본 논문은 강재 액체저장탱크의 내진설계를 위하여 이용되고 있는 Eurocode 8, API 650, NZSEE 등의 해외 설계기준들의 설계방법들을 비교, 분석함으로써, 강재 액체저장탱크의 내진설계를 위한 국내 설계기준을 수립하기 위하여 필요한 주요 사항들에 대한 자료를 제공하고자 하였다. 각 설계기준에서는 강재 액체저장탱크의 내진설계를 위하여 충격성분과 대류성분을 이용한 단순화된 형태의 역학적 모델을 제시하고 있다. Eurocode 8, API 650 등의 설계기준에서는 두 개의 질량을 가지는 역학적 모델을, NZSEE에서는 세 개의 질량을 가지는 역학적 모델을 사용하고 있다. 또한 Eurocode 8, NZSEE은 강도설계법을 사용하고 있으며, API 650은 허용응력설계법을 사용하고 있어 하중 등에 대한 직접적인 비교는 적절하지 않아 역학적 모델에 대한 주요 인자들을 위주로 비교, 검토하였다. 역학적 모델은 설계기준에 따라 차이는 있으나 충격성분 및 대류성분의 질량 및 진동수 등은 유사하게 나타났다. 강재 액체저장탱크에 대한 국내 내진설계기준은 허용응력설계법보다는 하중저항계수설계법을 사용하고, 국내의 실정에 맞는 하중 및 저항 특성을 고려하여 강재 액체저장탱크의 신뢰도 수준을 일정하게 유지하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
본 논문은 강재 액체저장탱크의 내진설계를 위하여 이용되고 있는 Eurocode 8, API 650, NZSEE 등의 해외 설계기준들의 설계방법들을 비교, 분석함으로써, 강재 액체저장탱크의 내진설계를 위한 국내 설계기준을 수립하기 위하여 필요한 주요 사항들에 대한 자료를 제공하고자 하였다. 각 설계기준에서는 강재 액체저장탱크의 내진설계를 위하여 충격성분과 대류성분을 이용한 단순화된 형태의 역학적 모델을 제시하고 있다. Eurocode 8, API 650 등의 설계기준에서는 두 개의 질량을 가지는 역학적 모델을, NZSEE에서는 세 개의 질량을 가지는 역학적 모델을 사용하고 있다. 또한 Eurocode 8, NZSEE은 강도설계법을 사용하고 있으며, API 650은 허용응력설계법을 사용하고 있어 하중 등에 대한 직접적인 비교는 적절하지 않아 역학적 모델에 대한 주요 인자들을 위주로 비교, 검토하였다. 역학적 모델은 설계기준에 따라 차이는 있으나 충격성분 및 대류성분의 질량 및 진동수 등은 유사하게 나타났다. 강재 액체저장탱크에 대한 국내 내진설계기준은 허용응력설계법보다는 하중저항계수설계법을 사용하고, 국내의 실정에 맞는 하중 및 저항 특성을 고려하여 강재 액체저장탱크의 신뢰도 수준을 일정하게 유지하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
In this study, it is carried out to analyze the international design standards such as Eurocode 8, API 650, NZSEE and etc for the seismic design of steel liquid storage tanks. From the comparison and analysis, the data for the required parameters and factors are provided for the establishment of Kor...
In this study, it is carried out to analyze the international design standards such as Eurocode 8, API 650, NZSEE and etc for the seismic design of steel liquid storage tanks. From the comparison and analysis, the data for the required parameters and factors are provided for the establishment of Korean seismic design standard for steel liquid storage tanks. The simplified mechanical models have been presented for the seismic design of steel liquid storage tanks in all design standards and the parameters of mechanical models in design standards have similar values. Although the models for the seismic design of steel liquid storage tanks are similar in design standards, design approaches are given differently in accordance with the design methods, allowable stress design or limit state design. Therefore it is not easy to compare seismic forces presented in design standards directly. After comparison of design standards, it is concluded that establishment of Korean design standard for the seismic design of steel liquid storage tanks is necessary.
In this study, it is carried out to analyze the international design standards such as Eurocode 8, API 650, NZSEE and etc for the seismic design of steel liquid storage tanks. From the comparison and analysis, the data for the required parameters and factors are provided for the establishment of Korean seismic design standard for steel liquid storage tanks. The simplified mechanical models have been presented for the seismic design of steel liquid storage tanks in all design standards and the parameters of mechanical models in design standards have similar values. Although the models for the seismic design of steel liquid storage tanks are similar in design standards, design approaches are given differently in accordance with the design methods, allowable stress design or limit state design. Therefore it is not easy to compare seismic forces presented in design standards directly. After comparison of design standards, it is concluded that establishment of Korean design standard for the seismic design of steel liquid storage tanks is necessary.
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문제 정의
본 연구는 강재 액체저장탱크에 대한 국내 내진설계기준을 마련하기 위한 기초적인 주요 사항을 검토하고 차이점을 제시하였다는데 의의가 있다. 향후 마련될 강재 액체저장탱크에 대한 국내 내진설계기준은 허용응력설계법보다는 하중 저항계수설계법을 사용함으로서 하중 및 저항 특성을 고려 하여 강재 액체저장탱크의 신뢰도 수준을 일정하게 유지할 수 있도록 하는 것이 합리적일 것이라고 사료된다.
본 연구에서는 강재 액체저장탱크의 내진설계를 위하여 국제적으로 사용되고 있는 설계기준인 Eurocode 8, API 650, NZSEE 등의 설계기준을 비교함으로써[1],[2],[3], 강재 액체저장탱크의 내진설계를 위한 국내 설계기준의 수립에 필요한 주요 사항을 제공하고자 한다. 모든 설계기준들은 강재 액체저장탱크의 동적 특성을 반영하고 있으며, 대부분 유사한 역학적 모델을 사용하여 강재 액체저장탱크를 모델링하고 있다.
가설 설정
초기의 액체저장탱크의 설계에는 구조물이 강체로 거동한다고 가정하여 유체동압력 및 유체 자유수면의 변화인 슬러싱(sloshing)을 산출하는 근사해법이 사용되었다. 이러한 근사해법 중에서 대표적인 방법으로 Housner 방법을 들 수 있다[7].
제안 방법
강재 액체저장탱크의 내진설계를 위하여 국제적으로 사용되고 있는 설계기준인 Eurocode 8, API 650, NZSEE 등의 설계기준을 비교, 분석하였다. Eurocode 8, NZSEE은 강도설계법을 사용하고 있으며, API 650은 허용응력설계법을 사용하고 있어 하중 등에 대한 직접적인 비교는 적절하지 않아 해석을 위한 주요 인자들 위주로 비교 검토하였다.
강재 액체저장탱크의 내진설계를 위하여 국제적으로 사용되고 있는 설계기준인 Eurocode 8, API 650, NZSEE 등의 설계기준을 비교, 분석하였다. Eurocode 8, NZSEE은 강도설계법을 사용하고 있으며, API 650은 허용응력설계법을 사용하고 있어 하중 등에 대한 직접적인 비교는 적절하지 않아 해석을 위한 주요 인자들 위주로 비교 검토하였다.
이론/모형
위의 식에서 보는 바와 같이 API 650은 충격성분과 대류 성분의 응답을 SRSS(Squre Root of Square sum) 규칙을 사용하여 총 응답을 산출한다. 참고로 ASCE 7은 총 응답은 계산에 절대합산(absolute summation)의 사용을 제시하고 있으나, SRSS(Squre Root of Square sum)에 대한 언급도 되어 있다.
성능/효과
1964년 Niigata지진, 1964년 Alaska대지진, 1966년 Park field지진에서 액체저장탱크들에 심한 피해가 발생하였고, 이러한 피해의 원인규명과정에서 유체와 유연한 구조물의 상호작용으로 유체동압력이 강체 구조물 모델에서보다 수배 이상 증폭될 수 있음이 밝혀져 액체저장탱크를 강체로 가정하는 것은 안전하지 못함이 밝혀졌다. 또한 지반에 고정되지 않은 액체저장탱크에 더 많은 피해가 발생하여 지반에 고정되지 않은 액체저장탱크의 들림(Uplifting)이 액체저장탱크의 안전성에 큰 영향을 준다는 사실이 확인되었다. 그 이후 액체저장탱크에서의 유체-구조물 상호작용에 대한 많은 연구가 집중적으로 시작되었으며, 이후 설계기준 등에서 큰 변화가 발생하였다.
그러나 설계법에 따른 영향으로 각 설계기준에서 사용되는 중요도 계수, 응답의 합산 등에서는 차이를 보이고 있다. 이러한 차이에 따라 설계하중 등의 직접적 비교는 어려웠으나, 강도설계법으로 되어 있는 ACSE 7와 허용 응력설계법으로 되어 있는 API 650를 일부 비교하여 보면 유사한 수준의 안전율을 가지고 있는 것으로 판단되었다.
1%로 가장 크게 나타나고 있다. 전체적으로 충격성분의 질량이 작용하는 높이는 Eurocode 8에서 가장 크게 나타나고 있고, API 650에서 가장 작게 나타나고 있다.
후속연구
본 연구는 강재 액체저장탱크에 대한 국내 내진설계기준을 마련하기 위한 기초적인 주요 사항을 검토하고 차이점을 제시하였다는데 의의가 있다. 향후 마련될 강재 액체저장탱크에 대한 국내 내진설계기준은 허용응력설계법보다는 하중 저항계수설계법을 사용함으로서 하중 및 저항 특성을 고려 하여 강재 액체저장탱크의 신뢰도 수준을 일정하게 유지할 수 있도록 하는 것이 합리적일 것이라고 사료된다. 그러나 아직까지 국내에서는 구조물의 설계에 허용응력설계법이 일부 사용되고 있는 실정이므로 관련 전문가 및 기관의 지속적인 연구와 협의를 통하여 국내 실정에 맞는 실질적이고 합리적인 강재 액체저장탱크의 내진설계기준이 마련되어야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
액체저장탱크에 지진 등으로 동하중이 작용하게 되면 구조물 내부에서 일어나는 현상은?
액체저장탱크에 지진 등으로 인하여 동하중이 작용하게 되면 구조물 내부의 유체는 유동을 하게 되고 이로 인하여 구조물에는 유체동압력이 발생하고 유체의 자유수면 또한 요동을 하게 된다. 강재 액체저장탱크와 같이 유연성이 있는 벽체로 구성된 탱크 구조물에서는 유체와 유연한 구조물의 상호작용으로 인하여 내부의 유체와 구조물의 응답은 더 큰영향을 받게 된다[6].
국내 탱크 구조물의 설계에서 사용하는 설계기준은?
국내의 플랜트 산업은 외형적으로 크게 성장하였으나, 플랜트 시설의 설계에 대한 완전한 기술력의 확보가 이루어져 있지 않으며 아직 플랜트 시설에 대한 국내 설계기준이 마련 되어 있지 않은 실정이다. 국내에서의 탱크 구조물의 설계는 국제적으로 사용되고 있는 설계기준인 Eurocode 8, API 650, NZSEE 등을 준용하여 이루어지고 있으며[1],[2],[3], 이에 따라 설계기준에 대한 연구도 일반구조물에 비하여 절대적으로 부족한 실정이다[4],[5]. 이에 따라 적절한 설계지침 없이 설계, 시공된 탱크 구조물에서 지속적으로 안전사고가 발생하고 있다.
Housner 방법은 어디에 사용되었는가?
1(a)). 이 근사해법은 1963년 US Atomic Energy Commission 의 TID-7024 규정집의 일부가 되어 액체저장탱크의 지진에 대한 구조적 안정성 해석에 사용되었다[6],[8].
참고문헌 (12)
European Committee for Standardization (2006) Eurocode 8- Design of structures for earthquake resistance - Part 4: Silos, Tanks and Pipelines, Eurocode 8, Brussels, Belgium.
American Petroleum Institute (2007) Welded Storage Tanks for Oil Storage, API 650, American Petroleum Institute Standard, Washington D.C., U.S.A.
New Zealand Society for Earthquake Engineering. (2009) Seismic Design of Storage Tanks, Recommendations of a Study Group of New Zealand Society for Earthquake Engineering, New Zealand.
Oh, C.K. and Bae, D. (2014) Proposed Revisions to Fatigue Provisions of Orthotropic Steel Deck Systems for Long Span Cable Bridges, International Journal of Steel Structures, Vol.14, pp.811-819.
박장호(1997) 면진 및 비면진 직사각형 수조구조물의 동적 거동 해석, 박사학위논문, 서울대학교.
Housner, G.W. (1957) Dynamic pressure on accelerated fluid containers, Bulletin of the Seismological Society of America, Vol.47, pp.15-35.
Housner, G.W. (1963) Dynamic analysis of fluids in containers subjected to acceleration, in Nuclear Reactors and Earthquakes, Report No.TID7024, U. S. Atomic Energy Commission, U.S.A.
Rammerstorfer, F.G., Sharf, K., and Fisher, F.D. (1990) Storage tanks under earthquake loading, Applied mechanics reviews, ASME, Vol.43, pp.261-282.
Manos, G.C. and Clough, R.W. (1985) Tank damage during May 1983 Coalinga earthquake, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol.1, pp.449-466.
Veletsos, A.S. (1984) Seismic response and design of liquid storage tanks, Guidelines for the seismic design of oil and gas pipeline systems, Technical council on lifeline earthquake engineering, ASCE, N. Y., U.S.A.
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