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문제 정의
- 구조물의 유연성을 고려하여, 즉 유체-구조물 상호작용을 고려하였을 때, 수평 양방향 지반운동이 작용하는 방위각에 따른 직사각형 액체저장탱크의 지진응답 특성을 살펴보고자 한다.
- 이 시스템에 지진 지반운동이 작용하였을 때 저장 유체는 구조계에 동수압을 작용한다. 그러므로 구조계의 운동방정식에 지반운동에 의한 유효 지진력과 저장 유체의 동수압을 외력으로 가하여 전체 시스템의 지배방정식을 유도하고자 한다.
- 그러므로 이 연구에서는 지진하중 작용 시 발생하는 유체 동수압을 유한요소 기법을 사용하여 산정하고, 이 동수압을 구조물의 유한 요소에 작용하여 전체 시스템의 동적 거동을 모사한다. 사용된 유한요소 모형의 정확성을 여러 가지 정해와 비교하여 검증하고, 수평 양방향 지반운동의 작용 방향을 변화시켜 가며 직사각형 액체저장탱크 지진응답의 변화 특성을 조사하고자 한다.
- 여기에서는 직사각형 액체저장탱크의 운동방정식을 유도하고자 한다. Fig.
- 하지만, Ly/Lx = 1인 경우에는 우수한 결과를 주는 SRSS 조합을 특정할 수 없다. 이 연구에서는 수평 양방향 성분의 세기가 다른 지반운동을사용하여, 지반운동의 수평운동이 작용하는 방위각의 변화에 따른 지진응답의 변화를 살펴보았다. 만약 수평 양방향 성분의 세기가 유사한 지진파를 사용할 경우에는, Ly/Lx = 3 또는2인 경우에도 정해와 잘 일치하는 최고 지진 응답을 얻을 수 있는 100%-30% 조합 또는 SRSS 조합을 특정할 수 없을 것이다.
- 특히, 원통형 액체저장탱크와 달리 직사각형 액체저장탱크는 대칭 구조물이 아니므로, 양방향 수평 지반운동이 작용하는 방향에 따라 그 거동 특성이 크게 변화할 가능성이 있다. 이 연구에서는 양방향 수평 지반운동이 작용하는 방위각에 따른 직사각형 액체저장탱크의 지진응답 특성 변화를 살펴보고자 한다. 앞에서 언급하였듯이 대상 시스템의 지진 거동은 유체-구조물 상호작용의 효과에 의해서 크게 영향을 받는다.
- 액체저장탱크의 지진 거동은 유체-구조물 상호작용에 의해 복잡하게 나타나므로, 이 시스템의 지진응답과 피해를 정확하게 예측하기 위해서는 이를 엄밀히 고려하여야 한다. 이 연구에서는 유체-구조물 상호작용을 엄밀히 고려하여 양방향 수평 지반운동이 작용하는 직사각형 액체저장탱크의 지진응답 해석을 수행하고 그 응답 특성을 분석하였다. 이를 위해 지진하중 작용 시 발생하는 유체 동수압을 유한요소 기법을 사용하여 산정하였다.
- 이상과 같이 액체저장탱크의 지진 거동은 유체-구조물 상호작용에 의해 복잡하게 나타나므로, 이 시스템의 지진응답과 피해를 정확하게 예측하기 위해서는 이와 같은 상호작용을 엄밀히 고려하여야 한다. 이 연구에서는 유체-구조물 상호작용을 엄밀히 고려하여 직사각형 액체저장탱크의 지진응답 해석을 수행하고 그 응답 특성을 분석하고자 한다. 특히, 원통형 액체저장탱크와 달리 직사각형 액체저장탱크는 대칭 구조물이 아니므로, 양방향 수평 지반운동이 작용하는 방향에 따라 그 거동 특성이 크게 변화할 가능성이 있다.
가설 설정
- 1에 보인 바와 같이 고려하는 시스템은 탱크 구조물과 저장 유체로 이루어져 있다. 시스템을 지지하고 있는 지반은 강체로 가정한다. 이 시스템에 지진 지반운동이 작용하였을 때 저장 유체는 구조계에 동수압을 작용한다.
- 우선 탱크 구조물 변위의 전달함수를 계산하였다. 이때, 구조물의 감쇠는 등가감쇠비 5%의 hysteretic damping을 가정하였다. Fig.
- 2의 양방향 수평 지반운동이 작용할 때의 응답을 계산하였다. 이때, 구조물의 감쇠는 앞에서 구한 1차와 2차 고유진동수에 대해 5%의 감쇠비를 주는 Rayleigh damping을 가정하였다. Fig.
- ABAQUS를 사용하여 얻은 고유진동수도 Table 1에 같이 비교하였다. 이때, 비압축성 유체를 근사적으로 모사하기 위하여 유체의 압축파 속도는 1,480,000 m/s로 가정하였다.
- 1에 보인 직사각형 액체저장탱크 시스템의 구조물에 작용하는 유체의 동수압을 산정한다. 저장 유체는 비점성 비압축성 이상 유체로 가정한다. 이때 유체의 지배방정식은 다음과 같다.
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