[논문]원심식 압축기 구동용 모터 베이스 프레임의 콘크리트 타설에 따른 구조안전성 평가

김민진; 이재훈; 한정삼

doi:10.7734/coseik.2016.29.1.1

[국내논문] 원심식 압축기 구동용 모터 베이스 프레임의 콘크리트 타설에 따른 구조안전성 평가
Structural Safety Assessment of a Concrete-filled Base Frame Supporting a Motor for Centrifugal Compressor Drives 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.29 no.1, 2016년, pp.1 - 8

김민진 ((주)대주기계 유체기계기술연구소) , 이재훈 ((주)대주기계 유체기계기술연구소) , 한정삼 (안동대학교 기계설계공학과)

초록
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본 논문에서는 원심식 대형 압축기 구동용 모터 베이스 프레임의 구조해석 및 콘크리트 타설에 따른 구조안전성 평가를 수행하였다. 먼저 모터 베이스 프레임에 적용되는 네 가지 하중조건에 따른 구조해석을 진행하고 최대 비틀림 에너지 이론 및 Mohr-Coulomb 이론을 통하여 구조안전성을 평가하였다. 구조해석 결과에서 취약한 구조안전성을 나타낸 연결부 등의 불연속적인 부분에서 발생하는 국부응력에 대하여 ASME VIII Div. 2에 따른 구조안전성 평가를 적용함으로써 좀 더 합리적으로 구조안전성 평가를 수행할 수 있었다. 또한, 모터 베이스 프레임 내부에 콘크리트 타설 및 미타설에 따른 구조해석 및 ASME 구조안전성 평가를 통하여 모터 베이스 프레임의 구조안전성을 정량적으로 비교하여 콘크리트 타설로 인한 구조 안전성의 향상을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we perform structural analysis for a base frame which is used to support a motor for large centrifugal compressor drives and a safety assessment according to the concrete placement. First, the structural analysis about four loading conditions for the motor base frame was conducted and the structural safety was evaluated through both the maximum distortion energy theory and Mohr-Coulomb theory. It was possible to perform a more reasonable safety evaluation against local stresses occurring at the discontinuous portion of the fragile structural members by applying the safety assessment through ASME VIII Div. 2. In addition, the motor base frames with and without the internal concrete placement were quantitatively compared by the structural analysis and safety evaluation using ASME code and it was found to improve the structural integrity due to the concrete placement.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

모터 베이스 프레임의 해석 시 적용되는 하중조건은 모터 제조사에서 제공되는 총 네가지 조건으로 (a) Machine weight only, (b) Rated torque, (c) Biphase short circuit 및 (d) Re-feeding transitory torque)이다. 이하중조건에는 이미 동적하중 요소가 포함되어 있으며, 각하중조건은 Fig.

제안 방법

다음 절에서는 구조해석 결과에서 취약한 구조안전성을 보인 모델 A의 A(c) 및 A(d)와 콘크리트가 타설된 모델 B의 B(c) 및 B(4)에 대하여 부재들의 연결부 등 불연속적인 부분에서 발생하는 국부응력에 대한 ASME 구조안전성 평가를 수행하고 이를 비교․분석하였다.
특히 구조적으로 취약한 부위에 대해서는 ASME Section VIII Div. 2를 이용하여 각 부재별 구조안전성을 평가하였다(Kim, 2011).
ASME BPVC Section VIII Div. 2를 이용하여 모터 베이스 프레임의 각 빔 형상 부재에 대한 구조안전성 평가를 수행하기 위하여 쉘 요소에 대한 응력선형화를 진행하였다 (Fig. 5 및 6참고). ANSYS Mechanical에서 쉘 요소의 등가응력은 Top, Bottom, Middle에서 결과가 출력된다.
모터 베이스 프레임은 모터를 지지하는 역할을 하며, 기기 운용상에서 발생하는 공진 및 집중하중에 대하여 설계단계에서 구조해석에 의한 구조안전성 평가가 수행되어야 하는 부분이다. 따라서, 본 논문에서는 모터 베이스 프레임에 대한 구조해석과 콘크리트 타설 및 미타설에 따른 구조해석 결과 및 ASME 구조안전성 평가를 수행하였다. 이를 통하여 모터 베이스 프레임 내부에 콘크리트 타설 및 미타설 시 모터 베이스 프레임의 구조안전성을 정량적으로 비교하였다.
또한, 본 논문에서는 많은 빔 부재로 되어 있는 모터 베이스 프레임의 연결부 등 불연속적인 부분에서 발생하는 국부응력에대한 ASME 구조안전성 평가를 적용함으로써 좀 더 합리적 으로 구조안전성 평가를 수행할 수 있었다.
모터 베이스 프레임 모델에 사용된 빔 부재의 규격은 Table 1에 나타내었다. 모델 A는 베이스 프레임 내부에 콘크리트가 미타설된 모델이며, 모델 B는 베이스 프레임 내부에 콘크리트가 타설된 모델을 의미하여 두 모델의 구조안전성 평가를 수행하고 비교하였다(Fig. 2 참고).
은 각각 최대 및 최소 주응력을 나타낸다. 본 논문에서 콘크리트는 선형 물성을 가지는 일반적인 탄성체로 모델링하였고, Mohr-Coulomb 이론으로 파괴를 판단할 때에 극한 인장강도는 5MPa, 극한 압축강도는 41MPa로 설정하였다.
본 논문은 원심식 압축기 구동용 모터 베이스 프레임의 구조해석을 위하여 상용 유한요소 프로그램인 ANSYS Design Modeler(ANSYS, 2015)를 이용하여 모터 베이스 프레임과 콘크리트의 형상을 모델링하고 ANSYS Mechanical을 사용 하여 베이스 프레임 내부에 콘크리트 미타설 및 타설에 따른 구조안전성 평가를 진행하였다. 특히 구조적으로 취약한 부위에 대해서는 ASME Section VIII Div.
유한요소모델 생성에는 ANSYS Mechanical을 사용하였으며 모터 베이스 프레임의 판재 및 빔 부재에 대한 요소 크기를 결정하기 위하여 쉘 요소 크기가 5mm 및 10mm인 경우 해석결과의 수렴성을 확인하였다. 쉘 요소 크기가 5mm 및 10mm에서 해석 결과에 차이가 없는 것을 확인하여 최종적으로 요소 크기를 10mm로 선정하였다.
이러한 빔 부재들은 쉘(shell)요소를 사용하여 모델링하였고 베이스 프레임 내부의 콘크리트 및 모터부의 하중을 받는 위받침대 판재(top plate)는 고체(solid)요소를 사용하여 모델링하였다. 모터 베이스 프레임 모델에 사용된 빔 부재의 규격은 Table 1에 나타내었다.
따라서, 본 논문에서는 모터 베이스 프레임에 대한 구조해석과 콘크리트 타설 및 미타설에 따른 구조해석 결과 및 ASME 구조안전성 평가를 수행하였다. 이를 통하여 모터 베이스 프레임 내부에 콘크리트 타설 및 미타설 시 모터 베이스 프레임의 구조안전성을 정량적으로 비교하였다.
3 참조). 프레임의 각 부재와 콘크리트의 경계면은 결합(Bonded)조건으로 모델링하였다. 모터 베이스 프레임의 모든 하중조건 및 경계조건은 Table 2에 각 경우별로 정리하였다.

대상 데이터

본 논문에서 고려한 모터 베이스 프레임 모델은 15,000마력급 원심식 압축기의 구동용 모터를 지지하는 구조물로각 모터 베이스 프레임의 빔 부재들은 사각 파이프(square pipe)와 ㄷ형(channel) 단면을 가진다. 모터 베이스 프레임의 전체 크기는 가로, 세로, 높이가 각각 1,871, 2,790, 2,215 mm이다.
베이스 프레임 내부의 콘크리트 부위는 솔리드 요소 크기를 100mm로 설정하였다. 모터 베이스 프레임의 판재 및 빔 부재의 요소 종류는 SHELL181(4-node structural shell)을 사용하였으며, 콘크리트 및 하중을 받는 윗받침대 판재는 SOLID186(3-D 20-node structural solid) 요소를 사용하였다. 최종 유한 요소모델에서 모델 A의 절점수는 567,929개, 요소수는 447,351개이며 모델 B의 절점수는 715,665개, 요소수는 487,663개이다(Fig.
본 논문에서 고려한 모터 베이스 프레임 모델은 15,000마력급 원심식 압축기의 구동용 모터를 지지하는 구조물로각 모터 베이스 프레임의 빔 부재들은 사각 파이프(square pipe)와 ㄷ형(channel) 단면을 가진다. 모터 베이스 프레임의 전체 크기는 가로, 세로, 높이가 각각 1,871, 2,790, 2,215 mm이다.
유한요소모델 생성에는 ANSYS Mechanical을 사용하였으며 모터 베이스 프레임의 판재 및 빔 부재에 대한 요소 크기를 결정하기 위하여 쉘 요소 크기가 5mm 및 10mm인 경우 해석결과의 수렴성을 확인하였다. 쉘 요소 크기가 5mm 및 10mm에서 해석 결과에 차이가 없는 것을 확인하여 최종적으로 요소 크기를 10mm로 선정하였다. 베이스 프레임 내부의 콘크리트 부위는 솔리드 요소 크기를 100mm로 설정하였다.
모터 베이스 프레임의 판재 및 빔 부재의 요소 종류는 SHELL181(4-node structural shell)을 사용하였으며, 콘크리트 및 하중을 받는 윗받침대 판재는 SOLID186(3-D 20-node structural solid) 요소를 사용하였다. 최종 유한 요소모델에서 모델 A의 절점수는 567,929개, 요소수는 447,351개이며 모델 B의 절점수는 715,665개, 요소수는 487,663개이다(Fig. 3 참조).

데이터처리

(2) 구조해석결과 구조적으로 취약한 결과값이 나온 A(c) 및 A(d)와 콘크리트가 타설된 경우인 B(c) 및 B(d)의 조건에 대하여 ASME 구조안전성 평가를 수행하였다. ASME 구조안전성 평가 결과 A(c)에서는 ASME 기준을만족하였으며 A(d) 하중조건에서는 ASME 기준을 만족하지 못하였다.

이론/모형

모터 베이스 프레임 내부에 타설되는 콘크리트의 파괴 판단에는 취성재료에 적합한 Mohr-Coulomb 이론을 사용 하였다. Mohr-Coulomb 이론은 최대 주응력을 극한 인장강도로 나눈 값과 최소 주응력을 극한 압축강도로 나눈 값의 합이 1보다 크게 될 경우 항복이 발생한다고 판단한다(ANSYS, 2015).
최대등가응력이 재료의 단순 인장 항복응력에 도달할 때 항복이 발생하는 것으로 판단하며 일반적으로 von Mises 이론이라고도 한다. 본 논문의 대상체인 모터 베이스 프레임의 판재 및 빔 부재의 항복 판단 및 안전계수 계산에 이 항복 이론을 이용하였다(ASME, 2013).

성능/효과

Table 7 및 8은 모델 B의 B(c) 및 B(d) 하중조건에 대한 ASME 구조안전성 평가결과를 나타낸 표이다. 모델 B는 콘크리트가 모터 베이스 프레임 내부에 타설된 것으로 모델 A의 A(d) 하중조건에서 376MPa의 결과값을 보인 SP #4 부재에서 PL=22MPa로 모델 A 보다 구조적으로 안전한 결과를 도출 함을 다시 한번 확인하였다.
Table 6은 모델 A의 A(d) 하중조건에 대한 ASME 구조안전성 평가결과를 나타낸 표이다. A(d)의 경우, 하중조건의 구조해석 결과 안전계수가 0.36으로 구조적으로 안전하지 않은 것으로 확인되었으며 ASME 구조안전성 평가 결과도 Fig. 6에 표시된 것처럼 SP #4 부재에서 376MPa 로 ASME의 기준값인 292MPa(1.5S)보다 높은 값으로 ASME 기준을 만족하지 못하는 것으로 평가되었다. Table 7 및 8은 모델 B의 B(c) 및 B(d) 하중조건에 대한 ASME 구조안전성 평가결과를 나타낸 표이다.
2로 전체적으로 모델 A보다 변위, 응력, 안전계수 등 모든 결과에서 더 높은 구조안전성 결과를 보였다. 즉, 모터 베이스 프레임의 내부에 콘크리트를 타설하는 것이 콘크리트 미타설의 경우보다 구조안전성 측면에서 매우 효과가 있음을 구조해석을 통하여 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	원심식 압축기는 어디에 사용되는가?	원심식 압축기는 고속으로 회전하는 임펠러를 통하여 기계적 에너지를 유체의 압력 및 운동에너지로 변환하는 대표적인 산업용 유체기계로 산업현장에서 다양한 방면으로 사용된다 (Kang, 2014). 원심식 압축기의 구조는 크게 오일탱크, 모터, 압축기, 열교환기 등으로 분류된다.
	원심식 압축기의 구조는?	원심식 압축기는 고속으로 회전하는 임펠러를 통하여 기계적 에너지를 유체의 압력 및 운동에너지로 변환하는 대표적인 산업용 유체기계로 산업현장에서 다양한 방면으로 사용된다 (Kang, 2014). 원심식 압축기의 구조는 크게 오일탱크, 모터, 압축기, 열교환기 등으로 분류된다. 이러한 압축기의 용량이 커질수록 운용 시 발생하는 소음과 진동 또한 비례적으로 증가하며, 운용 시 발생하는 진동저감을 위해 주로 강성 강화및 다양한 방법의 진동저감 방안이 적용되고 있다.
	일차응력을 세분화하시오.	일차응력(primary stress)은 외부로부터 가해지는 힘 또는 모멘트와 평형을 유지하기 위하여 발생하는 수직응력이나 전단응력을 의미하며 자제성(self-limiting)이 없으므로 일차 응력이 항복점을 넘으면 큰 소성변형이나 파단이 발생하는 응력으로 다음과 같이 세분화된다. 첫째는 일반 일차 막응력 (primary general membrane stress: Pm)으로 단면의 두께를 따라서 균일하게 분포되는 평균응력을 의미하며 항복이 일어날 경우 응력의 재분배가 불가능하기 때문에 큰 소성 변형을 일으킬 수 있다. 둘째는 국부 일차 막응력(primary local membrane stress: PL)으로 구조물의 불연속부에서국부적으로 발생하는 막응력이며 주위의 구속을 받는 한자제성이 있어 이차응력의 특징을 가졌으나 응력 재분배를 통해 주위에 하중을 전달하는 동안 큰 변형을 발생시킬 수 있다. 셋째는 일차 굽힘응력(primary bending stress: Pb) 으로 수직응력 중 두께를 따라 선형적으로 변하는 응력 특성을 말하며 단면의 도심으로부터의 거리에 비례한다.

참고문헌 (10)

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Kim, J.Y. (2011) Mechanical Performance Evaluation of a Top End Piece for Dual Cooled Fuels, Proc. Korean Soc. Mech. Eng., 35, pp.417-424.
Kim, T.W. (2002) Analysis of Structural Design Criteria of Pressure Vessels Based on ASME Section VIII, Proc. Korean Soc. Mech. Eng., pp.98-107.
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Sowinski, J.C. (2013) ASME Section VIII - Division 2 Example Problem Manual, PTB-3-2013, ASME.

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