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문제 정의
- 본 논문에서는 모듈형 LNG탱크의 외조를 구성하기 위하여 개발된 SCP(HHI, 2015)의 충돌거동을 분석하기 위하여 중형충돌시험기를 이용하여 충돌시험을 수행하고, 이 결과의 검증을 위한 수치모델을 개발하여 그 해석결과를 검토하였다. 그 결과 얻어진 오차를 분석하고 설계시에 적용할 수 있도록 보수성을 평가하였다.
- 본 연구에서는 모듈형 LNG저장탱크의 외조를 구성하는 SCP에 대한 충돌시험을 수행하고 수치해석을 수행하여 이를 검증하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- (1) 중속충돌기로 일반단면부 시험체 3개과 연결단면부시험체 3개에 대하여 약 50m/s, 100m/s로 충돌시험을 수행하고 중앙부의 변형을 계측하였다. 일반단면부 시험체에 2배속 충돌한 경우를 제외하고는 모두 전면부에 함몰변형이 발행하였으나 후면의 변위는 크기 않았다.
- 설계기준(CEN, 2006)에 제시된 충돌에너지를 가지도록 질량 51kg인 강재 충돌체를 시험체의 중앙에 45m/s의 속도로 충돌시켰고자 하였으나 실제 시험에서는 계획보다 큰 속도로 충돌되었다. 2종의 시험체에 대해서 2회의 충돌시험을 실시하고 극한거동을 검토하기 위하여 속도를 2배로 증가시켜 추가로 실험을 실시하였다(Table 2).
- 해석에 사용된 콘크리트의 기준 강도는 시험체의 설계시 35MPa를 목표하였으나 실제로는 이보다 큰 48MPa로 측정되었으므로 48MPa를 기준으로 상하 10MPa의 변동을 고려하여 38MPa, 48MPa. 58MPa의 3가지의 재료로 모델링하고 각각의 응답을 산정하였다.
- 본 논문에서는 모듈형 LNG탱크의 외조를 구성하기 위하여 개발된 SCP(HHI, 2015)의 충돌거동을 분석하기 위하여 중형충돌시험기를 이용하여 충돌시험을 수행하고, 이 결과의 검증을 위한 수치모델을 개발하여 그 해석결과를 검토하였다. 그 결과 얻어진 오차를 분석하고 설계시에 적용할 수 있도록 보수성을 평가하였다. 이 해석모델을 실제 구조물의 설계에 대한 충돌안전성 검토에 사용할 것이다.
- 본 연구에서 사용된 수치해석모델은 실제 거동에 비하여 후면부의 변위를 크게 산정하였다. 하지만 이는 내부 저장조를 보호하는 탱크외벽의 역할을 고려하여 볼 때 보수적인 해석 결과를 보이는 것으로 판단할 수 있다.
- 연결단면 시험체를 나타내는 모델에서는 내부 충진콘크리트의 간극을 모델링하기 위하여 요소망이 분리되도록 모델링하고 이 부분에서 접촉에 의한 구조거동이 일어나도록 모델링하였다(Fig. 5). 해석시 모델의 외부표면에 일반적인 접촉이 발생하도록 하였기 때문에 이 부분은 변형에 의해서 발생하는 접촉에 의해서 힘이 전달된다.
- (2) 수치해석모델을 이용하여 충돌시험과 동일한 조건의 해석을 수행한 결과 충돌이 발생한 전면부의 변형은 비교적 정확하게 산정하였으나 후면부의 변위는 과다평가되었다. 오차의 원인으로 시험체의 충진상태를 추정하였다.
- 4에서 보이는 바와 같다. 요소망의 조밀성에 대한 수렴성해석을 수행하여 일관된 해석 결과를 보이는 것을 확인하고 해석을 수행하였다. 수치해석 사용된 모델은 절점 약 16만개, 고체요소 약 15만개, 보요소 약 1.
- 충돌체가 충돌한 전면부와 후면의 중앙부에서의 변형을 계측하였다. 이 결과는 Table 2에 정리하였다.
대상 데이터
- 또한 충돌체의 지름이 1,000mm로 본 연구에서 사용된 충돌체의 지름(150mm)에 비하여 상대적으로 크고 충진콘크리트의 강도(35MPa)도 본 연구에서 수행된 해석모델에서 사용된 값의 73%이다. 기존 연구에서 사용되었던 SCP의 두께가 250mm로 본 연구의 해석대상인 SCP보다 25% 두꺼우나 충돌체의 운동에너지가 광범위한 영역에서 강판의 소성변형을 일으켰고 상대적으로 콘크리트의 강성기여도가 작아 본 연구과 상이한 에너지소산비율이 발생한 것으로 추정될 수 있다. 충돌에너지의 크기와 SCP에서 강판과 콘크리트의 에너지 소산비율의 관계는 추가적인 연구로 규명되어야 할 부분으로 판단된다.
- 요소망의 조밀성에 대한 수렴성해석을 수행하여 일관된 해석 결과를 보이는 것을 확인하고 해석을 수행하였다. 수치해석 사용된 모델은 절점 약 16만개, 고체요소 약 15만개, 보요소 약 1.4만개로 구성되었다.
- 시험에 사용된 시험체는 가로, 세로 각 2m의 크기이고 두께는 일반부 단면을 기준으로 콘크리트 188mm, 강판 각 6mm, 총 두께 200mm로 실구조물의 SCP 두께인 250mm보다 축소되어 제작되었다. 일반부단면 시험체는 전면과 후면의 철판에 직경 13mm의 전단연결재를 용접으로 연결하였다.
- 시험체는 일반부단면 시험체 3개, 연결부단면 시험체 3개를 제작하였다(Table 2). 설계기준(CEN, 2006)에 제시된 충돌에너지를 가지도록 질량 51kg인 강재 충돌체를 시험체의 중앙에 45m/s의 속도로 충돌시켰고자 하였으나 실제 시험에서는 계획보다 큰 속도로 충돌되었다.
- 일반부단면 시험체는 전면과 후면의 철판에 직경 13mm의 전단연결재를 용접으로 연결하였다. 연결부단면시험체는 중앙부에 위치한 연결부 방향으로 두께 13mm, 폭 310mm의 철판으로 보강하고, 이 부분에 지름 19mm의 전단 연결재를 125mm간격으로 배치하였다. 연결부단면 시험체의 충진콘크리트는 실제 건설되는 구조물의 조건을 반영할 수 있도록 연결부에 간극이 발생하도록 분리 타설하였다(Fig.
- 충돌시험을 수치해석하기 위한 해석모델은 고체요소와 보요소를 이용하여 작성되었다. 전후면의 강판과 충진콘크리트, 충돌체는 고체요소로 모델링되었고, 전단연결재는 보요소로 모델링되었다. 해석에 사용된 프로그램은 LS-DYNA R10.
- 충돌시험에 사용된 충돌시험기는 극한성능시험센터에 설치된 중속가스건(middle velocity propulsion impact machine)이다(Fig. 1).
이론/모형
- 충돌시험을 수치해석하기 위한 해석모델은 고체요소와 보요소를 이용하여 작성되었다. 전후면의 강판과 충진콘크리트, 충돌체는 고체요소로 모델링되었고, 전단연결재는 보요소로 모델링되었다.
- 해석에 사용된 재료모델은 강재의 경우 등방운동경화모델(isotropic and kinematic hardening plasticity model, *MAT_PLASTIC_KINEMATIC)을 사용하였으며 충돌속도에 따른 변형속도의 영향을 다음과 같이 고려하였다.
성능/효과
- (2) 수치해석모델을 이용하여 충돌시험과 동일한 조건의 해석을 수행한 결과 충돌이 발생한 전면부의 변형은 비교적 정확하게 산정하였으나 후면부의 변위는 과다평가되었다. 오차의 원인으로 시험체의 충진상태를 추정하였다.
- (3) 수치해석모델에서 충돌에너지는 강판보다 충진콘크리트에 더 많이 전이되었다. 이는 충돌에너지가 큰 이전의 연구결과와 다른 특성을 보인다.
- 이러한 경향은 유사한 해석을 수행했던 연구결과(Lee, 2017)과 상이한 결과를 보여주고 있다. 이 연구에서 나타난 에너지의 소산비율은 강판과 콘크리트가 약 2:1의 비율로 본 연구에서 수행된 에너지 전이 비율과는 반대의 경향을 보여주고 있다. 이러한 현상의 원인으로는 두 해석의 충돌에너지의 차이와 충돌체의 크기로 추정할 수 있다.
- 강도에 전후면 변위도 영향은 마찬가지로 감소한다. 전면부에서 변위값은 충진콘크리트의 강도에 따라 감소하는 경향을 보이나 시험체의 강도(48MPa)에 해당하는 해석결과에서는 비교적 정확한 변위값(오차 4.3%)을 산정할 수 있었다. 그러나 전면과 후면의 변위차는 시험결과에 비해서 크게 발생한다.
- 비교의 기준이 된 시험결과는 앞 절에서 언급했듯이 신뢰성이 높다고 판단된 Test#1, #2를 사용하였다. 해석결과는 연결단면부 시험체가 일반단면부 시험체보다 큰 강성을 보여 전면과 후면에서 모두 작은 변위를 나타내는 것을 나타내고 있다. 충진콘크리트의 강도가 증가하여도 이 경향은 그대로 유지된다.
후속연구
- (4) 본 해석에서 작성된 수치해석모델은 보수적인 결과를 보이므로 실제 설계시에 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 하지만 이는 내부 저장조를 보호하는 탱크외벽의 역할을 고려하여 볼 때 보수적인 해석 결과를 보이는 것으로 판단할 수 있다. 따라서 본 연구에서 기술된 해석모델은 실제 설계시에 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 그 결과 얻어진 오차를 분석하고 설계시에 적용할 수 있도록 보수성을 평가하였다. 이 해석모델을 실제 구조물의 설계에 대한 충돌안전성 검토에 사용할 것이다.
- 기존 연구에서 사용되었던 SCP의 두께가 250mm로 본 연구의 해석대상인 SCP보다 25% 두꺼우나 충돌체의 운동에너지가 광범위한 영역에서 강판의 소성변형을 일으켰고 상대적으로 콘크리트의 강성기여도가 작아 본 연구과 상이한 에너지소산비율이 발생한 것으로 추정될 수 있다. 충돌에너지의 크기와 SCP에서 강판과 콘크리트의 에너지 소산비율의 관계는 추가적인 연구로 규명되어야 할 부분으로 판단된다.
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