Structural Analysis for Design Improvement of Stainless 5,000ton Rectangular Water Tank Structures

1. 서 론

스테인리스 강재 배수지(물탱크)의 경우, 콘크리트 배수지에 비하여 친환경적이고 유지관리 등에서 우수 한 성능을 가지고 있다(Mark et al., 1991). 그러나, 3,000톤 이상의 대용량 STS 배수지 구조에 대한 설 계사례 및 구조적 안정성 검토는 미미한 실정이며, 현재 KS규격도 3,000톤 미만에 대해서만 규정되어 있다. 대용량 배수지가 경쟁력을 갖추기 위해서는 외 부 하중(지진, 풍압, 수압 등)에 대한 정확한 구조해 석을 통하여 구조적 안정성을 확보할 필요가 있다 (U.S. Environmental Protection Agency, 1989). 또한, 대용량 스테인리스 물탱크의 경우 재료를 절약하면서

구조적 안정성을 확보해야 한다. 이는 경제적 설계 단면 도출 필요를 의미하며, 최적화 구조해석 모듈을 통한 최적 단면 도출 필요 확보가 요구된다(Chang, 2010). 그러나 스테인레스 강재 물탱크의 경우, 3,000ton 이상의 대용량에 대하여 구조해석을 통한 구조성능 평가에 관한 연구는 매우 미미한 실정이다 (Hamdan, 2000; Malhotra, 1997).

대용량 사각 물탱크의 경우 적설하중과 수압의 영 향을 많이 받는다. 적설하중의 영향은 기둥의 간격을 좁게 해야 해결할 수 있으며, 수압의 영향은 사각 물 탱크의 외벽을 크게 해야 해결할 수 있다. 이렇게 하 면 과도하게 비경제적으로 되며, 합리적인 설계를 할 수 없다(Son et al., 2015).

본 연구는 사각형 물탱크 구조의 파라미터 해석을 통해서 합리적인 모델을 제시하는 것이다. 해석모델

주요어: 사각 물탱크, 유한요소 해석, 구조개선, 적설하중 Corresponding author: Lee, Sang-Youl

Department of Civil Engineering, Andong National University, 388 Songchon-dong, Andong, Kyoungsangbuk-do 760-749, South Korea

Tel: +82-54-820-5847, E-mail: [email protected]

Received November 24, 2015 / Revised December 11, 2015 / Accepted December 16, 2015 J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc. Vol. 6 , No. 4, pp. 44-50, December 2015 DOI http://dx.doi.org/10.11004/kosacs.2015.6.4.044

5,000톤급 스테인리스 사각형 물탱크 구조의 설계 개선을 위한 구조해석

손병직¹ ∙ 이상열²

건양대학교 해외건설플랜트학과 부교수¹ ∙ 안동대학교 토목공학과 부교수²

Structural Analysis for Design Improvement of Stainless 5,000ton Rectangular Water Tank Structures

Son, Byung-Jik¹ㆍLee, Sang-Youl²

1Associate Professor, Department of International Civil and Plant Engineering, Konyang University, Nonsan, Korea

2Associate Professor, Department of Civil Engineering, Andong National University, Andong, Korea

Abstract: The finite element analysis of large sized rectangular water tank structures made of stainless steel materials is carried out for various combined load cases. The combined load cases for a large size of 5,000ton are further determined using the specification(KS B　 6283) established from the Korean Standards Association. For the better numerical efficiency, the rectangular panels are modelled using the ANSYS program. The numerical results obtained for different load cases show as follows. In order to resist the snow load, it takes the influence of the gap than the size of the column. Also, in order to resist the water pressure, it shall increase the thickness of the wall. But, increasing the thickness of the wall is considerably less economical. Therefore, the angle with big thickness should be placed right next to the wall.

Key Words: rectangular water tanks, finite element analysis, structural improvement, snow load

을 기본모델 외에 4가지 모델로 설정하여, 하중 조합 별 해석을 통해 가장 합리적인 모델을 제시하고자 한다.

2. 해석 모델

Fig. 1은 (주)문창에서 제공한 구조해석 대상 구조 물로서 스테인리스 사각 패널형 배수지 탱크 형상을 보여준다(Son et al., 2015). 내부 단면은 수평 및 수 직 보강재로 구성되어 있다. 그림과 같이 내부 보강 재를 너무 복잡하게 설치하는 경우에는 용접 부위가 증가하게 되어 부식 등의 문제를 발생시킬 수 있으 며, 경제성에도 단점이 된다. 본 연구에서는 사각형 물탱크의 합리적인 설계를 위해서 파라미터 유한요소 응력해석을 실시하였다.

사각형 물탱크의 유한요소 모델링은 대용량의 경 우 대형 구조물로서 간주되어 모델링에 많은 시간과 컴퓨터 계산시간이 필요로 된다. (주)문창에서 기본 적으로 제공한 5,000톤 규모의 스테인리스 사각 물탱 크는 30m×35m×5m의 크기를 갖으며, 내부에 수평 및 수직보강재로 보강된다. Fig 1과 같이 내부 보강재는 매우 복잡한 구조를 갖게 된다. 이는 컴퓨터 해석적 인 관점에서도 많은 해석시간이 소요될 뿐만 아니라 구조적 성능 측면에서도 효율적이지 못하다.

Fig. 2는 1/4 유한요소 모델을 나타낸다. 그림에서 수평 보강재는 가장자리를 제외하고 중앙에는 제거된 형태이다. 또한, 무늬가 있는 사각형 형태를 민무늬로 단순화하여 해석을 수행하였다.

Fig. 1 Rectangular Water Tank Structures.

X YZ REAS

YPE NUM

(a) 1/4 model

(b) full model

(c) Columns in detail

Fig. 2 Finite Element Model of Water Tank Structures.

모델은 사각 물탱크의 기본 모델(BM)외에 적설하 중과 수압에 효과적인 모델 4개(M1∼M4)를 Table 1 과 같이 설정하였다. Table 1의 기본 치수는 Table 2와

Table. 1 Dimensions of Analysis Models (t: mm) Volume

(^) Basic Model (BM) M1 M2 M3 M4

_ ^0.128

(t = 4.0)

0.128 (t = 4.0)

0.128 (t = 4.0)

0.112 (t = 3.5)

0.112 (t = 3.5)

_ ^0.096

(t = 3.0)

0.096 (t = 3.0)

0.096 (t = 3.0)

0.112 (t = 3.5)

0.112 (t = 3.5)

_ ^0.080

(t = 2.5)

0.080 (t = 2.5)

0.080 (t = 2.5)

0.0896 (t = 2.8)

0.096 (t = 3.0)

_ ^0.064

(t = 2.0)

0.064 (t = 2.0)

0.064 (t = 2.0)

0.080 (t = 2.5)

0.080 (t = 2.5)

_ ^0.048

(t = 1.5)

0.048 (t = 1.5)

0.048 (t = 1.5)

0.0576 (t = 1.8)

0.0576 (t = 1.8)

_ ^0.383

(t = 1.5)

0.383 (t = 1.5)

0.510 (t = 2.0)

0.459 (t = 1.8)

0.459 (t = 1.8)

_

1.530 (75×75×8)

0.448 (100×100×2)

0.448 (100×100×2)

0.448 (100×100×2)

0.448 (100×100×2)

_ ^1.890

(100×100×30)

1.890 (100×100×30)

1.890 (100×100×30)

1.890 (100×100×30)

_

2.100 (전체적으로 분포,

t = 8)

0.864 (가장자리만 부분적 분포,

t = 30)

0.864 (가장자리만 부분적 분포,

t = 30)

0.864 (가장자리만 부분적 분포,

t = 30)

0.864 (가장자리만 부분적 분포,

t = 30)

_ 4.429 4.001 4.128 4.1122 4.1186

Table. 2 Basic Dimension of Water Tank

Name Color Dimension(mm) Note

F1 t = 3.5, 4.0 plate

F2 t = 3.0, 3.5 plate

F3 t = 2.5, 2.8, 3.0 plate

F4 t = 2.0, 2.5 plate

F5 t = 1.5, 1.8 plate

top t = 1.5, 1.8, 2.0 plate

col 75×75×8

100×100×2

×× 

col7 100×100×30

hor t = 8, 30 plate

같으며, Table 2의 이름(Name)은 Fig. 2의 모델 색 상을 기준으로 구분하였다. 기둥(col, col7)은 L형강이 며, 나머지는 판(plate)의 형태이다.

Table 1의 부피는 재료의 양을 의미하며, 경제성 분 석시 참고가 되도록 하였다. 기본 모델(BM)의 기둥은

전체적으로 균일하게 분포된 형태이지만, 모델 M1∼

M4는 수압의 영향을 고려해 가장자리 주변에만 치수 를 키우는 형태이다.

구조해석은 파라미터 해석 및 복잡한 구조물을 모 델링하기 편리한 ANSYS 프로그램을 이용하여 수행 하였다.

3. 해석 예 및 결과 분석

구조해석은 자중과 수압이 동시에 작용하는 것을 기본으로 하여 적설하중(Case I) 및 풍하중(Case II)이 추가로 작용하는 경우에 대하여 정적 해석을 수행하 였다. 수압은 만수위 5m를 기준으로 삼각형 형태의 하중으로 맨 밑의 수압은 0.05MPa이다. 적설하중 및 풍하중은 관련 설계기준에 의해 각각 0.002MPa, 0.001268MPa을 재하하였다.

Fig. 3은 기본 모델에 적설하중이 재하된 경우에 대한 해석 결과를 나타낸 것이다. 여기서, 총 변위와 등가응력을 중심으로 해석 결과를 분석하였다. 총 변 위는  ^ _^_^인 벡터 합변위를 의미한 다. 등가 응력(Equivalent stress)은 최대 비틀림 에너 지 이론에 의해서 항복에 의한 파괴는 단위 부피당 비틀림 에너지가 단순 인장에서의 항복과 같을 때 발생한다는 개념이다.

MN MX

X YZ

0 21.817743.6353

65.453 87.2707

109.088130.906

152.724174.541 196.359 1

(AVG) 0 196.359 196.359

(a) _

MN MX

X YZ

0 122.701245.402

368.103490.803

613.504736.205

858.906981.607 1104.31 (AVG)

96.359 104.31

(a) _

Fig. 3 Analysis Results of Basic Model(BM)

Fig. 3과 같이 기본 모델은 변위가 크게 발생하고 등가응력이 허용응력을 벗어난다. 강재 물탱크의 재 료는 STS304이며, 허용응력은 인장강도의 1/1.5로 사 용하여 385MPa이다. 또한, 기본 모델은 중앙의 기둥 이 비효율적으로 배치되어 개선이 필요하다. 이러한 사항을 고려하여 Table. 1과 같이 개선 모델(M1∼

M4)을 설정하였다.

Table 3, 4는 하중 조합 Case Ⅰ, Ⅱ에 대한 상세 구조해석 결과를 나타낸 것이다. 적설하중은 기둥의 크기보다는 기둥의 간격이 중요하다. 기본 모델은 큰 크기(두께가 큰)를 전체적으로 배치한 경우이고, M1

∼M4는 기본 모델에서 기둥의 두께를 줄이면서 경제 성을 확보한 모델이다. 수압과 풍하중은 물탱크의 외 벽에 작용한다. 외벽에 작용하기 때문에 안전을 위해 서는 외벽의 두께를 크게 해야 하며, 이렇게 하면 경 제성에 문제가 발생한다. 개선 모델(M1∼M4)은 외벽 의 두께를 기본 모델과 동일하게 하면서 외벽 부근 의 기둥의 치수를 크게 해서 안전성은 물론 경제성 을 확보한 모델이다.

Table 5~6은 구조해석 결과를 요약한 것이다. 구조 해석결과로부터 모델 M4가 기본 모델에 비해 경제적 이면서, 허용응력 범위 안에 들어오는 것으로 분석되 었다. 기본 모델의 부피는 4.429^이고 M4의 부피 는 4.119^로 M4로 할 경우 재료를 7% 정도 줄일 수 있으며, 허용응력을 벗어난 기본 모델에 비해 안 전한 설계가 가능하다.

4. 요약 및 결론

국내 배수지 용량은 지속적으로 증가하고 있어 향 후 시장 증대가 예상되며, 배수지의 대형화로 인한 각종 대용량 배수지 및 물탱크 구조 개발의 필요성 이 대두될 것으로 기대된다. 전술한 바와 같이 콘크 리트 배수지의 경우 3,000톤 이상의 대용량 배수지가 이미 적용되고 있으며, 스테인리스 강재의 경우에도 이미 국외에서 5,000톤 이상의 대용량 배수지가 시공 된 것을 감안하면 국내에서도 대용량의 스테인리스 강재 배수지 구조개발이 필요할 것으로 판단된다. 그 러나 기존 사각형 배수지의 경우 내부 앵글이 복잡 하여 최적화된 구조개선이 필요하다.

본 연구에서는 5,000톤 규모의 대용량 사각형 배수 지 구조에 대한 상세 구조해석을 수행하였으며, 개선 모델과 비교 분석하여, 다음과 같은 결과를 도출하였 다.

1) 적설하중은 기둥의 크기보다는 간격의 영향을 많이 받는다. 따라서 기둥의 크기를 줄이고 간격을 줄여야 효율적인 설계가 될 것으로 판단된다.

2) 수압과 풍하중 특히, 수압 5m의 영향이 커서 벽의 두께를 크게 해야 한다. 벽의 두께를 크게 하면 경제성이 현저하게 떨어진다. 따라서 벽 바로 옆에 두께가 큰 앵글을 배치하면 경제성도 확보되고 안전 성도 확보되는 것으로 나타났다.

본 연구에서는 상세 구조해석을 통해서 5,000톤 규 모의 대용량 사각형 물탱크의 구조개선 모델을 제시 하였다. 사각형 배수지의 경우 단면 형상이 복잡하여 대용량인 경우 3차원 상세 모델링은 매우 난해하기 때문에 파라미터 해석이 어렵다. 이에 보다 합리적이 고 효율적인 설계를 위해서는 상세한 최적설계가 필 요하다. 향후 다양한 파라미터 분석을 통하여 상세 최적설계를 하고자 하며, 또한 지진하중 작용시 분석 도 병행해서 연구할 계획이다.

Table. 3 Analysis Results of CaseⅠ

Model _ (Total Displacement) _ (Equivalent Stress)

M1

MN MX

X Y Z

⁰ 16.839833.6796 50.519467.3592

84.199 101.039

117.879134.718 151.558 1

(AVG) 0 151.558 151.558

MN MX

X YZ

^.99436653.8393106.684 159.529212.374

265.219318.064

370.909423.754 476.599 1

(AVG) 151.558 .994366 476.599

M2

MN

MX

X Y Z

0 7.2364314.4729

21.709328.9457

36.182243.4186

50.655 57.8915 65.127 (AVG)

5.1279 5.1279

MN MX

X Y Z

1.02149

52.8939104.766

156.639208.511

260.384312.256

364.129416.001 467.874 (AVG)

5.1279 .02149 67.874

M3

MN

MX

X YZ

0 9.8533419.7067

29.56 39.4134

49.266759.12

68.973478.8267 88.68 (AVG)

8.68

8.68 MN

MX

X YZ

.795687

44.867388.939

133.011177.082

221.154265.226

309.297353.369 397.441 (AVG)

8.68 795687 97.441

M4

MN

MX

X YZ

0 9.8534319.7069

29.560339.4137

49.267259.1206

68.974 78.8275 88.680 (AVG)

8.6809 8.6809

MN

MX

X YZ

1.02207

42.226183.4301

124.634165.838

207.042248.246

289.45 330.654 371.85 (AVG)

8.6809 .02207 71.858

Table. 4 Analysis Results of CaseⅡ

Model _ (Total Displacement) _ (Equivalent Stress)

M1

MN

MX

X Y Z

0 6.8162513.6325

20.448827.265

34.081340.8975

47.713854.53 61.346 (AVG)

1.3463 1.3463

MX MN

X Y Z

^.230E-0354.616 109.232 163.848 218.463

273.079327.695

382.311 436.927 491.54 1

1 (AVG) 61.3463 .230E-03 491.542

M2

MN MX

X YZ

0 6.7953113.5906

20.385927.1812

33.976540.7718

47.567254.3625 61.15 (AVG)

1.1578 1.1578

MN MX

X YZ

.117E-03

54 5927109.185

163 778218.37

272 963 327.556

382 148436.741 491 33 (AVG)

1.1578 117E-03 91.333

M3

MN MX

X Y Z

0 6.0767912.1536

18.230424.3071

30.383936.4607

42.537548.6143 54.691 (AVG)

4.6911 4.6911

MN MX

X YZ

.913E-04

46.3819 92.7638

139.146185.528

231.909278.291

324.673371.055 417.43 (AVG)

4.6911 913E-04 17.437

M4

MN MX

X YZ

0 5.7739211.5478

17.321823.0957

28.869634.6435

40.417546.1914 51.965 1

(AVG) 0 51.9653 51.9653

MN MX

X YZ

.128E-03

42.705785.4113

128.117170.822

213.528256.234

298.939 341.645 384.35 (AVG)

1.9653 128E-03 84.35

Table. 5 Result Summary of CaseⅠ Model Volume

(^)

Max Stress (MPa)

Max Displacement

(mm) Check

M1 4.001 476.6 151.6

M2 4.128 467.8 65.1

M3 4.112 397.4 88.7

M4 4.119 371.9 88.7 ok

Table. 6 Result summary of CaseⅡ Model Volume

(^)

Max Stress (MPa)

Max Displacement

(mm)

Check

M1 4.001 491.5 61.3

M2 4.128 491.3 61.2

M3 4.112 417.4 54.7

M4 4.119 384.4 52.0 ok

감사의 글

본 연구는 한국철강협회의 지원으로 수행되었습니 다. 이에 감사드립니다.

References

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Hamdan, F. H. (2000), "Seismic behavior of cylindrical steel liquid storage tanks", Journal of Constructional Steel Research, 53, pp. 307-333.

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