[논문]5,000톤급 스테인리스 사각형 물탱크 구조의 설계 개선을 위한 구조해석

손병직; 이상열

doi:10.11004/kosacs.2015.6.4.044

5,000톤급 스테인리스 사각형 물탱크 구조의 설계 개선을 위한 구조해석
Structural Analysis for Design Improvement of Stainless 5,000ton Rectangular Water Tank Structures 원문보기

복합신소재구조학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures, v.6 no.4, 2015년, pp.44 - 50

손병직 (건양대학교 해외건설플랜트학과) , 이상열 (안동대학교 토목공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The finite element analysis of large sized rectangular water tank structures made of stainless steel materials is carried out for various combined load cases. The combined load cases for a large size of 5,000ton are further determined using the specification(KS B 6283) established from the Korean Standards Association. For the better numerical efficiency, the rectangular panels are modelled using the ANSYS program. The numerical results obtained for different load cases show as follows. In order to resist the snow load, it takes the influence of the gap than the size of the column. Also, in order to resist the water pressure, it shall increase the thickness of the wall. But, increasing the thickness of the wall is considerably less economical. Therefore, the angle with big thickness should be placed right next to the wall.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 사각형 물탱크 구조의 파라미터 해석을 통해서 합리적인 모델을 제시하는 것이다. 해석모델을 기본모델 외에 4가지 모델로 설정하여, 하중 조합별 해석을 통해 가장 합리적인 모델을 제시하고자 한다.
그림과 같이 내부 보강재를 너무 복잡하게 설치하는 경우에는 용접 부위가 증가하게 되어 부식 등의 문제를 발생시킬 수 있으며, 경제성에도 단점이 된다. 본 연구에서는 사각형 물탱크의 합리적인 설계를 위해서 파라미터 유한요소 응력해석을 실시하였다.
본 연구에서는 상세 구조해석을 통해서 5,000톤 규모의 대용량 사각형 물탱크의 구조개선 모델을 제시하였다. 사각형 배수지의 경우 단면 형상이 복잡하여 대용량인 경우 3차원 상세 모델링은 매우 난해하기 때문에 파라미터 해석이 어렵다.

가설 설정

1) 적설하중은 기둥의 크기보다는 간격의 영향을 많이 받는다. 따라서 기둥의 크기를 줄이고 간격을 줄여야 효율적인 설계가 될 것으로 판단된다.

제안 방법

구조해석은 자중과 수압이 동시에 작용하는 것을 기본으로 하여 적설하중(Case I) 및 풍하중(Case II)이 추가로 작용하는 경우에 대하여 정적 해석을 수행하였다. 수압은 만수위 5m를 기준으로 삼각형 형태의 하중으로 맨 밑의 수압은 0.
그림에서 수평 보강재는 가장자리를 제외하고 중앙에는 제거된 형태이다. 또한, 무늬가 있는 사각형 형태를 민무늬로 단순화하여 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 5,000톤 규모의 대용량 사각형 배수지 구조에 대한 상세 구조해석을 수행하였으며, 개선 모델과 비교 분석하여, 다음과 같은 결과를 도출하였다
3은 기본 모델에 적설하중이 재하된 경우에 대한 해석 결과를 나타낸 것이다. 여기서, 총 변위와 등가응력을 중심으로 해석 결과를 분석하였다. 총 변위는 # 인 벡터 합변위를 의미한다.
05MPa이다. 적설하중 및 풍하중은 관련 설계기준에 의해 각각 0.002MPa, 0.001268MPa을 재하하였다.
본 연구는 사각형 물탱크 구조의 파라미터 해석을 통해서 합리적인 모델을 제시하는 것이다. 해석모델을 기본모델 외에 4가지 모델로 설정하여, 하중 조합별 해석을 통해 가장 합리적인 모델을 제시하고자 한다.

대상 데이터

Fig. 1은 (주)문창에서 제공한 구조해석 대상 구조물로서 스테인리스 사각 패널형 배수지 탱크 형상을 보여준다(Son et al., 2015). 내부 단면은 수평 및 수직 보강재로 구성되어 있다.
3과 같이 기본 모델은 변위가 크게 발생하고 등가응력이 허용응력을 벗어난다. 강재 물탱크의 재료는 STS304이며, 허용응력은 인장강도의 1/1.5로 사용하여 385MPa이다. 또한, 기본 모델은 중앙의 기둥이 비효율적으로 배치되어 개선이 필요하다.
기본 모델은 큰 크기(두께가 큰)를 전체적으로 배치한 경우이고, M1∼M4는 기본 모델에서 기둥의 두께를 줄이면서 경제성을 확보한 모델이다.

데이터처리

구조해석은 파라미터 해석 및 복잡한 구조물을 모델링하기 편리한 ANSYS 프로그램을 이용하여 수행하였다.

성능/효과

2) 수압과 풍하중 특히, 수압 5m의 영향이 커서 벽의 두께를 크게 해야 한다. 벽의 두께를 크게 하면 경제성이 현저하게 떨어진다.
Table 5~6은 구조해석 결과를 요약한 것이다. 구조 해석결과로부터 모델 M4가 기본 모델에 비해 경제적 이면서, 허용응력 범위 안에 들어오는 것으로 분석되 었다. 기본 모델의 부피는 4.

후속연구

국내 배수지 용량은 지속적으로 증가하고 있어 향후 시장 증대가 예상되며, 배수지의 대형화로 인한 각종 대용량 배수지 및 물탱크 구조 개발의 필요성이 대두될 것으로 기대된다. 전술한 바와 같이 콘크리트 배수지의 경우 3,000톤 이상의 대용량 배수지가 이미 적용되고 있으며, 스테인리스 강재의 경우에도 이미 국외에서 5,000톤 이상의 대용량 배수지가 시공된 것을 감안하면 국내에서도 대용량의 스테인리스 강재 배수지 구조개발이 필요할 것으로 판단된다.
이에 보다 합리적이고 효율적인 설계를 위해서는 상세한 최적설계가 필요하다. 향후 다양한 파라미터 분석을 통하여 상세 최적설계를 하고자 하며, 또한 지진하중 작용시 분석도 병행해서 연구할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대용량 배수지가 경쟁력을 갖추기 위해선 무엇이 필요하나?	그러나, 3,000톤 이상의 대용량 STS 배수지 구조에 대한 설계사례 및 구조적 안정성 검토는 미미한 실정이며, 현재 KS규격도 3,000톤 미만에 대해서만 규정되어 있다. 대용량 배수지가 경쟁력을 갖추기 위해서는 외부 하중(지진, 풍압, 수압 등)에 대한 정확한 구조해석을 통하여 구조적 안정성을 확보할 필요가 있다 (U.S.
	콘크리트 배수지에 비해 스테인리스 강재 배수지의 장점은?	스테인리스 강재 배수지(물탱크)의 경우, 콘크리트 배수지에 비하여 친환경적이고 유지관리 등에서 우수한 성능을 가지고 있다(Mark et al., 1991).
	적설하중이 대용량 사각 물탱크에 주는 영향을 어떻게 해결 할 수 있는가?	대용량 사각 물탱크의 경우 적설하중과 수압의 영향을 많이 받는다. 적설하중의 영향은 기둥의 간격을 좁게 해야 해결할 수 있으며, 수압의 영향은 사각 물탱크의 외벽을 크게 해야 해결할 수 있다. 이렇게 하면 과도하게 비경제적으로 되며, 합리적인 설계를 할수 없다(Son et al.

참고문헌 (8)

Chang, C. H. (2010), "Material Development of Eco Water Tank with High Density Polyethylene and Low-temperature Concrete", Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection,Vol. 14, No. 4, pp. 133-140.
Hamdan, F. H. (2000), "Seismic behavior of cylindrical steel liquid storage tanks", Journal of Constructional Steel Research, 53, pp. 307-333.

상세보기
Hibbitt, Karlsson and Sorensen Inc. (2007), "ABAQUS/CAE user's manual", version 6.7, Pawtucket, R.I.
Korean Standards Association (2006), "Design requirements for wind load and seismic load of oil storage tanks", KS B 6283 (in Korean).
Malhotra, P. K. (1997), "Seismic Analysis of Liquid-Storage Steel Tanks", Structural Engineering International, pp.197-201.
Mark M. B., David A. C., Nany E. M. and Mark M. (1991), "Criteria for the Renovation or Replacement of Water Treatment Plants", AWWA Research Foundation and American Water Works Association.
Son, B. J. and Lee, S. Y. (2015), "Finite Element Stress Analysis of Large Sized Rectangular Water Tank Structures Made of Stainless Steel Materials", J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc., Vol. 6, No. 2, pp. 85-90.

원문보기 상세보기
U.S. Environmental Protection Agency (1989), "Guidance Manual for Compliance with the Filtration and Disinfection Requirements for Public Water System using Surface Water Sources", Washington, D.C.

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