와 형상이 존재한다. 이에 따라 비구조요소에 대한

제진보강 실효성에 관한 연구를 진행하기 위해 원자력 발전

소와 같은 발전플랜트 내 운용되고 있는 전기기기 캐비닛을

대상 구조물로 선정하여 해석적 연구를 수행하였다.

본 연구에서 검토한 전기기기 캐비닛은 실제 국내원전 적

용을 위해 설계된 캐비닛을 기반으로 연구용으로 제작한 구

조 프레임을 해석모델을 작성하였다(Kim, 2019). 실제 해당

캐비닛은 전기신호를 아날로그와 디지털 신호 간 변환 및 전

송하는 기능을 수행하며 이를 위한 전기적 부품으로 구성되

어 있다. 원전기기 내진검증(Seismic Qualification) 측면에서

는 내부의 전기적 부품까지 반영하여 해석 모델을 구성하여

야 하지만, 본 연구에서는 캐비닛 구조체의 동특성에 따른 증

폭 및 응답 저감 가능성 검토함이 목적이므로 실제 제작된 캐

비닛 구조물과 동일하게 외부 프레임 구조물만을 내진해석

범위로 설정하였다.

선정한 캐비닛 구조물의 유한요소모델링은 범용구조해석

프로그램인 Abaqus 6.14을 사용하고 설계도면을 참조해서 구

성하고 있는 모든 요소를 반영하였다. 구성한 유한요소모델

은 동적 거동으로 인해 발생되는 유한요소의 축력과 휨, 비틀

림까지 고려하기 위해 3차원에 대한 계산이 가능한 고체요소

로 구성하였다.

Density

[ton/mm³]

Young’s modulus

[MPa]

Poisson’s

ratio

Thickness

[mm]

In Out

SS275 7.87E-9 210,000 0.3 3.9 3.2

Table 1 Property of cabinet

(a) Cabinet length (b) Bone frame

Fig. 1 FE model of Cabinet

캐비닛의 제원은 내부 3.9mm, 외부 프레임의 두께가 3.2mm

로 전기기기가 부착되는 내부프레임을 고려하여 가속도 이력에

의한 응답을 도출할 수 있도록 구현하였다. 캐비닛의 내･외부프

레임은 SS275 재질의 재료물성을 입력하여 탄성거동으로 가정

하였다(Table 1, Fig. 1). 발전 플랜트 내부에 설치되기 때문에

정확한 수치해석을 위해서는 앵커볼트 고정이나 용접과 같은

정착조건 또한 반영되어야 한다. 그러나 본 연구의 목적은 캐비

닛의 내부 증폭 등 가속도 응답수준 파악에 있기 때문에 캐비닛

의 바닥 전면이 건물과 부착된 것으로 가정하여 해석을 진행하

였다.

J. Korea Inst. Struct. Maint. Insp. 3

2.2 모드해석

지진동에 의한 동적거동을 파악하기 앞서, 캐비닛 구조물

의 기본 동특성을 파악하기 위해 실제 조건과 유사하게 캐비

닛의 바닥면 전체를 고정조건으로 가정하여 모드해석을 진행

하였다. 또한, 모드해석으로 도출된 결과를 통해 유효질량 참

여율을 분석하여 국부모드를 제외하고 확인하였으며, 지진동

의 진동수 대역을 포함할 수 있도록 그 범위를 산정하였다.

일반적인 전기기기 캐비닛은 10Hz이상에서 1차 고유진동

수가 발생하는 것으로 알려져 있으나(Merz, 1991(a)), 본 연구에

서 수행한 캐비닛 구조물은 상대적으로 고진동수인 24.56Hz에

서 1차 모드 고유진동수가 발생하였으며, 고차모드로 산정된

각 차수별 고유 진동수는 100Hz이상으로 고차모드에 대해서

는 비교적 강성거동을 보이는 것으로 판단된다(Fig. 2). 그러나

지진 하중으로 인한 캐비닛 구조물 자체의 구조건전성이 확보

되어도, 실제 전기기기 캐비닛에서 내부프레임에 부착되는 계

전기(relay) 전기기기들은 오작동 및 신호 왜곡 발생 등 고진동

수 진동에 민감한 것으로 알려져 있기 때문에(Merz, 1991(b)),

고진동수 대역에서의 캐비닛 내부프레임의 응답 수준의 저감

및 안전성이 확보되어야 할 것으로 판단된다.

2.3 동적해석

캐비닛 구조물의 설계 시 내진 실험 및 해석의 과정에서 사

용되고 있는 Generic Equipment Ruggedness Spectra (GERS)

를 기준으로 구성한 캐비닛 모델에 대한 응답스펙트럼해석

및 시간이력해석을 수행하였다. GERS 스펙트럼은 미국 내

원자력 발전소를 대상으로 다수의 발전소 및 설치위치에 따

른 층응답스펙트럼을 포괄할 수 있도록 제작된 것으로 다양

한 진동수 영역에서 상대적으로 높은 가속도를 갖도록 구성

이 되어 있으므로 고유진동수에 따른 증폭 및 영향을 확인할

수 있을 것으로 판단하였다(EPRI NP-5223, EPRI NP-7147).

(a) Response spectrum

(b) Acceleration time graph

Fig. 3 Input data for dynamic analysis

2.3.1 동적해석

다자유도 시스템을 단자유도로 분리하여 가속도에 대한 고

유 특성에 따른 최대응답을 도출하는 응답스펙트럼해석법을 통

해 캐비닛구조물 내부프레임에 발생되는 최대응답 수준을 파악

하였다. 더욱이 GERS 스펙트럼의 영주기가속도(Zero Period

Acceleration, ZPA)는 33Hz이후에서 형성되며, 이는 구성한 캐

비닛 모델의 1차 모드에 대한 동적거동의 영향을 확인할 수 있을

것으로 판단된다.

또한, 지진동의 관심 진동수 대역 100Hz이내 도출되는 고유

모드형상을 참조하여 스펙트럼 가속도를 1방향(x방향)으로 입

력하였고, Summation of the Absolute value method(ABS)의 모

드 조합을 사용하여 최대 응답을 도출하였다(식 (1), Fig. 3(a)).

Mode 1 Mode 2

Mode 3 Mode 4

Fig. 2 Modal analysis result

4 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 제24권 제2호(2020. 04)

일반적으로 설계에서는 SRSS방법을 사용하지만, 구성한 모델

은 모드해석을 통해 확인한 모드 중 국부거동하는 인접한 모드

상 진동주기가 비슷하기에 1방향성에 대한 뚜렷한 경향을 확인

하고자 ABS를 적용하였고, SRSS의 결과와 유사한 값을 도출할

수 있었다.

max

max (1)

여기서,

max모드별 최대물리량(변위, 응력, 부재력 등의 각

성분 별 최대값), max실제물리량의 최대값

또한, 시간이력해석을 수행하기 위해 구성한 응답스펙트럼

GERS에 대한 포락함수를 형상화 할 수 있는 P.CARES (Nie et

al., 2007)를 통해 가속도 시간이력 데이터로 변환하였다(Fig.

3(b)). 인공가속도는 내진설계기준 공통적용사항을 기준으로

지진규모 6.5이상 7.0미만에 해당하는 상승시간 1.5s, 강진동

지속시간 9s, 하강시간 10.5s으로 5%감쇠비를 적용하여 생성

하였다(MOIS, 2017). 그리고 본 해석에서 가정한 기기와 건

물의 전면적 접촉조건을 반영하기 위해 캐비닛의 바닥면 전

체에 응답스펙트럼해석 하중입력의 방향과 동일하게(x방향)

가속도 시간이력 데이터를 입력하여 모델을 구성하였다.

동적거동에 의한 캐비닛의 결과는 전기기기 부속품이 설치

되는 내부프레임(In-frame)에서의 상･하, 중앙부 각 지점에

대한 결과를 도출하였다(상･중앙부 및 하부는 내부프레임 총

높이를 1h를 기준으로 0.75, 0.5, 0.25h에 해당되는 위치). 그

리고 가속도 결과의 경우 관심 진동수 영역인 100Hz으로 응

답스펙트럼 변환하고 진동수에 따른 스펙트럼가속도로 정리

하였고, 응답스펙트럼해석을 RSA, 시간이력해석을 THA로

정리하였다.

2.3.2 동적해석결과

GERS 스펙트럼으로 인한 캐비닛 구조물의 응답을 정리한

결과는 Fig. 4에 정리된 바와 같으며, 응답스펙트럼해석으로

얻어진 내부프레임의 최대 응력결과, 상･중･하 각각의 지점

에서 4.51, 1.14, 4.48MPa으로 도출되었고, 시간이력해석에서

얻어진 최대 응력수준 또한 비슷하였다.

또한, 가속도 이력에 따른 응답의 결과 값을 진동수의 영역

으로 정리한 결과, 입력한 가속도는 약 15Hz의 진동수영역에

서 상부 지점으로 진행될수록 증폭되는 것을 확인하였다.

도출된 상･하부의 응력수준은 유사하고 중앙부의 응력은 이

에 대비해 낮다. 또한 동적거동에 의해 증폭되는 캐비닛의 진동

수는 모드해석을 통해 얻어진 1차 고유진동수 24.56Hz에 대비

해 낮은 진동수 15Hz에서 증폭이 일어난다. 이는 캐비닛의 국

부거동으로 인해 발생되는 결과로 판단되며, 이를 파악하기 위

해 캐비닛을 구성하고 있는 한 벽면에 대한 고유치 분석을 진행

하였고, 1차 모드 진동수가 약 15Hz으로 도출되어 증폭되는 진

동수의 영향을 확인할 수 있었다(Fig. 5(a), (b)). 응력의 경우 벽

면에 대한 모드해석 결과를 관심주파수로 설정한 100Hz에 대

해 주요모드를 산정하고, 이에 대한 각 차수별 발생된 변위, 질

량참여율을 분석하였다. 이를 x방향에 대한 참여도로 정리하

면 Fig. 5(c)와 같고 이는 지진동 이력 시 각 위치별 변형률로 반

영되는 것을 알 수 있다. 이에 따라 다양한 기하학적인 요소를

가지는 복잡한 구조물의 경우는 완성된 하나의 구조물에 대해

서만 동특성을 파악하는 것이 아닌 구성하고 있는 요소에 대해

다방면적인 고유치를 분석해야 한다.

본 전기기기 캐비닛 구조물의 경우 동적 거동의 결과로 도

출된 캐비닛의 응력 수준을 고려하면 참조한 캐비닛은 높은

(a) Response analysis result by ABS, SRSS

(b) Maximum stress at different levels

(c) Spectral acceleration-frequency

Fig. 4 Dynamic analysis result

J. Korea Inst. Struct. Maint. Insp. 5

강성체로 GERS 스펙트럼에 의한 구조적 안전성은 확보되는

것으로 판단된다. 하지만, 캐비닛에 발생되는 낮은 응력 수준

의 결과는 캐비닛 내부에 설치되는 전기부품이 가속도 이력

시 발생되는 증폭에 대해 기능적 안전성을 입증할 수 없다. 따

라서 지진동 이력 시 증폭에 의한 전기부품의 기능적 안전성

을 향상시키기 위해 기존 캐비닛을 대상으로 내진보강방안의

연구가 수행하였다.

(a) Mode 1 (b) Mode 2

(c) Strain at different levels

Fig. 5 Modal analysis result of side element in cabinet

3. 전기기기 캐비닛의 제진보강

3.1 강재 플레이트 댐퍼

강재댐퍼는 건축물의 제진보강재의 일종으로 개발되었으

며, 강재댐퍼 중 초기강성과 지진 하중에 의한 소성거동 시 에

너지 흡수가 가능한 강재 플레이트 댐퍼를 참조하였다(Youn

et al., 2017). Youn et al. (2017)에 의하면 강재 플레이트 댐퍼

(SS275 사용)는 대각형상비와 면적비에 따라 지진에너지흡

수능의 차이가 있기 때문에 스트럿폭에 대한 변수를 30, 45,

60mm으로 설정하였고, 동적 실험과 해석을 수행하여 폭 45,

60mm의 경우가 폭 30mm에 비해 높은 에너지흡수능을 가지

고 있음을 확인하였다. 또한, 강재댐퍼의 단위 X형상은 횡방

향 변위가 발생하게 되면, 구속조건에 따라 내력이 발생하게

된다. 그리고 내력을 받은 강재댐퍼는 항복모멘트 및 소성모

멘트에 이르게 되었을 때 소성힌지가 발생되고 식 (2), (3)을

통해 직사각형 단면인 강재댐퍼의 형상변수로 항복 및 소성

모멘트를 계산할 수 있다.

(2)

(3)

여기서, 는 항복모멘트(N･mm), 는 소성모멘트(N･

mm), 는 스트럿폭(mm), 는 판의 두께(mm), 는 강재의

항복강도(MPa)

따라서 캐비닛구조물에 적용 시 초기 단면강성과 모멘트

저항성이 상대적으로 높은 스트럿폭 60mm 강재 플레이트 댐

퍼를 선정하였고(Youn et al., 2017), 강재 플레이트 댐퍼의 기

본 단위형상인 X형상을 캐비닛의 외부프레임 면적에 맞추어

모델링하였다. 강재댐퍼는 SS275의 물성으로 10mm의 두께

로 구성하여 내진보강에 의한 응답경향성을 뚜렷하게 확인하

고자 하였다.

강재댐퍼의 부착위치는 실제 내진보강 시공 시 접근성을

감안하기 위해 기본적으로 캐비닛 외부프레임에 대해서만 고

려하였다. 또한 효과적인 강재댐퍼의 제진 거동을 확인하기

위해 부착위치에 대한 검토를 캐비닛의 최상단면과 외부 두

Retrofitted Cabinet(RC) Door Retrofitted Cabinet(RC) Side

Retrofitted Cabinet(RC) Top

Fig. 6 Retrofitted cabinet

6 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 제24권 제2호(2020. 04)

옆면, 전･후면으로 총 3가지의 변수로 설정하였으며, 캐비닛

외부 면과 강재댐퍼가 접촉되어 있는 면은 모두 용접인 상황

으로 가정하였다(Fig. 6).

여기서, 기본 캐비닛을 Basic Cabinet(BC)으로 강재댐퍼를

캐비닛에 부착한 경우를 Retrofitted Cabinet(RC)을 뜻하며,

RC Door, Side, Top은 각각 캐비닛 전･후면, 외부 두 옆면, 외

부 최상단면에 보강한 사례를 뜻한다.

RC Door RC Side

RC Top

Fig. 7 Mode shape of retrofitted cabinet

3.2 보강 캐비닛의 동특성

보강 전･후 캐비닛 구조물의 고유특성 변화를 확인하기 위

해 전술하였던 모드해석의 방법으로 수행하였고, 기본 캐비

닛에 대한 동적해석 시 사용하였던 하중 값을 보강 캐비닛에

적용하여 그 결과를 도출하였다.

3.2.1 모드해석

기본 캐비닛의 양 옆면, 최상단면(RC Side, RC Top)에 강재댐

퍼를 부착한 경우 1차 모드 거동은 기본 캐비닛과 동일하였으며,

강성과 질량이 추가됨에 따라 RC Side, Top 위치에서 25.08,

22.82Hz으로 각각 도출되었다. 그러나 전･후 프레임(RC Door)

에 부착한 경우 강재댐퍼의 로컬거동으로 14.01Hz의 1차 모드

고유진동수가 도출되었고, 강재댐퍼의 부착으로 캐비닛의 동

특성이 변화됨을 알 수 있다(Table 2, Fig. 7). 이를 통해 전･후

프레임에 보강을 진행한 캐비닛은 기본 캐비닛 대비 지진동의

이력에 의한 동적거동이 상이할 것으로 판단된다.

3.2.2 동적해석

2.3절을 통해 서술하고 수행하였던 기본 캐비닛에 대한 동

적해석을 보강 캐비닛에 적용하였고 이를 진행하여 도출된

가속도이력에 의한 응답 결과를 기본 캐비닛의 결과와 비교

하여 Fig. 8에 정리하였다.

3.3 기본 캐비닛과 동적응답 비교

보강 캐비닛에 대한 동적해석의 결과는 기본 캐비닛과 동

일한 상･중앙･하부(내부프레임 1h 대비 0.75, 0.5, 0.25 h)에서

의 지점 결과 값을 도출하고 정리하였다.

우선, 참조한 위치별 발생한 Fig. 8(a)에서 알 수 있듯이, 참

조한 위치별 발생한 응력의 수준은 기본 캐비닛의 상부에서

발생한 최대 응력 4.49MPa에 대비하여 RC Door는 0.83MPa

으로 81.5% 감소되는 것을 알 수 있는 반면, RC Top의 경우

5.24MPa이 발생하고 BC에서 발생한 응력 대비하여 16.7%가

증가하였고, 시간이력해석으로 얻어진 응력수준(Fig. 8(b))도

응답스펙트럼해석으로 도출된 결과와 비슷한 수준이었다.

진동수 영역에 따른 가속도의 증폭 수준을 비교한 결과, 동

일한 외부 하중에 대하여 RC Door의 응답은 약 2.55g이고 BC

의 경우 약 4.93g으로 약 48% 감소된다는 것을 확인할 수 있었

으며, 증폭되는 진동수 영역은 비슷하였다. 하지만, 제진 장치

를 부착하였음에도 RC Side와 Top의 최대 증폭수준은 BC와

유사하였으며, RC Door를 제외한 내부프레임 중앙부와 하부

는 일치 거동함을 보여주고 있다(Figs. 8(c), (d), and (e)).

이는, 응답 감소를 확인한 RC Door의 경우 전･후 외부프레

임에 부착된 강재댐퍼의 국부거동으로 인해 직접적인

지진동의 유입이 저감되는 반면, 상부와 측면에 보강을 진행

한 경우 외부 프레임과의 일체거동으로 가속도 이력에 의한

강재댐퍼의 로컬거동이 이루어지지 않기에 발생되는 결과로

판단된다.

4. 결 론

본 연구는 발전플랜트 및 일반산업계에서 설치되어 운영

중인 전기기기 캐비닛 구조물에 대한 지진 안전성을 확보하

기 위해 유한요소모델을 구성하여 동특성을 파악하였다. 또

한 제진보강 장치를 이용하여 내진 안정성을 증대시키기 위

Basic

CabinetRC Door RC Side RC Top

1st Frequency[Hz] 24.56 11.01 25.08 22.82

Table 2 Modal analysis result of retrofitted cabinet

J. Korea Inst. Struct. Maint. Insp. 7

해 보강위치별 변수를 설정하여 해석적 연구를 수행하였다.

본 연구를 통한 결론은 다음과 같다.

(1) 캐비닛 모델에 대해 모드해석을 진행한 결과, 1차 고유

진동수는 24.56Hz으로 지진 진동수 대비하여 높은 구

간에서 도출되었으며, 이후 고차모드는 100Hz이상으

로 강성구조물임을 알 수 있다.

(2) 3~17Hz의 광대역 진동수에서 높은 가속도 값을 가지는

GERS 응답스펙트럼을 외부하중으로 구성하여 응답스

펙트럼해석 및 시간이력해석을 진행하였다. 그 결과 응

력은 5MPa으로 구조적 건전성에는 낮은 수준의 응력이

발생하였고, 가속도의 응답을 진동수영역으로 응답스

펙트럼 변환한 결과 약 15Hz에서 그 값이 증폭되었다.

이는 캐비닛의 구성요소인 한 벽면의 고유치 분석을 통

해 다양한 기하학적인 요소로 구성된 캐비닛의 국부거

동으로 인해 발생된 결과임을 확인하였다. 또한 동적 해

석으로 도출된 가속도의 증폭 효과는 발생된 응력 수준

만을 고려하여 캐비닛의 기능적 안전성을 확보할 수 없

는 것으로 판단된다.

(3) 이에 따라 강재댐퍼를 캐비닛의 형상에 맞추어 내진보

강재로 이용한 결과, 동일한 하중 조건에서 기본 캐비닛

은 최대 가속도 증폭이 4.93g이고 외부 두 옆면 및 최상

단면에 보강한 캐비닛은 4.8g, 5.21g로 보강에 대한 효

과가 나타나지 않았다. 그러나 전･후면 보강캐비닛의

(a) Response spectrum analysis (b) Time history analysis

(c) In-frame Top (d) In-frame Middle

(e) In-frame Bottom

Fig. 8 Dynamic analysis result of retrofitted cabinet

8 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 제24권 제2호(2020. 04)

경우 2.55g로 기본 캐비닛 대비 약 48% 가속도응답이

감소됨을 알 수 있다.

(4) 본 연구에서는 단일 응답스펙트럼만을 고려하였기에

구성한 캐비닛 모델 동적거동의 경향을 일반화 할 수

없다. 그리고 고려한 변수 이외에도 볼트 접합 등 강재

댐퍼를 기기에 부착하는 다양한 방법의 연구와 댐퍼의

두께와 같은 제원 등에 관한 추가적인 연구를 진행되어

야 하며 실제 효과적인 적용을 위한 추후 연구가 필요

할 것으로 판단된다.

감사의 글

이 성과는 부산대학교 기본연구지원사업(2년)에 의하여 연

구되었음.

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Received : 11/26/2019

Revised : 01/31/2020

Accepted : 03/30/2020

요 지 : 원자력발전소와 같은 발전플랜트 시설의 경우 건물 자체뿐만 아니라 내부에 설치된 비구조요소의 내진안정성 또한 중요하다. 특히,

전기기기가 부착되는 캐비닛 구조물 등은 지진에 대비하여 기능적 안전성이 확보되어야 한다. 이에 따라 본 연구에서는 기존 발전플랜트 내부

에서 운용 중인 전기기기 캐비닛 구조물의 동특성을 파악하고, 동적거동 시 발생되는 응답 수준을 분석하였다. 그리고 내진보강 방법 중 제진

방식을 적용하기 위해 강재 플레이트 댐퍼를 채택하고 대상기기의 크기에 적합하게 조정하였다. 또한, 최적의 보강방안을 도출하기 위해 부착

위치에 따른 변수를 설정하고 보강 전･후의 지진동 입력에 의한 응답에 대하여 분석하는 연구를 수행하였다.

핵심용어: 지진, 발전플랜트, 비구조요소, 내진보강