1서 론

스테인레스(STS) 강재로 구성된 배수지의 경우, 기존 콘크리트 배수지에 비하여 재료단가가 높기 때문에 재료를 절약하면서 구조적 안정성을 확보하는 것이 중요한 사안이다. 이를 위해서는 경제적인 설계 단면 도출이 필요하며, 최적화된 구조해석 모듈을 통한 최 적 단면을 설정해야 한다. 사각형 패널로 구성된 STS 배수지 구조는 여러 장점을 가지고 있으나, 일반적으 로 배수지의 내부는 복잡한 수평 및 수직 보강재로 구성되어 있다. 대용량 구조의 경우는 내부 보강재를 너무 복잡하게 설치하는 경우에는 용접 부위가 증가 하게 되어 부식 및 유지관리 등의 문제를 발생시킬 수 있다 (Chang, 2010, Susan, 1996). 사각 패널을 갖 는 배수지의 경우 적설하중과 수압의 영향을 많이 받 는다. 적설하중의 영향은 내부 기둥의 간격을 좁게 해 야 해결할 수 있으며, 수압의 영향은 사각 물탱크의 외벽을 크게 해야 해결할 수 있다 (Son and Lee, 2015a). 그러나 이와 같이 단면을 설정하면 과도하게 비경제적으로 되어 실용적 관점에서 합리적인 설계를 할 수 없다 (Malhotra, 1997). 본 연구의 목적은 사각 형 패널을 갖는 스테인레스 배수지 구조의 최적화 파 라미터 해석을 통해서 합리적인 모델을 제시하는 것 이다. 해석모델을 기본모델 외에 다양한 형식을 모델 로 설정하여, 하중 조합별 해석을 통해 가장 합리적인 모델을 제시하고자 한다. 본 연구에서는 사각형 배수 지의 최적화 구조해석을 위하여 5,000ton 용량을 대상 으로 3차원 상세 모델링 및 유한요소 구조해석을 실 시하였다.

2해석 모델

일반적인 사각 배수지 구조의 내부 단면은 수직 및 수평 보강재로 구성되어 있다. 보강재가 너무 복잡하 게 설치하는 경우에는 유지관리 상의 문제를 발생시 킬 수 있으며, 구조성능적 측면에서도 효과적이지 않 다. 따라서 본 연구에서는 사각형 물탱크의 최적의 단 면 치수를 제시하기 위해서 최적화 파라미터 해석을 실시하였다.

사각형 패널을 갖는 배수지의 유한요소 모델링은 대형 구조물로서 간주되어 수치해석 모델링에 많은 시간과 컴퓨터 계산시간이 필요로 된다. 5,000톤 규모 의 사각 배수지 구조는 30m×35m×5m의 크기를 갖으 며, 전술한 바와 같이 내부에 수평 및 수직보강재로 보강된다. 본 연구에서는 구조해석의 효율성을 위하여 1/4 모델링을 수행하였다. Fig. 1은 1/4 유한요소 모델 을 나타낸다. 그림에서 수평 보강재는 가장자리를 제 외하고 중앙에는 제거된 형태이다. 또한, 무늬가 있는 외벽 사각형 패널은 구조적 거동에 미치는 영향이 미 미하므로 계산시간의 단축을 위하여 민무늬로 단순화 하여 해석을 수행하였다.

해석 모델은 가존 선행연구(Son and Lee, 2015b)에 서 제시한 모델(M4)을 기본 모델로 설정하여, 이를 더 욱 개선할 수 있는 다양한 파라미터 해석을 수행하였 다. Table 1에 기본 해석모델 M4의 치수와 파라미터 변수를 나타내었다. 파라미터 변수는 크게 2가지로 선 택하였으며, 첫 번째 파라미터는 벽두께를 M4 모델 대비 20%씩 증가시키는 것이며, 두 번째 파라미터는 가장자리 기둥의 두께(col-hor, col7)를 2mm씩 증가시 키는 것이다. Table 1의 이름(Name)은 모델 색상을 기 준으로 구분하였다. 기둥(col, col7)은 L형강이며, 나머 지는 판(plate)의 형태이다. Table 2는 본 연구에서 제 시한 해석모델에 대한 부피를 계산한 것이다. 여기서 부피는 사용 재료의 양을 의미하게 되며, 콘크리트 재 료와 비교하여 경제성 분석 시 참고가 되도록 하였다. 기본 모델 M4의 부피는 4.429m³이다. 또한, 아래에 재 료의 부피를 contour로 표시하여 이해를 돕고자 하였 다. contour의 첫 번째 값은 재료의 부피(m³ )를 나타내 었으며, 두 번째 값은 최솟값 대비 값을 표시하였다. 구조해석은 파라미터 해석 및 복잡한 구조물을 모델 링하기 편리한 고등유한요소 해석 프로그램인 ANSYS 을 이용하여 수행하였다(Hibbitt, 2007). 배수지의 재료 는 STS304를 사용하였으며, 물성치는 Table 3과 같다. 허용응력은 인장강도의 1/1.5로 376.7MPa이다.

3해석 예 및 결과 분석

유한요소 구조해석은 배수지에 작용할 수 있는 최 악의 조건을 고려하여 하중 조합을 3가지로 구분하여 수행하였다. 즉, 수압 및 자중이 동시에 작용하는 것 을 기본으로 하여 적설하중(Case I), 풍하중(Case Ⅱ), 지진하중(Case Ⅲ)이 추가로 재하된 경우로 설정하였 다. 수압은 만수위 5.0m를 기준으로 삼각형 형태의 하 중으로 맨 밑의 수압은 0.05MPa이다. 각 하중은 관련 설계기준에 의해 재하하였다 (KSA, 2006). 결과는 등 가응력과 변위를 기반으로 분석하였다. 여기서 등가 응력(Equivalent stress)은 최대 비틀림 에너지 이론에 의해서 항복에 의한 파괴는 단위 부피당 비틀림 에너 지가 단순 인장에서의 항복과 같을 때 발생하며, 총 변위는 U = U X 2 + U Y 2 + U Z 2 인 벡터 합 변위를 의미한 다. Table 4~9은 각각 하중 조합 Case Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ의 해석 결과를 나타낸 것이다. 이해를 돕기 위해서 등고선 (contour)을 Figs. 3~8과 같이 삽입하였으며, 또한 최댓 값으로 정규화(normalization)시켜 표시하였다. Fig. 2

파라미터 해석 결과 외벽의 두께 보다는 가장자리 기둥의 두께를 크게 해야 하는 것으로 판단된다. 즉, 가장자리 기둥의 두께가 28mm 이상 확보해야 허용응 력 범위 내에 들어온다. 해석 결과에서 파란색으로 굵 게 표시한 경우는 허용응력 범위내에 있다는 것을 의 미한다. 외벽의 두께는 가장자리 기둥의 두께가 30mm 인 경우 원래 기본 모델의 두께보다 20%만 크게 해도 괜찮은 것으로 판단되며, 이때의 재료의 양은 기본 모 델보다 3%정도 적게 들어간다. 그러나, 분석 결과 가 장자리 기둥 두께를 20mm 이하로 설계할 수 있다. Fig. 3과 같이 가장자리 기둥의 지점부에서 응력이 집 중되고, 지점부를 제외하면 허용응력 범위 내에 들어 오기 때문에 지점부 근처만 부분적으로 두께를 크게 하면 안전하고 경제적인 설계를 할 수 있을 것으로 판단된다. Table 5, Fig. 4

Fig. 9는 벽두께 비율 1.6, 가장자리 기둥 두께 20mm일 때의 등가응력을 나타낸 것이다. 이때의 재료 의 양은 3.76m³으로 기본 모델의 4.429m³대비 약 15%를 줄일 수 있다. Table 6, Fig. 5, Table 7, Fig. 6

4요약 및 결론

본 연구에서는 5,000톤 규모의 대용량 사각형 배수 지 구조에 대하여 최적 파라미터 구조해석을 수행하 였으며, 기존 연구의 M4 모델과 비교 분석하여, 다음 과 같은 결과를 도출하였다.