LNG 저장탱크의 내진 고립 해석

• 질량 집중 스틱(빔) 모델을 이용한 시간력 내진 해석
• 쉘 모델을 이용한 정적 및 최대 내진 하중 적용
• 비구조형 모델을 이용한 유출 및 여진 이벤트에 대한 결합 열-구조 해석

LUSAS 컨설팅 서비스는 대형 저장 LNG 탱크에 대한 다양한 해석을 수행한 광범위한 경험을 보유하고 있습니다. 그동안 전문 엔지니어들은 최근에는 파나마의 Costa Norte LNG 터미널 프로젝트를 위한 180,000m³ 전엽 함유 탱크의 내진 고립 해석을 포함하여 다양한 프로젝트 및 해석에서 Korea Gas Technology Corporation(KOGAS-Tech)에 도움을 주었습니다. 2018년 완료된 이 프로젝트는 중앙 아메리카 최초의 LNG 접수 터미널이 되었습니다.

개요

파나마와 중앙 아메리카는 지진활동이 빈번한 지역이며, LNG 탱크는 사고 및 지진 조건에서 엄격한 설계 요구 사항을 갖는 중요한 구조물입니다. 이러한 맥락에서, 기초 고립 시스템은 대형 저장탱크 설계의 증가하는 내진 수요를 충족하기 위한 비용 효과적인 솔루션으로 자리잡고 있습니다.

위의 지상 전엽 함유 탱크는 LNG가 정상 운영 조건에서 저장되는 89m 지름의 9% 니켈 강철 내탱크와, LNG 제품의 사고 유출을 포함하는 91m 내직경의 포스트 텐션 콘크리트 외부탱크로 구성되어 있으며, 길이는 32.7m입니다. 기초 고립은 400개의 기둥에 장착된 고립 장치 위에 위치한 콘크리트 기초 슬래브 위에 위치합니다. 전체 탱크의 높이는 지붕 돔의 상단까지 53.4m입니다.

수행한 해석

LUSAS 컨설팅은 다양한 지진 및 사고 조건하에서 LNG 탱크의 세부적인 내진 평가를 수행하기 위해 여러 유한 요소 모델을 개발하였습니다:

• 질량 집중 스틱(빔) 모델을 이용한 시간력 내진 해석
• 쉘 모델을 이용한 정적 및 최대 내진 하중 적용
• 비구조형 모델을 이용한 유출 및 여진 이벤트에 대한 결합 열-구조 해석

고립 시스템 트리플 마찰 진자 베어링(TFPB) 고립 장치는 지진 지면 운동으로부터 탱크를 분리하고 탱크 구성 요소로의 내진 에너지 전송을 줄이기 위해 탱크 바닥 슬래브 아래에 위치하였습니다. 총 400개의 기둥에 장착된 TFPB가 사용되었으며, 4개의 미끄러운 오목 표면과 3개의 마찰 계수가 포함되었습니다. 이들은 LUSAS에서 비선형 감쇠 및 마찰 속도와 수직 압력의 변화를 포함한 특수 접합 재료를 사용하여 모델링되었습니다. 마찰 특성은 시간 및 축 방향 힘에 따라 변하기 때문에 빈 탱크와 가득 찬 탱크의 경우 각각 하한 및 상한 특성이 사용되었습니다. 최대 조건 하에서 기초 고립은 최대 33%의 전반적인 유효 감쇠를 제공할 수 있었으며, 최대 변위는 약 200mm로, 605mm의 지지 능력 내에 있었습니다.

설치 중인 기초 고립 시스템 (이미지: AES Colon)

고립 장치 힘-변위 곡선	수평 방향의 가속도-시간 응답

토양-구조 상호작용 탱크 기초에는 바위에 완전히 묻혀 있는 밀접하게 배치된 많은 강철 말뚝이 포함되었습니다. LUSAS에서 지반의 비선형 반응을 시뮬레이션하기 위해 깊이에 따라 달라지는 부분선형 접합 재료가 사용되었으며, 이는 측면 지지력, 마찰력, 그리고 말뚝 끝 지지력을 포함합니다. 액상화 잠재력, 사이클 하중, 그룹 효과 및 지반 감쇠는 지지 지반의 축과 횡 방향 강성을 계산하는 데 고려되었습니다.	말뚝 모델링
	말뚝 모델링

시간이력 내진 해석

질량 집중 모델링은 LNG의 유체/구조 상호작용과 말뚝 배치의 토양/구조 상호작용에 사용되었습니다. 고립 시스템의 비선형 히스테리시스 거동은 세부적인 동적 해석이 요구되었습니다. LUSAS에서 비선형 일시적 동적 해석을 사용하여 수평 및 수직 지면 운동 하에서의 시간 힘 응답을 도출하였습니다.

지반암 입력 운동은 0.33g (운영 기준 지진) 및 0.54g (안전 정지 지진)으로, KOGAS-Tech에서 제공한 지진 위험 분석을 통해 코드를 만족하기 위한 여러 지면 운동 기록을 개발하였습니다.

동적 해석으로부터의 피크 평균 결과는 정상 작동 고정 하중과 결합되어 구조의 3D 쉘 모델에 대한 세부 응력 해석을 수행하였습니다.

질량 집중 모델 변형	쉘 모델 변형
질량 집중 모델 변형	쉘 모델 변형
쉘 모델의 후프 축 응력
후프 축 응력

유출 및 여진

지금 LNG 탱크의 중요한 설계 조건은 사고 유출이 발생한 후의 여진(SSE_aft) 이벤트입니다. 이는 이전의 SSE 지진으로 인해 내탱크가 손상되었을 때 발생하는 것으로 가정됩니다.
여진 지진은 SSE의 50%로 추정되었으며, 이 경우 LNG가 외부 탱크와 직접 접촉하고 있다고 간주하여 질량 집중 모델에서 시간력을 해석하였습니다.

최신 비선형 콘크리트 재료를 포함한 3D 고체 모델을 개발하여 유출이 탱크 벽에 미치는 영향을 평가하기 위한 반결합 정상 상태 열 해석을 수행하였습니다. 마찬가지로 쉘 모델에서와 같이 피크 수력 압력이 고체 모델에 적용되었고, 액체 밀폐성과 콘크리트 탱크의 붕괴 예방이 평가되었습니다.

고체 모델 변형 | 균열/파손 | 압축 영역

유출 온도 결과 및 탱크 재료 모델링

요약

LUSAS 컨설팅 서비스는 고립된 LNG 탱크에 대한 가장 발전된 유한 요소 해석/모델링 기법을 사용하여 KOGAS-Tech에 대해 OBE, SSE 및 SSE_aft 조건 하의 탱크 검사에 대한 설계 기준을 제공하였습니다. 여기에 기초 힘, 고립 장치 반응, 프리보드, 콘크리트 탱크 힘, 액체 밀폐성, 균열 너비 및 기타 결과 등이 포함됩니다.

“LUSAS는 20년 넘게 강력한 설계 능력과 고급 기술 지원을 제공하고 있습니다. Costa Norte LNG 터미널 프로젝트에서 LUSAS를 사용하여 고지진 지역의 탱크 설계를 성공적으로 검증하였습니다. LUSAS를 통해 항상 고객의 엄격한 설계 요구 사항을 충족할 수 있습니다.”

Jung-Hoe Kim, KOGAS-Tech의 토목 및 건축 부서 매니저.