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.
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.
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...
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 fragility of liquid storage tanks and prepare for seismic events in advance. When a liquid storage tank is oscillated by a seismic load, the hydrodynamic pressure caused by the liquid-structure interaction increases the stress and causes structural damage to the tank. Meanwhile, the seismic fragility of the structure can be estimated by considering the various sources of uncertainty and calculating the failure probabilities in a given limiting state. To accurately evaluate the seismic fragility of liquid storage tanks, a sophisticated finite element analysis is required during their reliability analysis. Therefore, in this study, FERUM-ABAQUS, a recently-developed computational platform integrated with commercial finite element and reliability analysis software packages, is introduced to perform the finite element reliability analysis and calculate the failure probability of a liquid storage tank subjected to a seismic load. FERUM-ABAUS allows for automatic data exchange between these two software packages and for the efficient seismic fragility assessment of a structure. Using this computational platform, the seismic fragility curve of a liquid storage tank is successfully obtained.
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 fragility of liquid storage tanks and prepare for seismic events in advance. When a liquid storage tank is oscillated by a seismic load, the hydrodynamic pressure caused by the liquid-structure interaction increases the stress and causes structural damage to the tank. Meanwhile, the seismic fragility of the structure can be estimated by considering the various sources of uncertainty and calculating the failure probabilities in a given limiting state. To accurately evaluate the seismic fragility of liquid storage tanks, a sophisticated finite element analysis is required during their reliability analysis. Therefore, in this study, FERUM-ABAQUS, a recently-developed computational platform integrated with commercial finite element and reliability analysis software packages, is introduced to perform the finite element reliability analysis and calculate the failure probability of a liquid storage tank subjected to a seismic load. FERUM-ABAUS allows for automatic data exchange between these two software packages and for the efficient seismic fragility assessment of a structure. Using this computational platform, the seismic fragility curve of a liquid storage tank is successfully obtained.
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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.
제안 방법
FERUM-ABAQUS를 사용한 FORM 해석을 통해 주어진 한계상태에 대한 구조물의 파괴확률을 계산하고, 그 결과를 바탕으로 PGA에 따른 지진 취약도 곡선을 도출하였다.
서론에서 전술한 바와 같이 지진하중을 받는 액체저장탱크는 액체-구조물의 상호작용으로 인해 탱크 벽체에 유동압력이 작용하여 구조물의 손상이 야기될 수 있다. 따라서 구조물의 한계상태를 탱크 벽체에 작용하는 응력이 강재의 항복강도에 도달하는 경우로 결정하여 파괴확률을 산정하였다.
신뢰성 해석 방법은 크게 샘플링 기반에 의한 방법과 해석적 방법으로 나누어질 수 있는데[3], 몬테 카를로 시뮬레이션과 같은 샘플링 기반에 의한 해석 방법은 결과의 신뢰성을 높이기 위해 많은 수의 샘플이 필요하지만, FORM(First Order Reliability Method)[9]과같은 해석적 방법은 상대적으로 적은 해석비용으로도 신뢰할만한 결과를 얻을 수 있다. 따라서 본 연구에서는 FORM을 활용해 액체저장탱크의 파괴확률을 산정하고 지진 취약도 곡선을 도출하였다.
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.
본격적인 지진 취약도 평가에 앞서, 지진으로 인한 저장탱크의 동적거동이 탱크 벽체에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 임의로 선택된 세 가지 지진파 (Set01-03, Set02-03, Set03-03)와 0.
이에 본 연구에서는 액체저장탱크에 대한 보다 효율적이면서도 정확한 지진 취약도 평가를 위해 유한요소 신뢰성 해석 플랫폼인 FERUM-ABAQUS를 도입하였다. 액체-구조물의 상호작용을 고려할 수 있는 정교한 유한요소 모델을 신뢰성 해석에 적용하였고, 이를 통해 지진파의 특성에 따른 액체저장탱크의 파괴확률을 산정하여 성공적으로 지진 취약도 곡선을 도출하였다. 결과에서처럼 지진파의 특성에 따라 파괴확률이 차이를 보였으며, 특히 장주기 진동 특성을 갖는 낮은 a/v의 지진파에서 상대적으로 높은 파괴확률을 보였다.
2은 FERUM-ABAQUS 플랫폼의 개요를 보여준다. 이 플랫폼은 신뢰성 해석 소프트웨어인 FERUM(Finite Element Reliability Using Matlab)과 범용 유한요소 해석 소프트 웨어인 ABAQUS를 연결시킨 것으로써, 이는 FERUM과 ABAQUS 간의 자동적인 데이터 교환이 가능하도록 해주고, 궁극적으로는 유한요소 모델에 대한 비선형 동적 해석을 반복적으로 수행하면서 그 결과를 바탕으로 FORM 해석을 수행해 구조물의 지진 취약성을 효율적으로 평가할 수 있게 해준다.
본격적인 지진 취약도 평가에 앞서, 지진으로 인한 저장탱크의 동적거동이 탱크 벽체에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 임의로 선택된 세 가지 지진파 (Set01-03, Set02-03, Set03-03)와 0.4g 최대지반가속도(PGA, Peak Ground Acceleration)에 대해 비선형 동적 해석을 수행하였다. von-Mises 응력이 최대로 발생하는 시점에서의 응력 분포를 도출하였다.
대상 데이터
본 예제의 유한요소 모델은 기존 연구들 중에서 사용된 액체저장탱크 모델[13]을 참고하여 제작되었으며, Fig. 3에 나타나 있다. 이 모델은 가솔린 액체가 강재 벽체를 갖는 저장탱크에 담겨 있도록 구성되어 있다.
데이터처리
von-Mises 응력이 최대로 발생하는 시점에서의 응력 분포를 도출하였다. 이 결과를 지진파가 적용되지 않은, 즉 동적거동이 발현되지 않은 상태의 모델에 대해 정적 해석을 수행하여 도출된 von-Mises 응력 분포와 비교하였다(Figs. 5-7). 그림에서처럼 지진 발생 시 최대응력이 발생하는 지점은 주로 탱크벽체 하부로 나타났으며, 또한 지진으로 인해 탱크 벽체에 발생한 최대응력은 그렇지 않은 경우와 비교했을 때 상당히 증가함을 확인할 수 있다.
이론/모형
4g 최대지반가속도(PGA, Peak Ground Acceleration)에 대해 비선형 동적 해석을 수행하였다. von-Mises 응력이 최대로 발생하는 시점에서의 응력 분포를 도출하였다. 이 결과를 지진파가 적용되지 않은, 즉 동적거동이 발현되지 않은 상태의 모델에 대해 정적 해석을 수행하여 도출된 von-Mises 응력 분포와 비교하였다(Figs.
이에 본 연구에서는 액체저장탱크에 대한 보다 효율적이면서도 정확한 지진 취약도 평가를 위해 유한요소 신뢰성 해석 플랫폼인 FERUM-ABAQUS를 도입하였다. 액체-구조물의 상호작용을 고려할 수 있는 정교한 유한요소 모델을 신뢰성 해석에 적용하였고, 이를 통해 지진파의 특성에 따른 액체저장탱크의 파괴확률을 산정하여 성공적으로 지진 취약도 곡선을 도출하였다.
지진파의 경우 Table 2에서 분류된 것처럼 a/v의 수준에 따라 다수의 지진파를 사용하는 것을 통해 불확실성을 고려하였으며, 강재 탄성계수 및 항복강도는 확률변수로써 불확실성을 고려하였다. 확률변수에 대한 통계적 특성은 Probabilistic Model Code[15]를 참고하 였으며, Table 3에 요약되어 있다.
성능/효과
액체-구조물의 상호작용을 고려할 수 있는 정교한 유한요소 모델을 신뢰성 해석에 적용하였고, 이를 통해 지진파의 특성에 따른 액체저장탱크의 파괴확률을 산정하여 성공적으로 지진 취약도 곡선을 도출하였다. 결과에서처럼 지진파의 특성에 따라 파괴확률이 차이를 보였으며, 특히 장주기 진동 특성을 갖는 낮은 a/v의 지진파에서 상대적으로 높은 파괴확률을 보였다. 이처럼 지진파의 유형이 구조물의 지진 취약도 평가에 큰 영향을 줄 수 있기 때문에, 관심 지역에서 발생할 확률이 가장 높은 지진파의 특성에 대한 고려가 필수적임을 확인할 수 있었다.
지진 취약성 평가는 구조물과 관련된 각종 불확실성 요인들을 고려해 이루어져야 하며, 이는 신뢰성 해석을 필요로 한다. 신뢰성 해석 방법은 크게 샘플링 기반에 의한 방법과 해석적 방법으로 나누어질 수 있는데[3], 몬테 카를로 시뮬레이션과 같은 샘플링 기반에 의한 해석 방법은 결과의 신뢰성을 높이기 위해 많은 수의 샘플이 필요하지만, FORM(First Order Reliability Method)[9]과같은 해석적 방법은 상대적으로 적은 해석비용으로도 신뢰할만한 결과를 얻을 수 있다. 따라서 본 연구에서는 FORM을 활용해 액체저장탱크의 파괴확률을 산정하고 지진 취약도 곡선을 도출하였다.
결과에서처럼 지진파의 특성에 따라 파괴확률이 차이를 보였으며, 특히 장주기 진동 특성을 갖는 낮은 a/v의 지진파에서 상대적으로 높은 파괴확률을 보였다. 이처럼 지진파의 유형이 구조물의 지진 취약도 평가에 큰 영향을 줄 수 있기 때문에, 관심 지역에서 발생할 확률이 가장 높은 지진파의 특성에 대한 고려가 필수적임을 확인할 수 있었다.
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.
참고문헌 (15)
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