[논문]LNG 저장탱크의 내진 해석

이승표; 하성규; 고병갑

doi:10.5762/kais.2008.9.5.1095

문제 정의

또한 파이프를 고려한 해석에서는 이를 축대칭 형상으로 해석하여 실제와는 차이를 보인다. 따라서 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 관통 파이프와 내부 벽체 (Wall), 가이드를 포함하는 LNG 저장탱크 구조물에 대하여 내진 해석을 수행하였다. 즉, LNG 저장탱크 구조물 중에서 가장 중요한 부분인 관통 파이프만을 고려한 경우와 관통 파이프, 내부 벽체, 가이드 모두를 고려한 경우에 대하여 내진 해석을 수행하였고, 그 결과를 비교하였다.

가설 설정

따라서 내진 시 관통 파이프의 안전성은 중요한 의미를 지니므로 이에 대한 해석은 반드시 필요하다. 또한 기존의 해석 방법은 LNG 저장 탱크를 축대칭 형상으로 가정하여 해석을 수행하였다. 그러나 축대칭으로 가정할 경우 원주방향의 변형은 모두 동일한 것으로 간주되며, 이는 실제와 다르다.

제안 방법

LNG 저장탱크에 대하여 내진 해석을 수행하였다. 해석 모델은 관통 파이프만 고려한 경우와 관통 파이프, 내부 벽체, 가이드 모두를 고려한 경우로 나누어 해석을 수행하였고 그 결과로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
LNG 저장탱크의 내부 벽체, 관통 파이프와 가이드에 대하여 내진 해석을 수행하였다. 내진 해석은 위에서 언급한 등가정적 해석과 응답 스펙트럼 해석을 각각 수행하였고, 그 결과를 비교하였다.
벽체, 가이드를 모두 고려한 경우에 대하여 수행하였고, 그 결과를 비교하였다. 그림 5와 그림 6는 각각 변형량과 응력 분포를 나타낸다.
그리고 관통 파이프와 내부 벽체, 가이드 모두를 해석한 경우에 대하여 등가정적 해석과 응답 스펙트럼 해석 결과를 비교하였다. 결과는 각각 변형량과 응력을 비교하였다. 그림 9와 그림 10은 각각 관통 파이프만을 해석한 경우 변형량과 응력을 나타내었다.
즉, 관통 파이프만 해석한 경우에 대하여 등가정적 해석과 응답 스펙트럼 해석 결과를 비교하였다. 그리고 관통 파이프와 내부 벽체, 가이드 모두를 해석한 경우에 대하여 등가정적 해석과 응답 스펙트럼 해석 결과를 비교하였다. 결과는 각각 변형량과 응력을 비교하였다.
내부 벽체는 원주 방향과 높이 방향의 치수가반경 방향의 치수에 비하여 상대적으로 크기 때문에 3차원 쉘 요소로 모델링하였고, 관통 파이프와 가이드는 높이 방향의 치수가 다른 두 방향의 치수에 비하여 상대적으로 크기 때문에 빔 요소로 모델링 하였다. 내부 벽체의 치수는 표 1과 같고, 관통 파이프의 치수는 표 2와 같다.
내진 해석을 수행하였다. 내진 해석은 위에서 언급한 등가정적 해석과 응답 스펙트럼 해석을 각각 수행하였고, 그 결과를 비교하였다.
그러나 축대칭으로 가정할 경우 원주방향의 변형은 모두 동일한 것으로 간주되며, 이는 실제와 다르다. 따라서 본 연구에서는 실제 3차원 형상의 내부 벽체와 관통 파이프 가이드에 대하여 ANSYS[11]를 이용하여 내진 해석을 수행하였다.
내진 해석은 등가정적 해석과 응답 스펙트럼 해석을각각 수행하였고, 그 결과를 비교하였다. 또한, 실제 지진가속도에 대한 지진 스펙트럼을 이용하여 내진 해석을 수행하였다.
위의 Case 1과 Case 2의 결과를 해석 모델에 따라서 비교하였다. 즉, 관통 파이프만 해석한 경우에 대하여 등가정적 해석과 응답 스펙트럼 해석 결과를 비교하였다.
그림 3의 실제 지진 스펙트럼을 주파수와 가속도에 대하여 Fourier Tranform(FFT)하여 그림 4와 같은 결과를 얻었다. 이를 이용하여 응답 스펙트럼 해석을 수행하여 실제 지진 가속도에서 LNG 저장탱크의 거동을 고찰하였다. 지진 하중과 함께 LNG에 의한 내압이 내부 벽체, 관통 파이프, 가이드에 작용하며 본 연구에서는 SSE 100% 충전 경우에 대하여 해석을 수행하였다.
따라서 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 관통 파이프와 내부 벽체 (Wall), 가이드를 포함하는 LNG 저장탱크 구조물에 대하여 내진 해석을 수행하였다. 즉, LNG 저장탱크 구조물 중에서 가장 중요한 부분인 관통 파이프만을 고려한 경우와 관통 파이프, 내부 벽체, 가이드 모두를 고려한 경우에 대하여 내진 해석을 수행하였고, 그 결과를 비교하였다. 내진 해석은 등가정적 해석과 응답 스펙트럼 해석을각각 수행하였고, 그 결과를 비교하였다.
즉, 관통 파이프만 해석한 경우에 대하여 등가정적 해석과 응답 스펙트럼 해석 결과를 비교하였다. 그리고 관통 파이프와 내부 벽체, 가이드 모두를 해석한 경우에 대하여 등가정적 해석과 응답 스펙트럼 해석 결과를 비교하였다.
이를 이용하여 응답 스펙트럼 해석을 수행하여 실제 지진 가속도에서 LNG 저장탱크의 거동을 고찰하였다. 지진 하중과 함께 LNG에 의한 내압이 내부 벽체, 관통 파이프, 가이드에 작용하며 본 연구에서는 SSE 100% 충전 경우에 대하여 해석을 수행하였다.
해석 모델은 관통 파이프만 고려한 경우와 관통 파이프, 내부 벽체, 가이드 모두를 고려한 경우로 나누어 해석을 수행하였고 그 결과로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
해석은 관통 파이프만 고려한 경우와 관통 파이프와 내부 벽체, 가이드를 모두 고려한 경우에 대하여 수행하였고, 그 결과를 비교하였다. 그림 5와 그림 6는 각각 변형량과 응력 분포를 나타낸다.

대상 데이터

본 연구에서 수행된 내진 해석의 대상은 내부 벽체와 관통 파이프, 가이드를 포함한다. 기존의 해석 방법은 내부 벽체에 대해서만 해석을 수행하였다.

데이터처리

즉, LNG 저장탱크 구조물 중에서 가장 중요한 부분인 관통 파이프만을 고려한 경우와 관통 파이프, 내부 벽체, 가이드 모두를 고려한 경우에 대하여 내진 해석을 수행하였고, 그 결과를 비교하였다. 내진 해석은 등가정적 해석과 응답 스펙트럼 해석을각각 수행하였고, 그 결과를 비교하였다. 또한, 실제 지진가속도에 대한 지진 스펙트럼을 이용하여 내진 해석을 수행하였다.

성능/효과

(1) 등가정적 해석 결과, 변형량은 관통 파이프만 고려한 경우와 모두 고려한 경우 유사한 경향을 보였다. 그러나 응력은 관통 파이프만 고려한 경우가 2.
(2) 응답 스펙트럼 해석 결과, 변형량은 관통 파이프만 고려한 경우와 모두를 고려한 경우 유사한 경향을 보였다. 그러나 응력은 관통 파이프만을 고려한 경우가 2.
(3) 해석 모델에 따라서 비교한 결과, 등가정적 해석의 응력이 응답 스펙트럼의 응력에 비하여 2.8~3.0배 크게 계산되었다’ 그 이유는 응답 스펙트럼 해석이 등가 정적 해석에 비하여 가이드를 통한 구조물의 거동을 보다 잘 고려하였기 때문이라고 생각된다. 따라서 관통 파이프, 내부 벽처】, 가이드를 포함하는 LNG 저장탱크 구조물의 내진 해석은 응답 스펙트럼 해석을 적용하여야 보다 정확한 해석이 될 것으로 예상된다.
2배 크게 나타났으며 그 이유는 가이드의 움직임을 고려하기 위한 하중조건 때문이다. 관통 파이프만 고려한 경우와 모두를 고려한 경우 모두 지진에 대한 안전 계수가 가각 8.28, 18.21 로서 안전한 것으로 평가되었다.

후속연구

0배 크게 계산되었다’ 그 이유는 응답 스펙트럼 해석이 등가 정적 해석에 비하여 가이드를 통한 구조물의 거동을 보다 잘 고려하였기 때문이라고 생각된다. 따라서 관통 파이프, 내부 벽처】, 가이드를 포함하는 LNG 저장탱크 구조물의 내진 해석은 응답 스펙트럼 해석을 적용하여야 보다 정확한 해석이 될 것으로 예상된다.

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