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프리스트레스 손실량을 고려한 270,000kL급 LNG 저장탱크 외조의 비산물체 속도에 따른 충돌 거동 해석
Analysis Evaluation of Impact Behavior of 270,000kL LNG Storage Outer Tank from Prestress Force Loss 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.18 no.1, 2014년, pp.31 - 40  

이상원 (연세대학교 사회환경시스템공학부) ,  전하영 (삼성엔지니어링 토목건축1팀) ,  김장호 (연세대학교 사회환경시스템공학부) ,  김준휘 (한국가스공사연구원 연구개발팀) ,  이강원 (한국가스공사연구원 연구개발팀)

초록
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LNG 저장탱크의 외조는 콘크리트 부재로 수직 방향 및 원환 방향 프리스트레싱 벽체 구조인데, 저장탱크의 대형화가 이루어짐에 따라 프리스트레싱 구간이 길어지고 결과적으로 프리스트레스 손실량이 증가하고 있다. 본 연구는 주요 사회기반시설구조물의 하나인 LNG 저장탱크에 비행체 충돌과 같은 사고가 발생하였을 때 안전성 향상을 위하여 충돌 저항 성능에 대한 분석연구를 수행하였다. 해석은 유한요소해석 프로그램인 LS-DYNA를 사용하여 270,000kL급 LNG 저장탱크 외조의 비산물체 충돌에 대한 거동을 평가해보고자 하며, 해석 시 LNG 저장탱크의 대형화로 인한 PS 텐던의 길이증가에 따른 프리스트레스 손실 또한 고려될 것이다. 또한 프리스트레스 손실의 적용 유무에 따른 비산 물체 충돌에 대한 PSC 구조물의 거동 비교를 통해 구조물의 안전성 및 사용성을 평가해보고자 한다. 이 연구의 결과를 통해 프리스트레스 손실량의 적용에 따른 구조물의 거동 변화를 확인하고, 설계시 안전성 기준 및 검토의 보조자료로 활용할 수 있도록 하고자 한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

LNG storage outer tank is a vertically and horizontally prestressed concrete wall structure. Therefore, when the storage tanks become larger, prestressing tendons become longer and eventually the prestressing loss becomes larger. Also, recently, bomb terrors and accidental crashes have occurred freq...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 3과 같다. PS 텐던과 철근의 배치는 벽체 내 배치 위치에 따라 달라지며 벽체 모델링 시 그 배치를 모두 반영하여 실제 벽체에 가까운 모델을 구현하고자 하였다.
  • 따라서 본 연구에서는 벽체에 충돌에 의해 발생한 최대 응력 σmax와 위에서 구한 바와 같은 충돌하중에 대한 한계허용응력(하중) #을 비교하여 비산 물체의 외부충돌하중에 대한 PSC 저장탱크 외조 벽체의 충돌 영향 평가를 실시하고자 하며, 그 결과를 Table 5에 명시하였다.
  • 따라서 본 연구에서는 위와 같은 BS 7777 코드의 충돌 시나리오를 기준으로 해석을 수행하여 LNG 저장탱크의 충돌에 대한 전체 구조물의 거동을 살펴본 후, 충돌체의 속도 및 크기에 대한 구조물의 충돌 거동 변화를 추가적으로 살펴보기 위해 구조물의 충돌 안전성 평가를 위한 최대 하중을 선정하고자 한다.
  • 본 연구에서는 설정한 가상 시나리오에 따른 저장탱크 외조의 거동분석을 동적 유한요소해석 프로그램인 LS-DYNA로 수행하였다[10]. 먼저 LNG 저장탱크와 비산물체의 크기 및 충돌속도에 따른 거동을 LS-DYNA를 이용한 유한요소 해석을 통해 평가하여 LNG 저장탱크의 안전성을 검토하고자 한다. 또한 270,000kL급 저장탱크의 대형화에 따른 프리스트레스 손실량 적용 유무에 따른 충돌 거동 해석을 통해 향후 프레스트레스 격납 구조물의 설계 시 안전성 기준 및 검토의 보조 자료로 활용할 수 있도록 하고자 한다.
  • 본 연구에서 LNG 저장탱크 외조 벽체에 대한 비산물체 시뮬레이션을 수행하여 외조 벽체의 외부충돌하중에 대한 저항 성능을 평가하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
  • 본 연구에서는 이와 같은 응력거동을 보이고 있는 구조물의 외부충돌하중 영향 평가를 다음과 같이 수행하고자 한다. PSC 저장탱크 구조물의 설계 시 외부충돌하중과 같은 극한한계상태에서는 콘크리트에 부분재료계수 1.
  • 229이다. 실제 프리스트레스트 콘크리트에 작용하는 극한하중에 대한 강도증진효과는 콘크리트 뿐 만 아니라, 철근 및 텐던의 강도증진 효과가 발생할 것이나, 본 연구에서는 극한상황에 대해서 고려하기 위하여 콘크리트의 강도증진효과만을 고려하였다[13].
  • 하지만 본 연구에서는 가스탱크의 용량이 증가함에 따라 텐던의 길이 증가에 따른 프리스트레스 손실을 도입함으로써, 이것이 구조물의 충돌 거동에 미치는 영향을 평가해 보고자 한다. 이때 한쪽 부벽으로부터 P0 로 설정하고 마찰에 의한 길이 방향의 손실을 모델링 시 도입하고자 한다.
  • 강체로 비산물체를 모델링하였기 때문에 충돌이 매우 짧은 순간 발생하였다가 비산물체가 바로 튕겨나감에 따라 외부 충돌하중이 벽체 후면까지 충분히 전달되지 못해, 충돌하중에 비해 벽체에 발생한 변위가 충분히 발생하지 못한 것으로 보인다. 하지만 충돌에 의한 변위그래프가 구조물의 충돌 거동을 잘 반영하고 있다고 판단되는 바, 변위 자체의 크기보다는 변위의 변화 추이를 통해 PSC 저장탱크의 충돌 거동을 예측해 보고자 한다.

가설 설정

  • 충돌 해석 시 프리스트레싱 하중은 초기 조건으로 설정하여야 하므로 LS-DYNA의 Initial_Stress_Beam 옵션을 통해 프리스트레싱 하중을 적용시켰다. Initial Stress Beam 옵션을 사용하는 경우 빔 요소(beam element)에 적용시킨 힘이 초기 조건으로 계산된 후 일정하게 유지된다고 가정된다.
  • 충돌은 정상적인 가동상태에서 발생하는 것으로 가정하였으며, 정상가동 상태에서 LNG 저장탱크 외조는 자중, 프리스트레싱 하중, 내압 및 온도하중 등을 받고 있다. 이 중에서 정상가동시의 내압은 크기가 작고 또한 외부 충돌 하중에 대하여 역방향으로 작용하므로 무시하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
국내 LNG 저장탱크의 설계 및 해석에 대한 연구의 주체는? 특히 국내 LNG 저장탱크의 설계 및 해석에 관한 연구는 한국가스공사 연구개발원과 대우건설 등의 탱크 시공사, 관련 대학 등에 의해 주로 이루어졌다. 한국가스공사연구개발원 등(2001)은 “LNG 저장탱크 지붕 해석 및 설계기술 개발”에서 지붕에 대한 안전기준을 조사, 분석하여 LNG 저장탱크 지붕의 철골구조물 및 콘크리트 구조물의 구조해석을 통한 설계시스템을 구축하였다[2].
우리나라는 세계에서 몇 번째로 LNG 저장탱크 설계 기술을 개발했는가? 세계적으로 LNG 저장의 수요가 증가함에 따라 LNG 저장탱크의 설계와 시공이 건설업계에서도 주목 받고 있으며 우리나라 역시 2001년 세계에서 5번째로 LNG 저장탱크 설계(140,000kL급) 기술을 국산화하였다[1]. 이후 국제적 추세인 저장탱크의 대용량화에 대응하고 LNG 저장탱크의 대형화를 통한 원가절감 및 경쟁력 제고를 위해 2005년 200,000 kL급 LNG 저장탱크 설계 기술을 개발하였으며 현재 270,000kL급 LNG 저장탱크 기술개발에 힘쓰고 있다[1].
LNG 저장탱크 외조 벽체에 대한 비산물체 시뮬레이션의 결과는? (1) 한국가스공사에 채택하고 있는 BS 7777 코드의 외부충돌하중 시나리오를 바탕으로 구조물의 상부 및 하부에 대한 충돌 해석을 수행한 결과 발생한 응력에 비해 변위는 매우 미소한 크기로 발생하였는데 이는 비산물체를 강체로 모델링하였기 때문에 매우 짧은 순간 충돌이 발생하여 충격력이 벽체 후면까지 전달되지 못했기 때문으로 판단된다. (2) 벽체 손상에 대해 자체적으로 충돌 영향 평가 기준을 설정하고, 이 손상에 관한 충돌 영향 평가를 실시하여 이를 만족시키는 수준에서의 비산물체의 최대 속도 및 크기를 도출함으로써 프리스트레스 손실을 도입한 경우에 대한 새로운 외부충돌하중 시나리오를 설정하였다. (3) 프리스트레스 손실의 도입 결과 텐던의 배치가 비교적 넓은 벽체 상부면의 충돌 거동에 대해서는 프리스트레스 손실의 도입 유무가 큰 영향을 미치지 않았다. 하지만 텐던의 배치가 매우 촘촘한 벽체 하부면에 대해서는 프리스트레스 손실의 도입 시 텐던의 긴장력 약화로 인해 벽체의 강성이 작아져 변위는 증가하고 응력은 감소하는 불안정한 거동을 보여주었다. (4) 프리스트레스 손실을 도입함으로써 더욱 정확한 구조물의 충돌 거동을 예측할 수 있었으며, 특히 충돌하중에 취약성을 나타내는 벽체의 하부에 있어서는 그 효과가 증대될 것으로 예상된다.
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참고문헌 (13)

  1. 한국가스공사 연구개발원, LNG 저장탱크 국산화 개발 및 상용화, 12-28, (2004) 

  2. 한국가스공사, LNG 저장탱크 지붕 해석 및 설계 기술 개발, 한국가스공사 연구보고서, 7-53, (2001) 

  3. Jeon, Se-Jin, Jin, Byeong-Moo and Kim, Young-Jin, "Design Basis of Large Above-ground LNG Tank", KCI, 15(3), 31-37, (2003) 

  4. Wiehle, C. K. and Buckholdt, J. L., Summary of Existing Structures Evaluation Part I : Walls, Stanford Research Institute, Menlo Park, California, (1968) 

  5. Wiehle, C. K., Evaluation of Existing Structures, Stanford Research Institute, Menlo Park, California, (1974) 

  6. EPRI, Aircraft Crash Impact Analysis Demonstrate Nuclear Power Plant's Structural Strength, 1-10, (2002) 

  7. Eibl, J. and Malt, E. H., Airplane Impact on Nuclear Power Plants, Transactions of the 17th International Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology, No. J03-6, (2003) 

  8. Itoh, M. and Katayama, M., "Computer Simulation of a Boeing 747 Passesger Jet Crashing into Reinforcement Concrete Wall", Materia Sciencel, 465-466, 73-78, (2004) 

  9. Shin, Sang-Shup and Park, Tae-Hyo, "Analysis of Containment Building Subjected to a Large Aircraft Impact using a Hydrocode", KSCE, 31(5A), 369-378, (2011) 

  10. Livemore Software Technology Corparation (LSTC), LS-DYNA Keyword Users Manual Version 971, Livemore, California, May., LS-DYNA 971 manual 

  11. "Impact of flying objects on the tank - BS 7777 : Part 1", (1993) 

  12. 신현묵, "프리스트레스 콘크리트", 동명사, (2008) 

  13. Kim, Ho-Jin, Nam, Jin-Won, Kim, Sung-Bae, Kim, Jang-Ho, Byun, Keun-Joo, "Analytical Evaluations of the Retrofit Performances of Concrete Wall Structures Subjected to Blast Load", KCI, 19(2), 241-250, (2007) 

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