등가점성감쇠법을 이용한 배관곡관요소 비선형 거동의 감쇠효과 분석

국문 초록 (Abstract)

설계 초과지진하중에 대한 변형률 기반 평가방법 도입에 대한 연구가 활발하게 이루어지는 가운데, 비선형거동 확인을 위해서 유한요소 해석방법을 주로 이용하고 있다. 이에 따라 소성이 발생하였을 때의 감쇠효과에 대한 분석방법이 필요하게 되었다. 기존 탄성 영역에서 수행되던 유한요소해석에서는 영구변형에 따른 에너지 소산효과가 존재하지 않기 때문에 시스템 구조 자체에서 발생하는 감쇠효과를 보수적으로 고려하는 방법을 차용하였다. 하지만 변형이 발생하는 비선형해석에서는 시스템 구조 자체의 감쇠율 뿐 아니라 영구변형, 즉 소성변형에 따른 에너지 소산율도 고려되기 때문에 적절한 감쇠율 적용에 대한 고찰이 필요하다. 본 연구에서는 유한요소해석 모델에서 등가점성감쇠법을 이용하여 비선형거동을 하는 배관요소의 감쇠효과를 분석하고, 이를 활용한 유한요소해석에서의 적용 방안에 대해서 연구해보았다. 등가점성감쇠법이란, 선형 시스템에 감쇠율을 적용하여 비선형 응답을 예측하기 위해 적용되던 방식으로, 대표적으로 Jenning 의 연구를 통해 단자유도계 시스템의 비선형 거동을 예측하는 방법으로 3 가지 관점이 제시되었다.⁽¹⁾ 또한 등가점성감쇠법은 DDBD(Direct Displacement-Based Design) 방법을 활용하여 실제 구조물의 비선형응답을 예측하는 방법론으로 정리된 바 있다.⁽²⁾ 고찰을 위해 유한요소해석법을 이용하여 곡관 시스템의 탄소성해석의 결과를 바탕으로 Effective Stiffness 와 Effective Natural Frequency 를 계산하는 방법을 제시하고, 이를 활용하여 등가점성감쇠율을 계산하였다. 해당 방법을 곡관 요소의 파손실험결과에 활용하여 등가점성감쇠율을 활용한 곡관의 비선형 거동 예측 가능성을 확인할 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In the process of studying on introduction of strain-based evaluation methods for BDBE(Beyond Design Basis Earthquake) Conditions are actively conducted, finite element analysis methods are commonly used to confirm. Accordingly, it is necessary to analyze damping effect. In the existing evaluation, since energy dissipation effect due to plastic deformation does not exist, a method of conservatively considering the damping effect occurring in the system structure itself was adopted. However, in nonlinear domain, in which deformation occurs, not only damping rate of the system structure itself, but also energy dissipation due to plastic deformation are considered, so it is necessary to consider appropriate damping. In this study, the damping effect of nonlinear curved pipe element using the equivalent viscous damping method was analyzed by finite element analysis and studied the application of this method. Equivalent viscosity damping method is applied to predict the nonlinear response by applying a damping factor to a linear system, and representatively, through Jenning's research, three viewpoints were presented as a method of predicting the nonlinear behavior of SDOF system.⁽¹⁾ In addition, the equivalent viscous damping method summarized as a methodology for predicting the nonlinear response of actual structure using Direct Displacement-Based Design (DDBD) method.⁽²⁾ For consideration, a method of calculating Effective Stiffness and Effective Natural Frequency based on the results of the elasto-plastic analysis of a curved pipe system using finite element analysis was presented, and the equivalent viscous damping ratio was calculated using this method. It is expected that the feasibility of predicting the nonlinear behavior of the curved pipe using the equivalent viscous damping method can be confirmed by the failure test results.