[논문]천연가스 생산기지 시설물의 내진성능평가 절차

이태형; 이은숙; 박태규; 홍성경; 김준호

doi:10.14346/jkosos.2014.29.4.110

천연가스 생산기지 시설물의 내진성능평가 절차
Procedure of Seismic Performance Evaluation of LNG Receiving Terminal Facilities 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.29 no.4, 2014년, pp.110 - 115

이태형 (건국대학교 토목공학과) , 이은숙 ((주)마이다스아이티) , 박태규 ((주)마이다스아이티) , 홍성경 (한국가스공사) , 김준호 (한국가스공사)

Abstract ▼ AI-Helper

It is crucial for important facilities to withstand strong earthquakes because their damage may cause undesirable socio-economic effect. A liquefied natural gas (LNG) receiving terminal is one of the lifeline facilities whose seismic safety needs to be guaranteed. Even though all operating LNG receiving terminals in Korea were seismically designed, old design codes do not guarantee to comply with the current seismic design codes. In addition, if the constructional materials have been deteriorated, the seismic capacity of facilities may be also deteriorated. Therefore, it is necessary that the seismic performance of LNG receiving terminals is evaluated and the facilities that lack of seismic capacity have to be rehabilitated. In this paper, a procedure of seismic performance evaluation of such facilities is developed such that the procedure consists of three phases, namely pre-analysis, analysis, and evaluation phases. In the pre-analysis phase, design documents are reviewed and walk-on inspection is performed to determine the current state of the material properties. In the analysis phase, a structural analysis under a given earthquake or a seismic effect is performed to determine the seismic response of the structure. In the evaluation phase, seismic performance of the structure is evaluated based on limit states. Two of the important facilities, i.e. the submerged combustion vaporizer (SMV) and pipe racks of one of the Korean LNG receiving terminals are selected and evaluated according to the developed procedure. Both of the facilities are safe under the design level earthquake.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

기초자료는 설계도면, 구조계산서 및 관련자료와 주상도와 지질도 등의 지반자료를 포함한다. 또한 정기 시설물안전점검 자료를 확보하여 설계도면과 달리 구조적으로 변경된 사항이 있는지를 검토한다. 기초자료가 확보되면 현장 조사를 실시하는데, 이 단계는 주로 구조해석에 사용 되는 물성치를 검토하기 위한 기초자료를 취득하기 위해서 수행된다.
본 논문에서는 천연가스 생산기지의 필수기능을 수행하는 시설물에 대한 내진성능평가 절차를 개발하였다. 시설물을 구조적인 형태에 따라 유사건축구조와 비유사건축구조로 분류하고 각각에 맞는 구조해석방법을 제안하였다.
본 연구의 목적은 액화천연가스 생산기지 시설물에 대한 내진성능평가 절차를 개발하는데 있다. 액화천연가스의 생산과 공급에 필수적인 시설물들을 구분하고 이들의 구조적인 특징을 분석하였다.
본 절에서는 1986년에 준공되어 현재까지 운용 중인 파이프랙의 내진성능평가를 수행하였다. 파이프랙은 하역시설부터 시작되는 가스파이프를 지지하는 구조물로, 유사건축구조에 해당한다.

제안 방법

파이프랙은 하역시설부터 시작되는 가스파이프를 지지하는 구조물로, 유사건축구조에 해당한다. SMV와 마찬가지로, 내진설계에 대한 구체적인 문서가 남아있지 않아, 붕괴방지수준의 0.2 g를 내진성능평가의 지진하중으로 설정하였다. 사전조사 단계에서 시설물과 관련된 도면
과 설계도서를 확보하고, 현장조사를 실시하였으나, 구조물의 성능을 저하시킬 정도의 부식이나 균열은 발견 되지 않았다. 강재로 구성된 프레임구조가 지진하중과 같은 횡하중에 저항하는 구조이므로 강재를 보기둥요소로 모델링하였다. 강재프레임의 재료는 SS400으로 구체적인 물성치는 Table 1과 같다.
개발된 내진성능평가 절차를 적용하여 국내에서 운용 중인 액화천연가스 생산기지의 시설물 중 SMV의 내진성능을 평가하였다. SMV는 수중 연소버너의 연소가스에 의해 가열된 온수에서 스테인리스 튜브의 LNG 를 기체상태의 천연가스로 기화시키는 기기이다.
8)을 각 부재의 허용응력과 비교하였다. 검토 대상인 부재는 상부 steel floor, 콘크리트수조, 배관, 배관/기기의 지지부로 분류하고, 각 부재의 허용응력과 지진에 의한 최대응력을 표 2에 제시하였다. 검토결과 모든 구조부재에서 허용응력을 초과하지 않았으므로, SMV는 내진성능을 보유하고 있는 것으로 확인되었다.
249 g로 계산되었다. 구조물에 최대한 불리한 조건을 부여하기 위해 다양한 사하중과 활하중, 지진하중의 조합을 고려하였다.
구조해석의 결과로 모든 구조부재에 발생하는 최대응력(Fig. 10)을 각 부재의 허용응력과 비교하였다. 검토의 대상이 되는 부재는 berth structure와 jetty line의 철골부재로 기둥과 보, 가새로 구성되어 있으며 모든 부재의 허용응력은 160 MPa이다.
구조해석의 결과로 모든 구조부재에 발생하는 최대응력(Fig. 8)을 각 부재의 허용응력과 비교하였다. 검토 대상인 부재는 상부 steel floor, 콘크리트수조, 배관, 배관/기기의 지지부로 분류하고, 각 부재의 허용응력과 지진에 의한 최대응력을 표 2에 제시하였다.
두 번째 단계는 해석 단계로 내진성능평가 절차서에서 제안하는 방법으로 지진구조해석을 수행한다. 이 단계는 내진성능평가의 모든 과정을 통틀어 가장 핵심적인 단계라고 할 수 있다.
1990년대 중반에 시공되어 현재까지 운용 중인 이 시설은 UBC의 지진하중을 적용했다는 기록이 있을 뿐 구체적인 내진설계의 기록이 남아 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 NRC(Nuclear Regulatory Commission)에서 제시 하는 Safety Shutdown Earthquake(SSE, 0.2 g)를 기준으로 해석을 수행하였다. 국내 토목 및 건축구조물의 내진설계기준을 고려하면 0.
현장조사에서는 운용 중인 시설물이 설계도서와 부합하는지 여부와 안전점검이나 기타 이유에 의해서 구조적인 변경사항이 발생하였는지를 조사한다. 또한 콘크리트, 강재, 연결부 등의 부식, 균열, 파손상태를 점검하고 부등침하를 조사한다.
본 연구에서는 내진성능평가의 절차를 사전조사, 해석, 평가의 3단계로 정의하였다. 각 단계에 해당하는 절차의 구체적인 내용은 다음과 같다.
액화천연가스의 생산과 공급에 필수적인 시설물들을 구분하고 이들의 구조적인 특징을 분석하였다. 생산기지 시설물의 내진설계기준에 부합하는 해석법을 이용하여 시설물이 설계기준에서 요구하는 사항을 만족하는지 여부를 판단하는 내진성능평가 기준을 개발하고, 이 절차를 파이프랙과 연소식 기화기 (Submerged combustion vaporizer, SMV)에 적용하여 내진성능을 평가하였다. 단, 생산기지 시설물 중 저장탱크는 본 논문의 범위에서 제외한다.
본 논문에서는 천연가스 생산기지의 필수기능을 수행하는 시설물에 대한 내진성능평가 절차를 개발하였다. 시설물을 구조적인 형태에 따라 유사건축구조와 비유사건축구조로 분류하고 각각에 맞는 구조해석방법을 제안하였다. 내진성능평가는 사전조사, 해석, 평가의 3단계로 정의하였다.
이 단계에서는 구조물의 노후화를 고려하기 위해 현장조사 단계에서 취득한 물성 값(예, 슈미트해머를 이용한 콘크리트의 압축강도)과 균열, 부식 등의 열화조건을 반영한다. 시설물의 중요도, 위치, 지반조건 등을 고려하여 산정한 지진의 지반가속도를 하중으로 하여 지진구조해석을 수행한다. 해석기법은 2차원 또는 3차원 모델에 대한 등가정적해석법, 응답스펙트럼해석법, 시간이력해석법 등을 사용할수 있으나, 비유사건축구조의 경우에는 2차원해석 또는 등가정적해석법을 사용하지 않는다.
본 연구의 목적은 액화천연가스 생산기지 시설물에 대한 내진성능평가 절차를 개발하는데 있다. 액화천연가스의 생산과 공급에 필수적인 시설물들을 구분하고 이들의 구조적인 특징을 분석하였다. 생산기지 시설물의 내진설계기준에 부합하는 해석법을 이용하여 시설물이 설계기준에서 요구하는 사항을 만족하는지 여부를 판단하는 내진성능평가 기준을 개발하고, 이 절차를 파이프랙과 연소식 기화기 (Submerged combustion vaporizer, SMV)에 적용하여 내진성능을 평가하였다.

대상 데이터

강재로 구성된 프레임구조가 지진하중과 같은 횡하중에 저항하는 구조이므로 강재를 보기둥요소로 모델링하였다. 강재프레임의 재료는 SS400으로 구체적인 물성치는 Table 1과 같다. Fig.
10)을 각 부재의 허용응력과 비교하였다. 검토의 대상이 되는 부재는 berth structure와 jetty line의 철골부재로 기둥과 보, 가새로 구성되어 있으며 모든 부재의 허용응력은 160 MPa이다. 검토결과 모든 철골 부재를 통틀어 최대응력이 86.
구조공학적인 관점에서 SMV는 철근콘크리트벽체가 지진하중과 같은 횡하중에 저항하는 형식을 갖고 있어 철근콘크리트벽체를 plate요소로 모델링하고, 그 외의 비구조요소들은 강체로 모델링하여 질량만 고려하도록 유한요소모델을 구성하였다. 구조물의 콘크리트벽체는 C240을, 수조내부의 파이프와 지지부는 스테인레스, 수조외부의 지지부는 SS400을 적용하였으며 각각의 재료 물성치는 Table 1과 같다. 구조해석은 범용프로그램인 Midas NFX⁸⁾를 사용하였다.
협의가 완료되면 2단계 구조해석을 수행 하기 위한 기초자료를 수집하게 된다. 기초자료는 설계도면, 구조계산서 및 관련자료와 주상도와 지질도 등의 지반자료를 포함한다. 또한 정기 시설물안전점검 자료를 확보하여 설계도면과 달리 구조적으로 변경된 사항이 있는지를 검토한다.

데이터처리

구조물의 콘크리트벽체는 C240을, 수조내부의 파이프와 지지부는 스테인레스, 수조외부의 지지부는 SS400을 적용하였으며 각각의 재료 물성치는 Table 1과 같다. 구조해석은 범용프로그램인 Midas NFX⁸⁾를 사용하였다.

성능/효과

검토 대상인 부재는 상부 steel floor, 콘크리트수조, 배관, 배관/기기의 지지부로 분류하고, 각 부재의 허용응력과 지진에 의한 최대응력을 표 2에 제시하였다. 검토결과 모든 구조부재에서 허용응력을 초과하지 않았으므로, SMV는 내진성능을 보유하고 있는 것으로 확인되었다.
검토의 대상이 되는 부재는 berth structure와 jetty line의 철골부재로 기둥과 보, 가새로 구성되어 있으며 모든 부재의 허용응력은 160 MPa이다. 검토결과 모든 철골 부재를 통틀어 최대응력이 86.1 MPa로 계산되어, 파이프랙은 충분한 내진성능을 보유하고 있는 것으로 확인되었다.
마지막으로 평가단계는 구조해석의 결과를 바탕으로 시설물이 현행 내진설계기준을 만족하는지 여부를 검토하고 내진성능보유여부를 판단하는 단계이다. 본 논문에서 개발한 내진성능평가 절차를 현재 국내 천연가스 생산기지에서 운용 중인 SMV와 파이프랙에 적용하여 두 시설물 모두 충분한 내진성능을 보유하고 있음을 확인하였다.

후속연구

국내에서 운용 중인 액화천연가스 생산기지의 시설물 들은 모두 내진설계가 되어 있지만, 일부 시설물들은 1980년대에 건설되어 20∼30여 년 전에 설계된 시설물들이 현행 내진설계기준을 만족하는 지 여부를 평가해야 할 필요가 있다. 게다가, 노후화된 시설물들을 구성 하는 구조재료들이 오랜 시간을 거치는 동안 열화되었다면, 시설물의 내진성능 역시 감소했을 것이므로 이런 점 또한 성능평가를 거쳐 확인할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가스생산기지 시설물 중 건축물과 유사한 형태(유사건축구조)와 그렇지 않은 구조물에 속하는 것은 무엇인가?	특히 증발가스압축기와 같이 견고한 기계장치가 앵커볼트를 통해 콘크리트기초에 고정된 경우에는 기계장치를 강체(rigid body)로, 앵커볼트를 변형체(deformable body)로 모델링하는 것이 일반적이다. 가스생산기지 시설물 중 유사건축구조는 파이프랙을, 비유사건축구조는 unloading arm, 증발가스압축기, 재액화설비, 2차펌프, 기화기 등을 포함한다.
	액화천연가스 생산기지의 시설물의 내진성능평가가 필요한 이유는 무엇인가?	액화천연가스 (Liquefied Natural Gas, LNG) 생산기지는 라이프라인을 구성하는 중요한 시설 중 하나로 강력한 지진에 대한 안전성이 요구되는 시설물이다. 국내에서 운용 중인 액화천연가스 생산기지의 시설물 들은 모두 내진설계가 되어 있지만, 일부 시설물들은 1980년대에 건설되어 20∼30여 년 전에 설계된 시설물들이 현행 내진설계기준을 만족하는 지 여부를 평가해야 할 필요가 있다. 게다가, 노후화된 시설물들을 구성 하는 구조재료들이 오랜 시간을 거치는 동안 열화되었다면, 시설물의 내진성능 역시 감소했을 것이므로 이런 점 또한 성능평가를 거쳐 확인할 필요가 있다.
	액화천연가스 생산기지를 구성하고, 천연가스의 생산 및 공급공정에 필수적인 시설물은 무엇인가?	액화천연가스 생산기지를 구성하고, 천연가스의 생산 및 공급공정에 필수적인 시설물은 하역설비, 저장 탱크, 증발가스(BOG)압축기, 재액화설비, 2차펌프, 기화기, 그리고 파이프랙 등으로 구분할 수 있다5). Fig.

참고문헌 (8)

Datta, T. K., "Seismic Response of Buried Pipelines: A State-of-the Art Review", Nuclear Engineering and Design, Vol. 192, No. 2-3, 271-284, 1999.

상세보기
A. Mashaly and T. K. Datta, "Seismic Risk Analysis of Buried Pipelines", ASCE Journal of Transportation Engineering, Vol. 115, No. 3, 232-252, 1989.

상세보기
Korea Infrastructure Safety Corporation, "Seismic Capacity Evaluation Procedure of Existing Buildings", Ministry of Construction and Transportation, 2011. (in Korean)
Korea Infrastructure Safety Corporation, "Seismic Capacity Evaluation Procedure of Existing Bridges", Ministry of Construction and Transportation, 2011. (in Korean)
Korea Gas Corporation, URL: http://www.kogas.or.kr.
ASCE, "Guideline for seismic evaluation and design of petrochemical facilities", American Society of Civil Engineers, Reston, VA, USA, 2010.
Ministry of Construction and Transportation, "Development of Seismic Design Code II", Ministry of Construction and Transportation, 1997. (in Korean)
MidasIT, "Midas NFX Analysis Manual", MidasIT, 2010.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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