KR20130142827A - Numerical method for generating in-cabinet response spectra(icrs) - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for generating an in-cabinet response spectrum. The method comprises: a first step for enabling an operation unit to operate a target layer response spectrum of a corresponding cabinet, and generating an artificial earthquake corresponding to the layer response spectrum by interlocking a program; a second step for inputting the shape and size of the cabinet and the weight of internal devices through an input unit, and enabling the operation unit to perform idealization by a lumped mass numerical model after dividing the cabinet into a plurality of nodes according to the height; a third step for performing an impact hammer test through an impact tester with respect to each node of the lumped mass numerical model computed in the second step, inputting the result value through the input unit, and operating the result value through the operation unit to estimate a dynamic state equation model; a fourth step for inputting an artificial earthquake value generated in the first step through the input unit, and applying the input artificial earthquake value to the dynamic state equation model of the third step through the operation unit so as to obtain in-cabinet response; and a fifth step for enabling the operation unit to convert the in-cabinet response, obtained in the fourth step, into an in-cabinet response spectrum and performing verification. [Reference numerals] (S100) Step for operating a layer response spectrum and generating an artificial earthquake;(S110) Step for idealizing a lumped mass numerical model;(S120) Step for performing an impact test and estimating a dynamic state equation model;(S130) Step for applying the artificial earthquake to the dynamic state equation model;(S140) Step for performing conversion into in-cabinet response spectrum and performing verification

Description

캐비닛의 캐비닛내부응답스펙트럼을 작성하는 수치적 방법{numerical method for generating in-cabinet response spectra(ICRS)}Numerical method for generating in-cabinet response spectra (ICRS)

본 발명은 캐비닛 구조물에 대한 지진응답 예측을 수치적으로 해석하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발전소 캐비닛의 동적 특성을 충격시험을 통해 구한 후, 이를 사용하여 동적 상태방정식모델을 추정한 후 수치해석을 통하여 캐비닛의 지진응답을 효율적이고 정확하게 예측할 수 있게 하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for numerically analyzing the seismic response prediction for a cabinet structure. More specifically, the dynamic characteristics of a power plant cabinet are obtained through an impact test, and then the dynamic state equation model is estimated using the numerical value. Through analysis, it is possible to predict the earthquake response of the cabinet efficiently and accurately.

일반적으로, 발전소에는 전기기기 혹은 제어계측장비를 수용하는 많은 철재 캐비닛들이 설치되어 있다. 이들 중 대부분은 발전소의 안전한 운전과 정지 기능을 담당하는 중요 설비들로서 설계지진과 같은 강한 지진 시에도 구조적인 안정성을 유지해야 함은 물론이고, 각각에 부여된 고유의 기능들이 오류 없이 원활히 수행되어야 한다. 이를 위해, 발전소가 건설된 당시에 구조물들은 내진설계를 통해 내진안전성이 확보되어야 하고, 구조물 내부에 설치되는 중요 기기와 설비들은 내진검증을 통해 내진안전성이 입증되어야 한다.Generally, power plants are equipped with many steel cabinets that house electrical or control instrumentation. Most of these are important facilities that are responsible for the safe operation and shutdown of power plants. They must maintain structural stability in the event of a strong earthquake, such as a design earthquake, and the unique functions assigned to each must be performed smoothly and without errors. . For this purpose, when the power plant is constructed, the structures must be seismic safe through seismic design, and important equipment and facilities installed inside the structure must be verified by seismic verification.

특히, 발전소 중 원자력 발전소의 상업운전은 1960년대 시작되었다. 이 산업분야에서 40년 이상의 기간 동안에 얻은 경험을 토대로 현재는 초창기에 비하여 훨씬 진보된 설계 기술을 보유하게 되었고, 인허가 요건도 강화되었다. 1970년대부터 현행 내진 설계절차와 대등한 요건을 갖기 이전에 건설된 오래된 원자력 발전소들에 설치된 기기들의 내진안전성을 재평가할 필요성을 인식하게 되었고, 이러한 인식에 바탕을 두고 원자력 발전소의 구조물과 기기들의 내진안정성을 재평가하고 성능을 향상시키는 작업이 수행 중에 있다.In particular, commercial operation of nuclear power plants among power plants began in the 1960s. Based on more than 40 years of experience in this industry, we now have more advanced design technologies than in the early days, and our licensing requirements have been strengthened. Since the 1970s, the need to reassess the seismic safety of equipment installed in older nuclear power plants built before the requirements of the seismic design procedure have been comparable. Work is underway to reevaluate stability and improve performance.

그 중에서 원자력 구조물들은 설계도를 근간으로 해석모델을 작성하고 지진응답해석을 통하여 내진성능이 평가될 수 있다. 반면에 캐비닛과 같은 기기들은 진동대시험 혹은 지진응답해석을 통해 내진성이 입증될 수 있다. Among them, the seismic performance can be evaluated by constructing an analytical model based on the schematic and analyzing the seismic response. On the other hand, devices such as cabinets can be proved to be shockproof by shaking table testing or seismic response analysis.

하지만 가동 중인 원자력 발전소에 설치된 기기는 진동대시험 등의 목적으로 외부로 반출되는 것이 허용되지 않으므로, 지진응답해석을 위한 정확한 동적해석모델의 작성도 용이하지 않다.However, since the equipment installed in the operating nuclear power plant is not allowed to be transported to the outside for the purpose of shaking table test, it is not easy to prepare the accurate dynamic analysis model for the seismic response analysis.

원자력 발전소의 내부 전기기기의 내진안전성을 진단하기 위해서는 이들에 대한 동특성을 먼저 분석하여야 한다. 특히, 기존에 설치되어 운동 중인 기기의 전부 혹은 일부 부품을 교환하는 경우에는 부품 교체 전후에도 모두 내진성능 요건을 충족하는 지를 입증하여야 하므로, 이 경우에도 기기의 동적 특성 분석 작업이 우선적으로 요구된다.To diagnose the seismic safety of the internal electrical equipment of a nuclear power plant, the dynamic characteristics of them must be analyzed first. In particular, in the case of replacing all or some parts of the existing exercise equipment, it is necessary to prove whether the seismic performance requirements are met both before and after the replacement of parts, and even in this case, dynamic characteristic analysis of the device is required first.

그러나, 원자력 발전소의 설비들 중에서 캐비닛 혹은 패널 등과 같은 전기 기기들은 설비 자체의 구조적인 특성 뿐만 아니라 내부에 포함된 부품들의 연결도 매우 복잡하기 때문에, 이러한 설비의 강성과 기여 질량을 정확히 판단하는 것이 매우 어렵다. However, since electrical devices such as cabinets or panels among nuclear power plants have not only structural characteristics of the facilities themselves, but also the connection of the components included therein, it is very important to accurately determine the rigidity and contribution mass of such facilities. it's difficult.

따라서, 이런 종류의 설비들은 동적 해석 모델을 정확하게 구축하기가 매우 어려우며, 기존의 진동대 시험 및 해석에 의한 방법으로 그들의 동적 특성을 파악하는 것이 용이하지 않은 문제점이 있다.Therefore, these types of facilities are very difficult to accurately build a dynamic analysis model, there is a problem that it is not easy to grasp their dynamic characteristics by the existing shaking table test and analysis method.

따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 실제로 내진성능평가를 위한 동적해석모델을 작성하기가 매우 어려운 발전소 설비용 캐비닛에 대하여, 현장에서 적용할 수 있는 충격망치시험 결과를 반영할 수 있는 정확한 동적 상태방정식모델 추정을 통해 캐비닛의 캐비닛내부응답스펙트럼을 수치적으로 작성하는 방법을 제안하는 것이다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, the problem of the present invention is the impact that can be applied in the field to the cabinet for power plant equipment, which is very difficult to actually create a dynamic analysis model for seismic performance evaluation In this paper, we propose a method to numerically generate the cabinet internal response spectrum of the cabinet by accurately estimating the dynamic state equation model that can reflect the hammer test results.

본 발명은 상기의 과제를 달성하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명은 연산부가 해당 캐비넷의 목표 층 응답스펙트럼을 연산하고, 프로그램에 의하여 상기 층 응답 스펙트럼에 상응하는 인공지진을 생성하는 제1단계와; The present invention has been proposed in order to achieve the above object, the present invention includes a first step of the calculation unit calculates the target floor response spectrum of the cabinet, the artificial earthquake corresponding to the layer response spectrum by a program;

입력부를 통하여 상기 케비닛의 형상과, 치수와, 내부 기기들의 중량이 입력되고, 상기 연산부는 이를 통하여 캐비닛을 높이에 따라 복수개의 절점으로 구분하여 집중질량 수치모델로 이상화하는 제 2단계와; A second step of inputting a shape, dimensions, and weights of internal devices through the input unit, and separating the cabinet into a plurality of nodes according to heights, thereby idealizing a concentrated mass numerical model;

상기 제 2단계에서 산출된 집중질량 수치모델의 각 절점에 대하여 충격시험기를 통하여 충격망치시험을 실시하고, 그 결과치가 상기 입력부를 통하여 입력되고, 상기 연산부는 연산함으로써 동적 상태방정식 모델을 추정하는 제 3단계와; The impact hammer test is performed on each node of the concentrated mass numerical model calculated in the second step through an impact tester, the result is input through the input unit, and the calculation unit calculates the dynamic state equation model by calculating. Step 3;

상기 제 1단계에서 생성된 인공지진값을 입력부를 통하여 입력하고, 입력된 인공지진값이 연산부에 의하여 상기 제 3단계의 동적 상태방정식 모델에 입력된 후 수치적분을 함으로써 캐비닛의 내부응답을 구하는 제 4단계와; 그리고Inputting the artificial earthquake value generated in the first step through the input unit, and inputting the artificial earthquake value to the dynamic state equation model of the third step by the calculating unit and performing numerical integration to obtain the internal response of the cabinet; Step 4; And

상기 제 4단계에서 얻어진 캐비닛의 내부응답이 연산부에 의하여 다시 수치적분되어 캐비닛 내부응답 스펙트럼으로 전환되는 제 5단계를 포함하는 캐비닛의 내부응답스펙트럼을 작성하는 방법을 제공한다.Provided is a method for creating an internal response spectrum of a cabinet including a fifth step in which the internal response of the cabinet obtained in the fourth step is numerically integrated by the calculating unit and converted into the cabinet internal response spectrum.

본 발명은, 상기 과제해결수단에 의해, 발전소 내부의 가동중인 캐비닛에 대한 내진검증에 적용하기 어려운 기존의 진동대시험에 비해 충격망치시험을 사용한 방법으로 캐비닛의 이동과 재설치 없이 현장에서 적용가능하며, 충격망치시험결과자료와 동적 상태방정식모델 추정을 사용하여 개선하므로 정확한 캐비닛의 지진응답 예측 수행이 가능하다. The present invention can be applied in the field without the movement and reinstallation of the cabinet by the method using the impact hammer test compared to the existing shaking table test, which is difficult to apply to the seismic verification of the cabinet in operation in the power plant, By using the impact hammer test result data and the dynamic state model estimation, it is possible to accurately estimate the earthquake response of the cabinet.

도 1은 본 발명에 따른 캐비닛의 내부 응답 스펙트럼을 작성하기 위한 방법을보여주는 흐름도이다.
도 2는 도 1에 도시된 캐비닛 내부 응답스펙트럼을 작성하기 위한 캐비닛의 외관 및 내부구조를 보여주는 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 캐비넷의 내부 응답스펙트럼을 작성하기 위한 방법에 사용되는 연산장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 캐비넷의 내부응답스펙트럼을 작성하기 위한 방법 중 층응답스펙트럼에 상응하는 인공지진을 생성하는 제1단계를 도시하는 그래프이다.
도 5는 도 1에 도시된 캐비닛의 내부응답스펙트럼을 작성하기 위한 방법 중 캐비닛을 집중질량 수치 모델로 이상화하는 제2단계를 개략적으로 도시하고 있는 도면이다.
도 6은 도 1에 도시된 캐비닛의 내부응답스펙트럼을 작성하기 위한 방법 중 집중질량 수치모델의 각 절점에서 충격망치시험을 통해 입력하중과 각 절점에서의 응답을 얻는 제3단계를 도시하고 있는 도면이다.
도 7은 도 1에 도시된 캐비닛의 내부응답스펙트럼을 작성하기 위한 방법 중 충격망치시험자료를 사용하여 2단계에서 작성한 수치 모델의 동적 상태방정식모델을 추정하는 제3단계를 도시하고 있는 그래프이다.
도 8은 도 1에 도시된 캐비닛의 내부응답스펙트럼을 작성하기 위한 방법 중 3단계에서 추정된 캐비닛의 동적 상태방정식모델에 1단계에서 생성한 인공지진을 작용시켜 캐비닛내부응답을 구하는 제4단계의 예를 도시하고 있는 그래프이다.
도 9는 도 1에 도시된 캐비닛의 내부응답스펙트럼을 작성하기 위한 방법 중 캐비닛의 내부응답을 캐비닛 내부응답 스펙트럼으로 전환하고 검증하는 제5단계의 예를 도시하고 있는 그래프이다.
1 is a flow chart illustrating a method for creating an internal response spectrum of a cabinet according to the present invention.
FIG. 2 is a view showing the appearance and internal structure of a cabinet for creating a cabinet internal response spectrum shown in FIG. 1.
FIG. 3 is a schematic diagram of a computing device used in the method for creating an internal response spectrum of the cabinet shown in FIG.
FIG. 4 is a graph showing a first step of generating an artificial earthquake corresponding to the floor response spectrum of the method for creating the internal response spectrum of the cabinet shown in FIG. 1.
FIG. 5 is a diagram schematically illustrating a second step of idealizing a cabinet into a concentrated mass numerical model among methods for creating an internal response spectrum of the cabinet shown in FIG. 1.
FIG. 6 is a view showing a third step of obtaining an input load and a response at each node through an impact hammer test at each node of the concentrated mass numerical model among the methods for creating the internal response spectrum of the cabinet shown in FIG. to be.
FIG. 7 is a graph showing a third step of estimating the dynamic state equation model of the numerical model created in step 2 using the impact hammer test data among the methods for creating the internal response spectrum of the cabinet shown in FIG. 1.
8 is a diagram illustrating a fourth step of obtaining an internal response of a cabinet by applying an artificial earthquake generated in step 1 to the dynamic state equation model of the cabinet estimated in step 3 of the method for creating an internal response spectrum of the cabinet shown in FIG. A graph showing an example.
FIG. 9 is a graph illustrating an example of a fifth step of converting and verifying the internal response of the cabinet into the cabinet internal response spectrum in the method for creating the internal response spectrum of the cabinet illustrated in FIG. 1.

도 1에는 본 발명에 따른 캐비닛 내부 응답 스펙트럼(ICRS)의 예측과정을 보여주는 흐름도가 도시된다.1 is a flowchart illustrating a prediction process of an cabinet internal response spectrum (ICRS) according to the present invention.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 캐비넷 구조물에 대한 지진응답의 수치해석방법은 층응답스펙트럼에 상응하는 인공지진을 생성하는 제 1단계(S100)와; 캐비닛을 집중질량 수치모델로 이상화하는 제 2단계(S110)와; 집중질량 수치모델의 각 절점에서 충격망치시험을 통하여 동적 상태방정식 모델을 추정하는 제 3단계(S120)와; 3단계(S120)에서 추정된 캐비닛의 동적 상태방정식 모델에 1단계(S100)에서 생성된 인공지진값을 입력하여 적분함으로써 캐비닛의 내부응답을 구하는 제 4단계(S130)와; 캐비닛의 내부응답을 다시 적분함으로써 캐비닛 내부응답 스펙트럼으로 전환하는 제 5단계(S140)를 포함한다.As shown, the numerical method of seismic response for the cabinet structure according to the present invention comprises the first step (S100) of generating an artificial earthquake corresponding to the floor response spectrum; A second step (S110) of idealizing the cabinet into a concentrated mass numerical model; A third step (S120) of estimating the dynamic state equation model through the impact hammer test at each node of the concentrated mass numerical model; A fourth step (S130) of obtaining an internal response of the cabinet by inputting and integrating the artificial earthquake value generated in the first step (S100) to the dynamic state equation model of the cabinet estimated in the third step (S120); A fifth step S140 of converting the internal response of the cabinet into the cabinet internal response spectrum is integrated.

이러한 단계로 진행되는 캐비넷 구조물에 대한 지진응답의 수치해석 방법에 있어서, 상기 제 1단계(S100)에서는 층응답 스펙트럼에 상응하는 인공지진을 생성한다.In the numerical analysis method of the earthquake response to the cabinet structure proceeds to this step, in the first step (S100) to generate an artificial earthquake corresponding to the layer response spectrum.

원자력 발전소의 내진설계 대상이 되는 기기는 설계단계에서부터 내진검증을 고려하여 설계가 이루어져야 한다. 이를 위하여 내진검증에 사용될 지진입력값이 명시되어야 하며, 일반적으로 내진검증에 사용될 지진입력을 응답스펙트럼으로 제시한다.Equipment subject to seismic design of nuclear power plant should be designed in consideration of seismic verification from the design stage. For this purpose, the seismic input value to be used for earthquake proofing should be specified. In general, the earthquake input to be used for earthquake proofing is presented as response spectrum.

응답스펙트럼(Response spectrum;RS)이란 특정한 지반 가속도에 대한 고유 진동수와 감쇠비에 따른 단자유도계의 최대 응답을 나타낸 그래프이다.The response spectrum (RS) is a graph showing the maximum response of the terminal inductometer according to the natural frequency and the damping ratio for the specific ground acceleration.

또한, 응답스펙트럼은 각기 다른 고유진동수를 가진 1차원 시스템 각각의 지진동에 대한 응답시간이력의 최대값을 진동수-진폭 평면에 나열한 것이다.In addition, the response spectrum is the frequency-amplitude plane that lists the maximum value of the response time history for each earthquake motion in each one-dimensional system with different natural frequencies.

이와 같이 내진설계에 응답스펙트럼을 이용하는 이유는, 일단 입력 지진동이 정해지면 시스템의 응답을 도식적으로 바로 알 수 있기 때문이다.The reason for using the response spectrum in the seismic design is that once the input earthquake motion is determined, the response of the system can be known immediately.

즉, 정해진 입력 지진동하에서는 각 고유진동수를 가진 시스템의 응답은 일정하게 되므로, 만일 감쇠계수를 알게 된다면, 임의의 지배 고유진동수를 갖는 시스템의 응답은 응답 스펙트럼상의 고유진동수에 상응하는 해당 감쇠계수에 대한 응답값을 읽기만 하면 별도의 계산이 필요없이 대략적으로 구할 수 있다.That is, under a given input earthquake, the response of the system with each natural frequency is constant, so if we know the attenuation coefficient, the response of the system with any dominant natural frequency is given to the corresponding damping coefficient corresponding to the natural frequency in the response spectrum. Just read the response and you can get it roughly without any extra calculations.

특히, 층응답 스펙트럼은 원자력 발전소의 캐비닛과 같이 복수개의 층으로 이루어진 구조물에 있어서 설계 지진에 의한 각 층의 동적 거동특성을 나타내는 스펙트럼을 의미한다.In particular, the floor response spectrum refers to a spectrum representing the dynamic behavior of each floor due to a design earthquake in a structure composed of a plurality of floors such as a cabinet of a nuclear power plant.

이러한 제 1단계(S100)에서는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 먼저 연산부(10)의 응답스펙트럼 연산부(12)에 의하여 내진설계를 위한 목표가 되는 설계응답스펙트럼(2)이 작성될 수 있다. 즉, 상기 연산부(10)는 입력부(14)를 통하여 입력 지진동이 입력되면, 응답스펙트럼 연산부(12)에 의하여 이에 해당하는 설계응답스펙트럼(2)을 연산하게 된다.In this first step (S100), as shown in FIGS. 3 and 4, first, a response spectrum spectrum 2, which is a target for the seismic design, may be created by the response spectrum calculator 12 of the calculator 10. . That is, when the input earthquake motion is input through the input unit 14, the calculation unit 10 calculates the corresponding design response spectrum 2 by the response spectrum calculation unit 12.

이때, 설계응답스펙트럼(2)의 가로축은 주기이고, 세로축은 응답 가속도를 의미한다.At this time, the horizontal axis of the design response spectrum (2) is a period, the vertical axis means the response acceleration.

이와 같이 연산부(10)에 의하여 설계응답스펙트럼(2)이 작성되면, 인공지진 발생부(16)에 의하여 상기 설계응답스펙트럼(2)에 상응하는 인공지진(3)을 생성하게 된다. 이러한 인공지진(3)은 시간 이력 가속도를 의미한다.When the design response spectrum 2 is created by the calculation unit 10 as described above, the artificial earthquake generating unit 16 generates the artificial earthquake 3 corresponding to the design response spectrum 2. The artificial earthquake 3 means time history acceleration.

인공지진을 생성하는 이유는 후술하는 바와 같이 3단계(S120)에서 동적상태 방정식 모델을 도출하는 바, 실제의 지진과 유사한 결과를 얻기 위하여 인공지진을 생성하여 그 결과를 상기 동적상태 방정식 모델에 입력하기 위함이다.The reason for generating the artificial earthquake is to derive a dynamic state equation model in step S120 as described below. In order to obtain a result similar to an actual earthquake, an artificial earthquake is generated and the result is input to the dynamic state equation model. To do this.

이때, 설계응답스펙트럼(2)에 상응하는 인공지진을 생성하기 위해 인공지진 발생부(16)에서는 랜덤진동이론과 프로그램을 이용한다.In this case, in order to generate an artificial earthquake corresponding to the design response spectrum 2, the artificial earthquake generating unit 16 uses a random vibration theory and a program.

이러한 인공 지진은 캐비넷 베이스에서 시간이력 가속도 입력운동에 따라 발생되고, 이 인공지진은 도 3에 도시된 목표 응답 스펙트럼(2)에 대응한다.This artificial earthquake is generated in accordance with the time history acceleration input motion in the cabinet base, which corresponds to the target response spectrum 2 shown in FIG.

상기 제 2단계(S110)에서는 캐비닛 구조물을 집중질량 수치모델로 이상화한다. In the second step (S110), the cabinet structure is idealized as a concentrated mass numerical model.

즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 캐비닛의 내부에 각 층별로 배치되는 각종 기기들의 중량을 파악한다. 이때, 중량은 설치 도면, 기기 설명서, 직접 계측 등을 통하여 파악할 수 있다. 그리고, 파악된 형상 및 중량을 입력부(14)에 의하여 입력하게 되고, 연산부(10)는 입력 데이터에 의하여 캐비닛의 높이에 따른 절점을 설정한다. 본 발명에서는 캐비닛을 5개의 절점으로 설정하였다.That is, as shown in Figure 5, the weight of the various devices arranged for each floor in the cabinet is grasped. In this case, the weight can be grasped through an installation drawing, a device manual, and direct measurement. Then, the determined shape and weight are input by the input unit 14, and the calculation unit 10 sets nodes according to the height of the cabinet according to the input data. In the present invention, the cabinet is set to five nodes.

이와 같이, 5개의 절점으로 설정된 집중질량 수치모델을 산출한 후, 충격시험장치(20)에 의한 충격시험을 실시하는 제 3단계(S120)를 진행한다.In this way, after calculating the concentrated mass numerical model set to the five nodes, the third step S120 of performing an impact test by the impact test apparatus 20 is performed.

상기 제 3단계(S120)에서는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 5개의 절점에 대하여 충격망치시험을 실시함으로써 각 절점에서의 응답 가속도를 구하고, 이 응답 가속도가 방정식 연산부(18)에 입력되어 동적 상태방정식 모델을 추정한다.In the third step (S120), as shown in Figs. 5 and 6, by performing an impact hammer test on the five nodes to obtain the response acceleration at each node, this response acceleration to the equation calculating unit 18 Input to estimate the dynamic state model.

이와 같이 충격시험을 통하여 동적 상태 방정식을 추정하는 과정을 아래와 같이 상세하게 설명한다.Thus, the process of estimating the dynamic state equation through the impact test will be described in detail as follows.

먼저, 캐비넷의 5개의 질점에 전달된 등가 지진하중은 아래의 수식에 의하여 표현될 수 있다.First, the equivalent earthquake load transmitted to five materials of the cabinet can be expressed by the following equation.

Figure pat00001
---------수식 1
Figure pat00001
--------- Formula 1

u g 는 입력지진 모션으로서 기본 가속도를 나타내고, "1"은 컬럼벡터가 "1"이다. M은 캐비넷 구조의 질량 메트릭스이다. u g denotes the basic acceleration as the input earthquake motion, and " 1 " M is the mass matrix of the cabinet structure.

수식 1과 같이 표현된 등가 지진하중이 캐비닛과 같은 선형 동적 시스템에 작용하는 경우, 이 시스템에 대한 운동방정식은 다음과 같이 표현될 수 있다.If the equivalent earthquake load represented by Equation 1 acts on a linear dynamic system such as a cabinet, the equation of motion for this system can be expressed as follows.

Figure pat00002
----수식 2
Figure pat00002
---- Formula 2

M은 캐비넷 구조물의 질량이고, C는 감쇠이며, K는 강성 메트리스이고, u는 효력하중벡터인 F(t)에 대한 변위응답벡터이다. M is the mass of the cabinet structure, C is the damping, K is the rigid mattress, and u is the displacement response vector for F (t) , the force load vector.

상기 수식 2로부터, 가속도 응답은 아래와 같이 유도될 수 있다.From Equation 2, the acceleration response may be derived as follows.

Figure pat00003
----수식 3
Figure pat00003
---- Formula 3

그리고, 상기 수식 3은 아래와 같이 행렬형식으로 재정리 될 수 있다.Equation 3 may be rearranged in a matrix form as follows.

Figure pat00004
---수식 4
Figure pat00004
--- Equation 4

Figure pat00005
-----수식 5
Figure pat00005
----- Formula 5

상기 수식 4 및 5는 연속시간에서의 상태 방정식이고, 아래와 같이 재정리될 수 있다.Equations 4 and 5 are state equations in continuous time, and can be rearranged as follows.

Figure pat00006
----수식 6
Figure pat00006
---- Formula 6

상기 식 6에서 x(t)는 시간 t에서의 상태값이고, y(t)는 출력 응답가속도이고, u(t)는 입력힘이다.In Equation 6, x (t) is a state value at time t , y (t) is an output response acceleration, and u (t) is an input force.

상기 수식 6으로부터 후술하는 수식 14에 기재된 이산시간 공간상태 방정식을 얻기 위하여, 우선 선형 시불변 동차 방정식을 아래와 같이 고려한다.In order to obtain the discrete time spatial state equations described in Equation 14 described later from Equation 6, linear time invariant homogeneous equations are considered as follows.

Figure pat00007
----수식 7
Figure pat00007
---- Formula 7

상기 수식에 대한 해는 항상 존재하며, 다음과 같이 표현될 수 있다.The solution to the equation is always present and can be expressed as follows.

Figure pat00008
--------수식8
Figure pat00008
-------- Formula 8

전이행렬은 다음과 같은 행렬미분 방정식의 해이다.The transition matrix is the solution of the matrix differential equation

Figure pat00009
---수식9
Figure pat00009
--- Equation 9

상기 식은 명시적 형태(Explicit form)를 갖는다.The above formula has an explicit form.

Figure pat00010
--수식 10
Figure pat00010
Equation 10

이 식은 테일러 급수전개(Taylor series expansion)이고 모든 A에 수렴한다.This is the Taylor series expansion and converges to all A's.

그리고, 상기 상방정식을 아래와 같이 고려한다. The above equation is considered as follows.

Figure pat00011
-----수식 11
Figure pat00011
----- Formula 11

만약 u(t)가 모든 t에 대하여 구간연속이라면, 아래와 같다.If u (t) is continuous for all t , then

Figure pat00012
---수식12
Figure pat00012
--- Equation 12

따라서, 이산 시간 공간상태 방정식은 아래와 같이 정리될 수 있다.Therefore, the discrete time-space state equation can be summarized as follows.

Figure pat00013
--수식 13
Figure pat00013
Equation 13

시간증분단계를 위하여 다음과 같이 재정리될 수 있다.For the time increment step, it can be rearranged as follows.

Figure pat00014
---수식 14
Figure pat00014
--- Formula 14

x(tk),y(tk),u(tk)는 시간간격 k(k=1,2,...n)에서의 입력힘과, 응답가속도와, 측정 소음벡터이다. n은 각각의 기간간격의 수치이고, A,B,C,D는 시스템 행렬이다.
x (tk), y (tk), u (tk) is the time interval k (k = 1,2, ... n) Input force, response acceleration, and measured noise vector. n is a number of periods, and A, B, C, and D are system matrices.

상기 수식 14와 같은 이산시간 공간상태 방정식(SSE)은 구조물의 응답과 충격력 사이의 관계를 평가할 수 있다.Discrete-time spatial state equation (SSE) as shown in Equation 14 can evaluate the relationship between the response of the structure and the impact force.

그리고, 다양한 알고리즘이 이산시간 공간상태 방정식(SSE)의 평가를 위하여 개발되었다. 본 발명에서는 무어(Moor)와 오버쉬(Overschee)에 의하여 제안된 N4SID를 사용한다.In addition, various algorithms have been developed for the evaluation of discrete time-spatial state equations (SSE). In the present invention, the N4SID proposed by Moore and Overschee is used.

이 방법은 다양한 부공간 평가방법에 적용될 수 있고, 간단한 파라메터를 사용한다.This method can be applied to various subspace evaluation methods and uses simple parameters.

이러한 평가 관계를 설명하면, 상기 수식 14의 상벡터 x(k)는 기 입력값과 출력값의 선형합성으로 정의될 수 있다.In describing this evaluation relationship, the phase vector x (k) of Equation 14 may be defined as a linear synthesis of the input value and the output value.

Figure pat00015
---------수식 15
Figure pat00015
--------- Formula 15

여기에서,From here,

Figure pat00016
---수식16
Figure pat00016
--- Equation 16

그리고, 상기 p(k)는 샘플 k에 대한 "과거"이다.And p (k) is the "past" for sample k.

"과거"의 차원은 lags N의 수로 나타낸다. 상벡터 x(k)는 데이터로부터 연산되고 그 시스템의 물리적 상태로 특정되지는 않는다.The dimension of the "past" is represented by the number of lags N. The phase vector x (k) is computed from the data and is not specified in the physical state of the system.

J가 연산된 후(아래 식) 상벡터는 방정식(15)에 의하여 평가될 수 있다. 상태-공간 모형 메트리스는 선형 회귀를 통하여 평가될 수 있다. After J is computed (formula below), the phase vector can be evaluated by equation (15). State-space model mattresses can be evaluated through linear regression.

Figure pat00017
----수식 17
Figure pat00017
---- Equation 17

J의 연산은 다양한 부공간 알고리즘을 서로로부터 구분한다. The operation of J separates the various subspace algorithms from each other.

N4SID 접근법에서는, J는 다음과 같이 특이값 분해(singular value decomposition)에 무게를 둔 선형시스템의 진화(evolution)를 위한 행렬 방정식의 집합에 근거한 기하학적 논증(혹은 선형 대수적 논증)의 시리즈로부터 도출된다. In the N4SID approach, J is derived from a series of geometric arguments (or linear algebraic arguments) based on a set of matrix equations for the evolution of a linear system weighted by singular value decomposition as follows.

Figure pat00018
---수식 18
Figure pat00018
--- Equation 18

f는 과거 관찰에 의하여 평가된 "조건부 미래"이고, f is the "conditional future" evaluated by past observations,

p(k), U 1 , U 2 , V 1 , V 2 는 정규직교 행렬 UU T =U T U=I, VV T =V T V이고, S 1 은 고기여도의 특이값 행렬이며, S 2 는 대각선으로 무시할 수 있는 정도의 작은 값인 특이값이다.
p (k), U 1 , U 2 , V 1 , V 2 are orthonormal matrices UU T = U T U = I, VV T = V T V , S 1 is a singular value matrix of high degree of freedom, S 2 Is a singular value that is small enough to be ignored diagonally.

이와 같이 제 3단계(S120)가 진행된 후, 상기 4단계가 진행됨으로써 캐비닛 내부 응답을 구하게 된다.As such, after the third step S120 is performed, the fourth step is performed to obtain an internal response of the cabinet.

제 4단계(S130)에서는 3단계(S120)에서 추정된 캐비닛의 동적 상태방정식모델에 1단계(S100)에서 생성한 인공지진 데이터를 입력하여 수치해석을 함으로써 캐비닛 내부응답을 구하게 된다.In the fourth step S130, the internal response of the cabinet is obtained by inputting the artificial earthquake data generated in the first step S100 into the dynamic state equation model of the cabinet estimated in the third step S120.

보다 상세하게 설명하면, 동적 상태방정식모델 추정을 통해 캐비닛의 정확한 모델을 구한 후, 인공지진값을 동적 상태 방정식에 입력하고, 수치적분과 같은 수치해석을 통하여 캐비닛의 내부 한 지점에서 지진응답을 시간함수로 구할 수 있다.In more detail, after obtaining an accurate model of the cabinet through the estimation of the dynamic state equation model, the artificial earthquake value is inputted into the dynamic state equation, and the earthquake response at one point of the interior of the cabinet is analyzed by numerical analysis such as numerical integration. Can be obtained as a function.

도 8에는 상기 제 3단계(S120)에서 추정된 캐비닛의 동적 상태방정식모델에 상기 제 1단계(S100)에서 생성한 인공지진값을 입력시켜 캐비닛내부응답을 구하는 예가 도시되어 있다. 8 illustrates an example of obtaining an internal response of the cabinet by inputting an artificial earthquake value generated in the first step S100 to the dynamic state equation model of the cabinet estimated in the third step S120.

동적 상태방정식모델 추정을 통해 캐비닛의 정확한 모델을 구한 후, 수치해석을 통해 모사된 하중입력에 대해 정확한 응답이 출력부(22)를 통하여 얻어질 수 있다.After obtaining an accurate model of the cabinet through dynamic state equation model estimation, an accurate response to the load input simulated through numerical analysis can be obtained through the output unit 22.

도시된 바와 같이, 5개의 절점 중 제 3절점과 4절점에서의 응답가속도를 도시하였다.As shown, the response accelerations at the third and fourth nodes of the five nodes are shown.

도 8의 그래프에서, 가로축은 시간축을 의미하고, 세로축은 응답 가속도를 의미한다.In the graph of FIG. 8, the horizontal axis represents the time axis and the vertical axis represents the response acceleration.

그리고, 일측의 그래프(4)는 0 내지 30초의 시간 범위에서 응답가속도를 나타낸 그래프이고, 타측의 그래프(5)는 1 내지 5초의 시간범위를 확대하여 나타낸 그래프이다.The graph 4 on one side shows a response acceleration in a time range of 0 to 30 seconds, and the graph 5 on the other side shows an enlarged time range of 1 to 5 seconds.

또한, 응답 가속도를 예측한 그래프는 출력부(22)상에 실선으로 도시하였고, 실제로 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그래프는 점선으로 도시하였다.In addition, the graph predicting the response acceleration is shown by the solid line on the output unit 22, and the graph showing the actual simulation result is shown by the dotted line.

그 결과, 도시한 바와 같이, 예측된 응답가속도와 실제 시뮬레이션한 응답가속도는 어느 정도 일치하는 것으로 나타났다.As a result, it was shown that the predicted response acceleration and the actual simulated response acceleration coincide somewhat.

이와 같이, 제 4단계(S130)가 완료된 후, 캐비닛 내부 응답을 응답 스펙트럼으로 전환하는 제 5단계(S140)가 진행된다.As such, after the fourth step S130 is completed, a fifth step S140 of converting the cabinet internal response into the response spectrum is performed.

제 5단계(S140)에서는 시뮬레이트되고 예측된 응답 가속도가 응답스펙트럼 연산부(12)에 의하여 제안된 절차의 효과를 증명하기 위하여 내부응답스펙트럼(ICRS)으로 변환된다.In a fifth step S140, the simulated and predicted response acceleration is converted into an internal response spectrum (ICRS) in order to prove the effect of the procedure proposed by the response spectrum calculator 12.

즉, 캐비닛 내부의 한 점의 지진응답으로서 제 4단계에서 얻어진 시간함수의 기록을 소프트웨어를 이용하여 다시 수치적분하여 내부응답스펙트럼으로 전환한다.That is, as a seismic response of one point inside the cabinet, the recording of the time function obtained in the fourth step is numerically integrated again using software to convert to the internal response spectrum.

도 9는 2절점 내지 5절점의 각각에서 케비닛 내부응답을 케비닛 응답 스펙트럼으로 변환한 상태를 나타내는 그래프이다.9 is a graph showing a state in which the cabinet internal response is converted into the cabinet response spectrum at each of the two nodes to the five nodes.

각 절점에서의 그래프는, 가로축은 진동주기를 나타내고, 세로축은 응답 가속도를 나타낸다.In the graphs at each node, the horizontal axis represents the oscillation period and the vertical axis represents the response acceleration.

그리고, 실선은 시뮬레이션한 경우의 캐비닛 응답 스펙트럼 곡선을 의미하고, 점선은 예측한 경우의 캐비닛 응답 스펙트럼 곡선을 의미한다.The solid line represents the cabinet response spectrum curve in the case of simulation, and the dotted line represents the cabinet response spectrum curve in the case of prediction.

도시된 바와 같이, 시뮬레이션한 경우의 캐비닛 응답 스펙트럼과, 예측한 경우의 캐비닛 응답 스펙트럼이 거의 일치한다.As shown, the cabinet response spectrum in the case of simulation and the cabinet response spectrum in the case of prediction are almost identical.

따라서, 수치모델의 예측된 ICRS와 시뮬레이트된 ICRS의 비교로부터, 제안된 알고리즘이 캐비넷 구조물의 ICRS를 예측하는 것에 효과적임을 알 수 있다.Therefore, it can be seen from the comparison between the predicted ICRS of the numerical model and the simulated ICRS that the proposed algorithm is effective for predicting the ICRS of the cabinet structure.

또한, 필요한 경우, 이전 단계를 반복함으로써 수치 모델의 정확도를 높일 수 있다.In addition, if necessary, the accuracy of the numerical model can be improved by repeating the previous steps.

10: 연산부 12: 응답스펙트럼 연산부
14: 입력부 16: 인공지진 발생부
18: 방정식 연산부 20: 충격시험장치
10: calculator 12: response spectrum calculator
14: input unit 16: artificial earthquake generating unit
18: equation calculation unit 20: impact test device

Claims (4)

연산부가 해당 캐비넷의 목표 층 응답스펙트럼을 연산하고, 프로그램을 연동하여 상기 층 응답 스펙트럼에 상응하는 인공지진을 생성하는 제1단계와;
입력부를 통하여 상기 케비닛의 형상과, 치수와, 내부 기기들의 중량이 입력되고, 상기 연산부는 이를 통하여 캐비닛을 높이에 따라 복수개의 절점으로 구분하여 집중질량 수치모델로 이상화하는 제 2단계와;
상기 제 2단계에서 산출된 집중질량 수치모델의 각 절점에 대하여 충격시험기를 통하여 충격망치시험을 실시하고, 그 결과치가 상기 입력부를 통하여 입력되고, 상기 연산부는 연산함으로써 동적 상태방정식 모델을 추정하는 제 3단계와;
상기 제 1단계에서 생성된 인공지진값을 입력부를 통하여 입력하고, 입력된 인공지진값이 연산부에 의하여 상기 제 3단계의 동적 상태방정식 모델에 입력되어 수치적분됨으로써 캐비닛의 내부응답을 구하는 제 4단계와; 그리고
상기 제 4단계에서 얻어진 캐비닛의 내부응답이 연산부에 의하여 다시 수치적분됨으로써 캐비닛 내부응답스펙트럼으로 전환되는 제 5단계를 포함하는 캐비닛의 내부응답스펙트럼을 작성하는 방법.
A first step of the computing unit calculating a target floor response spectrum of the cabinet and interlocking programs to generate an artificial earthquake corresponding to the floor response spectrum;
A second step of inputting a shape, dimensions, and weights of internal devices through the input unit, and separating the cabinet into a plurality of nodes according to heights, thereby idealizing a concentrated mass numerical model;
The impact hammer test is performed on each node of the concentrated mass numerical model calculated in the second step through an impact tester, the result is input through the input unit, and the calculation unit calculates the dynamic state equation model by calculating. Step 3;
A fourth step of obtaining an internal response of the cabinet by inputting the artificial earthquake value generated in the first step through an input unit and inputting the artificial earthquake value into the dynamic state equation model of the third step by the calculating unit; Wow; And
And a fifth step of converting the internal response of the cabinet obtained in the fourth step into a cabinet internal response spectrum by numerically integrating again by the calculation unit.
제 1항에 있어서,
상기 제 2단계에서 집중질량 수치모델의 복수개 절점은 5개인 것을 특징으로 하는 캐비닛의 내부 응답 스펙트럼을 작성하는 방법.
The method of claim 1,
And a plurality of nodes of the lumped mass numerical model in the second step.
제 1항에 있어서,
상기 충격시험기에 의하여 충격망치시험을 실시하는 경우, 상기 복수개의 절점에 가속도를 측정할 수 있는 계측기를 각각 장착하고,
각 절점을 헤머로 충격함으로써 각 절점에서의 응답 가속도를 구하는 것을 특징으로 하는 캐비닛의 내부 응답 스펙트럼을 작성하는 방법.
The method of claim 1,
In the case of performing an impact hammer test by the impact tester, each of the plurality of nodes is equipped with a measuring instrument capable of measuring acceleration,
A method for creating an internal response spectrum of a cabinet, characterized by obtaining the response acceleration at each node by impacting each node with a hammer.
제 1항에 있어서,
상기 동적 상태 방정식 모델을 연산하는 과정은
상기 캐비넷의 5개의 질점에 전달된 등가 지진하중을 아래의 수식과 같이 표현하고,
Figure pat00019
---------수식 1
(u g 는 입력지진 모션으로서 기본 가속도이고, "1"은 컬럼벡터가 "1"이고, M은 캐비넷 구조의 질량 메트릭스 임)
상기 수식 1을 선형 동적 시스템에 적용하는 경우 아래 수식 2의 운동방정식으로 표현할 수 있고,
Figure pat00020
----수식 2
(M은 캐비넷 구조물의 질량이고, C는 감쇠이며, K는 강성 메트리스이고, u는 효력하중벡터인 F(t)에 대한 변위응답벡터 임)
상기 수식 2로부터, 가속도 응답을 아래 수식 3과 같이 유도하고,
Figure pat00021
----수식 3
상기 수식 3을 아래와 같이 행렬형식으로 재정리하고,
Figure pat00022
---수식 4
Figure pat00023
-----수식 5
상기 수식 4 및 5를 아래와 같이 재정리하고,
Figure pat00024
----수식 6
(x(t)는 시간 t에서의 상태값이고, y(t)는 출력 응답가속도이고, u(t)는 입력힘)
상기 수식 6으로부터 후술하는 수식 14에 기재된 이산시간 공간상태 방정식을 얻기 위하여, 우선 선형 시불변 동차 방정식을 아래와 같이 표현하고,
Figure pat00025
----수식 7
이때, 상기 수식에 대한 해는 항상 존재하며, 다음과 같이 표현될 수 있고,
Figure pat00026
--------수식8
이때, 전이행렬은 다음과 같은 행렬미분 방정식의 해이며,
Figure pat00027
---수식9
상기 수식 9는 아래 수식과 같은 명시적 형태(Explicit form)를 갖으며,
Figure pat00028
--수식 10
이 식은 테일러 급수전개(Taylor series expansion)이고 모든 A에 수렴하는 바, 상기 수식 10을 아래와 같이 정리하고,
Figure pat00029
-----수식 11
이때, u(t)가 모든 t에 대하여 구간연속이라면, 아래와 같이 정리될 수 있으며,
Figure pat00030
---수식12
이산 시간 공간상태 방정식은 아래와 같이 정리될 수 있고,
Figure pat00031
--수식 13
상기 수식 13은 시간증분단계를 위하여 다음과 같이 재정리되는 것을 특징으로 하는 캐비닛의 내부 응답 스펙트럼을 작성하는 방법.
Figure pat00032
---수식 14
(x(tk),y(tk),u(tk)는 시간간격 k(k=1,2,...n)에서의 입력힘과, 응답가속도와, 측정 소음벡터이다. n은 각각의 기간간격의 수치이고, A,B,C,D는 시스템 행렬 임)




The method of claim 1,
The process of calculating the dynamic state equation model
The equivalent earthquake loads transmitted to five materials of the cabinet are expressed by the following equation,
Figure pat00019
--------- Formula 1
( u g is the input earthquake motion, the basic acceleration, "1" is the column vector is "1", and M is the mass matrix of the cabinet structure)
When applying Equation 1 to a linear dynamic system, it can be expressed by the equation of motion of Equation 2 below,
Figure pat00020
---- Formula 2
(M is the mass of the cabinet structure, C is the damping, K is the rigid mattress, and u is the displacement response vector for F (t) , the effective load vector).
From Equation 2, the acceleration response is derived as Equation 3 below,
Figure pat00021
---- Formula 3
Rearrange Equation 3 to matrix as below,
Figure pat00022
--- Equation 4
Figure pat00023
----- Formula 5
Rearrange Equations 4 and 5 as follows,
Figure pat00024
---- Formula 6
( x (t) is the state value at time t , y (t) is the output response acceleration, u (t) is the input force)
In order to obtain the discrete-time spatial state equation described in Equation 14 to be described later from Equation 6, a linear time invariant homogeneous equation is expressed as follows,
Figure pat00025
---- Formula 7
At this time, the solution to the formula is always present, can be expressed as follows,
Figure pat00026
-------- Formula 8
Where the transition matrix is the solution of the matrix differential equation
Figure pat00027
--- Equation 9
Equation 9 has an explicit form as shown in the following equation,
Figure pat00028
Equation 10
This equation is Taylor series expansion and converges to all A's.
Figure pat00029
----- Formula 11
At this time, if u (t) is a continuous interval for all t , can be summarized as follows,
Figure pat00030
--- Equation 12
The discrete time-space equation can be summarized as
Figure pat00031
Equation 13
Equation 13 is rearranged as follows for a time increment step.
Figure pat00032
--- Formula 14
( x (tk), y (tk), u (tk) is the time interval k (k = 1,2, ... n) Input force, response acceleration, and measured noise vector. n is the number of periods, and A, B, C, and D are system matrices)




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