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문제 정의
- 그러나 기존의 연구에서는 내조탱크와 외조로 구성된 LNG 저장탱크의 3차원 해석에 대한 고찰이 부족하였으며, 말뚝기초의 현장 시공 시 발생 가능한 말뚝과 말뚝 사이 토층의 동다짐 효과로 인한 지반 강성의 변화를 고려한 해석이 부족하였다. 따라서 이 연구에서는 기초형식(얕은 기초, 말뚝기초, 말뚝지지 전면기초)에 따른 LNG 저장탱크의 내조탱크와 외조에 대한 지진응답을 비교하였다. 추가적으로 말뚝 시공 과정에서 발생한 동다짐으로 인한 지반밀도 상승과 지반 강성의 증가 효과를 고려한 LNG 저장탱크의 동적거동에 대해서도 분석하였다.
- 이 절에서는 말뚝기초 LNG 저장탱크에서 말뚝기초의 시공과정에서 발생한 동다짐이 구조물의 지진응답에 미치는 영향을 분석하였다. 지반조건은 SSI 효과가 더 뚜렷이 나타난 초기지반전단파속도 200m/s인 경우를 고려하였다.
가설 설정
- 75m인 강관 말뚝이 총 229개가 사용되었다. 이 연구에서는 기반암 위에 깊이 30m인 균질한 토층을 가정하였으며 Fig. 4와 같은 4가지 기초형식(얕은 기초, 말뚝지지 전면기초,말뚝기초(지표면 접촉식, 부유식)을 고려하였다. 말뚝기초는 지표면에서 부터 암반까지 30m 길이로 설치되었고, 말뚝지지 전면기초는 지표면에서 20m 아래까지 설치되었으며, 부유식 말뚝기초는 바닥 슬래브가 지표면에서 1m 떨어져 있다.
- 구조물 및 기초의 재료 물성치는 Table 1과 같고 콘크리트 구조물(RC 및 PSC)의 감쇠비는 5%, 강구조물의 감쇠비는 2%를 사용하였다. 일반적으로 구속압 등의 효과로 인하여 깊이별로 전단파속도의 변화가 있으나, 정성적인 비교를 위하여 지반조건은 Table 2와 같이 760m/s의 기반암 위에 전단파속도 200m/s(Case 1), 300m/s(Case 2)의 균질한 점토층이 있는 것으로 가정하였다.
- 이를 위하여 국내에 건설된 대표적인 LNG 저장탱크를 예제로 선택하였다. 지반은 기반암 위에 두께 30m인 토층으로 가정하였으며, 지진입력은 수직으로 입사하는 수평진동 지진파로 가정되었다. SSI 해석은 등가선형 물성치와 진동수영역 해석법을 사용한 KEISSI-3D 프로그램을 사용하였다.
제안 방법
- Table 2와 같은 전단파속도 200m/s와 300m/s의 균질한 점토지반에 대한 자유장해석을 수행하였다. 이때 토층의 두께는 1.
- 6 참조)를 이용하였다. 그리고 PGA=0.11g인 지진입력에 대한 지진응답해석을 수행하여 동다짐 효과를 분석하였다.
- 지진응답해석 결과로 점토층의 전단파속도, 기초 형식별 내조탱크의 밑면전단력과 전도모멘트와 외조 벽체 쉘에서 응력(수직, 원환, 전단)을 비교하였다. 그리고 말뚝기초의 동다짐 효과에 의한 내조탱크의 부재력 및 외조 벽체의 쉘 응력도 비교하였다. 이로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 이 연구에서는 Kim 등(2015)이 제안한 BSM 방법으로 내조탱크의 FSI 모델을 작성하였다. 그리고 유체의 동수압이 직접적으로 작용하지 않는 외조탱크는 3차원 쉘 요소로 모델링하였다.
- , 2016). 또한 지반의 비선형성을 고려하기 위해 자유장지반에 대한 등가선형 지진응답해석을 수행하고 이로부터 얻어진 지반의 등가선형 물성치를 지반-구조물 상호작용해석에 적용하였다.
- 그리고 지반은 8-절점 입체요소(solid element)로 모델링되었다. 마지막으로 Fig. 5의 지진입력을 기반암 노두에 수평방향으로 입력하여 지진응답해석을 수행하였다.
- 다수의 말뚝이 지반에 설치될 경우 지반의 밀도 증가로 지반의 전단강도와 전단강성(즉, 전단탄성계수)의 증가를 기대할 수 있다. 말뚝과 말뚝 사이의 동다짐 효과를 고려하기 위해 이 연구에서는 Fig. 8과 같이 동다짐 영역(파란색 음영)을 설정하고,이 영역의 전단탄성계수를 증가시켰다. 동다짐에 의한 깊이별전단파속도 분포(Vs )는 식 (1)과 같이 등가선형해석으로부터 계산된 전단파속도 분포(Vs)에 전단파속도 증가비(C)를 곱한 값으로 정의하였다.
- 내조탱크는 바닥 슬래브와 강체 보 요소(rigid beam)로 연결되어 있다. 바닥 슬래브와 말뚝은 쉘 요소로 표현되었고, 말뚝은 원 형태를 모사하기 위해 팔각형 단면으로모델링되었다. 그리고 지반은 8-절점 입체요소(solid element)로 모델링되었다.
- 7은 FSSI 해석을 수행하기 위해 작성된 KIESSI 해석모델이다. 상부 구조인 외조는 쉘 요소로 모델링하였고, 내조 탱크와 유체는 보 요소에 유체부가질량이 추가된 집중질량 보요소로 모델링하였다. 내조탱크는 바닥 슬래브와 강체 보 요소(rigid beam)로 연결되어 있다.
- 이 연구에서는 SSI 효과를 고려한 LNG 저장탱크의 기초형식(얕은 기초, 말뚝기초(지표면 접촉식, 부유식), 말뚝지지 전면기초)에 따른 지진응답의 차이를 분석하였다. 이를 위하여 국내에 건설된 대표적인 LNG 저장탱크를 예제로 선택하였다.
- 6과 같다. 이 연구에서는 위와 같이 1차 비선형 거동이 고려된 등가선형 지반특성을 이용하여 SSI 해석을 수행하였다.
- 이 절에서는 지반의 전단파속도와 기초형식의 변동에 따른 강성이 고려된 SSI 해석결과를 SSI가 무시된 고정기초 지진 응답과 비교하였다. 이때 고정기초해석은 ANSYS를 이용하여 수행하였으며, 지진입력으로 Fig.
- SSI 해석은 등가선형 물성치와 진동수영역 해석법을 사용한 KEISSI-3D 프로그램을 사용하였다. 지진응답해석 결과로 점토층의 전단파속도, 기초 형식별 내조탱크의 밑면전단력과 전도모멘트와 외조 벽체 쉘에서 응력(수직, 원환, 전단)을 비교하였다. 그리고 말뚝기초의 동다짐 효과에 의한 내조탱크의 부재력 및 외조 벽체의 쉘 응력도 비교하였다.
- 지진입력은 기반암노두에서 정의하였고, 입력지진의 강도는 지진구역 I과 재현주기 500년을 적용(PGA=0.11g)하였으며,설계응답스펙트럼의 형상은 행정안전부 고시 내진설계기준 공통적용사항을 적용하였다. Fig.
- 따라서 이 연구에서는 기초형식(얕은 기초, 말뚝기초, 말뚝지지 전면기초)에 따른 LNG 저장탱크의 내조탱크와 외조에 대한 지진응답을 비교하였다. 추가적으로 말뚝 시공 과정에서 발생한 동다짐으로 인한 지반밀도 상승과 지반 강성의 증가 효과를 고려한 LNG 저장탱크의 동적거동에 대해서도 분석하였다.
대상 데이터
- 7m인 PSC 구조물이다. Fig. 3은 말뚝기초와 말뚝지지 전면기초의 말뚝 배치도로서,직경이 0.75m인 강관 말뚝이 총 229개가 사용되었다. 이 연구에서는 기반암 위에 깊이 30m인 균질한 토층을 가정하였으며 Fig.
- 0m인 RC 구조이다. 구조물 및 기초의 재료 물성치는 Table 1과 같고 콘크리트 구조물(RC 및 PSC)의 감쇠비는 5%, 강구조물의 감쇠비는 2%를 사용하였다. 일반적으로 구속압 등의 효과로 인하여 깊이별로 전단파속도의 변화가 있으나, 정성적인 비교를 위하여 지반조건은 Table 2와 같이 760m/s의 기반암 위에 전단파속도 200m/s(Case 1), 300m/s(Case 2)의 균질한 점토층이 있는 것으로 가정하였다.
- 27m인 외조로 구성되어 있다. 내조탱크는 반경 32.5m,높이 20.0m, 평균 벽두께 0.02m의 강구조물이다. 외조는 반경 34.
- 이때 전단파속도의 증가비(C)는 5%, 10%,20%, 30%인 4가지를 고려하였다. 예제해석에 사용된 토층은전단파속도 200m/s에 대한 깊이별 등가선형 전단파속도 분포(Fig. 6 참조)를 이용하였다. 그리고 PGA=0.
- 02m의 강구조물이다. 외조는 반경 34.9m, 높이 29.27m, 평균 벽두께 0.7m인 PSC 구조물이다. Fig.
- 이 연구에서는 SSI 효과를 고려한 LNG 저장탱크의 기초형식(얕은 기초, 말뚝기초(지표면 접촉식, 부유식), 말뚝지지 전면기초)에 따른 지진응답의 차이를 분석하였다. 이를 위하여 국내에 건설된 대표적인 LNG 저장탱크를 예제로 선택하였다. 지반은 기반암 위에 두께 30m인 토층으로 가정하였으며, 지진입력은 수직으로 입사하는 수평진동 지진파로 가정되었다.
- 해석 예제는 Fig. 2와 같은 63,000kL 용량의 LNG 저장 탱크로서 LNG 저장고가 19m인 내조탱크와 전체높이가 29.27m인 외조로 구성되어 있다. 내조탱크는 반경 32.
데이터처리
- 지반조건은 SSI 효과가 더 뚜렷이 나타난 초기지반전단파속도 200m/s인 경우를 고려하였다. 4가지 전단파속도증가비에 대해 계산된 지진응답과 동다짐을 고려하지 않은 조건(즉, C=1.00)에 대한 결과를 비교하였다. 한편 동다짐 영역의 재료감쇠비는 Fig.
- 지반은 기반암 위에 두께 30m인 토층으로 가정하였으며, 지진입력은 수직으로 입사하는 수평진동 지진파로 가정되었다. SSI 해석은 등가선형 물성치와 진동수영역 해석법을 사용한 KEISSI-3D 프로그램을 사용하였다. 지진응답해석 결과로 점토층의 전단파속도, 기초 형식별 내조탱크의 밑면전단력과 전도모멘트와 외조 벽체 쉘에서 응력(수직, 원환, 전단)을 비교하였다.
- 내조탱크와 외조의 지진응답 분석에 앞서 KIESSI 해석모델의 검증을 위해 Fig. 9와 같이 ANSYS 프로그램으로 LNG 저장탱크 모델을 작성하여 고정기초해석을 수행하고 이를 지반의 전단파속도가 5,000m/s인 KIESSI 해석결과와 Fig. 11 및 Fig. 12와 같이 비교하였다. 이때 지진입력은 Fig.
- 이 절에서는 지반의 전단파속도와 기초형식의 변동에 따른 강성이 고려된 SSI 해석결과를 SSI가 무시된 고정기초 지진 응답과 비교하였다. 이때 고정기초해석은 ANSYS를 이용하여 수행하였으며, 지진입력으로 Fig. 5(b)의 가속도 시간이력을 자유장지반의 기반암노두에 입력하여 구한 지표면에서의 응답을 사용하였다. 따라서 Fig.
이론/모형
- 좀 더 복잡한 방법으로 원통형 탱크를 속도포텐셜함수와 쉘(shell) 구조물의 변형 형상에 기반한 유체 부가질량을 보 요소에 부착하고 BSM(beam stick model)을 작성하여 지진력을 산정하는 방법(ASCE 4-16,2017) 등이 있다. 이 연구에서는 FSI 효과를 고려하기 위하여 BSM 방법을 사용하였다. BSM 방법은 전단면적(shear area)이 고려된 보 요소와 집중 유체 부가질량으로 내조탱크를 모델링하는 방법이다.
- , 2015). 이 연구에서는 Kim 등(2015)이 제안한 BSM 방법으로 내조탱크의 FSI 모델을 작성하였다. 그리고 유체의 동수압이 직접적으로 작용하지 않는 외조탱크는 3차원 쉘 요소로 모델링하였다.
- 또한 진동수영역 동적해석의 경우 선형해석에 국한되므로 지반의 비선형성을 고려하려면 등가선형화기법을 이용하여야 한다(Kramer, 1996). 이 연구에서는 지반-구조물 상호작용해석을 수행하기 위해 진동수영역에서 유한-무한요소법을 적용한 SSI해석프로그램인 KIESSI-3D(이하 KIESSI)를 사용하였다(Seo and Kim, 2012; Kim et al., 2016). 또한 지반의 비선형성을 고려하기 위해 자유장지반에 대한 등가선형 지진응답해석을 수행하고 이로부터 얻어진 지반의 등가선형 물성치를 지반-구조물 상호작용해석에 적용하였다.
- 2m로 세분화하여 해석을 수행하였다. 자유장해석은 SHAKE 프로그램을 이용하여 수행하였으며, 점토에 대한 비선형 특성은 Schnabel 등(1991)의 자료를 이용하였다. 등가선형 자유장해석을 통해 얻은 두 지반조건에 대한 깊이별 등가선형 지반 특성은 Fig.
성능/효과
- (1) SSI 효과를 고려할 경우 SSI를 무시한 경우보다 외조의 응력은 최대 42%, 내조의 부재력은 최대 57% 작은 것으로 나타났다. 하지만 자유장 지반의 고유진동수와 구조물의 고정기초에 대한 고유진동수가 근접하게 되면SSI를 고려할 경우에도 구조물의 응답이 증폭되는 경우가 발생하였다.
- (2) 기초 형식에 따른 내조탱크와 외조의 지진응답을 비교한 결과, 내조탱크의 부재력은 부유식 말뚝기초에서 최대가 발생하였고, 외조탱크의 응력은 말뚝지지 전면기초에서 최대가 발생하였다. 이로 부터 기초의 형식에 따라 SSI효과가 상부 구조물에 미치는 영향이 다를 수 있음을 알 수 있었다.
- (3) 말뚝의 항타로 인한 주변 지반의 동다짐 효과는 말뚝기초(지표면 접촉식, 부유식)에서는 무시할 수 있을 정도로 작은 반면, 말뚝지지 전면기초 구조물에서는 10% 이상의 차이를 보여 그 영향을 무시할 수 없을 것으로 판단된다. 하지만 동다짐 효과의 영향에 대한 정량적인 평가를 위해서는 실험적 및 수치적인 추가연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 5(b)를 이용하였다. 고정기초조건에 대해 KIESSI와 ANSYS를 비교한 결과, 얕은 기초에서 외조(Fig. 11)의 벽체 쉘 응력과 내조(Fig. 12)의 밑면전단력과 전도모멘트의 차이는 2% 이내로 매우 작게 나타났다. 하지만 부유식 말뚝기초에서 외조 벽체 쉘의 응력성분에서 16.
- 이 그림에서 알 수 있듯이 밑면전단력은 말뚝지지 전면기초에서 뚜렷한 차이를 보였다. 그리고 동다짐 효과가 밑면전단력과 전도모멘트에 미치는 크기는 전단강성에 비례하며 그 값은 각각 최대 13%와 6%였다. 하지만 선단지지 말뚝기초(지표면 접촉식,부유식)인 경우 구조물의 밑면전단력과 전도모멘트는 전단강성에 따라 뚜렷한 변화가 없었다.
- 6% 작은 값을 보였다. 또한 4가지 기초형식들 중 지반의 강성이 큰 300m/s의 경우, 부유식 말뚝기초에서 응력이 다른 기초에서 보다 큰 값을 보였다. 특히 전단응력은 얕은 기초 보다 약 18% 컸다.
- 지반의 전단파속도가 300m/s 일 때, 구조물의 지진응답은 SSI 효과를 고려하지 않은 경우에 비하여 47%~52% 작았고, 지반의 전단파속도가 200m/s 일 때, 구조물의 지진응답은 43%~49% 작은 값을 나타냈다. 또한 4가지 기초형식들 중 지반의 전단파속도가 300m/s인 경우 밑면전단력과 전도모멘트는 얕은 기초에서 최댓값이 발생하지만 그 차이는 각각 5%와 1% 이내로서 거의 차이가 없었다. 지반의 전단파 속도가 200m/s인 경우, 얕은 기초에서 구조물의 지진응답이 제일 작고 부유식 말뚝기초에서 가장 컸지만 그 차이는 5% 이내였다.
- (2) 기초 형식에 따른 내조탱크와 외조의 지진응답을 비교한 결과, 내조탱크의 부재력은 부유식 말뚝기초에서 최대가 발생하였고, 외조탱크의 응력은 말뚝지지 전면기초에서 최대가 발생하였다. 이로 부터 기초의 형식에 따라 SSI효과가 상부 구조물에 미치는 영향이 다를 수 있음을 알 수 있었다.
- 이 그림에서 알 수 있듯이 내조 탱크의 지진응답은 SSI 효과를 고려할 경우 SSI를 무시한 결과보다 작았다. 지반의 전단파속도가 300m/s 일 때, 구조물의 지진응답은 SSI 효과를 고려하지 않은 경우에 비하여 47%~52% 작았고, 지반의 전단파속도가 200m/s 일 때, 구조물의 지진응답은 43%~49% 작은 값을 나타냈다. 또한 4가지 기초형식들 중 지반의 전단파속도가 300m/s인 경우 밑면전단력과 전도모멘트는 얕은 기초에서 최댓값이 발생하지만 그 차이는 각각 5%와 1% 이내로서 거의 차이가 없었다.
- 14는 SSI가 고려된 외조 벽체 쉘의 수직응력(S11),원환응력(S22), 전단응력(S12)을 비교한 그림이다. 지반의 전단파속도가 300m/s일 때, 구조물의 지진응답은 고정기초 응답에 비해 35.5% ~ 41.7% 작은 값을 보였고, 200m/s일 때, 구조물의 지진응답은 29.9% ~ 33.6% 작은 값을 보였다. 또한 4가지 기초형식들 중 지반의 강성이 큰 300m/s의 경우, 부유식 말뚝기초에서 응력이 다른 기초에서 보다 큰 값을 보였다.
후속연구
- (3) 말뚝의 항타로 인한 주변 지반의 동다짐 효과는 말뚝기초(지표면 접촉식, 부유식)에서는 무시할 수 있을 정도로 작은 반면, 말뚝지지 전면기초 구조물에서는 10% 이상의 차이를 보여 그 영향을 무시할 수 없을 것으로 판단된다. 하지만 동다짐 효과의 영향에 대한 정량적인 평가를 위해서는 실험적 및 수치적인 추가연구가 필요할 것으로 사료된다.
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