[논문]누출사고 방지를 위한 위험물 탱크의 기초 안정성 분석

임종진; 구재현

doi:10.7731/kifse.55a324ba

문제 정의

본 연구에서는 직경 20 m, 높이 10 m의 원형 종형탱크의 기초에 대한 안정성 분석을 통해 설계 및 시공시의 가이드라인을 제시하고자 하였다. 이를 위해 현재 시공되고 있는 위험물탱크 기초의 대표적인 형태를 조사하고 각 유형에 따른 대표 단면을 설정한 후 3차원 모델링에 의한 유한요소 수치해석을 수행하였다.

가설 설정

을 사용하였으며, 이때의 설계풍속은 50 m/s (2003년 태풍 매미를 기준)로 하였다. 또한 탱크 바닥판의 애뉼러(Annular) 부분은 탱크 기초에 앵커로 고정하여 기초와 동일하게 거동하는 것으로 가정하였다.
지반의 물성은 국내 위험물탱크 단지가 건설된 매립지에 대한 현장시험과 실내시험을 통해 얻어진 986건의 데이터를 분석하고, 대표단면으로 매립층(깊이 0∼4 m, N치 5), 퇴적층(깊이 4∼16 m, N치 12), 풍화토층(깊이 16∼26 m, N치 33), 풍화암층(깊이 26∼30 m, N치 50)의 순으로 수평지층 지반을 구성하였다. 매질의 항복 이후 거동은 완전소성(Perfectly Plastic Model)으로 가정하였다. 또한 해석대상 기초의 링월은 폭 2 m × 높이 2 m로 설정하고, 쉘의 위치는 링월의 중앙으로 설정 하였다.
본 해석은 수평지층일 때를 가정하였으며 실제로는 수 평지층이 아닌 경우가 대부분이므로 탱크의 직경을 따라지반의 강성의 차이가 있으므로 부등 침하 발생의 가능성이 있을 것으로 분석된다. 따라서 수평지층이 아닌 지반에 링월기초나 링월슬래브, 매트슬래브 기초를 할 경우, 최소한 지중방향으로 탱크직경 깊이까지 지반을 치환 다짐하면서 평판 재하시험 등을 통해 지반의 견고성을 반드시 확인하여야 할 것으로 분석된다.

제안 방법

이를 위해 현재 시공되고 있는 위험물탱크 기초의 대표적인 형태를 조사하고 각 유형에 따른 대표 단면을 설정한 후 3차원 모델링에 의한 유한요소 수치해석을 수행하였다. 그리고 각 기초 유형에 따른 수치해석 결과를 분석하여 응력 크기 및 침하량 분포를 비교검토하였으며, 그 결과를 통해 각 기초유형에 해당하는 설계 및 시공시의 유의 사항을 제시하였다.
또한 해석대상 기초의 링월은 폭 2 m × 높이 2 m로 설정하고, 쉘의 위치는 링월의 중앙으로 설정 하였다.
본 연구에서는 상기의 해석조건 및 해석방법을 통하여 위험물탱크 기초별 최대 연직 침하량과 최대응력의 크기및 각 기초 및 기초하부 지반의 연직침하량 분포와 응력크기의 분포를 분석하였다.
석유화학산업단지 밀집지역에서 대규모 화재를 유발할수 있는 위험물저장탱크 누출사고를 예방하기 위하여, 우선적으로 탱크의 기초가 침하 및 발생응력에 대하여 충분한 안정성을 확보하여야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 대표적인 기초 유형을 콘크리트링월, 링월슬래브, 매트슬래브, 말뚝기초의 4종류로 분류하고, 지반의 구성은 기존에 위험물탱크가 건설된 대표지반으로 구성하여, 각 기초유형별로 3D FEM 모델링을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 직경 20 m, 높이 10 m의 원형 종형탱크의 기초에 대한 안정성 분석을 통해 설계 및 시공시의 가이드라인을 제시하고자 하였다. 이를 위해 현재 시공되고 있는 위험물탱크 기초의 대표적인 형태를 조사하고 각 유형에 따른 대표 단면을 설정한 후 3차원 모델링에 의한 유한요소 수치해석을 수행하였다. 그리고 각 기초 유형에 따른 수치해석 결과를 분석하여 응력 크기 및 침하량 분포를 비교검토하였으며, 그 결과를 통해 각 기초유형에 해당하는 설계 및 시공시의 유의 사항을 제시하였다.
지반의 물성은 국내 위험물탱크 단지가 건설된 매립지에 대한 현장시험과 실내시험을 통해 얻어진 986건의 데이터를 분석하고, 대표단면으로 매립층(깊이 0∼4 m, N치 5), 퇴적층(깊이 4∼16 m, N치 12), 풍화토층(깊이 16∼26 m, N치 33), 풍화암층(깊이 26∼30 m, N치 50)의 순으로 수평지층 지반을 구성하였다.

대상 데이터

Figure 2는 국내에서 일반적으로 사용되는 위험물탱크 기초를 4가지로 유형화 한 것으로, 현재 기초의 유형으로 사용하지 않는 쇄석링 기초를 제외하고 링월 기초(Ring wall), 링월 슬래브 기초(Ring slab), 매트 슬래브 기초(Mat-slab), 말뚝 기초(Pile)를 해석 대상으로 선정하였다. 이러한 4종류의 위험 물탱크 기초유형에 대하여 유한요소법(Finite element method, FEM) 기반의 Pentagon 3D 프로그램을 사용하여 수치해석을 실시하였다.
위험물 저장용량은 3,000 m3 (충수 시를 가정하여 비중은 1로 함)로 하였으며, 탱크 옆판은 6∼12 mm의 10단, 바닥판은 10 mm, 애뉼러판은 12 mm, 지붕판은 6 mm의 강재로 제작하는 것으로 설정하였다.
위험물 저장탱크는 직경 20 m, 높이 10 m의 원형 종형탱크를 해석 대상으로 선정하였으며, 대상 탱크의 자중은 지주, 사다리 등의 부대설비를 포함하여 총 100 t으로 하였다. 위험물 저장용량은 3,000 m3 (충수 시를 가정하여 비중은 1로 함)로 하였으며, 탱크 옆판은 6∼12 mm의 10단, 바닥판은 10 mm, 애뉼러판은 12 mm, 지붕판은 6 mm의 강재로 제작하는 것으로 설정하였다.
또한 해석대상 기초의 링월은 폭 2 m × 높이 2 m로 설정하고, 쉘의 위치는 링월의 중앙으로 설정 하였다. 해석 공간의 범위는 경계조건의 영향을 최소화하기 위하여 지반면상으로는 탱크직경(20 m)의 3배인 60 m로 하였으며, 깊이 방향 해석 경계면의 길이는 사실상 지반의 경계면이라고 할 수 있는 암반층이 30 m 이하에서 나타나므로 30 m로 설정하였다.

데이터처리

Figure 2는 국내에서 일반적으로 사용되는 위험물탱크 기초를 4가지로 유형화 한 것으로, 현재 기초의 유형으로 사용하지 않는 쇄석링 기초를 제외하고 링월 기초(Ring wall), 링월 슬래브 기초(Ring slab), 매트 슬래브 기초(Mat-slab), 말뚝 기초(Pile)를 해석 대상으로 선정하였다. 이러한 4종류의 위험 물탱크 기초유형에 대하여 유한요소법(Finite element method, FEM) 기반의 Pentagon 3D 프로그램을 사용하여 수치해석을 실시하였다.

이론/모형

운용 중인 탱크에 작용하는 예상 최대 풍하중은 위험물안전관리법 세부기준과 American Society of Civil Engineering(ASCE)에서 제안한 식⁽⁶⁾을 사용하였으며, 이때의 설계풍속은 50 m/s (2003년 태풍 매미를 기준)로 하였다. 또한 탱크 바닥판의 애뉼러(Annular) 부분은 탱크 기초에 앵커로 고정하여 기초와 동일하게 거동하는 것으로 가정하였다.
지반 및 탱크의 거동 해석에 적합한 수치해석 모델을 구현할 수 있도록 지반 및 콘크리트에 특화된 구성모델 중소성영역을 반영한 모어쿨롬 모델(Tension cut-off Mohr-Coulomb model)을 적용⁽⁷⁾하고, 탱크 및 파일 재질은 강재 재질로 가정하여 탄성 모델을 적용하여 탄소성 해석을 수행하였다. 지반의 물성은 국내 위험물탱크 단지가 건설된 매립지에 대한 현장시험과 실내시험을 통해 얻어진 986건의 데이터를 분석하고, 대표단면으로 매립층(깊이 0∼4 m, N치 5), 퇴적층(깊이 4∼16 m, N치 12), 풍화토층(깊이 16∼26 m, N치 33), 풍화암층(깊이 26∼30 m, N치 50)의 순으로 수평지층 지반을 구성하였다.

성능/효과

1) 링월기초의 경우, 탱크 옆판의 직하부 응력(0.37∼0.40 MPa)이 탱크 중심부 응력(0.01∼0.05 MPa)에 비해 40배 이상 집중되므로 설계 시에는 안전율을 고려하여 탱크의 하중을 링월 부분의 지반에 작용하는 하중에 가중치를 두어 설계하여야 한다.
2) 링월슬래브기초의 경우, 옆판의 직하 부분 응력(0.19∼0.10 MPa)이 슬래브 부분(0.05∼0.10 MPa)에 비해 약 2배 정도 집중되어 나타나므로, 응력분담을 위해 링월과 슬래브가 일체화 구조로 될 수 있도록 설계 및 시공이 필요하다.
3) 말뚝기초의 경우, 응력값도 가장 작고 및 침하값도 가장 적게 분석되어 4종류의 기초 유형 중 가장 안정한 탱크 기초로 나타났으며, 이는 탱크와 말뚝기초 부분까지 하나의 구조물처럼 거동하기 때문인 것으로 판단된다. 단, 기초의 최외곽 혹은 밑판의 하부에 설치된 파일에서 가장 큰 침하 및 응력분포가 나타나므로 시공 시에 기초의 최외곽 혹은 밑판의 하부에 설치된 파일의 품질관리에 세심한 주의가 필요하다.
4) 말뚝기초를 제외한 나머지 3종류의 기초 유형에서는지중방향의 침하영향 범위가 탱크의 직경거리만큼 나타났 으며, 실제 국내 지반의 경우 대부분 수평지층이 아니므로 적어도 지중방향으로 탱크직경만큼 지반의 견고성을 확인하여야 한다.
이는 파일이 링월슬래브 기초를 지지하는 형태의 기초유형이어서, 하중을 대부분 파일이 지지하기 때문으로 파악된다. 따라서 말뚝기초의 경우에는 링월슬래브의 철근콘크리트 구조물이 완벽하게 시공되었다고 가정하였을 때, 파일의 완벽한 시공만 확보 되면 가장 안전한 기초유형으로 나타났다.
Table 2는 위험물탱크의 각 기초별 최대 연직 침하량과 최대응력의 크기를 해석한 결과이다. 말뚝기초의 침하량과 비교하여 링월 기초는 3.3배, 링월 슬래브 기초는 2.7배, 매트 슬래브 기초는 3배 이상 큰 것으로 분석하였다. 이는 세 유형 탱크의 경우 기초 침하량이 상대적으로 크므로, 탱크 외관의 위치 이동으로 인해 배관 연결부위 등에서의 파손으로 인한 누출 위험이 가장 크다는 것을 의미한다.
반면 기초 침하에 따라 발생한 최대응력의 크기는 링월 기초가 가장 큰 것으로 나타났으며, 나머지 세 기초의 유형에서는 링월 기초 대비 약 1/2 크기의 최대응력 값을 나타났다. 이에 따라 링월 기초의 경우가 기초침하량 및 최대응력 측면 모두 가장 불리한 것으로 평가되었다.
본 연구에서는 풍하중(설계풍속 50 m/s)에 의한 영향도 함께 검토하였으나 본 연구의 대상(직경 20 m, 높이 10 m 의 원형종형 탱크, 탱크 자중 100 t, 저장용량 3,000 m³ )의위험물탱크에서는 거의 영향이 없는 것으로 나타났다.
최대압축응력은 옆판의 직하부인 링월 부분의 응력(0.19∼0.10 MPa)이 슬래브 부분(0.05∼0.10 MPa) 에 비해 약 2배 정도 집중되어 나타났다.

후속연구

5) 본 연구의 대상인 4종류 유형의 기초 모두 연직침하의 영향범위가 수평방향으로 탱크기초 외곽에서 탱크 반경 거리 만큼 나타나므로 이 범위 안에서 기존탱크가 위치한 경우 및 추후 시공하여야 할 시설물이 존재한 경우에는 침하에 대한 충분한 검토가 이루어져야 한다.
따라서 대등한 효과에 시공비가 더 적게 드는 링 월슬래브가 더 바람직한 공법으로 판단된다. 단, 탱크 바닥 판에 인위적인 기능 및 형상을 부여하고자 하는 경우에는 매트슬래브 기초가 불가피하게 적용될 수도 있을 것이다.
05 MPa)에 비해 40배 이상 집중되어 있다. 따라서 링월 기초가 하중을 지지하는 주된 역할을 하므로, 이에 대한 설계 시 전단응력, 압축응력, 펀칭에 대한 안전성을 반드시 검토하여야 한다. 또한 링월 기초 하부 지반의 응력은 콘크리트링월 쪽에 집중되어 있는 것으로 나타나므로, 설계시 총하중에 가중치를 설정하여 콘크리트링월이 지지하는 것으로 설계하여야 할 것이다.
본 해석은 수평지층일 때를 가정하였으며 실제로는 수 평지층이 아닌 경우가 대부분이므로 탱크의 직경을 따라지반의 강성의 차이가 있으므로 부등 침하 발생의 가능성이 있을 것으로 분석된다. 따라서 수평지층이 아닌 지반에 링월기초나 링월슬래브, 매트슬래브 기초를 할 경우, 최소한 지중방향으로 탱크직경 깊이까지 지반을 치환 다짐하면서 평판 재하시험 등을 통해 지반의 견고성을 반드시 확인하여야 할 것으로 분석된다.
따라서 링월 기초가 하중을 지지하는 주된 역할을 하므로, 이에 대한 설계 시 전단응력, 압축응력, 펀칭에 대한 안전성을 반드시 검토하여야 한다. 또한 링월 기초 하부 지반의 응력은 콘크리트링월 쪽에 집중되어 있는 것으로 나타나므로, 설계시 총하중에 가중치를 설정하여 콘크리트링월이 지지하는 것으로 설계하여야 할 것이다. 이와 함께, 콘크리트링월에 작용하는 하중을 결정하는 가중치는 탱크의 직경 및 지반의 강성에 따라 변동성이 있으므로 보다 세부적인 연구결과를 토대로 가중치를 정하여야 할 것이다.
또한 링월 기초 하부 지반의 응력은 콘크리트링월 쪽에 집중되어 있는 것으로 나타나므로, 설계시 총하중에 가중치를 설정하여 콘크리트링월이 지지하는 것으로 설계하여야 할 것이다. 이와 함께, 콘크리트링월에 작용하는 하중을 결정하는 가중치는 탱크의 직경 및 지반의 강성에 따라 변동성이 있으므로 보다 세부적인 연구결과를 토대로 가중치를 정하여야 할 것이다.

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