[논문]폭발 하중을 받는 보강된 방폭벽의 동적 구조 응답 특성에 관한 연구

김상진; 손정민; 이종찬; 리춘보; 성동진; 백점기

doi:10.3744/snak.2014.51.5.380

폭발 하중을 받는 보강된 방폭벽의 동적 구조 응답 특성에 관한 연구
Dynamic Structural Response Characteristics of Stiffened Blast Wall under Explosion Loads 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.51 no.5, 2014년, pp.380 - 387

김상진 (부산대학교 선박해양플랜트기술연구원) , 손정민 (부산대학교 선박해양플랜트기술연구원) , 이종찬 (부산대학교 선박해양플랜트기술연구원) , 리춘보 (부산대학교 선박해양플랜트기술연구원) , 성동진 (부산대학교 선박해양플랜트기술연구원) , 백점기 (부산대학교 선박해양플랜트기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Piper Alpha disaster drew attention to the damage likely to arise from explosions and fires on an offshore platform. And great concerns have been increased to prevent these hazards. Blast wall is one of the passive safety systems; it plays a key part of minimizing the consequences. However, a buckling due to explosion loads is a factor which can reduce the strength of blast wall. The buckling often occurs between web and flange at the center of blast wall. This study aims to find a solution for reinforcing its strength by installing a flat plate at the spot where the buckling occurs. First of all, ANSYS finite element method is adopted to numerically compute the structural resistance characteristic of blast wall by using a quasi-static approach. Sequentially, the impact response characteristics of blast wall are investigated the effect on thickness of flat plate by using ANSYS/LS-DYNA. Finally, pressure-impulse diagrams (P-I diagram) are presented to permit easy assessment of structural response characteristics of stiffened blast wall. In this study, effective use is made to increase structural intensity. of blast wall and acquired important insights have been documented.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구는 웹과 플랜지에 발생하는 좌굴을 방지, 혹은 충격 흡수를 통한 좌굴점 지연을 위한 방안을 모색하였다. 기존 방폭벽의 좌굴이 발생하는 위치에 보강판을 부착하여, 방폭벽의 구조강도를 조사하였으며, 보강판의 위치와 두께를 달리하여 동적 구조 응답특성을 살펴보았다.
본 연구에서는 좌굴을 방지 또는 충격흡수를 통해 좌굴점을 지연하기 위한 방안으로 기존의 방폭벽에 얇은 판이 부착된 새로운 형태의 방폭벽의 동적 구조 거동이 조사되었다. 이를 바탕으로 다음과 같은 결론을 내었다.

가설 설정

일반적으로 방폭벽의 구조 거동 분석 시, 최대 처짐 및 영구처짐의 관점으로 구조물을 분석 하기에 파단변형률은 고려하지 않았다. 본 연구에 사용된 재료는 연강이며, 응력-변형률 곡선은 완전탄소성모델로 가정하였다. 관련 물성치는 Table 2에 표기하였다.

제안 방법

- 특정한 하중에서의 구조물의 손상에 대한 평가를 용이하게 하는 설계기법인 압력-충격량 선도를 제시하였다.
본 연구는 웹과 플랜지에 발생하는 좌굴을 방지, 혹은 충격 흡수를 통한 좌굴점 지연을 위한 방안을 모색하였다. 기존 방폭벽의 좌굴이 발생하는 위치에 보강판을 부착하여, 방폭벽의 구조강도를 조사하였으며, 보강판의 위치와 두께를 달리하여 동적 구조 응답특성을 살펴보았다.
기하학적 비선형을 묘사하기 위해 파형판과 보강판은 4절점 shell요소를 사용하였으며, 연결부는 8절점 solid 요소로 구성하였다. 파형판과 연결부는 용접으로 고정되어있으므로, 접합된 위치의 절점을 공유시킴으로 써 상이한 요소자유도를 일치시켰다.
는 하중의 지속시간이다. 방폭벽의 동적영역을 정의하기 위해 모델별로 고유주기를 조사하였으며, Table 3에 정리하였다.
5(b)에서 좌굴이 발생하는 지점에 보강판을 배치하였다. 보강판은 파형구조물과 함께 연속적으로 구성되며, 폭은 180mm로 제한하였으며, 보강판의 두께별 영향을 조사하기 위해 4mm와 8mm를 비교하였다.
본 논문에서는 수치시뮬레이션을 통해 얻어진 동적구조응답의 영역을 재분류 하였다. Fig.
그러나, 연결부의 형상에 따라, 허용범위가 달라진다고 명시되어있다. 본 논문에서는 파형판 양끝에 브래킷이 연결되어 더 많은 처짐이 허용되므로, 100mm와 400mm에서의 압력-충격량 선도를 작도하였으며, Fig. 12에 제시하으며, 제안된 식의 계수는 Table 5에 정리하였다.
제시된 계수의 값은 Table 5에 정리하였다. 본 연구에서 최대변형량이 아닌 하중이 작용한 뒤 구조물의 영구처짐량을 관찰하였다. 영구처짐량은 시간-하중 곡선 이후의 구조물의 거동으로 구조물이 탄성변형을 넘어 소성변형이 발생한 값이다.
본 연구에서는 Fig. 7과 같이 최대압력(p_peak)과 지속시간(t_d)으로 정의되는 이등변 삼각형 형상의 폭발하중을 적용하였으며, 하중의 방향은 파형판의 수직으로 작용하였다. 시간에 따라 발생되는 하중의 면적은 구조물에 전달되는 충격량으로 정의된다.
4는 기존의 방폭벽과 연결부의 주요치수를 나타낸다 (HSE, 2003). 우선적으로, 보강판을 부착하는 지점을 선정하기 위해 좌굴이 발생하는 위치를 조사하였다.
일반적인 방폭벽과 효과가 가장 좋은 1안 (t=8mm)을 파형 방폭벽의 동적구조응답 특성을 이용하여 압력-충격량 선도 (pressure-impulse curve)를 생성하여 비교하였다. 식 (3)은 계산된 수치데이터를 바탕으로 제시된 파형곡선함수이다.
식 (3)은 계산된 수치데이터를 바탕으로 제시된 파형곡선함수이다. 함수와 수치데이터와의 제곱오차합을 구하고 이를 최소가 되도록 각 변수에 계수를 부여하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 대상 구조물은 부유식 원유생산저장하역설비 상부 구조물에 설치되는 방폭벽으로 작업 인부의 안전을 지키기 위해 수용시설 앞에 설치된다. Fig.
해양구조물에는 유정 속의 고압가스, 물, 원유 등이 분출하여 발생하는 사고를 방지하기 위해 폭발방지 장치·설비 또는 분출압력을 낮추는 장치 등 다양한 안전시스템이 설치된다. 본 연구에서는 안전시스템 중 사고 발생 후 피해를 최소화 하여 위험도를 감소시키는 설비인 방폭벽을 대상으로 한다. 이는 적은 비용으로도 충분히 위험도를 낮출 수 있어 해양구조물 상부 구조물을 비롯해 산업전반에 걸쳐 비용 효과 제어 수단으로 폭넓게 사용된다.

이론/모형

동적구조 응답을 살펴보기에 앞서, ANSYS (2013)를 활용하여, 정적하중 하에서의 구조물의 비선형성 거동을 살펴보았다. 준정적해석에서의 구조응답은 구조물의 하중이력시간보다 구조물의 강성에 의존하며, 결과는 Fig.

성능/효과

또한, 정적해석 결과와 동일하게 1안의 경우 강도향상에 효과를 보였으나, 2안의 경우 기존의 파형판과 차이가 크지 않음을 알 수 있다. 이러한 차이는 압력이 커질수록 뚜렷하게 나타났으며, 부착된 판의 두께의 영향은 미미하였다.
보강판이 부착될 경우 정적강도는 증가하였으며, 이는 부착된 보강판이 기존구조물보다 높은 강성을 가짐으로써 구조물의 비선형 거동 영향을 약화시킴을 의미한다. 이를 통해 2안보다는 1안이 강도향상에 적합함을 알 수 있으며, 부착된 판의 두께는 방폭벽의 강도에 영향이 없음을 확인 할 수 있다.

후속연구

본 연구는 향후 해양구조물 폭발 사고 시 방폭벽의 강도 증가와 효율적인 제작에 유용한 지침서가 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	해양구조물은 어떤 위험에 노출되어있나?	해양구조물은 운용 시 화재, 폭발, 오일누출 등 다양한 위험에 노출되어있다. Table 1은 과거 해양구조물에서 발생한 사고 중심각한 결과를 초래한 사고를 정리하였다.
	해양구조물에는 어떤 안전시스템이 설치되는가?	이와 같이 해양구조물은 운항 시 화재 및 폭발사고와 같은 고위험성이 존재하며, 이를 방지 혹은 피해를 최소화하기 위하여 위험도를 감소시키는 안전시스템 설계가 요구된다 (Paik & Thayamballi, 2007). 해양구조물에는 유정 속의 고압가스, 물, 원유 등이 분출하여 발생하는 사고를 방지하기 위해 폭발방지 장치·설비 또는 분출압력을 낮추는 장치 등 다양한 안전시스템이 설치된다. 본 연구에서는 안전시스템 중 사고 발생 후 피해를 최소화 하여 위험도를 감소시키는 설비인 방폭벽을 대상으로 한다.
	기존의 방폭벽에 얇은 판이 부착된 새로운 형태의 방폭벽의 동적 구조 거동을 분석한 결과는 무엇인가?	- 방폭벽의 높이 방향 중앙에 판형태의 보강판을 설치 할 경우 방폭벽이 가지는 강성의 향상으로 6.5-9.5%정도의 처짐을 감소시킨다. - 2가지의 해석모델 중 2개의 얇은 판이 부착된 2안보다, 1개의 얇은 판이 부착된 1안의 영구처짐이 작았으며, 이는 초기모델에서의 좌굴이 발생하는 지점에서의 보강이 중요함을 알 수 있다. - 보강재의 유무에 따른 강도향상은 확연히 나타났지만, 보강재 두께에 따른 영향은 크게 나타나지 않았다. - 특정한 하중에서의 구조물의 손상에 대한 평가를 용이하게 하는 설계기법인 압력-충격량 선도를 제시하였다. - 폭발 하중은 높은 압력과 짧은 지속시간을 유발하는 현상으로, 압력-충격량 선도의 민감한 충격영역에 속한다. 폭발하중이 발생 하면, 보강재를 부착한 구조물이 상대적으로 더 큰 충격량을 흡수 할 수 있다.

참고문헌 (15)

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Paik, J.K., 2011. Explosion and Fire Engineering of FPSOs (Phase III): Nonlinear Structural Consequence Analysis. LRET Research Centre of Excellence, Pusan National University: Busan.
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