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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.7 No.2 pp.24-29
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2016.7.2.024

Optimized Structural Analysis of Rectangular STS Water Reservoirs with 5,000ton Capacity

Byung-Jik Son1, Sang-Youl Lee2
1Associate Professor, Department of International Civil and Plant Engineering, Konyang University, Nonsan, Korea
2Associate Professor, Department of Civil Engineering, Andong National University, Andong, Korea
Corresponding author: Lee, Sang-Youl Department of Civil Engineering, Andong National University, 388 Songchon-dong, Andong, Kyoungsangbuk-do 760-749, South Korea +82-54-820-5847, lsy@andong.ac.kr
May 31, 2016 June 19, 2016 June 22, 2016

Abstract

This study deals with optimized structural analysis of stainless rectangular water reservoirs with 5,000ton capacity for various combined load cases. The objective of this study is to propose most efficient structural models through the comparison of various model cases. In order to perform an optimized analysis, three dimensional finite element analyses are carried out for large sized models. The numerical results obtained provides the detailed size and thickness for optimal design of water reservoir. In particular, results reported in this paper show the influence of various types of loading and dimensions of the wall and stiffened column on the structural behavior of the large sized water tanks.


5,000톤급 STS 사각 패널을 갖는 배수지의 최적화 구조 해석

손 병직1, 이 상열2
1건양대학교 해외건설플랜트학과 부교수
2안동대학교 토목공학과 부교수

초록


    KOREA IRON & STEEL ASSOCIATION

    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.

    • (1) 외벽의 두께 보다는 가장자리 기둥의 두께를 크 게 하는 것이 구조성능 관점에서 유리하다.

    • (2) 사각 배수지의 가장자리 기둥의 두께가 28mm 이상 확보해야 허용응력을 만족한다. 외벽의 두께는 가장자리 기둥의 두께가 30mm인 경우 기본 모델의 두께보다 20%만 크게 해도 괜찮은 것으로 판단되며, 이때의 사용되는 재료의 양은 기본 모델보다 3%정도 적게 들어간다.

    • (3) 가장자리 기둥의 지점부에서 응력이 집중되고, 지점부를 제외하면 허용응력 범위내에 들어오기 때문 에 지점부 근처만 부분적으로 두께를 크게 하면 안전 하고 경제적인 설계를 할 수 있을 것으로 판단된다. 이때 가장자리 기둥 두께를 20mm 이하로 설계할 수 있다. Table 8, Fig. 7, Table 9, Fig. 8, Fig. 9

    ACKNOWLEDGMENT

    본 연구는 한국철강협회의 지원으로 수행되었습니 다. 이에 감사드립니다.

    Figure

    KOSACS-7-24_F1.gif
    Finite element model of water tank structures.
    KOSACS-7-24_F2.gif
    Contour induced from Table 2.
    KOSACS-7-24_F3.gif
    Contour induced from Table 4.
    KOSACS-7-24_F4.gif
    Contour induced from Table 5.
    KOSACS-7-24_F5.gif
    Contour induced from Table 6.
    KOSACS-7-24_F6.gif
    Contour induced from Table 7.
    KOSACS-7-24_F7.gif
    Contour induced from Table 8.
    KOSACS-7-24_F8.gif
    Contour induced from Table 9.
    KOSACS-7-24_F9.gif
    The equivalent stress in case of wall thickness ratio 1.6 and columns thickness 20mm

    Table

    Basic dimension and analysis parameters of analysis model
    The volumes(m3) of proposed models (The volume of M4 : 4.429m3)
    The material properties used in the analysis
    The results for load case Ⅰ(Equivalent stress (MPa))
    The results of load case Ⅰ(Total Displacement (mm))
    The results of load case Ⅱ (Equivalent stress (MPa))
    The results of load case Ⅱ (Total Displacement (mm))
    The results of load case Ⅲ (Equivalent stress (MPa))
    The results of load case Ⅲ (Total Displacement (mm))

    Reference

    1. 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 (4) ; pp.133-140
    2. Hibbitt, Karlsson (2007) “ABAQUS/CAE user's manual”, version 6.7,
    3. Korean Standards Association (2006) “Design requirements for wind load and seismic load of oil storage tanks” , KS B 6283(in Korean)
    4. Malhotra P K (1997) “Seismic Analysis of Liquid-Storage Steel Tanks” , Structural Engineering International, ; pp.197-201
    5. Son B J , Lee S Y (2015a) “Finite Element Stress Analysis of Large Sized Rectangular Water Tank Structures Made of Stainless Steel Materials” , J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc, Vol.6 (2) ; pp.85-90
    6. Son B J , Lee S Y (2015b) “Structural Analysis for Design Improvement of Stainless 5,000ton Rectangular Water Tank Structures” , J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc, Vol.6 (4) ; pp.44-50
    7. Susan T (1996) “Tracer Studies in Water Treatment Facilities: A Prorocol and Case Studies”, AWWA Research Foundation and American Water Works Association,