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폭발하중 이력 특성에 따른 판 구조물의 동적응답 평가 - Part B: 고유주기에 따른 폭발하중 지속시간의 영향 분석 -
Dynamic Response of Plate Structure Subject to the Characteristics of Explosion Load Profiles - Part B: Analysis for the Effect of Explosion Loading Time According to the Natural Period for Target Structures - 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.28 no.2, 2015년, pp.197 - 205  

강기엽 (부산대학교 조선해양공학과) ,  최광호 (부산대학교 조선해양공학과) ,  류용희 (삼성중공업 판교 R&D센터) ,  최재웅 (삼성중공업 판교 R&D센터) ,  이제명 (부산대학교 조선해양공학과)

초록
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가스 생산용 해양플랜트 설비의 경우 폭발의 위험에 노출되어 있으며, 폭발사고는 구조물의 안전성에 치명적인 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 이러한 폭발사고에 의한 피해를 최소화하기 위해서는, 폭발하중에 의한 구조부재의 동적응답 특성을 명확히 파악할 필요가 있다. 폭발하중의 경우 매우 짧은 시간 동안에 구조물에 가격되었다가 소멸되기 때문에 구조부재의 고유주기 및 폭발하중의 지속시간을 고려한 동적응답 평가가 필수적으로 요구된다. 일반적으로 가스 폭발하중의 경우, 부 압력단계가 전체 하중 이력에서 상당 부분 존재하며, 본 연구에서는 이러한 부 압력단계의 형상에 따라 총 하중 지속시간을 결정하는 하중 모델을 제안하였다. 방화벽은 폭발사고 시 장비 및 인명 피해를 방지하고자 FPSO 탑사이드 모듈 사이에 배치되는 구조부재이므로 폭발하중에 의한 응답이력 특성 분석이 반드시 필요하다. 때문에 무 감쇠 단 자유도 모델에 가스 폭발하중을 적용하여 변위응답 특성을 분석하였으며, 평판으로 구성된 방화벽의 FE 모델을 이용한 하중 지속시간과 구조부재들의 고유주기를 고려한 응답 특성을 분석하였다. LS-DYNA를 이용한 선형/비선형 구조해석 분석결과, 부 압력단계의 지속시간이 구조물의 동적응답에 큰 영향을 주는 것을 보였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Offshore structures for the gas production are exposed to the risk of gas leaks, and gas explosions can result in fatal damages to the primary structures as well as secondary structures. To minimize the damage from the critical accidents, the study of the dynamic response of structural members subje...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 하지만 폭발하중의 경우 매우 짧은 지속시간으로 인해 감쇠로 인해 소산되는 에너지가 적다고 판단하여 폭발하중에 의한 단 자유도 모델의 수치해석 시 일반적으로 무 감쇠 시스템을 고려한다. 따라서 본 연구에서는 무 감쇠 단자유도 모델에 대한 변위응답 분석을 수행하였다. 폭발하중에 대한 구조부재의 응답은 해당 부재의 고유주기(Tn)와 작용하는 폭발하 중의 지속시간(td)의 비로 아래와 같이 세 가지 형태로 분류 될 수 있다.
  • 따라서, 정밀한 폭발하중 산정을 위해서는 대상 구조물의 기하학적 조건과 가동 환경조건 등을 고려한 폭발해석 모델 선정이 필요하다. 본 연구에서는 FPSO topside platform의 계단, 난관 등과 같은 세부적인 부분까지 고려하여 FLACS를 이용한 가스 폭발해석을 수행하였다. Fig.
  • 따라서 이러한 결과가 구조설계 시 직·간접적으로 반영된다면 설계적으로 과대 혹은 과소평가 되어질 수도 있다. 본 연구에서는 폭발하중 이력에서 부 압력단계를 고려한 하중 모델과 구조 시스템의 고유주기 특성을 고려한 변위응답 특성을 분석하였다.
  • 본 연구에서는 폭발하중의 지속시간과 하중을 부여 받는 구조부재의 고유주기와의 관계에 따른 응답 이력 특성에 관한 분석을 수행하였다. 구조해석의 하중조건으로 적용된 폭발하중 이력은 폭발해석을 통해 도출된 하중 이력들의 특징을 반영하여 삼각형 형태의 단순화 모델로 전환하여 사용하였다.
  • 이러한 폭발파의 하중 이력을 획득하기 위해서는 실험적 방법 및 전산 프로그램을 이용한 수치 해석적 방법이 있다. 본 연구에서는 현재 해양 플랜트 폭발해석 시 가장 널리 사용되는 프로그램인 FLACS를 이용하여 폭발해석을 수행하였다.
  • 하중 지속시간과 고유주기의 비에 따른 동적응답 특성이 상이하게 나타난다는 것을 단 자유도 모델을 통해 분석하였다. 본 절에서는 전형적인 판 구조물인 방화벽의 폭발하중 이력에 따른 변위 응답 특성을 분석한 유한요소해석 결과를 나타낸다. 최대부압(PN)의 크기를 최대정압(PP)의 0.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
가스 생산용 해양플랜트 설비에서 폭발이 발생할 경우 상대적으로 높으며 더욱 위험한 사고를 초래할 수 있는 이유는? 육상의 경우 공간상의 제약이 적기때문에 폭발방지 및 피해 최소화를 위한 설비 시스템을 구축하기 쉽고, 구조부재들의 레이아웃이 용이하지만 해양플랜트의 경우 한정된 공간과 다양한 장비들로 인한 폐쇄적인 경로 등으로 인해 폭발로 인한 피해가 더 치명적일 수 있다. 특히, 최근 수요가 증가하고 있는 가스 생산용 해양플랜트 설비의 경우 시추, 정제 등의 공정 과정에서 많은 인화성 물질들을 포함하고 있으며, 다양한 공정 장비들로 인해 복잡한 구조적 형상으로 폐쇄 경로가 많이 존재한다. 이로 인해, 가스 생산용 해양플랜트 설비에서 폭발이 발생할 경우 기존의 석유 생산용 설비에 비해 폭발하중이 상대적으로 높으며 더욱 위험한 사고를 초래할 수 있다(Kim, 2012).
폭발이란? 폭발은 짧은 시간 안에 급격한 압력 변화로 인해 구조부재의 파손 및 손상을 유발하며, 한번 발생하게 되면 대규모 피해를 유발할 수 있는 고위험 군에 속하는 사고이다. 육상의 경우 공간상의 제약이 적기때문에 폭발방지 및 피해 최소화를 위한 설비 시스템을 구축하기 쉽고, 구조부재들의 레이아웃이 용이하지만 해양플랜트의 경우 한정된 공간과 다양한 장비들로 인한 폐쇄적인 경로 등으로 인해 폭발로 인한 피해가 더 치명적일 수 있다.
정밀한 폭발하중 산정을 위해 필요한 것은? 이로 인해, 가스 생산용 해양플랜트 설비에서 폭발이 발생할 경우 기존의 석유 생산용 설비에 비해 폭발하중이 상대적으로 높으며 더욱 위험한 사고를 초래할 수 있다(Kim, 2012). 따라서, 정밀한 폭발하중 산정을 위해서는 대상 구조물의 기하학적 조건과 가동 환경조건 등을 고려한 폭발해석 모델 선정이 필요하다. 본 연구에서는 FPSO topside platform의 계단, 난관 등과 같은 세부적인 부분까지 고려하여 FLACS를 이용한 가스 폭발해석을 수행하였다.
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참고문헌 (11)

  1. Chopra, A.K (2007) Dynamics of Structures Third Edition, Pearson International Edition, pp.1-865. 

  2. Chung, K., Yuen, S., Nurick G.N. (2005) Experimental and Numerical Studies on the Response of Quadrangular Stiffened Plates, Part 1: Subjected to Uniform Blast Load, Int. J. Impact Eng., 31(1), pp.55-83. 

  3. Det Norske Veritas (DNV) (2010) Design Against Accidental Loads, Recommended Practice DNV-RPC204, pp.1-53. 

  4. Hwang, I.H. (2012) Elasto-Plastic Response of Structural Elements Subjected to Blast Pressure, Posco Eng. Tech. Note, 28(1), pp.18-28. 

  5. Kang, K.Y., Choi, K.H., Ryu, Y.H., Choi, J.W., Lee, J.M. (2014) The Effect of Negative Pressure Phase in Blast Load Profile on Blast Wall of Offshore Plant Topside, J. Comput. Struct. Eng. Inst. Korea, 27(4), pp.281-288. 

  6. Kim, B.J., Kim, B.H., Sohn, J.M., Paik, J.K., Seo, J.K. (2012) Parametric Study on Explosion Impact Response Characteristics of Offshore Installation's Corrugated Blast Wall, Korean Soc. Ocean Eng., 26(3), pp.46-54. 

  7. Kim, H.J., Nam, J.W., Kim, S.B., Kim, J.H., Byun, K.J. (2007) Analytical Evaluations of the Retrofit Performances of Concrete Wall Structures Subjected to Blast Load, J. Korea Concr. Inst., 19(2), pp.241-250. 

  8. Langdon, G.S., Schleyer, G.K. (2006) Deformation and Failure of Profiled Stainless Steel Blast Wall Panels, Part III: Finite Element Simulations and Overall Summary, Int. J. Impact Eng., 32, pp.988-1012. 

  9. Lee, D.H., Kim, D.K., Lee, K.H. (2008) Dynamic Analysis Technique for Earthquake, Explosion and Fatigue Loadings, Special Article, J. Korea Concr. Inst., 20(4), pp.36-44. 

  10. Lee, K.K., Kim, T.J., Kim, E.S., Kim, J.K. (2007) Behavior of Steel Columns subjected to Blast Loads, J. Archit. Ins. Korea, 23(7), pp.37-44. 

  11. UKOOA (2003) Fire and Explosion Guidance Part 1: Avoidance and Mitigation of Explosions, Issue 1. UK Offshore Operators Association, London. 

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