[학위논문]Structural Design Recommendations for Outer Wall of Full-scale LNG Storage Tank Applied with Impact-induced Fire Loading : 극한하중에 대한 Full-scale LNG 저장탱크 외조벽체의 구조설계방법 제안원문보기
최근 전 세계적으로 테러, 화재, 폭파, 자동차 사고 등으로 인한 폭발 및 충돌과 관련한 사고가 빈번하게 발생하고 있지만, 이와 관련한 원전격납구조물(Prestressed Concrete Containment Vessel : PCCV)과 LNG 저장탱크와 같은 최근 사회기반시설물에 적용되는 프리스트레스 콘크리트(Prestressed Concrete : PSC) 구조물의 극한하중에 대한 연구는 부족한 상황이다. 또한, 실제의 폭발 및 충돌사고는 이차적으로 고온의 화재를 유발하지만 과거의 연구들은 폭발 및 충돌, 화재와 같은 단일 극한하중에 대한 제한적인 실험 및 해석적 연구에 국한되어 있는 실정이다. 따라서 이번 연구에서는 충돌 후 화재에 따른 손상을 평가하기 위하여, LNG 저장탱크와 같은 PSC 구조물을 선정하고 충돌 후 화재시나리오를 적용하여 손상 및 구조거동을 해석적으로 평가하고자 한다. 충돌 및 화재해석을 위하여 충돌은 ...
최근 전 세계적으로 테러, 화재, 폭파, 자동차 사고 등으로 인한 폭발 및 충돌과 관련한 사고가 빈번하게 발생하고 있지만, 이와 관련한 원전격납구조물(Prestressed Concrete Containment Vessel : PCCV)과 LNG 저장탱크와 같은 최근 사회기반시설물에 적용되는 프리스트레스 콘크리트(Prestressed Concrete : PSC) 구조물의 극한하중에 대한 연구는 부족한 상황이다. 또한, 실제의 폭발 및 충돌사고는 이차적으로 고온의 화재를 유발하지만 과거의 연구들은 폭발 및 충돌, 화재와 같은 단일 극한하중에 대한 제한적인 실험 및 해석적 연구에 국한되어 있는 실정이다. 따라서 이번 연구에서는 충돌 후 화재에 따른 손상을 평가하기 위하여, LNG 저장탱크와 같은 PSC 구조물을 선정하고 충돌 후 화재시나리오를 적용하여 손상 및 구조거동을 해석적으로 평가하고자 한다. 충돌 및 화재해석을 위하여 충돌은 LS-DYNA, 화재는 MIDAS FEA 상용유한요소해석프로그램을 사용하였다. 충돌 후 화재해석은 두 프로그램을 결합하기 위해 LS-DYNA의 충돌 해석 결과를 MIDAS FEA에 적용하는 방법을 제안하였고, 이는 충돌하중에 의하여 제거된 콘크리트 요소를 Metlab을 이용하여 MIDAS FEA에서 같은 콘크리트 요소 제거하여 해석을 수행하는 방법이다. 최근 게재된 충돌 후 화재하중을 받는 이방향 프리스트레스 콘크리트 실험 결과를 사용하여 충돌 및 화재해석에 사용한 모델 및 물성치를 검증하였다. 실험에서 사용한 충돌 및 화재하중에 대한 충돌은 14kN의 충돌 추를 이용하여 3.5m로 낙하하였으며, 화재는 RABT 시나리오를 사용하였다. 실험과 해석결과를 비교한 결과, 매우 유사한 결과를 나타냈으며 이는 해석에서 사용한 요소 제거방법 및 텐던의 긴장력에 의하여 발생한 구속효과에 의해 증가시킨 콘크리트 열전도율이 타당성을 가진다고 판단할 수 있다. LNG 저장탱크에 적용 가능한 충돌 후 화재시나리오를 139m/s의 속도로 255ton의 충돌체가 충돌하여 비행기 연료 화재곡선과 유사한 RABT 화재곡선의 화재가 발생하는 것으로 선정하였다. 충돌 하중은 LNG 저장탱크의 내압 및 자중과 달리 비대칭 하중으로서 3차원 유한요소 해석이 요구되기 때문에 콘크리트는 3차원 솔리드 요소(Solid element)로 모델링 하였으며, 철근 및 PS 텐던을 각각 모델링하였다. 제안한 해석방법에 의하여 충돌 후 화재해석 결과, LNG 저장탱크는 충돌 및 화재에 대하여 심각한 손상을 받았음을 확인할 수 있었으며, 변수 연구를 통하여 다양한 변수에 따른 LNG 저장탱크의 손상 정도를 파악할 수 있었다. 따라서 LNG 저장탱크는 비행기 충돌 후 화재시나리오에 대하여 안전성 검토가 필요하다고 판단된다. 현재 LNG 저장탱크에 적용하고 있는 설계기준을 검토한 결과, 충돌 및 화재에 대한 설계기준이 충분하지 않음을 알 수 있다. 충돌하중에 대한 기준은 비산물체 충돌 시 LNG 저장탱크의 안전성 검토만을 제시하고 있으며, 화재의 경우 직접적인 화재보다는 탱크 주변의 화재에 의한 열 유속의 제한만을 제시하고 있는 실정이다. 따라서 LNG 저장탱크 해석결과에 따른 LNG 저장탱크 손상 정도를 규명할 수 없으며, 설계기준에 의한 안전성 검토가 어려운 상황이다. 따라서 본 연구에서는 성능중심평가방법(Performance Based Evaluation : PBE)을 제시하고 제시한 내용을 바탕으로 LNG 저장탱크의 손상 정도를 제시하였다. 비행기 충돌 후 화재하중을 받는 LNG 저장탱크를 손상 정도와 비교한 결과, 극심한 손상(severe damage level)을 받은 것으로 알 수 있다. 이를 보통의 손상 정도(moderate damage level)로 감소시키기 위하여 콘크리트 압축강도, 텐던의 긴장력, 철근비를 변경하여 해석한 결과, 화재에 대한 손상 정도가 미세하게 증가하였지만 충돌에 대한 손상이 확연하게 줄어들었음을 확인할 수 있었다. 이는 비행기 충돌 후 화재를 받아 교체가 필요한 LNG 저장탱크를 보수∙보강하여 재사용이 가능한 정도의 손상 정도로 감소시키기 때문에 LNG 저장탱크의 안정성을 크게 향상시켰음을 알 수 있다.
최근 전 세계적으로 테러, 화재, 폭파, 자동차 사고 등으로 인한 폭발 및 충돌과 관련한 사고가 빈번하게 발생하고 있지만, 이와 관련한 원전격납구조물(Prestressed Concrete Containment Vessel : PCCV)과 LNG 저장탱크와 같은 최근 사회기반시설물에 적용되는 프리스트레스 콘크리트(Prestressed Concrete : PSC) 구조물의 극한하중에 대한 연구는 부족한 상황이다. 또한, 실제의 폭발 및 충돌사고는 이차적으로 고온의 화재를 유발하지만 과거의 연구들은 폭발 및 충돌, 화재와 같은 단일 극한하중에 대한 제한적인 실험 및 해석적 연구에 국한되어 있는 실정이다. 따라서 이번 연구에서는 충돌 후 화재에 따른 손상을 평가하기 위하여, LNG 저장탱크와 같은 PSC 구조물을 선정하고 충돌 후 화재시나리오를 적용하여 손상 및 구조거동을 해석적으로 평가하고자 한다. 충돌 및 화재해석을 위하여 충돌은 LS-DYNA, 화재는 MIDAS FEA 상용유한요소해석프로그램을 사용하였다. 충돌 후 화재해석은 두 프로그램을 결합하기 위해 LS-DYNA의 충돌 해석 결과를 MIDAS FEA에 적용하는 방법을 제안하였고, 이는 충돌하중에 의하여 제거된 콘크리트 요소를 Metlab을 이용하여 MIDAS FEA에서 같은 콘크리트 요소 제거하여 해석을 수행하는 방법이다. 최근 게재된 충돌 후 화재하중을 받는 이방향 프리스트레스 콘크리트 실험 결과를 사용하여 충돌 및 화재해석에 사용한 모델 및 물성치를 검증하였다. 실험에서 사용한 충돌 및 화재하중에 대한 충돌은 14kN의 충돌 추를 이용하여 3.5m로 낙하하였으며, 화재는 RABT 시나리오를 사용하였다. 실험과 해석결과를 비교한 결과, 매우 유사한 결과를 나타냈으며 이는 해석에서 사용한 요소 제거방법 및 텐던의 긴장력에 의하여 발생한 구속효과에 의해 증가시킨 콘크리트 열전도율이 타당성을 가진다고 판단할 수 있다. LNG 저장탱크에 적용 가능한 충돌 후 화재시나리오를 139m/s의 속도로 255ton의 충돌체가 충돌하여 비행기 연료 화재곡선과 유사한 RABT 화재곡선의 화재가 발생하는 것으로 선정하였다. 충돌 하중은 LNG 저장탱크의 내압 및 자중과 달리 비대칭 하중으로서 3차원 유한요소 해석이 요구되기 때문에 콘크리트는 3차원 솔리드 요소(Solid element)로 모델링 하였으며, 철근 및 PS 텐던을 각각 모델링하였다. 제안한 해석방법에 의하여 충돌 후 화재해석 결과, LNG 저장탱크는 충돌 및 화재에 대하여 심각한 손상을 받았음을 확인할 수 있었으며, 변수 연구를 통하여 다양한 변수에 따른 LNG 저장탱크의 손상 정도를 파악할 수 있었다. 따라서 LNG 저장탱크는 비행기 충돌 후 화재시나리오에 대하여 안전성 검토가 필요하다고 판단된다. 현재 LNG 저장탱크에 적용하고 있는 설계기준을 검토한 결과, 충돌 및 화재에 대한 설계기준이 충분하지 않음을 알 수 있다. 충돌하중에 대한 기준은 비산물체 충돌 시 LNG 저장탱크의 안전성 검토만을 제시하고 있으며, 화재의 경우 직접적인 화재보다는 탱크 주변의 화재에 의한 열 유속의 제한만을 제시하고 있는 실정이다. 따라서 LNG 저장탱크 해석결과에 따른 LNG 저장탱크 손상 정도를 규명할 수 없으며, 설계기준에 의한 안전성 검토가 어려운 상황이다. 따라서 본 연구에서는 성능중심평가방법(Performance Based Evaluation : PBE)을 제시하고 제시한 내용을 바탕으로 LNG 저장탱크의 손상 정도를 제시하였다. 비행기 충돌 후 화재하중을 받는 LNG 저장탱크를 손상 정도와 비교한 결과, 극심한 손상(severe damage level)을 받은 것으로 알 수 있다. 이를 보통의 손상 정도(moderate damage level)로 감소시키기 위하여 콘크리트 압축강도, 텐던의 긴장력, 철근비를 변경하여 해석한 결과, 화재에 대한 손상 정도가 미세하게 증가하였지만 충돌에 대한 손상이 확연하게 줄어들었음을 확인할 수 있었다. 이는 비행기 충돌 후 화재를 받아 교체가 필요한 LNG 저장탱크를 보수∙보강하여 재사용이 가능한 정도의 손상 정도로 감소시키기 때문에 LNG 저장탱크의 안정성을 크게 향상시켰음을 알 수 있다.
In recent years, numerous explosion and collision related tragedies due to military attack, terrorist bombing, and vehicle accident have occurred all over the world. However, researches on Prestressed Concrete (PSC) infrastructures such as Prestressed Concrete Containment Vessels (PCCVs) and LNG sto...
In recent years, numerous explosion and collision related tragedies due to military attack, terrorist bombing, and vehicle accident have occurred all over the world. However, researches on Prestressed Concrete (PSC) infrastructures such as Prestressed Concrete Containment Vessels (PCCVs) and LNG storage tanks under extreme loading such as impact, blast, and fire loading scenario are not being studied sufficiently. Especially, researches on possible secondary fire after bomb explosion or accidental collision on concrete structures has not been performed, while most of the past researches related to extreme loadings on structures focused on ideal isolated extreme loading event researches. Therefore, in this study, the PSC structure such as wall of PCCV and LNG storage tank is analytically evaluated under impact-fire combined loading scenarios. For the analytical simulations of impact and fire loaded behaviour of the LNG storage tank, commercial finite element analysis program of LS-DYNA and MIDAS FEA, respectively, were used. Then, a simulation procedure coupling LS-DYNA and MIDAS FEA using element elimination algorithm is proposed to couple explicit and implicit finite element analyses (FEA) to perform structural analysis of impact induced fire loading scenario. The analytical materials were verified by recent publication data on PSC impact resistance test performed with 14kN impactor and impact induced fire resistance test with RABT fire loading scenario. Then, the simulation results from the PSC and RC specimens applied with impact induced fire loadings was compared with those of undamaged PSC and RC specimens. The results showed that confining effect of concrete and concrete exfoliation was weaken from the fire. Confining effect was increase the thermal conductivity because of closing the pores of concrete. Finally, the simulation results obtained from the proposed simulation procedure and material agree well with the impact induced fire test data.
In recent years, numerous explosion and collision related tragedies due to military attack, terrorist bombing, and vehicle accident have occurred all over the world. However, researches on Prestressed Concrete (PSC) infrastructures such as Prestressed Concrete Containment Vessels (PCCVs) and LNG storage tanks under extreme loading such as impact, blast, and fire loading scenario are not being studied sufficiently. Especially, researches on possible secondary fire after bomb explosion or accidental collision on concrete structures has not been performed, while most of the past researches related to extreme loadings on structures focused on ideal isolated extreme loading event researches. Therefore, in this study, the PSC structure such as wall of PCCV and LNG storage tank is analytically evaluated under impact-fire combined loading scenarios. For the analytical simulations of impact and fire loaded behaviour of the LNG storage tank, commercial finite element analysis program of LS-DYNA and MIDAS FEA, respectively, were used. Then, a simulation procedure coupling LS-DYNA and MIDAS FEA using element elimination algorithm is proposed to couple explicit and implicit finite element analyses (FEA) to perform structural analysis of impact induced fire loading scenario. The analytical materials were verified by recent publication data on PSC impact resistance test performed with 14kN impactor and impact induced fire resistance test with RABT fire loading scenario. Then, the simulation results from the PSC and RC specimens applied with impact induced fire loadings was compared with those of undamaged PSC and RC specimens. The results showed that confining effect of concrete and concrete exfoliation was weaken from the fire. Confining effect was increase the thermal conductivity because of closing the pores of concrete. Finally, the simulation results obtained from the proposed simulation procedure and material agree well with the impact induced fire test data.
주제어
#Prestressed concrete (PSC)/프리스트레스드 콘크리트 Impact/충돌 Fire/화재 Impact induced fire/충돌 후 화재 RABT fire scenario/RABT 화재 시나리오. Explicit FEA Implicit FEA/유한요소해석 LNG storage tank/LNG 저장탱크 Satisfaction Curve/만족도 곡선 Performance Based Evaluation/성능중심평가
학위논문 정보
저자
Sang–Won Lee
학위수여기관
연세대학교 일반대학원
학위구분
국내박사
학과
토목환경공학과 콘크리트 구조공학
지도교수
김장호
발행연도
2016
총페이지
xiii, 133p.
키워드
Prestressed concrete (PSC)/프리스트레스드 콘크리트 Impact/충돌 Fire/화재 Impact induced fire/충돌 후 화재 RABT fire scenario/RABT 화재 시나리오. Explicit FEA Implicit FEA/유한요소해석 LNG storage tank/LNG 저장탱크 Satisfaction Curve/만족도 곡선 Performance Based Evaluation/성능중심평가
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.