[논문]폭발하중을 받는 보강판 구조물의 간이 해석법에 대한 실용성 검토

김을년; 하심식

doi:10.3744/snak.2020.57.2.070

[국내논문] 폭발하중을 받는 보강판 구조물의 간이 해석법에 대한 실용성 검토
A Review on Practical Use of Simple Analysis Method based on SDOF Model for the Stiffened Plate Structures subjected to Blast Loads 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.57 no.2, 2020년, pp.70 - 79

김을년 (현대중공업 선박연구소) , 하심식 (현대중공업 해양플랜트사업부)

Abstract ▼ AI-Helper

The offshore installation units may be subjected to various accidental loads such as collision from supply vessels, impact from dropped objects, blast load from gas explosion and thermal load from fire. This paper deals with the design and strength evaluation method of the stiffened plate structures in response to a blast load caused by a gas explosion accident. It is a comprehensive review of various items used in actual project such as the size and type of the explosive loads, general design procedure/concept and analysis method. The structural analyses using simple analysis methods based on SDOF model and nonlinear finite element analysis are applied to the particular FPSO project. Also validation studies on the design guidance given by simple analysis method based on SDOF model have also considered several items such as backpressure effects, material behavior and duration time of the overpressure. A good correlation between the prediction made by simple analysis method based on SDOF model and nonlinear finite element analysis can be generally obtained up to the elastic limit.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 간이 해석법으로 사용할 수 있는 간이 해석법과 비선형 유한요소 해석법(Non-Linear Finite Element Analysis Method, NLFEA)에 대하여 소개한다.
폭발에 의한 구조적 안전성을 유지하기 위한 방안은 직접적으로 폭발하중을 낮추거나 취약한 구조부재의 추가 보강안을 마련하는 것이다. 폭발하중을 낮추는 것은 대부분 설계 초기 단계에서 용이하다.

가설 설정

- 구조물의 변형은 장비를 안전하게 운용할 수 있는 임계치를 넘지 말아야 하고 좌굴강도 또는 최종강도에 도달하지 않아야 한다.
- 스크린 해석과 간이 해석법으로 SLA을 수행하고 이를 만족하지 못할 경우에만 NLFEA를 이용한 DLA를 수행하면 설계에 소요되는 시간과 비용을 절감할 수 있을 것이다.
- 연강과 고항복강의 에너지 흡수율은 차이가 거의 없다. 따라서 DNVGL (2019a)에서 제시하는 손상 변형률(failure strain)을 기준으로 DLA 강도 평가를 하는 경우, 고항복강의 사용은 구조물의 강도 증가에 효과가 거의 없다고 사료된다.
- 화재/폭발 강화격벽과 이를 지지하는 구조는 폭발사고에서 안전을 유지할 수 있어야 한다.

제안 방법

- 또한 간이 해석법의 적용성을 검토하기 위하여 폭발압력의 크기와 지속시간 등을 변화시키면서 NLFEA와 비교하였다. 이에 따르면 간이 해석법은 비교적 NLFEA와 잘 일치하고 있으나 소성변형이 발생하는 큰 폭발압력일 경우 차이를 나타내었다.
FPSO와 같은 해양구조물의 구조부재는 100년 주기의 파랑하중을 고려하여 최종 한계상태(Ultimate Limit State, ULS) 설계를 수행한다. 만약 이들 부재들이 사고 한계상태(Accidental Limit State, ALS) 설계의 일종인 폭발에 의한 안전도 평가기준을 만족하지 못하면 구조부재의 치수 재선정이 필요하고, 상황에 따라서는 방폭 격벽을 추가적 설치하거나, 보다 강화된 폭발감지 장치 등을 설치하여야 한다.
SDOF방법은 배압(backpressure)을 고려하지 않고 수행하고 하고 있어 실제공사에서 적용 시, 배압의 영향을 조사하고자 Fig.7의 충격하중 시간이력에 대하여 Fig. 8에 나타낸 대상 거주구 전면 벽에 대하여 LS-DYNA 상용 소프트웨어를 이용하여 폭발하중을 작용하며 비선형 유한요소 해석을 수행하였다.
거주구의 전면벽에 과압 0.225 barg를 지속시간 162ms 주었을 때와 동일 조건에서 추가로 배압 -0.113 barg을 324ms동안 주었을 때에 대하여 검토하였다.
본 연구에서는 초기 설계에 필요한 간이 해석법을 적용하고 그 결과를 유한요소해석과 비교하였다. 또한 폭발 압력의 지속시간 변화와 폭발압력의 크기에 따른 재료의 거동에 대하여 해석을 수행하고 비교하였다.
본 논문은 보강판 구조물이 가스 폭발사고로 충격하중을 받을때 이에 대응한 설계와 강도 평가에 관한 것으로, 조선소에서 초기 설계에 사용하는 간이 해석법의 적용성에 대한 유효성 평가를 수행하였으며 비선형 동적 비선형 유한요소해석 결과와 비교하여 분석하였다.r
본 연구에서는 간이 해석법을 도입하여 설계 인자들의 영향을 조사하고 그 결과를 동적 비선형 유한요소 해석 결과와 비교/검토하였다.
본 연구에서는 초기 설계에 필요한 간이 해석법을 적용하고 그 결과를 유한요소해석과 비교하였다. 또한 폭발 압력의 지속시간 변화와 폭발압력의 크기에 따른 재료의 거동에 대하여 해석을 수행하고 비교하였다.
유한요소해석을 이용하여 경계조건의 유효성을 검토하기 위하여 고유치 해석(eigenvalue analysis)을 수행하였다. Table 8에 나타낸 바와 같이 이론적인 결과와 유한요소해석에 의한 고유주파수 값은 서로 유사한 값을 나타내었다.
Table 7은 충격하중의 크기를 SLA와 DLA 수준에서 SDOF와 NLFEA 결과를 비교하기 위하여 모델의 치수와 재료 물성치, 경계조건 그리고 충격하중 값 등을 나타낸 것이다. 폭발하중 형태는 삼각형파로 구조물이 탄성과 소성영역에서 변형과 응답을 계산하기 위해 4 가지 크기의 하중을 고려하였다.
해양구조물에 대한 폭발해석은 생산모듈, 격벽, 선체갑판, 거주구 외벽, 주요 장비 등을 대상으로 수행하며 응력, 좌굴, 변위, 가속도 측면에서 구조적 안전도를 평가한다.

데이터처리

Biggs (1982)에 의한 이론을 사용한 간이 해석법의 정확도를 검증하기 위하여 비선형 유한요소 해석결과와 비교하였다. Fig.

성능/효과

- 기존 현대중공업에서 수행한 공사들에 대하여 사고한계상태의 폭발해석 결과는 최종한계상태로 설계한 부재 치수에 거의 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 즉, 폭발 설계하중은 최종 한계 설계하중보다 훨씬 크지만 이의 강도 평가 기준이 완전 소성설계로 되어 있어 나타나는 현상으로 추정 된다.
- 배압에 의한 효과를 분석하기 위하여 해양구조물의 거주구 전면벽에 NLFEA를 적용하여 해석을 수행하였으며 그 결과로 나타난 처짐은 배압 적용 유무에 크게 영향을 받지 않은 것으로 나타났다.
3barg에서는 탄성영역으로 나타났다. 3.8barg가 작용할 경우, 탄소성영역이 공존하며 양쪽 끝단에서는 소성힌지(plastic hinge)가 발생하였음을 알 수 있다. 또한 4.
13의 이론으로 식 (6)을 사용하여 계산한 이론적 값이다. 간이 해석법에 의한 결과는 구조물이 소성을 일으킨 후에도 비선형성을 고려하기 어려워 최대압력의 크기와 거의 비례하는 수준으로 변형량의 변화가 예측되었으나 NLFEA 결과는 소성변형을 동반한 대변형의 효과를 고려할 수 있어 처짐량이 급격히 증가하는 결과를 나타낸 것으로 추정된다.
기존 현대중공업에서 수행한 6개의 공사들에 대하여 폭발해석 결과를 조사한 결과, 사고 한계상태인 폭발해석이 최종 한계상태 설계로 결정한 부재 치수에 거의 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 이에 대한 원인 규명을 위하여 이론적 연구와 함께 비선형 유한요소해석을 병행한 연구가 이루어져야 할 것으로 사료된다.
Table 5에 나타낸 바와 같이 FEA에 의한 동적거동 값과 정적해석 결과는 거의 동일한 결과를 나타낸다. 또한 SDO법은 양단지지 지지조건과 고정 조건의 평균값이 동적 과도 응답해석 결과와 5% 이내의 차이로 잘 일치하였다.

후속연구

- 또한 폭발에 의하여 얇은 판부재의 찢어짐, 보강재의 굽힘에 의한 붕괴, 연결부의 손상, 보강판의 붕괴, 구조물 전체의 붕괴를 각 붕괴형태별 구조부재 손상 기준을 설립하고 하중에 대응한 구조물 응답을 탄성, 탄성-소성, 소성상태로 나누어 수행하는 방법 등 추가적인 이론적 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- Biggs (1982)의 간이 해석법은 보강 판구조를 1차원 보구 조로 생각하여 계산함으로써 판의 폭방향의 강성을 고려하지 않아 실제 보강판 구조보다 크게 안전측에서 평가하는 경향이 나타난다. 따라서 2차원 보강판 구조에 대한 처짐이론을 적용하여 판의 폭방향 면내강성을 고려하여 계산하는 추가 연구 수행이 필요하다고 사료된다.
기존 현대중공업에서 수행한 6개의 공사들에 대하여 폭발해석 결과를 조사한 결과, 사고 한계상태인 폭발해석이 최종 한계상태 설계로 결정한 부재 치수에 거의 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 이에 대한 원인 규명을 위하여 이론적 연구와 함께 비선형 유한요소해석을 병행한 연구가 이루어져야 할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	해양구조물에 있어 가스폭발은 어떠한 현상인가	해양구조물에 있어 가스폭발은 생산, 정재, 저장과정에서 누출된 기름이 가연성 가스와 산소가 혼합된 가스 구름이 인화 요인에 의하여 연소하면서 발열 반응과 함께 압력이 급격히 팽창하는 현상을 말한다. 폭발해석은 상부모듈의 구조부재, 방화/방폭격벽, 선체 상갑판, 거주구(living quarter) 외벽, 배관, 주요장비 및 그 지지구조에 주로 수행하며 항복강도, 좌굴강도, 최대 변위, 파손 변형률, 구조물 붕괴 등의 측면에서 구조물 안전도를 평가한다.
	해양구조물의 폭발해석은 구조물의 어떠한 안전도를 평가하는가	해양구조물에 있어 가스폭발은 생산, 정재, 저장과정에서 누출된 기름이 가연성 가스와 산소가 혼합된 가스 구름이 인화 요인에 의하여 연소하면서 발열 반응과 함께 압력이 급격히 팽창하는 현상을 말한다. 폭발해석은 상부모듈의 구조부재, 방화/방폭격벽, 선체 상갑판, 거주구(living quarter) 외벽, 배관, 주요장비 및 그 지지구조에 주로 수행하며 항복강도, 좌굴강도, 최대 변위, 파손 변형률, 구조물 붕괴 등의 측면에서 구조물 안전도를 평가한다.
	폭발해석은 어디에 주로 수행하는가	해양구조물에 있어 가스폭발은 생산, 정재, 저장과정에서 누출된 기름이 가연성 가스와 산소가 혼합된 가스 구름이 인화 요인에 의하여 연소하면서 발열 반응과 함께 압력이 급격히 팽창하는 현상을 말한다. 폭발해석은 상부모듈의 구조부재, 방화/방폭격벽, 선체 상갑판, 거주구(living quarter) 외벽, 배관, 주요장비 및 그 지지구조에 주로 수행하며 항복강도, 좌굴강도, 최대 변위, 파손 변형률, 구조물 붕괴 등의 측면에서 구조물 안전도를 평가한다.

참고문헌 (13)

American Petroleum Institute(API), 2012. Recommended Practice for the Design of Offshore Facilities against Fire and Blast Loading. API-RP-2FB, USA, Washington:API.
Biggs, John M., 1982. Introduction to structural dynamics. McGraw-Hill Book Company.
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NORSOK Standard, 2004. Design of steel structures, Rev.2, Standard N-004, Norway Lysaker:Standards Norway.
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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