Experimental Study on Effect of Reinforcing Steel and Steel Liner on Impact Resistance of RC Panels under Hard Impact

Abstract

The design of nuclear power (NPP) structures is known for its conservative stance to ensure the safety under extreme events such as earthquake, tsunami and even terrorist attacks. Therefore, it requires special design considerations that must be considered in addition to those required in usual civil infrastructures: limitations on yield strength of reinforcing steel, design of containment liner plate (CLP) and impact-resistant design. Especially, limitation on yield strength of rebar has been impeding the efficient design of NPP structure, resulting in high cost of construction and poor concrete quality due to reinforcement congestion. Thus, various research has been conducted to reduce the rebar amount through application of high-strength rebar. In case of CLP, it is installed as an additional layer of containment barrier to prevent radiation leakage. At the same time, CLP is placed as a permanent formwork since the beginning of the construction. Lastly, the United States Nuclear Regulatory Commission has announced an amendment to its regulation since the recent catastrophic accidents, requiring an assessment of large commercial aircraft impact for the construction of newly designed NPPs. In order to design the NPP structure for its impact resistance against aircraft impact, NPP related design codes such as ACI349-13, DOE-STD-3014-2006 and NEI 07-13 recommended various empirical formulas that were suggested based on impact tests on RC panels. However, the parameters considered in empirical formulas are limited to characteristics of concrete and projectile. In other words, consideration of reinforcement and steel liner, which are the characteristic design factors are not considered in the impact-resistant design of NPP structures. Therefore, it is necessary to investigate the effects of reinforcing steel and steel liner on impact resistance of RC panels to achieve efficient design of NPP structures. From previous studies on the effects of reinforcement and steel liner on impact resistance of RC panels, it was found that rebar spacing, impact condition and presence of steel liner had significant influence. However, there were few limitations in previous studies which hindered the investigation on the effects of important two components of NPP structures. To specify, most studies did not explicitly study the pure effect of reinforcement owing to different design capacity of test specimens. Moreover, studies on effect of steel liner were conducted without consideration of reinforcing steels, so it was necessary to investigate the relationship between reinforcement and steel liner. Thus, in this study, the research objective was to investigate the effects of rebar spacing, impact condition and presence of steel liner on impact resistance of RC panels under hard impact. Furthermore, based on the experimental results, assessment of existing empirical formulas was conducted, and a modified empirical formula was suggested to reflect the effect of both rebar spacing and steel liner. A series of impact tests were conducted with yield strength, steel liner, impact velocity, and impact condition as variables. RC panel, steel liner and projectile were designed with geometric similarity ratio to represent the impact of aircraft engine shaft on NPP wall according to specification in NPP design codes. The impact resistance of RC panels under impact loading was assessed based on perforation resistance and damage assessment of RC panels. To specify, failure mode, residual velocity of projectile and induced surface damages on RC panels were obtained and compared to investigate the effect of each variable in the test program. Lastly, a modification was made on one of the existing empirical formulas to account for the effect of rebar spacing and the diameter of the projectile. Existing and modified empirical formulas were assessed with test results from this study as well as the previous research. It was found that the modified empirical formula showed the best prediction of perforation limit velocity of RC panels. However, the modification was made based on a single test data from this study, so the reliability of modified empirical formula could be questionable in case with wider range of parameters. Thus, parametric study through numerical simulation of impact test is needed to suggest more robust predictive models for better and reliable evaluation of impact resistance of RC panels in the future.

원자력 구조물(NPP)의 설계는 지진, 쓰나미와 테러 공격과 같은 극한상황에 대한 안전을 보장하기 위해 보수적인 설계를 수행하게 된다. 따라서 일반적인 사회기반시설에서 요구되는 것 외에도 철근의 항복강도 제한, 강재 라이너(CLP)의 설계 및 내충격 설계 등을 고려해야하는 특별한 설계 고려사항들이 존재한다. 특히, 철근의 항복강도 제한은 원전 구조물의 효율적인 설계를 저해하고 있으며, 이로 인해 높은 시공비용과 철근혼잡에 의한 콘크리트 품질 저하를 초래하고 있다. 이에 고강도 철근의 적용을 통한 철근량을 줄이기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. CLP의 경우 방사선 차폐역할을 위해 두꺼운 콘크리트 벽체 내부에 설치하는 동시에, 시공단계에서부터 영구 거푸집으로 배치된다. 마지막으로, 미국 원자력규제위원회는 새로 설계된 원자력 발전소에 대해 최근 대형 항공기 충돌이 미치는 영향을 평가하도록 규정 개정을 발표하였다. 항공기 충돌에 대한 NPP구조물의 내충격 설계를 위해 ACI 349-13, DOE-STD-3014-2006 및 NEI 07-13과 같은 NPP 관련 설계기준에서는 RC벽체에 내한 충돌실험을 기반으로 제안된 다양한 국부손상 예측 경험식을 추천하고 있다. 하지만 경험식에서 고려하는 변수는 콘크리트 벽체와 발사체의 특성에 한정적이라는 한계점이 존재한다. 즉, NPP 구조물의 내충격 설계에 앞서 언급된 철근 및 강재 라이너의 영향을 하지 않으므로 효율적인 설계를 위해서는 RC벽체의 내충격 성능에 미치는 철근과 강재 라이너의 영향에 대한 조사가 필요하다. 선행연구조사를 통해 철근 및 강재 라이너가 RC 벽체의 내충격 성능에 철근 간격, 충돌 조건 및 강재 라이너가 큰 영향을 미치는 것을 확인했다. 그러나 선행연구에서는 NPP 구조물의 내충격 성능에 미치는 철근과 강재 라이너가 미치는 영향을 분석에 제한적이었으며, 이는 대부분의 선행연구에서는 벽체의 설계강도가 변했기 때문에 순수한 철근에 의한 영향을 분석하지 못한다는 점이다. 또한, 강재 라이너의 영향을 조사한 선행연구에서는 RC벽체 내 철근을 고정변수로 설정하여 철근과 강재 라이너간의 상관관계에 대한 분석이 제한적이다는 한계점이 있었다. 따라서, 본 논문에서는 철근 간격, 충돌 조건 및 강재 라이너 유무가 RC벽체의 내충격 성능에 미치는 영향 및 매커니즘 조사를 연구 목적으로 설정하였으며, 이를 위해 총 10개의 시험체에 대해 항공기 충돌 모사 실험을 수행하였다. 철근의 항복강도, 강재 라이너의 유무, 충돌 속도 및 발사체 충돌 조건을 주요 변수로 설정하였다. RC벽체와 강재 라이너의 설계는 한국의 원전 구조물인 APR1400을 1:2.4 상사비를 적용하여 설계하였다. 또한, 발사체의 경우 NPP관련 설계기준에서 제안하고 있는 항공기의 엔진 쉐프트를 동일한 상사비를 적용하여 설계하였다. RC벽체의 내충격 성능은 관통저항성능과 국부손상정도를 통해 평가하였으며, RC벽체의 파괴모드, 발사체의 잔류속도, 반력 그리고 벽체 전후면에 발생한 파괴면적을 통해 각 변수가 RC벽체의 내충격 성능에 미치는 영향을 평가하였다. 그 결과, 철근 간격이 넓어질수록 벽체의 내충격 성능은 감소하였으며, 강재 라이너로 인한 RC벽체의 내충격 성능은 크게 증진되는 것을 확인하였다. 하지만, 발사체가 철근을 충돌한 경우에는 RC벽체의 관통저항성능은 크게 증진되었으나, 배면부에 발생한 파괴면적은 크게 증가하는 경향을 확인하였다. 마지막으로 기존의 경험식 중 하나를 기반으로 철근 간격과 발사체 직경의 영향을 고려할 수 있는 수정식을 제안하였다. 제안된 수정식은 선행연구 및 본 논문의 실험 결과를 통해 평가하였으며, 수정식이 본 논문뿐만 아니라 선행 연구의 관통한계속도를 가장 잘 예측하는 것을 확인하였다. 그러나 본 논문의 경우, 하나의 데이터를 기반으로 수정이 수행되었기 때문에 본 논문의 실험범위 밖의 상황에 대한 적용성에 대한 한계점이 존재할 것으로 판단된다. 따라서 추후 RC벽체의 내충격 성능에 대한 신뢰성 있는 예측을 위해 수치적 및 매개변수 해석을 통한 추가적인 데이터를 활용하여 수정식을 제안하고자 한다.