KR102621460B1 - 표준구조물 부착형 수배전반 내진구조설계방법 - Google Patents

Abstract

본발명은 표준구조물 부착형 수배전반 내진구조설계방법에 관한 것으로, 표준화된 구조물을 미리 정의하여두고 용량별로 부족한 부위만 시뮬레이션을 통하여 변경하는 것을 특징으로 한다.
수배전반 3D모델링 1단계;
또한, 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 X.Y.Z 축 방향으로 지진과 동일한 크기의 정적, 동적 응력을 인가하는 2단계;
시뮬레이션 프로그램을 이용하여 변위, 스트레스를 측정하는 3단계;
표준구조물을 부착하는 4단계;
변위, 스트레스가 테스트 결과 기준치 이하이면 내진설계 완료로 판단하는 5단계;로 구성되는 것으로
본발명은 표준화된 구조물을 미리 정의하여두고 용량별로 부족한 부위만 시뮬레이션을 통하여 변경하여 설치를 위한 인건비 및 재료비가 절약되며 경제적인 현저한 효과가 있다.

Description

표준구조물 부착형 수배전반 내진구조설계방법{Seismic structure design method for standard structure attached switchgear}

본발명은 표준구조물 부착형 수배전반 내진구조설계방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 표준화된 구조물을 미리 정의하여두고 용량별로 부족한 부위만 시뮬레이션을 통하여 변경하여 설치를 위한 인건비 및 재료비가 절약되며 경제적인 표준구조물 부착형 수배전반 내진구조설계방법인 것을 특징으로 한다.

국내에 설치되어있는 수배전반은 일반형이 90% 이상을 차지하고 있으며, 이를 전체적인 구조의 틀은 유지한 상태에서 내진형으로 개선이 필요하고, 신규로 제작하는 수배전반도 구조를 튼튼하게 하는 내진형 구조로 변경하거나. 지진 회피를 위한 면진장치를 부착할 필요가 있다.종래특허기술의 일례로서 공개번호 10-2014-0135136호에 설계구조물 데이터를 통해 내진력을 산정하는 단계;

상기 내진력과 일치하는 외진력이 되기 위한 요구지반가속도를 산정하는 단계;

상기 요구지반가속도가 발휘되는 일정거리에서의 지진규모를 산정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 내진규모 산정을 포함하는 구조물 내진설계 방법이 공개되어 있다.

또한,등록번호 10-2305497호에는 수배전반용 내진 및 면진장치가 공개되어 있다.

그러나 상기 종래기술들은 전체적인 구조의 틀은 유지한 상태에서 내진형으로 개선이 필요하고, 신규로 제작하는 수배전반도 구조를 튼튼하게 하는 내진형 구조로 변경하거나. 지진 회피를 위한 면진장치를 부착할 경우 설치를 위한 인건비 및 재료비가 많이 소요된다.

따라서 본발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 기존 수배전반 및 신규 수배전반을 저비용, 고효율 내진형 수배전반으로 변경할 수 있는 것으로, 표준화된 구조물을 미리 정의하여두고 용량별로 부족한 부위만 시뮬레이션을 통하여 변경하는 내진형 수배전반을 제공하고자 하는 것이다.

본발명은 표준구조물 부착형 수배전반 내진구조설계방법에 관한 것으로, 표준화된 구조물을 미리 정의하여두고 용량별로 부족한 부위만 시뮬레이션을 통하여 변경하는 것을 특징으로 한다.

수배전반 3D모델링 1단계;

또한, 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 X.Y.Z 축 방향으로 지진과 동일한 크기의 정적, 동적 응력을 인가하는 2단계;

시뮬레이션 프로그램을 이용하여 변위, 스트레스를 측정하는 3단계;

표준구조물을 부착하는 4단계;

변위, 스트레스가 테스트 결과 기준치 이하이면 내진설계 완료로 판단하는 5단계;로 구성되는 것을 특징으로 한다.

따라서 본발명은 표준화된 구조물을 미리 정의하여두고 용량별로 부족한 부위만 시뮬레이션을 통하여 변경하여 설치를 위한 인건비 및 재료비가 절약되며 경제적인 현저한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 표준구조물 부착형 수배전반 내진구조설계방법 블록도
도2는 본발명이 적용되는 수배전반의 정면도
도3은 본발명이 적용되는 수배전반의 전면내부도
도 4는 삼각형부재 정면도
도 5는 삼각형부재 측면도
도 6은 본발명이 적용되는 수배전반의 측면도
도 7은 본발명 표준구조물 B정면도
도 8은 본발명 표준구조물 B측면도
도 9는 본발명 표준구조물 C정면도
도 10은 본발명 표준구조물 C정면도

본발명은 표준구조물 부착형 수배전반 내진구조설계방법에 관한 것으로, 표준화된 구조물을 미리 정의하여두고 용량별로 부족한 부위만 시뮬레이션을 통하여 변경하는 것을 특징으로 한다.

수배전반 3D모델링 1단계;

또한, 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 X.Y.Z 축 방향으로 지진과 동일한 크기의 정적, 동적 응력을 인가하는 2단계;

시뮬레이션 프로그램을 이용하여 변위, 스트레스를 측정하는 3단계;

표준구조물을 부착하는 4단계;

변위, 스트레스가 테스트 결과 기준치 이하이면 내진설계 완료로 판단하는 5단계;로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 1단계부터 4단계까지 반복하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 지진파는 P,S파를 구분하여 설계시 반영하는 것을 특징으로 한다.

또한, 표준구조물;

시뮬레이션 프로그램의 정확성 확인을 위한 센서부;

시뮬레이션 프로그램의 정확성 확인을 위한 제어기로 구성되는 것을 특징으로 하는 표준구조물 부착형 수배전반 내진구조설계시스템인 것을 특징으로 한다.

본발명을 첨부도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

본발명의 내진형 수배전반 제작절차는 다음과 같다.

가. 용량별 특정 내진 표준구조물 설정 (맞춤형, 용량별 표준구조물)

용량 (단위 : kg/cm2)	10	20	30	40	50	100	200	300
구조물	표준 구조물	표준 구조물	표준 구조물	표준 구조물	표준 구조물	표준 구조물	표준 구조물	표준 구조물

표 1 :용량별 특정 내진 표준구조물 설계 및 제작 (맞춤형, 용량별 구조물 정의)

나. 수배전반 3D모델링

다. X.Y.Z 축 지진과 동일한 크기의 정적, 동적 응력인가

라. 변위, 스트레스 측정

마. 표준구조물 부착

마.'나'항목부터 반복

바. 변위, 스트레스 기준치 이하이면 내진설계 완료

곧 먼저 수배전반을 3D모델링한다. 3D모델링은 캐드, 카티아, 퓨전 등 3D모델링 툴을 이용하여 제작한다.

그리고 상기 3D모델링된 수배전반의 X.Y.Z 축이 지진과 동일한 크기의 정적, 동적 응력인가를 계산한다. 특히 지진파인 P,S파를 구분적용하여 수배전반의 X.Y.Z 축을 설계한다. 이때 안전율을 곱할 수 있다. 안전율은 2 ~ 5정도로 정한다.

이후 제작된 수배전반 모형에서 변위, 스트레스를 측정한다. 테스트를 위해 P,S파를 인위적으로 실험실에서 발생하여 테스트한다. 테스트결과 합격일 경우 실제 수배전반 표준구조물을 부착한다.

이때 변위, 스트레스가 기준치 이하이면 내진설계가 완료된 것이다.

지진파중 P파(Primary Wave)는 소리와 같은 종파이며, 전파 속도가 5~8km/s로 S파보다 빠르다. 매질을 압축하거나 팽창하기 때문에 고체, 액체, 기체를 모두 통과하며 진폭이 짧다. P파는 S파에 비해 진폭이 약해 지진 시에 큰 피해를 입히지 않는다. P파는 암석을 통과하면서 암석을 압축시키거나 팽창시킨다. 또한 P파는 종의 진동처럼 진원지로부터 모든 방향으로 퍼져나간다. 그러므로 긴급지진속보가 바로 이 P파를 기반으로 속보를 내보낸다.

지진파중 S파( S-wave, shear wave, elastic S-wave) 또는 2차파(영어: secondary wave)는 실체파(진원에서 모든 방향으로 발생하는 파동)중 횡파이며, 고체 상태의 물질만 통과한다. 속도는 3~4km/s로 비교적 느리고 물질의 표면으로 파가 도달하는 범위가 P파에 비해 짧다. 하지만 진폭이 커, P파에 비해 피해가 크다. 고체상태의 매질만 통과가 가능하며 액체를 통과하지 못하기 때문에 3000km에 가까운 깊이의 액체 상태인 외핵을 통과 할 수 없어 S파는 맨틀 안에 있는 지구의 핵은 통과하지 못한다. 즉 만약 지구 반대편에 위치한 곳에서 지진이 일어나면 P파는 도착하나. S파가 도착하지 못한다. 따라서 매우 큰 지진의 경우 지구 반대편에서 P파만을 관측하는 경우가 있다.

본 발명의 표준구조물은 삼각형부재와 직사각형부재로 구분되며, 삼각형판재의 경우, 우측모서리와 하부모서리에 모따기가 되어 수평이며, 가운데 원형홀이 형성된다. 고체역학과 재료역학에 의해 삼각형판에 걸리는 응력을 계산한다. 이때 재질은 철판이며, 스텐레스판등의 소재변경에 따른 값을 달리 계산하게 된다. 부하는 지진파의 경우 P, S파가 다르게 작동하므로, P파의 경우, 표준구조물을 설치한 상태를 가정하는 것으로, 삼각형부재에 미치는 지진파의 속도에 따른 충격값을 반영하여 수직응력을 계산한다. 또한 비틀림응력을 같이 계산한다. 이때 수배전반을 하나의 강체로 보고 비틀림응력값을 구하게 된다. 그리고 수직응력과 비틀림응력이 동시에 발생되는 복합응력도 같이 계산한다. 이를 위한 제어기는 구조계산, 응력계산 등 필요한 알고리즘들을 갖춘 제어프로그램이 내장되어 있다. 이때 천공되어 형성되는 구멍에 대한 응력을 같이 계산하여 정확한 값을 구하게 된다. 그러므로 삼각형부재의 넓이 및 두께가 계산된다. 마지막으로 설치되는 삼각형부재개수를 나누어 정확한 응력을 계산한다. 응력변동외, 진동 특성, 변형률 변동 특성도 함께 계산할 수 있다.

S파도 마찬가지로 계산하나 진행방향과 수직으로 진동이 발생하는 횡파이므로, 진폭이 커서, 크랙이나 변형의 위험이 더 크게 된다. 충격에 의한 수직응력, 비틀림응력, 복합응력은 상기 P파의 경우처럼 계산한다. 그러므로 표준구조물을 부착하는 상태로서 직사각형 부재의 넓이 및 두께가 계산된다. 마지막으로 설치되는 직사각형 부재개수를 나누어 정확한 응력을 계산한다. 홀이 형성되는 직사각형 부재 B, C도 마찬가지 방법으로 구해지며, 이때 재료역학, 동역학이 적용되되, 삼각형 부재와 달리 양단보의 공식이 참조된다.

상기와 같은 계산에 의한 부재들의 내진 설계치와 대비하여 수배전반 자체의 무게와 구조등에 의해 구해진 X.Y.Z 축강도를 비교하여, 상기 X.Y.Z 축강도가 내진 설계치가 클때, 이를 채택하여, 2단계에서는 수배전반 구조 부재들을 설계하게 된다. 이후 3단계에서는 설계된 수배전반 삼각형부재, 직사각형부재 구조에 상기 내진응력을 계산에 반영한 응력을 부가하여 수배전반 변위, 스트레스를 측정하게 된다. 이때 측정기가 사용되면 측정기의 센서부는 응력에 따른 변위, 스트레스를 제어기의 제어부로 전송하고 제어부는 상기 변위, 스트레스값이 허용치 내인지 판단부를 통해 판단한다.

측정 이후 5단계는 수배전반에 표준구조물인 삼각형부재, 직사각형부재를 직접 부착하여 테스트한 변위, 스트레스가 기준치 이하이면 내진설계가 완료된 것으로 판단하게 된다. 이때 상기 4단계에서 사용한 측정기를 사용할 수 있는 것으로, 제어기의 제어부는 테스트한 변위, 스트레스가 기준치 이상이면, 상기 삼각형부재, 직사각형부재를 다시 설계하기보다, 삼각형부재, 직사각형부재의 개수를 늘려, 강성을 증가시켜 허용치 이내 들게 할 수 있다.

한편, 본발명은 서버가 설치되어 서버의 데이타베이스에는 기상청 공공데이타로부터 다운받은 과거에서 현재까지의 지진데이타들이 저장되어 있다. 그리고 계속 데이터가 기상청으로부터 제어기로 업데이트가 되며, 지진빈도나 세기가 달라지되, 그 빈도나 세기가 이미 제작되어 설치된 표준화된 구조물 설계시보다 설정치이상 커지면, 서버 제어부는 이미 제작되어 설치된 표준화된 구조물에 보강부를 설치, 시공하게 안내메세지를 모니터에 띄우거나 관리자 스마트폰에 문자로 발송하다. 또는 설치된 표준화된 구조물의 관리자 스마트폰에 문자로 발송한다. 그러므로 과거 설계반영에 의한 위험을 경감하게 한다. 그리고 본발명의 내진설계는 향후 지진강도예측을 위해 AI모듈을 사용할 수 있게 설계할 수 있는 것으로, 이는 LSTM과 같은 예측 AI모듈을 사용한다. LSTM은 주식예측, 에너지관리등에 널리 쓰이며 그 정확도가 높다. 그러므로, 과거 지진발생, 특히 P, S파의 발생추이를 계속 입력하여, 향후의 지진파를 예측할 수 있을 것이다. 특히 지진발생시의 기온, 바람세기 등을 함께 산출하여, 최적설계가 되게 한다.

본발명에서 서버 제어부는 상기 보강부 설계를 위해 설계시 반영 데이터를 저장부에 기상청으로부터 받아 계속 저장보관한다. 또한 실제 지진발생시 수배전 화재등 지진사고가 난 사례 데이타도 피드백하여, 그 원인을 분석하고, 수배전 재설계에 반영하며, 안전율결정에도 반영한다. 사고가 난 것을 피드백하는 방법은 인터넷 뉴스등을, 키워드에 의해자동 웹크롤링하여 받게 된다. 이를 위해 상기 수배전반에는 통신모듈을 설치한다. 그리고 정기적으로, 진동센서에 의한 진동값을 받게 된다. 제어기의 제어부는 지진이 아니더라도 일정진동 이상이 감지되면, 진동에 따른 누적피로를 서버에 저장된 알고리즘에 의해 계산하여 일정 진동피로 이상이 되면 문자메세지를 관리자 스마트폰에 발송하여 조치하게 한다.

그리고 본발명에서 사용되는 상기 응력변동, 진동 특성, 변형률 변동 특성의 계산식은 널리 알려진 수학식, 역학공식 알고리즘을 사용하는 것으로, 이의 일례에 대하여 본출원인의 선행특허인 등록번호 10-1729118에는 수배전반 지진영향 시뮬레이션 단계는 컴퓨터 장치에 설치되는 수배전반 지진영향 시뮬레이션 프로그램을 통해 보강대상 수배전반의 지진발생 영향을 시뮬레이션하는 것으로, 수배전반 지진영향 시뮬레이션 프로그램은 지진발생 영향에 의한 보강대상 수배전반의 진동 특성, 응력 변동 특성, 변형률 변동 특성이 분석되는 프로그램이다. 이를 위한 수배전반 지진영향 시뮬레이션 프로그램으로는 진동 해석 프로그램, 응력 해석 프로그램, 변형률 해석 프로그램의 기능이 복합적으로 구현되는 프로그램이 사용될 수 있으며, 특히 본 발명의 실시예에 따른 수배전반 지진영향 시뮬레이션 프로그램은 유한요소 해석이 가능한 프로그램으로 이루어져 xyz 공간 상의 3차원 공간 상의 보강대상 수배전반 각 부위에 대한 분석이 수행될 수 있도록 한다.

이와 같은 수배전반 지진영향 시뮬레이션 프로그램은 상기의 수배전반 하중분포 검출단계에서 검출된 하중분포 정보를 적용시킨 보강대상 수배전반의 모델링으로 수배전반 형상모델을 형성시키게 된다. 그리고 설정된 지진 특성값이 수배전반 지진영향 시뮬레이션 프로그램에 입력되면서 수배전반 형상모델에 대한 지진발생 영향이 분석된다. 특히 본 발명의 실시예에 따른 수배전반 지진영향 시뮬레이션 단계는 하중분포 정보 및 무게중심 정보를 적용시킨 보강대상 수배전반의 모델링, 수배전반 지진영향 시뮬레이션 프로그램에 설정된 지진 특성값의 입력을 통해 수배전반 형상모델(3)의 진동 취약부위가 산출되도록 한다. 여기서 보강대상 수배전반의 각 부위 별 진동 크기값, 응력 변동값, 변형률 변동값이 설정된 안전 기준치를 초과하는지 여부를 판단하여, 설정된 안전 기준치를 초과하는 진동 크기값, 응력 변동값, 변형률 변동값을 갖는 부위가 진동취약부위로 산출될 수 있다고 기재되어 있다.

또한, 등록번호 10-2197956호에는 진동계 모델에서, 보호 대상 설비의 최대 굽힘 응력 및 진동 전달률을 극소화시키는 상기 내진 장치의 스프링 상수와 감쇠 계수를 결정하는 설계 변수 결정 단계를 포함하고, 상기 진동계 모델을 구성하는 단계는, 상기 보호 대상 설비 및 상기 내진 장치를 상기 방향으로 진동하는 칼럼으로 간주하고, 상기 보호 대상 설비 및 상기 내진 장치 각각의 집중 질량, 스프링 상수, 및 감쇠 상수를 사용하여 상기 진동계 모델을 구성하며, 최대 굽힘 응력은,

로 얻어진다. 보호 대상 설비의 물리적 특성을 고려하여 내진 장치의 스프링 상수k와 감쇠 상수c를 결정할 수 있으므로, 보호 대상 설비에 맞춤화된 내진 장치

를 설계할 수 있고, 보호 대상 설비를 지진으로부터 효과적으로 보호할 수 있다고 기재되어 있다.

{상기 식에서

고유진동수, 감쇠비, 지반가속도 스펙트럼, m질량, d 지름 L 길이}이다.

따라서 본발명은 표준화된 구조물을 미리 정의하여두고 용량별로 부족한 부위만 시뮬레이션을 통하여 변경하여 설치를 위한 인건비 및 재료비가 절약되며 경제적인 현저한 효과가 있다.

Claims (3)

1. 내진을 위한 표준화된 표준구조물을 미리 정의하여두고 내진용량(kg/㎠)별로 표준구조물의 부족한 부위에만 시뮬레이션을 통하여 내진용량(kg/㎠)이 부족한 부위의 형상, 구조를 변경하는 것으로, 표준구조물 부착형 수배전반 내진구조설계방법은 수배전반 3D모델링 1단계;
   시뮬레이션 프로그램을 이용하여 X.Y.Z 축 방향으로 지진과 동일한 크기의 정적, 동적 응력을 인가하는 2단계;
   시뮬레이션 프로그램을 이용하여 변위, 스트레스를 측정하는 3단계;
   표준구조물을 부착하는 4단계;로 구성되는 것이며, 상기 4단계에서 표준구조물을 부착하여 테스트한 변위, 스트레스가 기준치 이하이면 내진설계가 완료된 것으로 판단하는 5단계;를 포함하는 표준구조물 부착형 수배전반 내진구조설계방법에 있어서,
   상기 2단계는 3D모델링된 수배전반의 X.Y.Z 축이 지진과 동일한 크기의 정적, 동적 응력인가를 계산하되, 지진파인 P,S파를 구분적용하여 수배전반의 X.Y.Z 축을 설계하며, 이때 안전율을 곱하는 것으로 안전율은 2 ~ 5으로 정하며, 이후 제작된 수배전반 모형에서 변위, 스트레스를 측정하되, 테스트결과 합격일 경우 실제 수배전반 표준구조물을 부착하는 것으로,
   표준구조물은 삼각형부재와 직사각형부재로 구분되며, 삼각형부재의 경우, 우측모서리와 하부모서리에 모따기가 되어 수평이며, 가운데 원형홀이 형성되어 삼각형부재에 걸리는 응력을 계산하되, 부하는 P파의 경우, 수배전반 3D모델링에 표준구조물을 설치한 상태를 가정하여 삼각형부재에 미치는 지진파의 속도에 따른 충격값을 반영하여 수직응력을 계산하고, 비틀림응력을 같이 계산하며, 수직응력과 비틀림응력이 동시에 발생되는 복합응력도 같이 계산하며, 이를 위한 제어기는 구조계산, 응력계산 알고리즘들을 갖춘 제어프로그램이 내장되어 있으므로 삼각형부재의 넓이 및 두께가 계산되며, 설치되는 삼각형부재개수를 나누어 정확한 응력을 계산하는 것이며
   S파도 충격에 의한 수직응력, 비틀림응력, 복합응력은 상기 P파의 경우처럼 계산하므로 수배전반 3D모델링에 표준구조물을 부착한 상태에서의 직사각형 부재의 넓이 및 두께가 계산되며, 설치되는 직사각형 부재개수를 나누어 정확한 응력을 계산하는 것이며,
   서버가 설치되어 서버의 데이타베이스에는 기상청 공공데이타로부터 다운받은 과거에서 현재까지의 지진데이타들이 저장되어 있고 계속 데이터가 기상청으로부터 제어기로 업데이트가 되며, 지진빈도나 세기가 달라지되, 그 지진빈도나 세기가 이미 제작되어 설치된 표준화된 구조물 설계시보다 설정치 이상 커지면, 서버 제어부는 이미 제작되어 설치된 표준화된 구조물에 보강부를 설치, 시공하게 안내메세지를 모니터에 띄우거나 관리자 스마트폰에 문자로 발송하며
   서버 제어부는 상기 보강부 설계를 위해 설계시 반영 데이터를 저장부에 기상청으로부터 받아 계속 저장보관하며, 실제 지진발생시 수배전 화재 지진사고가 난 사례 데이타도 피드백하여, 그 원인을 분석하고, 수배전 재설계에 반영하며, 안전율결정에도 반영하며, 사고가 난 것을 피드백하는 방법은 인터넷 뉴스를, 키워드에 의해 자동 웹크롤링하여 받게 되며, 이를 위해 상기 수배전반에는 통신모듈을 설치하고 정기적으로, 진동센서에 의한 진동값을 받게 되는 것을 특징으로 하는 표준구조물 부착형 수배전반 내진구조설계방법
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