진동대 시험을 이용한 전기캐비닛 앵커의 거동특성 분석

1. 서 론

최근 국내외 큰 규모의 지진발생 빈도와 지진피해가 증가함에 따라 각종 시설물들의 내진설계에 대한 관심 또한 증대되고 있다. 특히 2016년 규모 5.8의 경주지진과 2017년 규모 5.4의 포항지진이 발생하면서 국내 시설물들의 지진피해사례가 상당수 보고되었다. 최근 국내외 지진피해사례를 살펴보면 구조요소보다 비구조요소의 손상 및 파괴에 의한 피해가 많이 발생하고 있으며 이러한 비구조요소의 피해복구비용은 전체 피해복구비용 중 상당한 비중을 차지하고 있는 것으로 보고된 바 있다⁽¹⁾.

비구조요소는 건축구조기준(KBC)에서 건축비구조요소와 기계·전기 비구조요소로 구분되었으며, 비구조요소중 기계·전기 비구조요소는 건축물에 설치하는 기계 및 전기 시스템과 이를 지지하는 부착물 및 장비⁽²⁾로서 전기회로의 유지 및 중앙제어, 통신 등과 같이 시설의 고유기능을 유지하기 위해 쓰이는 중요한 설비이다. 특히 발전소, 병원, 소방서 등과 같이 특수한 목적을 가진 중요 사회기반시설에 설치되는 전기캐비닛의 경우, 지진 등으로 인하여 고유기능에 장애가 발생하면 인명피해와 막대한 경제적 손실 등을 야기할 수 있다⁽³⁾. 따라서 캐비닛의 지진거동을 분석하여 내진성능을 확보하기 위한 노력이 필요하다. 유한요소해석 및 진동대 시험으로 지진하중에 의한 전기캐비닛의 거동특성을 분석하고 내진성능을 평가하기 위한 연구는 전기, 원자력 등의 분야에서 꾸준히 수행되어져 오고 있다. 조성국 등에 의하여 지진에 의한 캐비닛내부응답을 작성하기 위한 연구가 국내에서 진행된 바 있으며⁽⁴⁾ 정확한 캐비닛내부응답스펙트럼을 평가하기 위해 캐비닛 하부의 로킹 강성을 수치적으로 계산하기 위한 연구 또한 진행되고 있다^(5,6).

캐비닛의 유한요소해석은 일반적으로 캐비닛이 바닥에 단단히 고정되어 있다고 가정하여 수행된다. 하지만 이 가정은 캐비닛이 고정되는 방법에 따라 유효하지 않을 수 있다. 특히 캐비닛이 앵커볼트로 정착된 경우 하부 판재의 국부 변형으로 로킹이 발생할 수 있다. 로킹은 캐비닛 하부와 구조물 바닥의 충돌로 인한 충격을 유발할 수 있으나 유한요소해석은 캐비닛과 바닥의 충돌을 묘사하는 것이 난해한 실정이다. 그러므로 실증시험을 통한 평가와 분석이 필요할 수 있다. 하지만 시험적인 접근으로 로킹에 의한 충돌영향을 분석한 사례는 많지 않다. 따라서 이 연구에서는 정착방식이 서로 다른 두 캐비닛을 진동대에 설치하고 지진모사시험을 수행하였으며, 캐비닛의 로킹에 의한 충격으로 판단되는 앵커하중을 계측하였다. 뿐만 아니라 로킹의 유무에 따른 캐비닛의 상부와 하부의 변위응답을 계측하고 비교하였다.

2. 캐비닛의 로킹

일반적으로 유한요소해석 시 캐비닛의 하부기초 경계조건은 대부분 바닥에 고정된 것으로 간주된다. 하지만 Fig. 1(a)와 같이 박판으로 구성된 캐비닛바닥판은 강한 지진동에 의해 앵커볼트 주변에서 국부변형(anchor localized deformation)이 발생될 가능성이 있으며, 따라서 Fig. 1(b)와 같이 앵커부를 제외한 바닥판은 들림(uplifting)현상이 발생할 수 있다.

Fig. 1

Rocking mode description

그 결과 Fig. 1(c)와 같이 바닥 모서리에 강성회전스프링(K_θ)으로 나타나는 강체회전인 로킹이 유발될 수 있으며 로킹으로 인해 캐비닛 하부와 바닥의 충돌로 앵커부에 충격이 가해질 수 있다. 뿐만 아니라 이러한 로킹 및 충격으로 인하여 캐비닛의 가속도 응답이 증폭될 수도 있다⁽⁷⁾. 따라서 로킹과 로킹으로 유발되는 충격은 캐비닛의 지진거동 분석 시 필요에 따라 고려해야 할 것으로 판단된다.

3. 캐비닛의 진동대 시험

3.1 시험대상설비의 상세 및 고정

진동대 시험에 사용된 시험대상설비는 캐비닛만으로 구성된 단문형 캐비닛과 MCC(moter control center)와 계기용 변압변류기 등의 실제 장비가 포함된 양문형 캐비닛으로 두 캐비닛의 제원을 Table 1에 나타내었다. 캐비닛 바닥판의 앵커링에 따른 거동특성을 확인하기 위하여 Fig. 2와 같이 진동대에 두 캐비닛을 함께 설치하였다. IEEE Std. 693⁽⁸⁾을 참조하여 인발력 계측 시 진동대 시험방법에 따라 거동특성을 파악하기 위해 양문형 캐비닛은 바닥판과 강재 지그를 용접 연결하여 설치하였다. 단문형 캐비닛은 실제현장 상황에 적용되는 앵커설치 경계조건을 고려하여 바닥판과 지그 8개소에 볼트로 연결하여 설치하였다.

Table 1

Specimens specifications

Fig. 2

Specimens

3.2 입력지진

이 시험에서는 보다 다양한 특성의 지진파로 진동대 시험을 수행하기 위하여 입력지진파는 3개를 선정하였다. ICC-ES AC156⁽⁹⁾의 RRS(required response spectrum), 원자력발전소 내진설계 기준인 Reg. 1.60⁽¹⁰⁾, 울진지역의 등재해도 스펙트럼(uniform hazard spectrum, UHS)⁽¹¹⁾의 가속도 배율을 조정하여 시험을 수행하였다.

국외에서 주로 사용되는 비구조요소 진동대 시험방법인 ICC-ES AC156은 ASCE 7과 IBC(international building code)를 바탕으로 하고 있으며 국내의 건축구조기준에도 적용이 가능하다⁽¹²⁾. 따라서 연약지반을 제외하고 건축구조기준에 의해 가장 큰 가속도 값을 가지도록 하였으며 단주기설계스펙트럼 가속도(S_DS)의 계산을 위해 지진구역계수는 0.22 g, 단주기지반증폭계수(Fa)는 1.5를 적용하였다. 층 응답의 경우, ICC-ES AC156에 따라 건물 최고층에 시험대상설비가 설치되는 것을 고려하여 구조물과 시험대상설비 높이의 비(z/h)를 1로 가정하였다. 요구응답스펙트럼 작성을 위하여 수평·수직방향의 스펙트럼가속도 값은 식 (1)과 식 (2)를 이용하여 계산하였다. 규정에 따라 A_FLEX-H의 최댓값은 1.6 S_DS를 초과할 수 없고 A_FLEX-V와 A_RIG-V는 각각 A_FLEX-H의 0.67배, A_RIG-H의 0.27배 이하가 되어야 한다. 여기서 A_FLEX-H와 A_FLEX-V는 유연한 요소(flexible component)의 수평·수직방향 스펙트럼 가속도 값이며 A_RIG-H, A_RIG-V는 튼튼한 요소(rigid component)의 수평·수직방향 스펙트럼 가속도 값이다.

$\[ A_{FLEX-H} = S_{DS} \left(1+2\frac{z}{h}\right) \]$

(1)

$\[ A_{RIG-H} = 0.4S_{DS} \left(1+2\frac{z}{h}\right) \]$

(2)

ICC-ES AC156의 RRS를 Fig. 3에 나타내었으며 건축구조기준을 바탕으로 ICC-ES AC156에 따라 계산된 요구응답스펙트럼의 주요계수 산정 결과를 Table 2에 나타내었다. ICC-ES AC156의 RRS와 동일하게 감쇠비는 5 %로 Reg. 1.60과 UHS의 영주기가속도 값을 수평방향 0.67 g, 수직방향 0.14 g로 정규화하여 Fig. 4에 나타내었다. ASCE 4-98⁽¹³⁾과 IEEE Std. 344⁽¹⁴⁾를 참조하여 서로 다른 두 방향(XY, XZ, YZ)의 시간이력은 상관계수 값이 0.3이하가 되도록 하였다.

Fig. 3

Required response spectrum of AC156

Table 2

Seismic parameters of AC156 based on KBC

Fig. 4

Required response spectrum (5 % damping)

3.3 시험방법 및 절차

진동대 시험은 부산대학교 지진방재연구센터의 6자유도 진동대를 이용하여 수행하였다. 시간이력시험(time history test)을 수행하기 전에 캐비닛의 공진주파수를 확인하고 동특성을 확인하기 위하여 공진탐색시험(resonance search test)을 우선적으로 수행하였다. 해당시험은 좌우(X), 전후(Y), 상하(Z) 각 축 방향에 대해 1회씩 주파수 소인시험을 수행하였다. 시료의 손상을 최소화하기 위하여 가속도 신호의 크기는 0.07 g 수준으로 탐색범위는 1 Hz ~ 50 Hz, 주파수 증가는 2 octave/min으로 수행하였다. 캐비닛의 공진주파수는 식 (3)과 같이 진동대에 입력된 가속도에 대한 캐비닛 각 위치의 응답가속도로 전달함수를 결정하였다.

$\[ T_{xy}\left(f\right)=P_{yx}\left(f\right)/P_{xx}\left(f\right) \]$

(3)

시험절차는 Table 3과 같으며 시간이력시험은 3개의 지진파에 대하여 각 1회씩 수행하였다. 방송통신 설비의 내진시험 방법⁽¹⁵⁾, IEEE std. 344, ICC-ES AC 156 등을 참조하여 진동 지속시간은 30초, 강진 지속시간은 20초로 수행하였으며 시험 전·후 캐비닛의 변형 및 파손상태 등을 육안으로 확인하였다.

Table 3

Test sequence

각 센서들의 위치 및 설치사항은 Fig. 5에 나타내었으며 센서들의 상세는 Table 4에 나타내었다. 두 캐비닛 주요 위치의 거동특성 파악을 위하여 12개의 3축 가속도 센서를 설치하고 가속도 응답을 계측하였다. 양문형 캐비닛은 지그와 진동대의 볼트연결부, 단문형 캐비닛은 바닥판과 지그의 볼트연결부 각 8개소에 16개의 로드셀을 설치하여 앵커하중을 계측하였다. 또한 단문형 캐비닛에 2개의 와이어 변위 센서를 설치하여 캐비닛 상·하단의 상대변위를 계측하였다. 진동대 바닥에 설치한 3축 가속도 센서의 응답으로 TRS(test response spectrum)를 작성하여 RRS의 포락여부를 확인하였으며 각 방향 계측신호의 상관관계 함수가 0.3이하인 것을 확인하였다.

Fig. 5

Sensor location

Table 4

Sensor specifications

4. 시험결과 및 분석

공진탐색시험결과 내·외부 판재들의 국부모드(local mode)와 캐비닛의 쿵쾅거림(banging), 덜컹거림(rattling) 등의 충격신호로 캐비닛의 특성과는 다른 공진주파수가 계측되었다. 시간이력시험에서도 동일한 이유로 쿵쾅거림, 덜컹거림이 발생하였으며 앵커부의 경우 캐비닛의 로킹으로 의심되는 충격하중이 전달되었다. 계측의 불확실성을 줄이고 로킹의 확인 및 비교를 위해 캐비닛의 문을 고정하였으며 단문형 캐비닛의 경우 하부에 10 mm의 강판을 용접으로 보강하여 재시험하였다. 시험결과는 두 캐비닛의 보강 전·후의 결과 값으로 비교하였다.

4.1 공진탐색시험 결과

보강 전·후 차이가 명확한 단문형 캐비닛의 전달함수 산정 결과를 Fig. 6에 나타내었다. 보강 전 결과에서 캐비닛 측면 중앙(A13) Y방향의 경우 일정간격의 공진주파수를 확인하였으며 내부 2층 판재 중앙(A9) X방향의 경우 뚜렷하지 않은 1차 공진점을 확인하였다. 특히 강체(rigid body)에서 나타나는 응답과 같이 40 Hz 이상의 고주파수 영역에서 높은 TR값이 계측되었다. 이에 따라 캐비닛의 문, 내부 프레임, 판재 등의 국부모드와 상호 충돌로 인한 가속도 응답의 증폭과 충격신호로 예측하였으며 보강 후 결과에서 Table 5와 같이 캐비닛의 명확한 공진주파수를 확인하였다.

Fig. 6

Comparison of resonance search test results

Table 5

Resonance search test results

4.2 시간이력시험의 앵커하중

Fig. 7은 보강 전·후 단문형 캐비닛의 각 지진파에 대한 앵커하중의 최대절대값을 로드셀 위치에 따라 나타낸 것이다. Fig. 7에서 Reg. 1.60의 스펙트럼을 이용하여 작성된 입력지진을 가진하였을 경우, 보강 전 단문형 캐비닛의 바깥쪽에 위치한 앵커들에서 다른 두 지진파의 결과보다 상대적으로 큰 하중이 계측된 것을 확인하였다. Fig. 8은 보강 전 서로 다른 입력지진에 대한 단문형 캐비닛의 앵커하중응답으로서 Fig. 7의 결과와 같이 Reg. 1.60의 스펙트럼을 이용하여 작성된 입력지진을 가진하였을 때 충격과 같이 짧은 시간에 큰 하중응답이 계측된 것을 확인할 수 있다.

Fig. 7

Max. anchorage load of single door cabinet

Fig. 8

Measured anchorage load by time history tests: Single door cabinet case

동일한 크기의 영주기가속도 값을 가지는 서로 다른 주파수 특성의 입력지진을 가진한 결과, 10 Hz 이하 주파수 성분의 스펙트럼 가속도 값이 큰 Reg. 1.60의 경우 로킹이 발생하였으며 충격하중이 계측되었다. 그러나 캐비닛의 고유주기가 포함된 13 Hz 이상영역에서 스펙트럼 가속도 값이 큰 UHS의 경우 로킹이 발생하지 않았다. 또한 가장 낮은 스펙트럼 가속도 값을 가지는 ICC-ES AC 156의 입력지진으로 가진하였을 경우 계측된 앵커하중이 가장 낮은 것을 알 수 있었다. 따라서 입력신호의 강도가 낮으면 캐비닛의 로킹은 발생하지 않을 수 있음을 알 수 있었으며, 10 Hz 이상의 주파수영역에서 스펙트럼 가속도 값이 큰 경우와 비교하여 10 Hz 이하 주파수 영역에서 스펙트럼 가속도 값이 큰 경우에 로킹이 유발될 가능성이 있음을 실험을 통하여 확인하였다.

Reg. 1.60의 입력지진으로 가진하였을 경우에 대하여 서로 다른 방식으로 고정된 두 캐비닛의 최대앵커하중 응답을 상세히 비교하고자 보강 전과 후의 하중시간이력을 Fig. 9에 나타내었다. 보강 전 단문형 캐비닛의 결과에서 충격에 의하여 급격한 하중응답의 증가가 관찰되지만 캐비닛의 보강 후 충격 신호가 계측되지 않았다. 양문형 캐비닛은 충격으로 판단되는 급격한 하중 증가현상은 계측되지 않았으며, 보강 후 LC1-8로드셀에서 하중응답이 감소하였으나 그 차이는 크지 않다. 따라서 로킹의 발생과 이에 따른 하부의 충격은 캐비닛의 고정방식 또는 캐비닛 하부형상 등의 요인이 지배적인 것으로 판단된다. 두 캐비닛의 앵커 하중의 최대절댓값을 Table 6에 정리하였다.

Fig. 9

Measured anchorage loads under seismic condition: Input motion Reg. 1.60

Table 6

Max. anchorage load results

4.3 시간이력시험의 상대변위

캐비닛 로킹의 발생을 상단과 하단의 상대변위로 확인할 수 있다⁽⁸⁾. 이에 따라 볼트로 고정한 단문형 캐비닛을 대상으로 상단과 하단 상대변위를 계측하였다. 보강 전과 보강 후의 각 지진파에 대한 단문형 캐비닛의 상대변위 응답을Fig. 10에 나타내었으며 Table 7은 상대변위의 최댓값과 최솟값을 나타내었다. 보강 전 결과에서는 상단과 하단에서 상대변위가 최대 6.28 mm까지 발생하였으나 보강 후 1.4 mm 이하로 약 72 % 감소한 것을 확인하였다. 따라서 로킹의 발생이 억제되면 상대변위가 큰 폭으로 감소할 수 있음을 실험으로 확인하였다.

Fig. 10

Comparison of relative displacement (single door cabinet)

Table 7

Relative displacement results

5. 결 론

이 연구에서는 지진에 의한 캐비닛의 거동특성을 분석하기 위하여 실제 현장 상황에 적용되는 앵커부의 경계조건을 최대한 고려하여 진동대 시험을 수행하고 로킹의 발생 여부에 따른 차이를 확인하였으며 그 결과는 다음과 같다.

• (1) 캐비닛의 문과 내부 구성품들의 상호충돌 및 국부모드로 쿵쾅거림, 덜컹거림이 발생하여 저주파수의 지진동에도 40 Hz 이상의 고주파수 응답이 생성되며 캐비닛의 가속도응답이 증폭될 수 있다.
• (2) 입력신호의 강도가 낮으면 캐비닛의 로킹은 발생하지 않을 수 있으며 10 Hz 이상의 주파수영역에서 스펙트럼가속도 값이 큰 입력지진과 비교하여 10 Hz이하의 비교적 낮은 주파수 영역에서 스펙트럼가속도 값이 큰 입력지진의 경우에 로킹이 유발될 가능성이 있음을 확인하였다.
• (3) 캐비닛이 앵커볼트로 고정될 경우 지진에 의한 로킹으로 캐비닛 상단과 하단의 상대변위가 크게 증가하고 캐비닛 하부와 바닥의 충격이 발생할 수 있으며, 이 충격으로 앵커 하중응답이 증가하는 것을 확인하였다. 하부 보강 등을 통하여 로킹이 차단되면 캐비닛 상부와 하부의 상대변위가 약 72 %, 앵커하중의 응답이 최대 79 % 감소될 수 있음을 확인하였다.
• (4) 이 연구결과는 캐비닛 고정 앵커의 지진하중에 대한 내진성능평가를 위한 기초 연구자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

Acknowledgments

A part of this paper was presented at the KSNVE 2018 Annual Autumn Conference

이 연구는 국토교통부 플랜트 연구개발 사업의 연구비 지원(과제번호 18IFIP-B128598-02)에 의해 수행되었습니다.

References

• Oh, S. H., Park, H. Y., and Choi, K. K., (2018), Status and Characteristics of Earthquake Damage of Nonstructural Components, Korean Society for Noise and Vibration Engineering, 28(2), p71-77.
• Ministry of Land, Infrastructure, and Transport, (2016), Korean Building Code-Structural.
• Cosenza, E., Di Sarno, L., Maddaloni, G., Magliulo, G., Petrone, C., and Prota, A., (2015), Shake Table Tests for the Seismic Fragility Evaluation of Hospital Rooms, Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 44, p23-40. [https://doi.org/10.1002/eqe.2456]
• Kim, D. K., Cho, S. G., Joe, Y. H., Yi, J. H., and Ko, S. H., (2009), Modal Parameter Identification of Cabinets of Nuclear Power Plant, Proceedings of EESK (Earthquake Engineering Society of Korea) Annual Spring Conference, p55-62.
• Yang, J., Rustogi, S. K., and Gupta, A., (2002), Rocking Stiffness of Mounting Arrangements in Electrical Cabinets and Control Panels, Nuclear Engineering and Design, 219, p127-141.
• Han, M. S., Cho, S. K., Hong, K. J., and Gupta, A., (2018), Rocking Stiffness of Electric Cabinet Considering the Local Deformation at the Base, Paper presented at Transactions of the Korean Nuclear Society Spring Meeting.
• Di Sarno, L., Magliulo, G., D’Angela, D., and Cosenza, E., (2018), Experimental Assessment of The Seismic Performance of Hospital Cabinets Using Shake Table Testing, Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 48, p103-123.
• IEEE 693, (2005), IEEE Recommended Practice for Seismic Design of Substations.
• ICC-ES, (2015), AC156-2010 Acceptance Criteria for Seismic Certification by Shake-table Testing of Nonstructural Components.
• US NRC Regulatory Guide 1.60, Design Response Spectra for Seismic Design of Nuclear Power Plants.
• Rhee, H. M., Kim, M. K., Sheen, D. H., and Chol, I. K., (2013), Analysis of Uniform Hazard Spectra for Metropolises in the Korean Peninsula, Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, 17(2), p71-77. [https://doi.org/10.5000/eesk.2013.17.2.071]
• Park, D. U., Jeon, B. G., Shin, Y. J., and Jung, W. Y., (2017), A Study of Shake Table Test Input Motion for Electronic Equipments in Korean Power Plants, Korea Academia-Industrial Cooperation Society.
• ASCE 4-98, (2000), Seismic Analysis of Safety-Related Nuclear Structures and Commentary.
• IEEE 344, (2013), IEEE Standard for Seismic Qualification of Equipment for Nuclear Power Generating Stations.
• National Radio Research Agency, (2015), Seismic Test Method for Telecommunication Facilities.