KR20050001773A

KR20050001773A - 슬러싱을 고려한 탱크의 내진 설계 방법

Info

Publication number: KR20050001773A
Application number: KR1020030042066A
Authority: KR
Inventors: 김대중
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2003-06-26
Filing date: 2003-06-26
Publication date: 2005-01-07

Abstract

본 발명은 슬러싱을 고려한 탱크의 내진 설계 방법에 관한 것이다.

본 발명은 내진설계를 위한 탱크 및 그 내부의 유체에 대하여 모델링을 하고, 지진 조건을 입력하는 단계와; 상기 입력된 지진 조건을 해당 모델링에 적용하여, 탱크가 받는 응력, 탱크의 거동 및 유체의 슬러싱(Sloshing)을 복합적으로 해석하는 단계와; 유동해석 모듈에서 구조물의 변형에 따른 구조해석 데이터를 처리하고, 구조해석 모듈에서 슬러싱에 의한 압력분포 데이터를 처리하는 단계와; 상기 해석 및 처리된 결과에 따라, 해당 구조물 각 부분의 스트레스 레벨이 설계조건에 적합한지 여부를 판단하여, 적합하지 않은 경우 설계조건을 변경하는 단계를 포함하는 방법을 구비하여 구성된다.

따라서, 본 발명은 원자력 발전소에서 탱크 및 그 지지대의 내진 설계를 수행할 시, 내진설계를 위해 설정한 상기 탱크 및 그 지지대의 모델링에 지진 조건을 설정하여, 해당 구조물이 받는 응력 및 거동, 유체의 슬러싱(Sloshing)을 복합적으로 해석하고 구조해석 데이터 및 압력분포 데이터를 처리한 후, 그 해석 및 처리된 결과에 따라 구조물 각 부분의 스트레스 레벨이 설계조건에 적합한지 여부를 판단하여, 적합하지 않은 경우 설계조건을 변경하면서 내진설계를 함으로써, 지진에 의한 탱크 내부에서의 유체의 슬러싱(Sloshing)을 고려한 내진설계가 가능하여, 내진에 더욱 견고한 탱크 설계가 가능하게 하는 효과가 있다.

Description

슬러싱을 고려한 탱크의 내진 설계 방법{TANK ASEISMATIC DESIGN METHOD FOR CONSIDERING SLOSHING}

본 발명은 원자력 발전소에서의 구조물에 관한 것으로, 특히 원자력 발전소에서 탱크 및 그 지지대의 내진 설계를 수행할 시, 내진설계를 위해 설정한 상기 탱크 및 그 지지대의 모델링에 지진 조건을 설정하여, 해당 구조물이 받는 응력 및 거동, 유체의 슬러싱(Sloshing)을 복합적으로 해석하고 구조해석 데이터 및 압력분포 데이터를 처리한 후, 그 해석 및 처리된 결과에 따라 구조물 각 부분의 스트레스 레벨이 설계조건에 적합한지 여부를 판단하여, 적합하지 않은 경우 설계조건을 변경하면서 내진설계를 수행하는 슬러싱을 고려한 탱크의 내진 설계 방법에 관한 것이다.

안정성이 강조되는 원자력 발전소 시스템에서, 내진설계기술 확보는 사업수행에 있어 필수적인 요소이다.

특히, 기본적으로 원자력 발전소에 설치되는 각종 탱크는, 도1a와 같이 물이나 기름이 채워져 있으며, 지진이 발생되지 않는 경우에는 정적인 안정성을 고려하여 설계하면 되지만, 도1b와 같이 지진이 발생하는 경우 탱크(10)는 물론이고 그 탱크(10) 내부에 저장되어 있는 유체(12)도 동시에 움직이게 되므로, 유체(12)의 자유표면(free surface)에는 유체 출렁임이라는 슬러싱(sloshing)과 같은 복잡한 현상이 발생되고, 이러한 유체(12)의 출렁거림에 의해 탱크(10) 벽면의 압력분포가달라지게 되어 탱크(10) 및 그 지지대(11)의 구조 안정성을 다시 계산하여야 한다.

즉, 오일 탱크 등 유체를 내포하고 있는 탱크(10)에 수반되는 지진운동에 의하여 유체(12)가 탱크(10)에 대한 상대운동을 하게 되고, 이러한 상대운동, 즉 슬러싱(Sloshing)은 때때로 과도한 충격력을 발생시켜 탱크(10)에 구조적인 손상을 유발한다.

일반적으로, 슬러싱(Sloshing)은 자유수면이 존재하는 탱크(10) 내의 유체(12)가 탱크(10)의 운동으로 인하여 발생되는 비선형 유동현상으로서, 탱크(10) 벽에 국부적인 충격하중을 가하여 이로 인한 구조물의 손상을 가져오고 있다.

슬러싱은 탱크(10)의 형상, 치수, 내부부재의 배치, 액체의 적재수심, 액체의 종류, 탱크(10)의 운동주파수, 진폭 및 회전중심 등의 많은 요인들에 따라 그 특성이 변화하며, 일반적으로 탱크(10)의 기본 고유진동수 범위의 지진주파수 영역에서 과대한 슬러싱 현상을 보이고 있다.

따라서, 탱크(10)의 설계 및 위치선정의 관점에서 슬러싱에 의해 탱크(10)에 미치는 하중 및 슬러싱 운동과 건물과의 공진현상 발생억제 등이 설계단계에서 고려되고 있다.

이는, 탱크(10) 내 유체(12)의 양 뿐만 아니라 지지구조물의 형상, 지진의 진폭, 주기 및 유체의 종류 등과 밀접한 관계가 있는 탱크(10) 내부 유체 유동의 불안전성으로 인해, 구조물 각 부재에 걸리는 하중의 변화가 유발되고, 심지어 구조물의 2차변형 또는 파괴까지 연결될 수 있는 심각한 상황을 초래할 수도 있기 때문이다.

따라서, 지반을 통하여 탱크(10)에 전달되는 지진력은 내부유체를 유동시키며, 내부유체의 유동은 역을 구조물의 진동에 영향을 주게 된다.

이러한 유체-구조물 상호작용(Fluid-structure interaction)에서 유체(12)가 저장구조물에 미치는 유동압은 크게 액체 표면의 출렁임에 의한 대류(Convective) 성분과 구조물과 같이 움직이면서 질량의 일부가 구조물에 부가된 질량(Added Mass)처럼 거동하는 충격(Impulsive) 성분으로 구분될 수 있다.

또한, 충격 압력 성분은 탱크(10) 벽체의 유연성에 따라 강체 성분(Impulsive rigid mode)과 유연체성분(Impulsive flexible mode)으로 구분된다.

즉, 지진이 발생했을 때 구조물의 동적 안정성을 해석하는 경우, 탱크(10)는 지반의 움직임에 따라 움직이게 되므로, 슬러싱을 고려한 원자력 발전소용 탱크(10)에 대한 내진설계를 수행하기 위한 방법은 탱크(10)와 그 지지대(11)가 완전히 고정된(rigid) 경우와, 상기 탱크(10) 와 그 지지대(11)가 유연한(flexible) 경우로 나눌 수 있다.

일반적으로는 탱크(10) 및 그 지지대(11)가 고정된 것으로 해석하여, 이 경우 구조물에는 변형이 일어나지 않으므로, 탱크(10) 내부의 유체유동을 해석하여 탱크(10) 내부의 압력분포를 구한 후 이를 이용하여 탱크(10)의 구조적 안정성을 해석한다.

그리고, 이 과정에서 유체유동 해석 결과는 구조해석을 위해서 구조해석 모듈에 전달되지만 구조해석 데이터는 유동해석 모듈로 전달되지 않는다.

따라서, 종래 기술에서는, 탱크(10)를 강체로 가정하고, 탱크(10) 내 유체(12)의 동적거동이 탱크(10)의 벽면에 미치는 하중(강체성분)을 해석하는 것에 초점을 맞추었으며, 이에 따라 하우스너(Housner)에 의해 제안된 등가의 질량과 등가 스프링으로 모형화하는 간단한 방법으로 설계를 수행해 오고 있다.

그런데, 수평지진하중에 의한 유체 저장 탱크(10) 내에서의 유동의 영향을 자유표면의 거동에 포함되어 진동하는 유체성분, 즉 대류(Convective)성분과 지진에 의한 벽면의 수평운동과 함께 움직이는 유체성분, 즉 충격(Impulsive)성분으로 구분하고, 이를 각각의 성분에 대하여 등가의 질량과 등가스프링으로 모형화하는 간단한 방법을 사용할 시, 이 모델은 벽체의 유연성을 고려하지 못하여 유체(12)의 동수압을 과소평가하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안한 것으로, 원자력 발전소에서 탱크 및 그 지지대의 내진 설계를 수행할 시, 내진설계를 위해 설정한 상기 탱크 및 그 지지대의 모델링에 지진 조건을 설정하여, 해당 구조물이 받는 응력 및 거동, 유체의 슬러싱(Sloshing)을 복합적으로 해석하고 구조해석 데이터 및 압력분포 데이터를 처리한 후, 그 해석 및 처리된 결과에 따라 구조물 각 부분의 스트레스 레벨이 설계조건에 적합한지 여부를 판단하여, 적합하지 않은 경우 설계조건을 변경하면서 내진설계를 하도록 하는 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1a는 종래 기술에서, 지진이 발생하지 않는 경우의 탱크 및 그 내부의 유체가 받는 영향을 보인 종단면도.

도 1b는 종래 기술에서, 지진이 발생하는 경우의 탱크 및 그 내부의 유체가 받는 영향을 보인 종단면도.

도 2는 본 발명 슬러싱을 고려한 탱크의 내진 설계 방법의 동작과정을 나타낸 순서도.

***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명***

10 : 탱크 11 : 지지대

12 ; 유체

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 내진설계를 위한 탱크 및 그 내부의 유체에 대하여 모델링을 하고, 지진 조건을 입력하는 단계와; 상기 입력된 지진 조건을 해당 모델링에 적용하여, 탱크가 받는 응력, 탱크의 거동 및 유체의 슬러싱(Sloshing)을 복합적으로 해석하는 단계와; 유동해석 모듈에서 구조물의 변형에 따른 구조해석 데이터를 처리하고, 구조해석 모듈에서 슬러싱에 의한 압력분포 데이터를 처리하는 단계와; 상기 해석 및 처리된 결과에 따라, 해당 구조물 각 부분의 스트레스 레벨이 설계조건에 적합한지 여부를 판단하여, 적합하지 않은 경우 설계조건을 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 일실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도2는 본 발명 슬러싱을 고려한 탱크의 내진 설계 방법의 동작과정을 보인 순서도로서, 이에 도시한 바와 같이, 내진설계를 위한 탱크(10) 및 그 내부의 유체(12)에 대하여 모델링을 하고, 지진 조건을 입력하는 단계(S20,S21)와; 상기 입력된 지진 조건을 해당 모델링에 적용하여, 탱크(10)가 받는 응력, 탱크(10)의 거동 및 유체(12)의 슬러싱(Sloshing)을 복합적으로 해석하는 단계(S22)와; 유동해석 모듈에서 구조물의 변형에 따른 구조해석 데이터를 처리하고, 구조해석 모듈에서 슬러싱에 의한 압력분포 데이터를 처리하는 단계(S23)와; 상기 단계(S22,S23)에서, 상기 해석 및 처리된 결과에 따라, 구조물 각 부분의 스트레스 레벨이 설계조건에 적합한지 여부를 판단하여, 적합하지 않은 경우 설계조건을 변경하여 상기 과정(S20~S23)을 반복하는 단계(S24,S25)로 구성한다.

일반적으로, 지진이 발생한 경우 대부분의 탱크(10) 및 그 지지대(11)는 하중 변화에 따라 변형(deformation)이 발생되어, 탱크(10) 및 그 지지대(11)의 변형에 의하여 탱크(10) 내부의 유체(12)에 전달되는 움직임(motion)(혹은 지진 응답 스펙트럼)은 지지대(12)를 통해 전달되는 지반 움직임(ground motion)과는 달라지게 된다.

이 경우, 유체유동과 구조물의 변형을 동시에 고려하여, 탱크(10) 및 그 지지대(12)의 내진설계를 수행해야 한다.

즉, 탱크(10) 및 그 지지대(12)가 유연한(flexible) 경우, 구조물의 거동과 유체유동이 상호작용(fluid-structure interaction)을 일으키는데, 유체유동은 구조물의 변형에 영향을 미치고 동시에 구조물의 변형은 유체유동에 영향을 미치게 되므로, 유체유동 해석과 구조해석을 동시에 수행해야 된다.

이때, 본 발명은 구조해석 모듈과 유동해석 모듈을 모두 포함하고 있어, 유동해석 결과를 구조해석을 위한 데이터로 사용하기 위하여 구조해석 모듈로 전달하고, 동시에 구조해석 데이터는 유동해석을 위한 데이터로 이용하기 위하여 유동해석 모듈로 전달하는 방식으로, 유동해석 모듈과 구조해석 모듈 사이에 상호 데이터를 주고 받으며 내진 해석을 수행하게 된다.

먼저, 원자력 발전소 내 탱크(10) 및 그 지지대(11)에 대한 내진설계를 수행할 시, 상기 탱크(10) 및 그 내부의 유체(12)에 대하여 모델링을 한다(S20).

여기서, 유체-구조물 상호작용(Fluid-Structure Interaction) 기법을 이용하는 경우, 탱크(10) 및 그 지지대(11)에 대한 입체형상의 모델링은 물론, 탱크(10) 내부에 저장되어 있는 유체(12)에 대한 모델링을 수행한다.

그리고, 탱크(10) 및 그 지지대(11)에 대한 모델링이 끝나면, 계산격자를 생성(Grid generation)하고, 구조물 및 유체에 대한 각각의 물성치(Physical properties)를 정하고 경계조건을 설정한다.

그 다음, 지진 발생시 탱크 및 탱크 내부에 저장되어 있는 유체의 거동을 시뮬레이션하기 위해서는 지진 조건 데이터(Ground mation data)를 입력하여 지진조건을 설정한다(S21).

지면에 설치되어 있는 탱크(10)의 경우, 상기 지진 조건 데이터를 그대로 사용할 수 있으나, 건물 중간이나 옥상 등에 설치되어 있는 탱크(10)의 경우, 탱크(10)의 지지대(11)를 통해서 전달되는 지진 반응 스펙트럼(Seismic Response Spectrum)이 중간 매개물질에 의하여 감쇄 또는 증폭될 수 있기 때문에, 지면의 흔들림과 달라지게 된다.

그리고, 내진 조건 데이터는 변위(Displacement)를 이용하는 방법과 가속도를 이용하는 방법이 있다.

그 다음, 상기 입력된 지진 조건을 해당 모델링에 적용하여, 탱크(10)가 받는 응력, 탱크(10)의 거동 및 유체(12)의 슬러싱(Sloshing)을 복합적으로 해석한다(S22).

그리고, 유동해석 모듈에서 구조물의 변형에 따른 구조해석 데이터를 처리하고, 구조해석 모듈에서 슬러싱에 의한 압력분포 데이터를 처리한다(S23).

일반적으로, 구조물에 작용하는 응력은 구조물을 변형시키는데, 구조물의 변형은 유체유동(Sloshing)에 큰 영향을 미치기 때문에 구조물의 변형에 관련된 데이터(지진 조건 데이터에 의한 구조물의 변위 포함)는 유동해석 모듈로 보내지게 된다.

또한, 유체유동(Sloshing)은 탱크 벽면에 시간에 따라 다른 압력분포를 가지게 하므로, 압력분포 데이터를 구조해석 모듈로 보내주어야 한다.

이와 같이, 유동해석 모듈과 구조해석 모듈 사이에 실시간으로 데이터를 주고 받으면서, 유체유동과 구조해석을 동시에 수행한다.

그 다음, 상기 단계(S22,S23)에서, 유체-구조물 상호작용(Fluid-Structure Interaction)을 통해서 얻어진 상기 해석 및 처리된 결과에 따라, 구조물 각 부분에서의 스트레스 레벨이 설계조건에 적합한지 여부를 판단하여, 적합하지 않은 경우 설계조건을 변경하여 상기 과정(S20~S23)을 반복한다(S24,S25).

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 원자력 발전소에서 탱크 및 그 지지대의 내진 설계를 수행할 시, 내진설계를 위해 설정한 상기 탱크 및 그 지지대의 모델링에 지진 조건을 설정하여, 해당 구조물이 받는 응력 및 거동, 유체의 슬러싱(Sloshing)을 복합적으로 해석하고 구조해석 데이터 및 압력분포 데이터를 처리한 후, 그 해석 및 처리된 결과에 따라 구조물 각 부분의 스트레스 레벨이 설계조건에 적합한지 여부를 판단하여, 적합하지 않은 경우 설계조건을 변경하면서 내진설계를 함으로써, 지진에 의한 탱크 내부에서의 유체의 슬러싱(Sloshing)을 고려한 내진설계가 가능하여, 내진에 더욱 견고한 탱크 설계가 가능하게 하는 효과가 있다.

Claims

내진설계를 위한 탱크 및 그 내부의 유체에 대하여 모델링을 하고, 지진 조건을 입력하는 단계와; 상기 입력된 지진 조건을 해당 모델링에 적용하여, 탱크가 받는 응력, 탱크의 거동 및 유체의 슬러싱(Sloshing)을 복합적으로 해석하는 단계와; 유동해석 모듈에서 구조물의 변형에 따른 구조해석 데이터를 처리하고, 구조해석 모듈에서 슬러싱에 의한 압력분포 데이터를 처리하는 단계와; 상기 해석 및 처리된 결과에 따라, 해당 구조물 각 부분의 스트레스 레벨이 설계조건에 적합한지 여부를 판단하여, 적합하지 않은 경우 설계조건을 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬러싱을 고려한 탱크의 내진 설계 방법.