Finite Element Stress Analysis of Large Sized Rectangular Water Tank Structures Made of Stainless Steel Materials

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(1)한국복합신소재구조학회 논문집 제6권, 제2호, 2015년 6월 J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc. Vol. 6, No. 2, pp. 85-90, June 2015 DOI http://dx.doi.org/10.11004/kosacs.2015.6.2.085. ISSN 2093-5145(Print) ISSN 2288-0232(Online). 대용량 스테인리스 강재 사각형 물탱크 구조의 유한요소 응력해석 손병직1 ∙ 이상열2 건양대학교 해외건설플랜트학과 부교수1 , 안동대학교 토목공학과 부교수2. Finite Element Stress Analysis of Large Sized Rectangular Water Tank Structures Made of Stainless Steel Materials Son, Byung-Jik1ㆍLee, Sang-Youl2 1. Associate Professor, Department of International Civil and Plant Engineering, Konyang University, Nonsan, Korea 2 Associate Professor, Department of Civil Engineering, Andong National University, Andong, Korea. Abstract: The finite element stress 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. The changed water capacity due to the size of reservoirs could be heavily dependent for evaluating seismic effects, especially for large reservoirs. For the better numerical efficiency, the rectangular panels are modelled using the ANSYS ADPL module. The numerical results obtained for different load cases mainly show the effect of the interactions between the different load combination and other various parameters, for example, the water capacity, and different stainless steel materials. The structural performance for various load combinations is also evaluated. Key Words: Rectangular water tanks, Finite element method, Stress analysis, Large capacity. 1.. 서 론. 최근 기상이변 등으로 강우의 불균형이 더욱 심 각해지고 있으며, 산업화가 진행되면서 각종 용수 관리를 위한 대책이 다각적으로 모색되고 있다. 이 러한 이유로 배수지 시설은 지속적으로 대용량화되 고 있는 추세이며, 해외 선진국의 경우 6,800ton 규 모의 스테인레스 강재로 이루어진 대용량 물탱크가 이미 시공되어 적용하고 있다. 스테인리스 강재 배 수지(물탱크)의 경우, 콘크리트 배수지에 비하여 친 환경적이고 유지관리성 등에서 우수한 성능을 가지 고 있다(Mark et al., 1991; Susan, 1996). 그러나, 3,000ton 이상의 대용량 STS 배수지 구조에 대한 설계사례 및 구조적 안정성 검토는 미미한 실정이. 며, 현재 KS 규격도 3,000ton 미만에 대해서만 규정 되어 있다. 스테인레스 대용량 배수지가 경쟁력을 갖추기 위해서는 외부 하중(지진, 폭설, 슬로싱 등) 에 대한 정확한 구조해석을 통하여 구조적 안정성 을 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 대 용량에 대하여 구조해석을 통한 구조성능 평가에 관한 연구는 매우 미미한 실정이다 (Hamdan, 2000; Malhotra, 1997). 특히, 사각형 판넬로 구성된 물탱 크에 대한 상세 구조 해석은 유한요소 모델링의 수. 주요어: 사각 물탱크, 유한요소법, 응력 해석, 대용량 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 May 27, 2015 / Revised June 1, 2015 / Accepted June 4, 2015. Korean Society for Advanced Composite Structures. 85.

(2) Son, Byung-JikㆍLee, Sang-Youl. 치해석상의 비효율성으로 제대로 수행되지 못하였 다. 따라서 본 연구에서는 ADPL(ANSYS parametric design language) 기반의 모델링 및 해 석을 수행하고자 한다. ANSYS- ADPL 기반 구조 해석 모델링 및 해석은 Coding 기반의 모델링으로 좌표와 mesh 생성 등을 정확하게 입력하여 해석 시 간 단축 효과를 가져올 수 있다. 또한, 배수지 구조 에 작용하는 지진하중 등을 산정하기 위하여 액체 저장탱크의 내풍압 및 내진에 대한 설계요건 (Korean Standards Association, 2006)에 기반하여 대용량으로 확대 적용하고자 한다. 최종적으로 산정 된 대용량 구조에 작용하는 하중을 기반으로 사각 형 스테인리스 강재를 적용한 물탱크 구조의 구조 성능을 상세 분석하고자 한다. (a) plane view. 2. 3차원 유한요소 모델 Fig. 1은 구조해석 대상 구조물로서 스테인리스 사각 패널형 배수지 탱크 형상을 보여준다. 그림에 서 보는 바와 같이 사각형 배수지 탱크는 여러 장 점을 가지고 있으나, 내부 단면은 수평 및 수직 보 강재로 구성되어 있다. 대용량 구조의 경우는 내부 보강재를 너무 복잡하게 설치하는 경우에는 용접 부위가 증가하게 되어 부식 등의 문제를 발생시킬 수 있다. 본 용역에서는 사각형 배수지 탱크의 구조 적 안전성을 분석하기 위하여 5,000ton 용량을 대상 으로 3차원 모델링 및 유한요소 구조해석을 실시하 였다.. Fig. 1 Rectangular Tank Structures.. 86. J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc. (b) panel in detail Fig. 2 Large Sized Rectangular Tanks in Detail. 사각 패널형 배수지 탱크의 3차원 유한요소 모델 링은 대용량의 경우 대형 구조물로서 간주되어 모 델링에 많은 시간과 컴퓨터 계산시간이 필요로 된 다. Fig. 2는 사각 패널형 배수지 탱크 상세 ((주)문 창 제공)를 나타낸다. 5,000ton 규모의 사각 물탱크 는 30m×35m× 5m의 크기를 갖으며, 내부에 수평 및 수직보강재로 보강된 형태이다. Fig 3∼4는 5,000ton 규모 사각 스테인리스 패널형 배수지 탱크 에 대한 3차원 모델링을 나타낸다. 그림에서 보는 바와 같이 대용량 배수지 탱크의 경우 실제와 동일 한 모델링을 하였을 경우 내부 보강재는 매우 복잡 한 구조를 갖게 된다. 이는 컴퓨터 해석적인 관점에 서도 많은 해석시간이 소요될 뿐만 아니라 구조적 성능 측면에서도 효율적이지 못할 수 있다. 본 연구에서는 유한요소 구조 해석을 위하여 대 용량 컴퓨터(Workstation system)을 동원하였음에 도 5,000ton 규모 대형구조물 mesh 자동 형성에만 10시간 이상 소요되었다. 또한, Solidworks에서 작 도한 모델을 구조해석을 위하여 ANSYS 프로그램.

(3) Finite Element Stress Analysis of Large Sized Rectangular Water Tank Structures Made of Stainless Steel Materials. 으로 import하는 과정에서 부분적인 단면 분리현상 이 발생하였다. 이러한 현상은 mesh 형성 및 구조 해석 시 오류 발생, 그리고 자동 접촉조건 부여 과 정에서 매우 긴 해석 시간 소요를 유발하게 된다. 이러한 방식을 사용할 경우, 정적 구조해석임에도 불구하고 유한요소 해석 계산 시간은 2∼3일 이상 소요되며 10,000ton 이상의 경우는 정상적인 해석 자체가 불가능할 수 있다. 이러한 컴퓨터 해석상의 효율성을 위하여 본 연구에서는 ADPL(ANSYS parametric design language) 기반의 모델링 및 해 석을 수행하였다 (Fig. 5 참조). 전술한 바와 같이 ANSYS-ADPL 기반 구조해석 모델링 및 해석은 코딩 기반의 모델링으로 좌표와 mesh 생성 등을 정 확하게 입력할 수 있어 Workbench 기반의 접근방 법과 비교하여 해석 시간 단축 효과를 가져올 수 있다. 또한, ADPL 기반 및 좌우 상하 대칭 구조로 1/4 모델링 및 해석으로 대용량 사각형 배수지 탱크 해석 가능하도록 하였다.. (a) Entire model. Fig. 4 1/4 Model using ANSYS based Workbench LEMENTS. (b) Zoom-in model Fig. 3 Full Model using Solidworks Y. Z. X. Fig. 5 Model using ANSYS based ADPL. Vol. 6, No. 2, 2015. 87.

(4) Son, Byung-JikㆍLee, Sang-Youl. 3.. 구조해석 및 결과 분석. (AVG) 9.8887 9.8887. MX. Z. 구조해석은 자중과 수압이 동시에 작용하는 것을 기본으로 하여 풍하중 (Case I), 적설하중 (Case II) 및 지진하중 (Case III)이 추가로 작용하는 경우에 대하여 정적 해석 (Von Mises Stress)을 수행하였 다.. MN. X. Y. (AVG) 9.8887 95.823. 0. 4.4197. 8.83941. 13.2591. 17.6788. Fig. 7 Deformed Shapes (Case I) MX. (AVG) 0.0748 383.857. MX. Y. 0. 65.7384. Z MN. X. 131.477. 197.215. 262.954. (AVG) 9.8887 95.823. Y. Z X. MN. Z MN. X. Y 0. 85.3015. 170.603. 255.905. 341.206. 1 MX. (AVG) 20.0748 383.857. Z MN. X. Y. MX. 0. 65.7384. 131.477. 197.215. 262.954. SUB =1 TIME=1 SEQV (AVG) DMX =19.8887 SMX =295.823. 0. 85.3015. 170.603. 255.905. 341.206. Z X. MN. Y. Z X. 0. 32.8692. 65.7384. 98.6076. 131.477. 164.346. 197.215. 230.084. 262.954. 88. J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc. Y. 295.823 0. Fig. 6 Von Mises Stresses (Case I). MN. 64.6758. 129.352. 194.027. 258.703. Fig. 8 Von Mises Stresses (Case II).

(5) Finite Element Stress Analysis of Large Sized Rectangular Water Tank Structures Made of Stainless Steel Materials. (AVG). (AVG). 0.0748 0.0748. MX. Z X. 0. 4.46107. MN. X. 8.92213. 13.3832. 0. 0. 32 8483. 65.6967. 98 545. X. 131.393. 164 242. 197.09. 229 938. 262.787. 2. (AVG) 9.8101 95.635. Z X. MN. Y. 6.62448. 13.249. 19.8734. 26.4979. Fig. 11 Deformed Shapes (Case III). MX. MN. MN. 17.8443. (AVG) 9.8101 95.635. Z. Z. Y. Fig. 9 Deformed Shapes (Case II). Y. MX. 9.8101 9.8101. Y. Fig 6~11는 Case I~III의 각 하중조합에 대한 상 세 구조해석 결과를 보여준다. 그림의 결과로부터 수압 및 지진하중 등의 횡하중의 영향으로 외부 벽 체 하부에 최대 응력이 발생하는 것을 알 수 있으 며, 설하중의 경우에는 수직하중의 영향으로 지붕과 앵글의 연결부에서 최대 응력이 발생하였다. Table 1은 사각형 배수지 탱크 구조해석 결과 요약 및 허 용응력과의 비교 검토를 보여준다. 안전율을 실제 배수지 탱크 제작 시 절곡하는 부분과 추가되는 보 강재의 효과를 고려하여 물탱크 제작 업체 등과 협 의하여 1.5로 산정하였으며, 항복응력(인장강도)의 1/2에 안전율을 고려하여 허용응력을 산정하였다. 구조해석 결과 산정된 최대 응력은 허용응력 기준 을 만족하는 것으로 나타났다. Table 1. Result Summary of Structural Analysis. MX. Load case Case I. 565. 1.5. 188.33 185.8. 15.9. 620. 1.5. 206.66 183.9. 16.1. Case III 620 (STS329J3L). 1.5. 206.66 195.6. 19.8. (STS304) 0. 65.6967. 131.393. 197.09. 262.787. TIME 1 SEQV (AVG) DMX =19.8843 SMX =295.635. Case II (STS329J3L). Z X. MN. Y. Yield Allow Max. Max. Safety stress stress sress deflection Check factor (MPa) (MPa) (MPa) (mm). OK. 5. 요약 및 결론. 0. 65 6967. 131 393. 197 09. 262 787. Fig. 10 Von Mises Stresses (Case III). 국내 배수지 용량은 지속적으로 증가하고 있으며, 향후 시장 증대가 예상되며, 배수지의 대형화로 인 한 각종 대용량 배수지 및 물탱크 구조 개발의 필 Vol. 6, No. 2, 2015. 89.

(6) Son, Byung-JikㆍLee, Sang-Youl. 요성이 대두될 것으로 기대된다. 전술한 바와 같이 콘크리트 배수지의 경우 3,000ton 이상의 대용량 배 수지가 이미 적용되고 있으며, 스테인리스 강재의 경우에도 이미 국외에서 5,000ton이상의 대용량 배 수지가 시공된 것을 감안하면 국내에서도 대용량의 스테인리스 강재 배수지 구조개발이 필요할 것으로 판단된다. 본 연구에서는 5000ton 규모의 대용량 사각형 배수지 구조에 대한 상세 구조해석을 수행하였으며, 허용응력과 비교 분석하였다. 사각형 배수지의 경우 는 단면 형상이 복잡하여 대용량인 경우 3차원 상 세 모델링은 매우 난해하다. 따라서 사각형 패널형 배수지의 경우는 구조해석을 위한 모델링 합리적인 모델링에 중점을 두었으며, 기존 소용량으로 사용하 는 동일한 단면으로는 외부에 설치되는 대용량 배 수지의 각종 외부 하중에 대하여 만족하지 못하기 때문에 외벽 두께를 증가시켜서 해석을 수행하였다. 향후 실제 설계 시에는 상세 연결부 및 접합부 검 토와 함께 경제성 검토가 수행되어야 할 것이다. 대용량 배수지는 외부 하중조건의 영향을 크게 받으므로 실사용 환경, 예를 들어 지진, 폭설, 태풍 등 안전성에 위험요인이 될 수 있는 세밀한 변수들 에 대한 추가 검토와 본 용역에서 검토되지 않은 경량화를 위한 디자인 및 구조개선을 구체적으로 구현하는 것이 필요하다. 특히, 최근의 대형 안전사 고 등을 감안하면, 지진 및 폭설 등에 대한 구조적 안정성을 상세 검토하는 과정 필요하며, 특히 최적 화 구조해석을 통하여 경제적 단면 도출 필요할 것 이다. STS 사각형 패널 배수지의 경우는 5,000ton 및 10,000 ton 규모의 사각패널 배수지의 상세 3차 원 해석을 위해서는 ANSYS-ADPL 기반으로 가능 하다. 이 경우는 정적 해석에 국한, 동적 해석은 Workbench 기반의 간략화된 모델링으로 가능할 것 으로 판단된다. 향후 대용량 사각 배수지의 경우 내 부 보강재가 복잡하여 단순화하고 최적화할 필요하 며 유지관리상 내부 보강재 개선에 관한 후속연구 가 필요하다. 종합적으로는 다양한 매개변수 최적 해석을 통하여 합리적인 구조설계 기준(지침) 기반 구축 필요하다.. 감사의 글 본 연구는 한국철강협회의 지원으로 수행되었습니 다. 이에 감사드립니다.. 90. J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc. References Chang, C. H. (2010), “Material Development of Eco Water Tank with High Density Polyethylene and Low-temperature Concrete,” Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, Vol. 14, No. 4, pp. 133~140. Hamdan, F. H. (2000), “Seismic behavior of cylindrical steel liquid storage tanks,” Journal of Constructional Steel Research, 53, pp. 307-333. Hibbitt, Karlsson and Sorensen Inc. (2007), “ABAQUS/CAE user’s manual,” version 6.7, Pawtucket, R.I. “Design Korean Standards Association (2006), requirements for wind load and seismic load of oil storage tanks,” KS B 6283 (in Korean). Malhotra, P. K. (1997), “Seismic Analysis of Liquid-Storage Steel Tanks,” Structural Engineering International, pp. 197-201. Mark M. B., David A. C., Nany E. M. and Mark M. “Criteria for the Renovation or (1991), Replacement of Water Treatment Plants,” AWWA Research Foundation and American Water Works Association. Susan. T. (1996), “Tracer Studies in Water Treatment Facilities: A Prorocol and Case Studies,” AWWA Research Foundation and American Water Works Association. U.S. Environmental Protection Agency (1989), “Guidance Manual for Compliance with the Filtration and Disinfection Requirements for Public Water System using Surface Water Sources,” Washington, D.C..

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