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최근 들어 전 세계적으로 지진의 발생 빈도가 증가하고 있다. 국내에서도 약 20년동안 지진 발생 빈도가 평균 30회정도 증가하는 추세를 보이며 지진 발생 빈도가 크게 증가하고 있음을 확인하였다. 주요 기반시설물인 원자력 발전소나 LNG 저장탱크 같은 경우, 1차적으로 구조물이 손상을 받게 되면 손상 구조물로부터 유출된 위험 물질로부터 2차적인 피해가 발생하게 된다. 지진의 발생은 예측하기 힘들고 그 발생 위치와 크기 역시 임의적이기 때문에 지진으로부터 보호되어야 하는 구조물은 설계 시부터 지진의 여유도가 고려된 안정성이 확보되어야 한다. 본 연구에서는 대상 구조물을 LNG 저장탱크로 설정하여 임의의 지진이 발생하였을 때에 ...

최근 들어 전 세계적으로 지진의 발생 빈도가 증가하고 있다. 국내에서도 약 20년동안 지진 발생 빈도가 평균 30회정도 증가하는 추세를 보이며 지진 발생 빈도가 크게 증가하고 있음을 확인하였다. 주요 기반시설물인 원자력 발전소나 LNG 저장탱크 같은 경우, 1차적으로 구조물이 손상을 받게 되면 손상 구조물로부터 유출된 위험 물질로부터 2차적인 피해가 발생하게 된다. 지진의 발생은 예측하기 힘들고 그 발생 위치와 크기 역시 임의적이기 때문에 지진으로부터 보호되어야 하는 구조물은 설계 시부터 지진의 여유도가 고려된 안정성이 확보되어야 한다. 본 연구에서는 대상 구조물을 LNG 저장탱크로 설정하여 임의의 지진이 발생하였을 때에 면진 설계된 LNG 저장탱크가 손상을 받을 확률을 지진 취약도 함수를 통해 분석하였다. 면진장치의 종류는 납고무면진장치와 마찰진자형 면진장치 두 가지로 설정하여, 면진장치의 종류 및 성능에 따른 매개변수 연구를 통하여 최적의 내진성능을 나타낼 수 있는 면진장치를 설계하였다. 구조물이 특정 한계상태를 초과하는 지진취약도를 개발하기 위해 면진장치의 수평 변위를 한계상태로 설정하여 각 면진장치 모델의 취약도 함수를 분석하였다. 특히 면진장치의 효과를 살펴보기 위해서 새로운 한계상태인 탱크 외조의 인장균열병형률에 따른 한계상태를 설정하여 비면진 및 면진 구조물의 지진취약도 함수를 비교하였다. LNG 저장탱크의 유한요소해석을 위하여 지진 해석 프로그램인 OpenSees를 이용하였고, 지진 해석을 위해 비선형 시간이력해석 기법을 적용하여 구조물 응답을 확인하였다. 개발된 지진취약도 함수를 통해 최적의 내진성능을 나타낼 수 있는 면진장치의 종류 및 성능을 결정하여 성능기반 내진설계 시에 활용하고자 한다. 면진장치의 효과를 분석하기 위해 DS 한계상태를 적용한 경우, 지진에 의한 파괴 확률이 면진장치 사용으로 매우 저감됨을 확인하였다. 면진장치를 사용하여 구조물의 주기를 증가시킴으로써 구조물 응답 뿐 만 아니라 파괴 확률 역시 감소되는 효과를 지진 취약도 함수를 통해 확인하였다. 납고무면진장치의 강성 및 강도에 따른 지진 취약도 함수를 확인한 결과, 구조물 목표주기가 길어질수록 (강성이 작아질수록) 구조물의 파괴확률이 낮아지는 경향을 보이는 반면, 면진장치의 강도는 면진장치의 수평 변위에 따른 파괴 시나리오에 민감하지 않다고 판단하였다. 마찰진자형 면진장치의 경우 매개변수를 곡률반경과 마찰계수로 선택하였다. 이 경우, 면진장치의 곡률 반경이 증가할수록, 그리고 마찰계수가 증가할수록 지진에 대해 취약해짐을 확인하였다. 두 종류의 면진장치에 따른 면진 효과를 비교하기 위하여 목표주기를 2초로 갖는 각 면진장치의 모델을 설정하여 지진 취약도 함수를 분석하였다. 그 결과, 설계지진 SSE인 0.2g에서는 납고무면진장치가 가장 효과적이고, 큰 마찰계수를 가지는 마찰진자형 면진장치가 제일 취약함을 확인하였다. 본 연구 결과를 통하여. 지진취약도 함수 분석법은 구조물이 손상되거나 파괴될 확률을 고려한 구조물 및 면진장치의 최적 설계 시에 활용될 수 있고. 지진 피해 평가에도 활용될 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Extremely large-scale earthquakes have frequently occurred in various countries around the world, including Korea. It is confirmed that the average number of earthquakes over the past 15 years has increased steadily as much as 28.2 times. In the case of the main infrastructures such as a nuclear pow...

Extremely large-scale earthquakes have frequently occurred in various countries around the world, including Korea. It is confirmed that the average number of earthquakes over the past 15 years has increased steadily as much as 28.2 times. In the case of the main infrastructures such as a nuclear power plant or liquefied natural gas storage tanks, secondary damage could result in the leakage of hazardous materials from the damaged structures. Because earthquakes are difficult to predict, structures that need to be protected from earthquakes have to be declared safe according to the seismic margin in the structural design process. The objective of this study is to statistically analyze the failure probability of LNG storage tanks filled with liquid according to the type and properties of the base isolation system. The types of the base isolation system are selected as lead rubber bearing (LRB) and friction pendulum system (FPS), and the optimal type and properties of base isolation systems are determined using the fragility curves. The lateral displacement of the base isolator is assumed as the representative limit states, while the fragility curves of the fixed and isolated tanks are compared using tension crack strain as the limit state. The LNG storage tank is modeled using OpenSees, the finite element analysis framework for earthquake, and the nonlinear time history analyses are conducted to confirm the response of structures. The developed fragility curves could be utilized to the optimal base isolation system during a performance-based seismic design process. In the case of employing the DS limit states for fragility functions, it shows that using base isolation system reduces the probabilities of failure significantly. The effect of reducing the failure probabilities and structural responses by base isolation systemby elongating the structural periods is confirmed. As the result of comparing the models with LRB according to stiffness and strength of the base isolation system, it is observed that the model with a shorter period is more vulnerable than a model with a longer period. On the other hands, the fragility curve of LRB with different strength is close to each other. It suggests that the seismic performance of LNG storage tanks in terms of the design displacement limitations is one of the sensitive factors to the stiffness of LRB, while less sensitive to strength of base isolation system. With FPS, it is observed that a larger radius and coefficient of friction could give higher performance than other combinations. Therefore, it is concluded that the radii of concave surface and coefficients of friction of FPS are affected to the fragility curves of the LNG storage tank with respect to the deformation capacity. The effect of the type of base isolation systems is examined at the end of this paper. To compare the seismic isolation effect depending on types of devices, the target period is selected as 2.0 sec and the fragility curves are analyzed. At SSE earthquake, 0.2g PGA, the LRB is the most effective, while the FPS with high friction coefficient is a vulnerable type to earthquakes. In this situation, it is identified that more detailed earthquake analyses would be required. Considering the above discussion, the fragility analysis method presented here could be used to design the optimal properties of base isolation systems and to estimate the seismic risk at the design step.

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