[논문]완전밀폐식 저장탱크에서 내부탱크 바닥판의 설계안전성 해석 PART1 : 유체정압을 고려한 경우

김한구; 조승현; 김청균; 김영규

문제 정의

본 연구에서는 LNG와 직접 접촉하면서 하중 지지와 밀봉 내구성을 동시에 확보하고 있어야 하는 내부 탱크의 바닥 판 구조물의 설계 안전성을 해석하고자 한다. 즉, 내부 탱크 구조물의 안전성을 확보하기 위해서 내부 탱크의 벽면에는 LNG 의 접촉위치에 따라 유체정압 또는 동압 및 초저온 하중을 비 균일하게 받고 있지만, 내부탱크의 바닥 면에는 항상 균일한 -162°C의 초저온 하중과 유체정압을받도록 설계되어 있다.

가설 설정

1) 내부 탱크 바닥 면의 중심부는 항상 동심원에서 상하로 거동해야 한다.
2) 내부 탱크의 바닥 면과 측면이 만나는 코너부의 변형 거동은 없다고 가정한다.
3) 판재를 연결하는 용접부의 결함이나 잔류응력은 존재하지 않는 것으로 가정한다.

제안 방법

된다. 이때 LNG 저장 탱크 바닥 판의 기울기가 다른 경우 LNG 저장 탱크 바닥 판에 발생하는 최 대응력과 변위량의 변화를 비교하여 보았다.

대상 데이터

해석모델은 Fig. 2-1 에서 보여주는 바와 같이 LNG 저장 탱크가 축대칭 형상을 하고 있으므로 LNG 저장 탱크의 1/4만을 수치해석 대상으로 고려하였다. 해석에 사용된 요소는 4개의 노드를 갖는 Bilinear Thin-shell 요소로서 복잡한 판 구조물뿐만 아니라 곡선 형태의 쉘에도 적합하며 비선형 해석에 특히 유용한 요소이다.
2-1 에서 보여주는 바와 같이 LNG 저장 탱크가 축대칭 형상을 하고 있으므로 LNG 저장 탱크의 1/4만을 수치해석 대상으로 고려하였다. 해석에 사용된 요소는 4개의 노드를 갖는 Bilinear Thin-shell 요소로서 복잡한 판 구조물뿐만 아니라 곡선 형태의 쉘에도 적합하며 비선형 해석에 특히 유용한 요소이다. 해석프로그램은 선형 및 비선형 유한요소 해석 상용프로그램인 MARC 7.

데이터처리

해석에 사용된 요소는 4개의 노드를 갖는 Bilinear Thin-shell 요소로서 복잡한 판 구조물뿐만 아니라 곡선 형태의 쉘에도 적합하며 비선형 해석에 특히 유용한 요소이다. 해석프로그램은 선형 및 비선형 유한요소 해석 상용프로그램인 MARC 7.3을 사용하였다 [2].

성능/효과

1) LNG 저장 탱크의 바닥 판 설계 시 바닥 판이 '평판일 경우와 기울기를 가지고 있을 때의 최대 응력 값을 비교해 보면 응력 값의 차이가 5배 이상 발생한다. 따라서 위에서 해석한 결과와 같이 바닥 판의 중앙부 높이를 최 대응력과 변위량의 변화가 완만해지는 200mm 이상 유지하는 것이 바람직하다.
2) LNG 저장 탱크의 Annular plate 두께가 탱크 설계 시 바닥의 두께와 같은 5mm일 때와 5mm 증가한 10mm 일 때 최 응력 값을 비교해 보면 응력값이 50% 정도 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 Annular plate 두께를 최대응력과 변위량의 변화가 완만하게 변화하는 20mm 이상 유지하는 것이 바람직하다.
3) LNG 저장탱크 Annular plate의 반경 방향 길이가 탱크 설계 시 0m 일 때와 Im일때를 비교해보면 최대 응력과 변위량이 35-40% 정도 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 Annular plate의 반경 방향 길이를 최대 응력값과 변위량의 변화가 완만하게 변화하는 3m 이상 유지하는 것이 바람직하다.
3-6은 LNG 저장 탱크 Annular plate의 반경 방향 길이 변화에 따른 최 대응력과 변위량의 변화를 나타내고 있다. LNG 저 장 탱크 Annular plate의 반경 방향의 길이가 Om일 때와 lm 증가했을 때 발생하는 최 대응력과 변위량의 차이를 비교해 보면 35〜40% 정도 감소하는 것을 알 수 있다.
3-3은 LNG 저장 탱크의 Annular plate 두께 변화에 따른 최 대응력과 변위량의 변화를 나타내고 있다. LNG 저장 탱크의 Annular plate 두께가 바닥 판 두께와 같은 5mm 일 때와 이보다 5mm 증가한 10mm일 때 발생하는 최 대응력이 50% 정도 감소하는 것을 알 수 있다. 변위량의 경우는 Annular plate의 두께가 20mm를 기준으로 변위량의 변화가 완만해지는 것을 볼 수 있다.
따라서 위에서 해석한 결과와 같이 바닥 판의 중앙부 높이를 최 대응력과 변위량의 변화가 완만해지는 200mm 이상 유지하는 것이 바람직하다. 하지만 벽과 바닥 판의 각도가 90도에서 88.
이때 바닥 판이 평판인 경우와 바닥 판 가운데 높이가 100mm(420:l)인 경우를 비교해 보면 발생하는 최대 응력 값의 차이가 5배 이상 나타나는 것을 알 수 있다. 또한, 최 대응력과 변위량의 값이 급격히 감소하다가 LNG 저장 탱크 바닥 판 중앙부 높이가 200mm 이상이 될 때를 기준으로 하여 변화량의 변화가 완만해지는 것을 볼 수 있다. 하지만 바닥판 가운데 높이가 증가할수록 벽과 바닥 판이 이루는 각도가 점점 90도를 벗어나게 되므로 90도를 벗어나지 않는 한도 내에서 바닥 판 중앙부 높이를 결정해야 할 것이다.
이때 최 대응력과 변위량의 변화량을 모두 관찰해 보면 Annular plate의 두께가 20mm 이상 정도에서 변화량이 완만하게 변하는 것을 알 수 있다. 특히, LNG 저장 탱크의 Annular plate 두께가 10mm와 15mm일 때 최대 응력 값이 거의 변화가 없는 것으로 나타났다. 하지만 Fig.

후속연구

즉, 내부 탱크 구조물의 안전성을 확보하기 위해서 내부 탱크의 벽면에는 LNG 의 접촉위치에 따라 유체정압 또는 동압 및 초저온 하중을 비 균일하게 받고 있지만, 내부탱크의 바닥 면에는 항상 균일한 -162°C의 초저온 하중과 유체정압을받도록 설계되어 있다. 그러나, 초대형 내부 탱크의 바닥 면은 내부탱크의 크기와 바닥 면의 설계형상에 따라 특별한 응력 거동 특성을 나타내기 때문에 구조물의 안전성을 확보하기 위해서는 이에 대한 설계 안전성 연구가 진행되어야 한다.

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[국내논문] 완전밀폐식 저장탱크에서 내부탱크 바닥판의 설계안전성 해석 PART1 : 유체정압을 고려한 경우
An Analysis on the Design Safety of Inner Tank in Full Containment LNG Storage Tank with Geometric Condition PART1 : including Hydrostatic Pressure 원문보기

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