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유한요소 신뢰성 해석을 통한 액체저장탱크의 지진 취약도 평가
Seismic Fragility Assessment of Liquid Storage Tanks by Finite Element Reliability Analysis 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.18 no.4, 2017년, pp.718 - 725  

이상목 (울산과학기술원 도시환경공학부) ,  이영주 (울산과학기술원 도시환경공학부)

초록
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액체저장탱크는 화학물질을 다루는 산업단지의 주요한 구조물로서, 지진으로 인한 구조물의 손상은 화학물질의 유출, 화재, 폭발 등의 추가적인 피해를 야기한다. 따라서 액체저장탱크의 지진 취약성을 사전에 효율적으로 평가하고, 지진에 대비하는 일이 필수적이라고 할 수 있다. 지진으로 인해 진동하는 액체저장탱크는 액체-구조물의 상호작용으로 탱크 벽체에 유동압력이 작용하며, 이는 탱크의 응력을 증가시키고 구조적 손상을 일으키는 원인이 될 수 있다. 한편, 구조물의 지진 취약성은 여러 불확실성 요인들을 고려하여 정해진 한계상태에 대한 파괴확률을 산정함으로써 평가하게 되는데, 보다 정확한 액체저장탱크 지진 취약도 평가를 위해서는 신뢰성 해석 과정에서 정교한 유한요소 해석이 요구된다. 따라서 본 연구에서는 최근에 신뢰성 해석 소프트웨어와 유한요소 해석 소프트웨어를 서로 연동시켜 개발된 FERUM-ABAQUS를 활용한 유한요소 신뢰성 해석을 통해 액체저장탱크의 파괴확률을 계산하였다. 이러한 유한요소 신뢰성 해석 기법은 두 소프트웨어 간의 자동적인 데이터 교환이 가능하여 보다 효율적으로 구조물의 지진 취약성을 평가할 수 있으며, 이를 통해 얻은 파괴확률 결과를 바탕으로 지진 강도에 따른 액체저장탱크의 지진 취약도 곡선을 성공적으로 도출하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A liquid storage tank is one of the most important structures in industrial complexes dealing with chemicals, and its structural damage due to an earthquake may cause a disastrous event such as the leakage of hazardous materials, fire, and explosion. It is thus essential to assess the seismic fragil...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이러한 접근법들은 액체-구조물의 상호작용 효과를 정확하게 고려할 수 없거나 해석비용이 크게 늘어나는 한계점을 가진다. 본 연구에서는 액체-구조물의 상호작용을 정확히 반영하기 위해 3차원 유한요소 모델을 구축하였다. 또한 해석비용 절감을 위해 유한요소 해석 소프트웨어와 신뢰성해석 소프트웨어를 연동시킨 유한요소 신뢰성 해석 기법[7, 8]을 도입하여 보다 효율적으로 지진 취약도 평가를 수행하였다.
  • 본 연구에서는 액체저장탱크의 동적거동과 액체-구조물 상호작용을 보다 정확하게 고려하면서 효율적인 지진 취약도 분석을 하기 위해 유한요소 신뢰성 해석 플랫폼인 FERUM-ABAQUS[7, 8]를 도입하였다. Fig.
  • 한편 지진 취약성 평가는 구조물과 연관된 각종 불확 실성 요인들의 고려를 필요로 하며, 흔히 지진 취약도 곡선으로 표현된다[3]. 지진 취약도 곡선은 구조물이 일정 지진 강도에 대해 일정 수준 이상의 피해를 입을 확률을 계산하여 얻어지며, 크게 경험적 곡선, 판단적 곡선, 해석적 곡선, 하이브리드 곡선으로 분류되는데[4], 본 연구 에서는 해석적 방법을 통해 액체저장탱크의 지진 취약도 곡선을 도출하고자 한다. 이는 경험적 데이터와 주관적 판단을 필요로 하지 않으며, 정교한 유한요소 해석 소프트웨어의 발달로 해석 결과의 신뢰도를 높일 수 있다는 장점이 있다.

가설 설정

  • 본격적인 지진 취약도 평가를 위해 본 예제에서는 지진파, 강재의 탄성계수 및 항복강도를 불확실성 요소로 가정하였다. 지진파의 경우 Table 2에서 분류된 것처럼 a/v의 수준에 따라 다수의 지진파를 사용하는 것을 통해 불확실성을 고려하였으며, 강재 탄성계수 및 항복강도는 확률변수로써 불확실성을 고려하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
지진이 산업단지에 미칠 수 있는 피해는? 최근 빈번하게 발생하고 있는 지진으로 인해 여러 사회기반시설들에 대한 피해 우려가 증가하고 있다. 특히 산업단지의 경우 각종 화학물질들을 다루기 때문에, 만약 지진 발생으로 인해 단지 내 구조물이 손상을 입을 경우 직접적인 손상 피해 외에도 유해화학물질의 유출, 화재, 폭발 등 추가적인 피해가 야기될 수 있다. 특히 산업단지의 액체저장탱크는 보통 다량의 화학물질을 담고 있기 때문에, 정확한 지진 취약성 평가와 함께 그를 바탕으로 하는 엄격한 관리가 이루어져야 한다.
지진으로 인해 진동하는 저장탱크 내부의 액체 운동은 어떤 현상을 보이는가? 지진으로 인해 진동하는 저장탱크 내부의 액체 운동은 대류성분(convective component)과 충격성분으로 (impulsive component)로 나누어 설명할 수 있다[1]. 상부액체는 대류성분으로 구분되며 저장탱크의 진동주기 보다 상대적으로 긴 주기의 슬로싱(sloshing) 현상이 나타난다. 반면 충격성분으로 구분되는 하부액체는 탱크 벽체와 일체 거동하며, 특히 강성(rigid) 탱크보다 연성 (flexible) 탱크에서 하부액체 운동에 의한 충격하중이 더 크게 작용한다[2]. 이처럼 지진하중을 받는 액체저장 탱크는 액체-구조물의 상호작용으로 인해 탱크 벽체에 유동압력이 발생하고, 이로 인해 탱크 벽체에 추가적인 응력과 손상을 줄 수 있다.
산업단지의 액체저장탱크가 엄격한 관리가 이루어져야 하는 이유는? 특히 산업단지의 경우 각종 화학물질들을 다루기 때문에, 만약 지진 발생으로 인해 단지 내 구조물이 손상을 입을 경우 직접적인 손상 피해 외에도 유해화학물질의 유출, 화재, 폭발 등 추가적인 피해가 야기될 수 있다. 특히 산업단지의 액체저장탱크는 보통 다량의 화학물질을 담고 있기 때문에, 정확한 지진 취약성 평가와 함께 그를 바탕으로 하는 엄격한 관리가 이루어져야 한다.
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참고문헌 (15)

  1. G.W. Housner, "The dynamic behavior of water tanks." Bulletin of the seismological society of America, vol. 53, no. 2, pp. 381-387, 1963 

  2. A.S. Veletsos, "Seismic effects in flexible liquid storage tanks." Proceedings of the 5th world conference on earthquake engineering, vol. 1, 1974. 

  3. D.-S. Moon, Y.-J. Lee, and Sangmok Lee, "Seismic vulnerability assessment of RC frame structures using 3D analytical models", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, vol. 17, no. 9, pp. 724-731, 2016. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2016.17.9.724 

  4. O.S. Kwon and A.S. Elnashai, "The effect of material and ground motion uncertainty on the seismic vulnerability curves of RC structure", Engineering Structures, vol. 28, no. 2, pp. 289-303, 2006. DOI: https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2005.07.010 

  5. I. Iervolino, G. Fabbrocino and G. Manfredi, "Seismic vulnerability of standardised industrial components: application to oil storage tanks", In Proc. 13th World Conference on Earthquake Engineering, 2004. 

  6. M. S. Razzaghi and S. Eshghi, "Probabilistic Seismic Safety Evaluation of Precode Cylindrical Oil Tanks", Journal of Performance of Constructed Facilities, vol. 29, no. 6, 2014. 

  7. J. Lee, Y.-J. Lee, H. Kim, S.-H. Sim and J.-M. Kim, "A new methodology development for flood fragility curve derivation considering structural deterioration for bridges." Smart Structures and Systems, vol. 17, no. 1, pp. 149-165, 2016. DOI: https://doi.org/10.12989/sss.2016.17.1.149 

  8. H. Kim and S.-H. Sim, "Flood fragility analysis of bridge piers in consideration of debris impacts", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, vol. 17, no. 5, pp. 325-331, 2016. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2016.17.5.325 

  9. A. Der Kiureghian. Fisrt- and second-order reliability methods. chap.14, CRC press, Boca Raton, FL, USA, 2005. 

  10. S. Jeong and A.S. Elnashai, "Probabilistic fragility analysis parameterized by fundamental response quantities", Engineering Structures, vol. 29, pp. 1238-1251, 2007. DOI: https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2006.06.026 

  11. Y.J. Lee, J. Song and E.J. Tuegel, "Finite element system reliability analysis of a wing torque box." Proc. 10th AIAA Nondeterministic Approaches Conference, 2008. DOI: https://doi.org/10.2514/6.2008-1718 

  12. W.-H. Kang, Y.-J. Lee, J. Song and B. Gencturk, "Further development of matrix-based system reliability method and applications to structural systems." Structure and Infrastructure Engineering, vol. 8, no. 5, pp. 441-457, 2012. DOI: https://doi.org/10.1080/15732479.2010.539060 

  13. A. Di Carluccio, G. Fabbrocino and G. Manfredi, "FEM seismic analysis of steel tanks for oil storage in industrial facilities." Proceedings of the 14th World Conference on Earthquake Engineering, 2008. 

  14. T.J. Zhu, A.C. Heidebrecht and W.K. Tso, "Effect of peak ground acceleration to velocity ratio on ductility demand of inelastic systems." Earthquake engineering & structural dynamics, vol. 16, no. 1, pp. 63-79, 1988. DOI: https://doi.org/10.1002/eqe.4290160106 

  15. JCSS. Probabilistic Model Code, The Joint Committee on Structural Safety, 2001, Available From: http://www.jcss.byg.dtu.dk/. (accessed Oct., 2016) 

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