이 연구에서는 국내의 건축물 내진설계 기준 및 내진설계기준 공통적용사항을 고려하여, ICC-ES AC 156의 요구사항에 따라 RRS와 가속도시간이력을 작성하였다. 건축물 내진설계기준에 따라 단주기 설계스펙트럼 가속도(S_DS)를 계산하면 식 (1)과 같다. 단, 연약지반의 경우 지반조사를 통하여 입력지반운동을 결정하여야 하므로 변수에서 제외하는 것이 바람직하다. 식 (1)에서 S는 유효지반가속도이며 F_a는 단주기 지반증폭계수이다. 식 (2)의 S는 지진구역 I의 지진구역계수(Z)에 2400년 재현주기에 해당하는 위험도계수(I) 2.0을 곱한 값인 0.22를 적용하였다. F_a는 1.5로 가정하였으며 계산된 S_DS는 0.55이다. 발전용 수·화력설비, 송전설비, 배전설비, 변전설비 등 관계 법령에 따라 내진설계를 해야 하는 대부분의 발전시설은 중요시설에 해당하는 것으로 간주할 수 있다. 따라서 지진재현주기를 2400년으로 정의하는 것이 타당할 것으로 판단하였다.

건축구조물이 아닌 경우 2017년 제안된 내진설계기준 공통적용사항을 참조하여 결정할 수 있다. 내진설계기준 공통적용사항은 시설별 내진설계기준의 일관성 유지를 위하여 대부분의 국내 시설의 내진설계에 반영하는 것을 목적으로 제안된 것으로 ASCE 7, IBC 및 건축물 내진설계기준과 연계가 가능하다. 유효지반 가속도(S)의 계산은 식 (2)와 동일하지만 단주기 설계스펙트럼 가속도(S_DS)는 식 (1)과 차이가 있으며 식 (3)과 같다. 즉 건축물 내진설계 기준과 내진설계기준 공통적용사항의 S_DS는 2/3배의 차이를 나타낸다. F_a를 1.5로 가정하고 S가 0.22일 경우, 내진설계기준 공통적용사항의 S_DS는 0.825이다.

인공지진의 가속도시간이력 생성을 위한 ICC-ES AC 156의 RRS는 Fig. 1과 같으며 seismic parameter는 Table 1에 나타내었다. 기기 설비는 정의되지 않은 임의의 구조물의 모든 층에 설치될 수 있다. 그러므로 이 연구에서는 가장 엄격한 조건인 최상층 설치를 고려하여 구조물과 설치 위치의 비(z/h)를 1로 가정하였다. RRS는 ICC-ES AC 156의 요구사항에 따라 작성하였으며 감쇠비는 5 %이다. 식 (4), (5)는 수평방향, 식 (6), (7)은 수직방향의 스펙트럼가속도(spectral acceleration)결정을 위한 식이다. 여기서, A_FLX-H는 S_DS의 1.6배를 초과할 수 없다. 시간이력은 ASCE 4-98⁽¹⁷⁾을 참조하여 사다리꼴 포락함수를 적용하였다. MTS의 STEX프로그램을 사용하였으며 각 축 방향의 상관관계를 검토하였다. 서로 다른 두 방향의 상관관계는 ASCE 4-98과 IEEE Std. 344를 참조하여 상관계수함수(correlation function)값이 0.3 이하가 되도록 하였으며 진동지속시간과 강진지속시간은 각각 30초와 20초로 작성하였다.

Fig. 1 
ICC-ES AC 156 RRS

이 연구에서는 건축물 내진설계 기준을 만족하도록 작성한 S_DS가 0.55인 인공지진을 100 %가속도 배율로, 내진설계기준 공통적용사항을 바탕으로 하는 S_DS가 0.825인 경우가 150 %로 정의하였으며, 가속도 배율을 조정하여 200 %까지 가진하였다.

이 연구에서는 진동대 시험을 위한 입력지진동으로 국내에서 발생한 지진 중, 가장 피해가 컸던 경주지진과 포항지진을 선택하였다. Fig. 2는 기상청의 관측소에서 계측된 경주지진과 포항지진의 시간이력이다.

Fig. 2 
Acceleration time histories of gyeongju and Pohang earthquake

시험대상설비는 수력발전소에서 사용하였던 RTU 패널이며 Fig. 3과 같이 RTU 패널 2기가 열반되어 있다. 하부 찬넬(base channel)과 후설치 세트앵커볼트는 Fig. 4의 왼쪽 그림과 같다. 찬넬은 상부의 외함과 8개의 M8 볼트로 연결되어 콘크리트 바닥에 4개의 M12 앵커볼트로 고정된다. 또한 2개의 파스너(fastener)가 하부 찬넬에 용접으로 부착되어 2개의 M8 앵커볼트가 추가되었다. 진동대 시험 수행 시 현장조건을 최대한 모사하기 위하여 콘크리트 슬래브에 후설치 세트앵커볼트로 하부 찬넬을 고정하였으며, 패널의 하단, 중간, 상단과 내부의 주요 부품인 power supply와 relay 주변에 가속도계를 설치하였다. Fig. 4의 오른쪽 그림은 각 부품의 사진이다. 앵커볼트의 인발력 계측을 위하여 로드셀을 설치하였으며, 패널과 찬넬의 앵커연결부의 국부변형 확인을 위한 변형률게이지를 설치하였다. 또한 패널과 찬넬에 Fig. 5와 같이 target을 부착하여 상대변위를 영상처리기법으로 계측⁽¹⁸⁾하여 로킹(rocking)의 발생을 관찰하였다. 또한 패널의 상단과 하단에 변위계(LVDT)를 설치하여 지진하중에 의한 상대변위를 계측하였다. 그리고 지진하중 하에서 기기의 기능이 유지되는지 확인하기 위하여 AC/DC transducer를 이용하여 주회로의 전기신호를 계측하였다. 모든 계측기의 신호는 512 Hz로 계측되었다.

Fig. 3 
Sensor location and RTU panel on concrete slab

Fig. 4 
Base channel, anchor and major sub-components

Fig. 5 
Digital image processing target at base channel and bottom of enclosure

시험절차는 Table 2와 같다. 국내 기록지진인 경주지진과 포항지진을 가진한 후 Table 1의 인공지진을 가속도 증폭비의 크기 순서로 가진하였다. RTU 패널의 동특성을 확인하기 위하여 각 시험 전에 공진탐색시험(resonance search test)을 수행하였으며, 기능검사와 육안검사를 각 시험의 전, 중, 후에 수행하여 기기의 기능 및 구조적 건전성을 확인하였다. 진동대 시험은 부산대학교 지진방재연구센터의 6자유도 진동대를 이용하여 수행하였으며 Table 3은 진동대의 사양이다.

Table 2의 순서에 의해 진동대 시험을 수행하였다. 모든 시험에서 계측된 전기신호의 단락은 발생하지 않았다. 따라서 전기적인 기능이 정상적으로 작동한 것으로 간주하였다.

포항지진과 인공지진 150 % 시험 후 전선 트레이의 몰드가 이탈되었으나 기능에 영향을 미치지 않았으며 200 %가진 시 문 고정 장치가 파손되어 실험을 중단하였다. Fig. 6은 탈락된 몰드와 파손된 문 고정 장치의 사진이며 Fig. 7은 손상된 앵커볼트와 패널 하부의 국부변형을 기록한 사진이다. 모든 시험 종료 후 RTU 패널을 콘크리트 슬래브에서 제거하였을 때, M8 앵커볼트 2개의 부착력이 소실되었음을 확인하였으며 하부 찬넬과 연결되는 패널 하부의 연결볼트 주변에서 컵 모양의 국부적인 영구변형(cup-like deformation)이 확인되었다. ICC-ES AC 156에서는 하중을 받는 부재 또는 주요 연결볼트 등 구조부재의 파손은 허용하지 않으나, 전구 교체와 같은 경미한 손상은 허용하고 있다. 따라서 각각 국내 건축물 내진설계기준 및 내진설계기준 공통적용사항에 기반하여 작성된 인공지진 100 %와 150 %에 대한 시험에서는 RTU 패널의 기능적, 구조적 이상은 발생하지 않은 것으로 간주하였다. 하지만 국내 방송통신 설비의 내진설계 기준에서는 설치된 구성품의 이탈 또는 육안으로 확인 가능한 변형이 발생하지 않아야 하며, 원자력 기기 성능검증사례에서 또한 부품의 이탈 이나 탈락은 허용하지 않는 경우가 대부분이다. 따라서 향후 발전설비의 내진성능을 평가하기 위한 진동대 시험방법을 제안하거나, 기존의 시험방법에 따라 평가를 수행할 경우 기능 및 구조에 미치는 영향이 경미한 손상에 대하여 논의할 필요가 있을 것으로 판단한다.

Fig. 6 
Mold drop and door lock failure

Fig. 7 
Anchor bolt failure and local deformation after test 11 (200 %)

식 (8)과 같이 진동전달함수 H_xy(f)는 진동대 바닥에서 계측된 가속도 신호인 P_yx(f)와 응답가속도신호의 전달함수 P_yx(f)를 이용하여 결정하였다. Table 4는 공진탐색시험의 결과이다. 경주지진과 포항지진 가진 후 공진점이 10 % ~ 14 % 낮아진 것이 확인되었다. 따라서 경주지진과 포항지진 가진 후 육안 점검에서 이상이 없었으나, 구조적인 문제가 발생하기 시작한 것으로 판단된다.

Fig. 8은 대표적인 앵커하중, 패널과 하부 찬넬 연결볼트 주변의 변형률, 주요 기기에서의 가속도 응답이다. 국내 기록지진인 포항과 경주지진의 가진에 의한 주요 위치에서의 응답신호들의 값은 높지 않으며 인공지진 100 % 가진 시에도 변형률 이상신호는 발견되지 않는다. 그러나 내진설계기준 공통적용사항을 고려한 인공지진 150 % 가진 시 RTU 패널-하부 찬넬 고정볼트 주변에서 0.002이상의 변형률이 계측되었다. 또한 인공지진 200 % 가진 시 충격신호가 로드셀에서 계측되었으며, 충격신호의 발생 지점에서 패널 고정볼트 주변의 영구변형이 크게 발생하는 것이 계측되었다. 시험 종료 후 계측된 누적소성변형률은 0.004이다. 또한 문 고정 장치의 파손으로 문이 열려 발생한 충격으로 16.12 g의 가속도값이 relay 위치에 부착된 가속도계에서 계측되었다.

Fig. 8 
Response signals of shaking table tests

Fig. 9는 영상처리기법을 이용하여 패널 하부와 하부 찬넬의 상대변위를 계측한 것이다. Fig 9(a)에서와 같이 경주지진과 포항지진의의 상하방향 상대변위는 각각 1.9 mm와 0.7 mm이다. Fig. 9(b)에서 확인할 수 있듯이 인공지진 100 %의 상하방향 상대변위는 3.6 mm이며, 인공지진 150 %에서는 6.8 mm, 200 %에서는 11.4 mm로 상대변위 값이 크게 증폭된다. Yun et al.은⁽¹⁹⁾ 캐비닛이 앵커볼트로 고정될 경우 지진에 의한 로킹(rocking)으로 캐비닛 하부와 바닥의 충격이 발생할 수 있으며, 이 충격으로 앵커 하중응답이 증가시킬 수 있음을 진동대 시험으로 증명하였다. 따라서 이 연구에서는 가속도 응답에서 충격신호를 확인할 수 있으며 6.8 mm의 비교적 큰 상대변위가 발생한 인공지진 150 %와 200 %의 진동대 시험에서 로킹과 들림(uplifting)에 의한 충격이 발생한 것으로 판단하였다.

Fig. 9 
Relative displacement between encloser bottom and base channel

국내 기록지진과 인공지진의 가속도 배율을 조정하여 시험한 모든 시험에서 RTU 패널 주요위치의 가속도응답과 입력지진가속도의 진동전달함수(transfer function)는 Fig. 10과 같다. 캔틸레버 형식으로 고정된 power supply는 모든 시험에서 진동 전달률이 60을 초과하고 있다. 따라서 캔틸레버 형식으로 부착된 내부기기는 지진에 취약할 수 있을 것으로 판단된다. 입력지진동의 크기가 커질수록 30 Hz 이상의 모든 주파수 영역에서 진동전달함수 값이 크게 나타나는 것이 확인된다. 이러한 현상은 RTU 패널이 강력한 지진동에 의해 하부 찬넬로부터 들림으로 인한 로킹이 발생하고 이에 따른 패널과 하부 찬넬의 충돌에 의하여 나타나는 현상으로 분석할 수 있다.

Fig. 10 
Transfer function of each tests

Fig. 11은 각 시험에서의 최대가속도 응답으로, 인공지진 200 %에서 RTU 패널의 하부에 설치된 가속도계에서 계측된 응답과 최상단에서 계측된 가속도 응답이 내부 가속도 응답과 비교하여 크게 나타나고 있다. 로킹과 들림에 의한 패널 하부의 충격이 패널 하부에 설치한 가속도계(A2)에서 계측되었으며, 충격은 프레임을 따라 상단으로 전달되어 Fig. 10 및 Fig. 11의 결과와 같이 RTU 패널 상부에서 최대가속도 값이 계측된 것으로 판단된다. 또한 같은 이유로 30 Hz 이상의 고주파 영역에서 진동전달함수가 충격 신호와 같이 모든 대역에 걸쳐 높게 나타나는 것으로 판단된다⁽²⁰⁾.

Fig. 11 
Peak acceleration responses

내진설계기준 공통적용사항을 만족하도록 작성된 인공지진 150 %의 진동대 시험 종료 후 RTU 패널의 구조적 손상은 발견되지 않았다. 단, 패널 내부의 전선 몰드가 일부 탈락하였으나 기능에 영향을 미치지 않는 경미한 손상으로 판단하였다. 하지만 대부분의 내진성능 검증 방법은 구성품의 탈락 또는 변형을 허용하지 않는다. 따라서 앞으로 발전설비의 내진성능을 평가하기 위한 진동대 시험방법을 제안하거나, 기존의 시험방법에 따라 평가를 수행할 경우 기능 및 구조에 미치는 영향이 미미한 손상의 허용 여부에 대하여 논의할 필요가 있을 것으로 판단한다.