[논문]납고무받침을 이용한 스테인리스 물탱크 내진성능에 관한 해석적 연구

김후승; 오주; 정희영

doi:10.5762/kais.2018.19.11.230

초록
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최근 국내에서도 규모 5.0 이상의 지진이 발생하여 구조물의 내진 안전성에 대한 관심이 증가하고 있다. 특히, 물을 저장하는 시설은 지진에 의해 손상 및 파손이 될 경우, 누수로 식수 및 용수가 부족하게 될 뿐만 아니라 화재 진압의 어려움이 야기되므로 지진에 대한 안전성을 만족하여야 한다. 본 연구에서는 기초와 탱크사이에 납고무받침을 고려하여 지진에 대한 물탱크의 내진성능을 향상시키고자 한다. 이를 위해 기존 콘크리트 기초에 설치 가능하도록 납고무받침을 설계하였다. 물탱크에 대하여 유체-구조물 상호작용을 고려하기 위하여 ANSYS를 활용하여 모델링을 수행하였으며 정수압과 4개의 지진파를 이용한 동수압을 고려하였다. 만수위 2.5m의 정수압이 작용하는 경우에 대하여 정적 해석을 수행한 결과, 면진 적용여부와 상관없이 동일한 응력이 발생하였다. 정수압과 동수압을 동시에 고려했을 때, 면진 물탱크는 전반적으로 지진력 감소가 이루어졌지만 일반적인 구조면진과 비교했을 때 감쇠율이 다소 낮은 것으로 나타났다. 이는 물탱크 중량이 면진 강성보다 매우 작아서 나타난 결과로 판단되며, 향후 물탱크 내진성능 평가에 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Earthquakes over 5.0 on the Richter scale have recently occurred in Korea, which has led to interest in the seismic safety of structures. If a water storage facility is damaged by an earthquake, the water could leak, and the insufficient water would make fire suppression difficult. Therefore, a wate...

Earthquakes over 5.0 on the Richter scale have recently occurred in Korea, which has led to interest in the seismic safety of structures. If a water storage facility is damaged by an earthquake, the water could leak, and the insufficient water would make fire suppression difficult. Therefore, a water storage facility should satisfy safety requirements for earthquakes. In this study, the seismic performance of a water tank was improved by installing a lead rubber bearing between the foundation and the tank. It designed the lead rubber bearing available to the existed concrete foundation. ANSYS was used for modeling to consider the interaction between the fluid and structure of the tank and the hydrostatic and hydrodynamic pressure using four seismic waves. In the case of hydrostatic pressure at 2.5 water level, full level, the same stress appeared irrespective of whether the seismic isolation was installed. When hydrostatic pressure and hydrodynamic pressures are applied at the same time, the seismic-isolated water tank showed less seismic force, and the damping ratio was lower than that of general seismic isolation. This occurred because the weight of the water tank is much smaller than the stiffness of the seismic isolation. The result is expected to be used for further research on seismic capacity evaluation for water tanks.

Keyword

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. LRB Isolaton System and Bi-Linear Model (a) Isolation System (b) Bi-Linear Model
그림 Fig. 2. Artificial earthquake(a) KRBDC 0.154g (b) Hachinohe 0.231g(c) Northridge 0.341g (d) El-Centro 0.348g
표 Table 1. Specimens of Design Condition
그림 Fig. 3. Finite Element Model(a) Full Model (b) Fluid-Structure Model(1)(c) Fluid-Structure Model(2) (d) Shell-Beam Model
그림 Fig. 5. Analysis Results of Dynamic Pressure(kN/m2)
그림 Fig. 4. Analysis Results of Hydrostatic Pressure(Pa)(a) Non-Isolated (b) LRB
표 Table 2. Analysis Results of Max. Dynamic Pressure (kN/m²)

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 스테인리스 물탱크의 내진성능 향상을 위해 납고무받침(Lead Rubber Bearing, LRB)을 적용하고자 한다. 이를 위해 기존 콘크리트 기초를 고려하여 납고무받침을 설계하였다.

제안 방법

이를 위해 기존 콘크리트 기초를 고려하여 납고무받침을 설계하였다. 스테인리스 물탱크에 대하여 유체-구조물의 상호작용을 고려하기 위한 모델링을 수행하였으며, 정수압과 지진파를 고려한 동수압에 대하여 유한요소 해석을 수행하였다. 해석에 적용한 지진파는 도로교설계기준(Korea Road Bridge Design Code, KRBDC)[5]에서 제시한 지진구역 Ⅰ의 구역계수 0.
본 연구에서는 납고무받침을 이용한 스테인리스 물탱크의 내진성능을 평가하기 위해 면진 적용여부에 따른 정수압 및 지진파 4개를 이용한 동수압을 고려하여 유한 요소해석을 수행하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.

대상 데이터

본 연구에서 설계된 납고무받침의 전체높이는 88mm이며 외피 10mm를 제외한 외경은 200mm이다. 납의 직경은 35mm이며 변위는 30mm로 설계하였다.
구조해석 대상 물탱크는 길이 3.0m, 폭 2.0m, 높이 3.0m의 크기이며, 만수위시 물의 수위는 2.5m로서 물탱크 용량은 150kN이다. 스테인리스 판넬의 두께는 수압의 영향이 비교적 작은 상단부는 1.

데이터처리

본 연구에서는 기초와 탱크사이에 LRB를 고려하여 지진에 따른 물탱크의 내진성능을 향상시키고자 한다. 이러한 내진성능을 평가하기 위해 유한요소해석 프로그램 ANSYS Mechanical(Ver 17.1)을 사용하여 탱크와 유체를 모델링하고 기초와 탱크가 고정(Non-Isolated)인 경우와 면진인 경우를 비교 분석하였다. 유체는 수압이 가장 높은 만수위 2.

성능/효과

적층고무받침 일종인 LRB를 물탱크의 콘크리트 기초에 적용 가능하도록 축소 설계한 후 유한요소해석을 수행하였다. 해석결과, 정수압만을 고려한 정적해석에서 는 면진적용 여부와 상관없이 응력이 일정하게 나타났다. 정수압과 4개의 지진파를 이용한 동수압을 고려한 결과, 면진 적용 시 비면진과 비교했을 때 전반적으로 동적 응답 저감 효과가 나타났다.
해석결과, 정수압만을 고려한 정적해석에서 는 면진적용 여부와 상관없이 응력이 일정하게 나타났다. 정수압과 4개의 지진파를 이용한 동수압을 고려한 결과, 면진 적용 시 비면진과 비교했을 때 전반적으로 동적 응답 저감 효과가 나타났다. 면진을 적용한 물탱크의 감쇠율은 면진을 설치한 일반구조(교량 및 건축물)의 감쇠율과 비교했을 때 작은 값을 나타냈다.
정수압과 4개의 지진파를 이용한 동수압을 고려한 결과, 면진 적용 시 비면진과 비교했을 때 전반적으로 동적 응답 저감 효과가 나타났다. 면진을 적용한 물탱크의 감쇠율은 면진을 설치한 일반구조(교량 및 건축물)의 감쇠율과 비교했을 때 작은 값을 나타냈다. 이는 물탱크 중량이 면진 강성보다 매우 작은 것 때문으로 판단되며, 향후 물탱크 내진성능 평가에 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.

후속연구

면진을 적용한 물탱크의 감쇠율은 면진을 설치한 일반구조(교량 및 건축물)의 감쇠율과 비교했을 때 작은 값을 나타냈다. 이는 물탱크 중량이 면진 강성보다 매우 작은 것 때문으로 판단되며, 향후 물탱크 내진성능 평가에 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	납고무받침은 무엇인가?	납고무받침은 국내뿐만 아니라 국외에서도 가장 일반적으로 사용되고 있는 지진격리장치 중 하나이다. 납고무받침은 유연한 수평강성을 갖도록 방진고무를 주된 재료로 사용하고 있으며, 수직강성을 보강하기 위해 고무와 고무사이에 강판을 삽입하였다.
	물을 저장하는 구조물의 재질로 철근콘크리트를 쓰면 안 될 이유는?	물을 저장하는 구조물은 기존의 철근콘크리트에서 스테인리스(Stainless)를 비롯한 SMC, FRP 등의 재질로 변화하고 있다. 철근콘크리트 재질의 경우 콘크리트가 중화되어 균열이 발생할 경우 철근노출 등의 손상이 발생되어 물이 오염될 우려가 있다. 특히, 스테인리스 재질의 경우 녹이 슬지 않고 표면에 생기는 산화 피막에 의하여 공기 중에 존재하는 산소와 산화물의 침입을 방지하여 더 이상의 산화를 진행시키지 못하게 하는 재질로서 내식성과 위생성이 비교적 우수하여 스테인리스 물탱크의 적용성이 증가하고 있다.
	스테인리스 재질의 장점은?	철근콘크리트 재질의 경우 콘크리트가 중화되어 균열이 발생할 경우 철근노출 등의 손상이 발생되어 물이 오염될 우려가 있다. 특히, 스테인리스 재질의 경우 녹이 슬지 않고 표면에 생기는 산화 피막에 의하여 공기 중에 존재하는 산소와 산화물의 침입을 방지하여 더 이상의 산화를 진행시키지 못하게 하는 재질로서 내식성과 위생성이 비교적 우수하여 스테인리스 물탱크의 적용성이 증가하고 있다.

참고문헌 (9)

Ministry of Public Safety and Security, "Seismic Design of Fire Protection System", Korea, 2015.
B. -J. Son, S. -Y. Lee, "Finite Element Stress Analysis of Large Sized Rectangular Water Tank Structures Made of Stainless Steel Materials", J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc., Vol.6, No.2, pp. 85-90, 2015 DOI: http://dx.doi.org/10.11004/kosacs.2015.6.2.085

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J. H. Yun, T. W. Kang, H. I. Yang, J. -S. Jeon, "Earthquake-Induced Wall Pressure Response Analysis of a Square Steel Liquid Storage Tank", EESK J Earthquake Eng, Vol.22, No.5, pp. 261-269, 2018 DOI: http://doi.org/10.5000/EESK.2018.22.5.261
S. M. Lee, Y. -J. Lee, "Seismic Fragility Assessment of Liquid Storage Tanks by Finite Element Reliability Analysis", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol.18, No.4, pp. 718-725, 2017 DOI: http://doi.org/10.5762/KAIS.2017.18.4.718
Korea Road & Transportation Association(In Korea), "Korean Road Bridge Design Code", 2010.
G.W. Housner, "The dynamic behavior of water tanks", Bulletin of the seismological society of America, Vol. 53, No.2, pp.381-387, 1963.
D. B. Bae, J. H. Park, and C. K. Oh, "Comparison of Design Standards for Seismic Design of Steel Liquid Storage Tanks", Journal of Korean Society of Steel Construction, Vol.28, No.3, pp.195-202, 2016. DOI: http://dx.doi.org/10.7781/kjoss.2016.28.3.195

원문보기 상세보기
ANSYS Mechanical Ver. 17.1, ANSYS Inc., 2016. https://www.ansys.com
Japan Reinforced Plastics Society, "Structural design calculations of FRP water tank", 1996.

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