정사각형 수조 진동대실험에 대한 상관해석

손일민,김재민,최형석,백은림 한국구조물진단유지관리공학회 2017 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.21 No.1

이 연구에서는 유체저장탱크의 내진 설계 고도화에 활용하기 위하여 정사각형 수조의 슬러싱 진동대실험에 대한 상관해석을 수행 하였다. 이를 위하여 CFD 프로그램인 ANSYS CFX를 이용하였다. CFD 해석 프로그램 검증을 위해 슬러싱 공진이 발생하는 운동에 대한 해석 모델의 요소크기 및 난류모델에 대한 슬러싱응답의 민감도해석을 수행하였다. 그 결과, 수직방향 요소크기 뿐만 아니라 수평방향 요소크기에 따라 수위 예측에 민감한 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 또한, SST 난류모델을 사용한 CFD해석 결과가 실험 결과와 매우 잘 일치하는 것을 알 수 있었다. 이로부터 결정된 CFX 해석모델을 사용하여, 가진 주파수와 가진 진폭이 다른 3가지 실험 결과에 대하여 상관해석을 수행하였다. 그 결과, CFD해석모델을 사용하여 지진해석을 수행할 경우, 슬러싱응답이 실험 결과와 매우 잘 일치하는 것을 알 수 있었다. In this study, a post-correlation analysis for shaking table test of square water storage tank is presented for the use of advances in earthquake-resistant design of liquid storage tank. For this purpose, the ANSYS CFX program is selected for the CFD analysis. Sensitivity analysis for resonant sloshing motion in terms of grid size and turbulence model suggested that (1) horizontal grid size as well as vertical grid size is a key variable in the sloshing analysis, and (2) the SST turbulence model is best for the sloshing analysis. Finally, correlation analyses for a non-resonant harmonic input and scaled earthquake excitation of the El Centro (1940) NS component are carried out using the grid and turbulence model established through the post-correlation analysis for the resonant motion. As a result, sloshing time histories by the CFD analysis agreed very well with the test results.

기초 형식에 따른 LNG 저장탱크의 지반-구조물 상호작용을 고려한 지진응답 분석

손일민,김재민,이창호 한국전산구조공학회 2019 한국전산구조공학회논문집 Vol.32 No.3

이 연구에서는 기초의 종류에 따라 지반-구조물 상호작용(SSI) 효과가 LNG 저장탱크의 지진응답해석에 미치는 효과를 분석하였다. 이를 위하여 직경 71m인 LNG 탱크와 기반암 위 점토지반의 깊이가 30m인 지반조건을 고려하였다. 그리고 기초형식으로 네 가지(얕은 기초, 말뚝지지 전면기초, 말뚝기초(지표면 접촉식, 부유식)를 고려하였다. 지반의 비선형성은 자유장 지반에 대하여 등가선형화기법으로 고려되었다. 또한, 말뚝기초의 시공과정에서 발생하는 동다짐 효과에 대해서도 분석하였다. SSI 해석을 위하여 진동수영역 해석프로그램인 KIESSI-3D를 이용하였다. 지반-구조물 상호작용 해석을 통해 LNG 저장탱크의 외조 벽체 쉘의 응력과 내조탱크의 밑면전단력 및 전도모멘트를 구하였다. 해석결과로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다: (1) 고정 기초해석에 의한 외조와 내조탱크의 지진응답이 SSI 효과로 인한 지진응답보다 매우 컸다. (2) SSI의 효과가 내조탱크와 외조탱크의 동적응답에 미치는 영향은 기초의 형식에 따라 다르게 나타난다. (3) 말뚝지지 전면기초에서 동다짐 효과에 의한 구조물 응답의 변화는 약 10%로서 무시할 수 없을 정도로 큰 것으로 나타났다. In this study, the soil-structure interaction(SSI) effect on the seismic response of LNG storage tanks was investigated according to the type of foundation. For this purpose, a typical of LNG storage tank with a diameter of 71m, which is constructed on a 30m thick clay layer over bedrock was selected, and nonlinearity of the soil was taken into account by the equivalent linearization method. Four different types of foundations including shallow foundation, piled raft foundation, and pile foundations(surface and floating types) were considered. In addition, the effect of soil compaction in group piles on seismic response of the tank was investigated. The KIESSI-3D, which is a SSI analysis package in the frequency domain, was used for the SSI analysis. Stresses in the outer tank, and base shear and overturning moment in the inner tank were calculated. From the comparisons, the following conclusions could be made: (1) Conventional fixed base seismic responses of outer tank and inner tank can be much larger than those of considering the SSI effect; (2) The influence of SSI on the dynamic response of the inner tank and the outer tank depends on the foundation types; and (3) Change in the seismic response of the structure by soil compaction in the piled raft foundation is about 10% and its effect is not negligible in the seismic design of the structure.

기초형식에 따른 LNG 저장탱크의 지반-구조물 상호작용을 고려한 수직방향 지진응답 분석

손일민,김재민 한국전산구조공학회 2019 한국전산구조공학회논문집 Vol.32 No.6

We investigate the effect of soil-structure interaction (SSI) on the response of LNG storage tanks to vertical seismic excitation depending on the type of foundation. An LNG storage tank with a diameter of 71 m on a clay layer with a thickness of 30 m upon bedrock, was selected as an example. The nonlinear behavior of the soil was considered in an equivalent linear method. Four types of foundation were considered, including shallow, piled raft, and pile foundations (surface and floating types). In addition, the effect of soil compaction within the group pile on the seismic response of the tank was investigated. KIESSI-3D, an analysis package in the frequency domain, was used to study the SSI and the stress in the outer tank was calculated. Based on an analysis of the numerical results, we arrived at three main conclusions: (1) for a shallow foundation, the vertical stress in the outer tank is less than the fixed base response due to the SSI effect; (2) for foundations supported by piles, the vertical stress can be greater than the fixed base stress due to the increase in the vertical impedance due to the piles and the decrease in radiation damping; and (3) soil compaction had a miniscule impact on the seismic response of the outer tank. 이 논문에서는 수직방향 지진입력에 의한 지반-구조물 상호작용 효과가 기초 종류에 따라 LNG 저장탱크의 지진응답에 미치는 효과를 분석하였다. 이를 위하여 직경 71m인 LNG 탱크와 기반암 위 점토지반의 깊이가 30m인 지반조건을 고려하였다. 그리고 기초형식으로 네 가지(얕은 기초, 말뚝지지 전면기초, 말뚝기초(지표면 접촉식, 부유식)를 고려하였다. 지반의 비선형성은 자유장 지반에 대하여 등가선형화기법으로 고려되었다. 또한, 말뚝기초의 시공과정에서 발생하는 동다짐 효과에 대해서도 분석하였다. SSI 해석을 위하여 진동수영역 해석프로그램인 KIESSI-3D를 이용하였다. 지반-구조물 상호작용 해석을 통해 LNG 저장탱크의 외조 벽체 쉘의 응력을 구하였다. 해석결과로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다: (1) 얕은 기초에서 외조탱크의 수직응력은 SSI 효과로 인하여 고정기초응답 보다 작았다. (2) 말뚝으로 지지된 기초에서 말뚝으로 인해 기초의 수직강성이 커지고 방사감쇠가 작아질 수 있기 때문에 SSI 응답이 고정기초응답 보다 커질 수 있다. (3) 동다짐 효과는 수직지진에 의한 LNG 저장탱크의 응답에 미치는 영향이 매우 작았다.

유체-구조물-지반 상호작용을 고려한 비결합 말뚝기초에 지지된 LNG 저장탱크의 수평지진입력에 대한 지진응답 매개변수해석

손일민,김재민 한국지진공학회 2024 한국지진공학회논문집 Vol.28 No.1

This study performed the seismic response analysis of an LNG storage tank supported by a disconnected piled raft foundation (DPRF) with a load transfer platform (LTP). For this purpose, a precise analytical model with simultaneous consideration of Fluid-Structure Interaction (FSI) and Soil-Structure Interaction (SSI) was used. The effect of the LTP characteristics (thickness, stiffness) of the DPRF system on the seismic response of the superstructure (inner and outer tanks) and piles was analyzed. The analytical results were compared with the response of the piled raft foundation (PRF) system. The following conclusions can be drawn from the numerical results: (1) The DPRF system has a smaller bending moment and axial force at the head of the pile than the PRF system, even if the thickness and stiffness of the LTP change; (2) The DPRF system has a slight stiffness of the LTP and the superstructure member force can increase with increasing thickness. This is because as the stiffness of the LTP decreases and the thickness increases, the natural frequency of the LTP becomes closer to the natural frequency of the superstructure, which may affect the response of the superstructure. Therefore, when applying the DPRF system, it is recommended that the sensitivity analysis of the seismic response to the thickness and stiffness of the LTP must be performed.

비결합 말뚝지지 전면기초 LNG 저장탱크의 하중전이층에 대한 지진응답 해석사례

손일민(Son, Il Min),김재민(Kim, Jae Min) 대한토목학회 2023 대한토목학회 학술대회 Vol.2023 No.10

정사각형 유체저장탱크의 진동대시험에 대한 상관해석

손일민(Son, Il Min),김재민(Kim, Jae Min),황세윤(Hwang, Se Yun),이장현(Lee, Jang Hyun) 대한토목학회 2016 대한토목학회 학술대회 Vol.2016 No.10

비결합 말뚝지지 전면기초 LNG 저장탱크의 하중전이층에 대한 지진응답 해석사례

대한토목학회 2023 대한토목학회 학술대회 Vol.2023 No.10

유체-구조물-지반 상호작용을 고려한 말뚝기초 유체저장탱크의 간략 지진해석법

김재민,손일민,강보림,윤정방,정명진 한국방재학회 2015 한국방재학회논문집 Vol.15 No.4

In this paper, a couple of simplified analysis models are proposed for seismic response analysis of LNG storage tank including dynamic effects of the FSSI (Fluid-Structure-Soil Interaction). For this purpose, a closed-form added mass function is proposed for cylindrical tank based on the Haroun’s added mass model for a flexible tank. The proposed model is verified with the Haroun’s flexible broad and tall benchmark tanks. In addition, a shear building model is employed to facilitate seismic wave input through layered soil medium. Moreover, some discussions are made on the number of modes required in the calculation of the sloshing height. Finally, all of these features are integrated into a single system to develop simplified analysis models for seismic response analysis of LNG storage tank including dynamic effects of the FSSI. A numerical example dealing with the large-scale LNG storage tank on a flexible soil is given to demonstrate effectiveness of the proposed approach. Fundamental impulsive frequency, base shear force, overturning moment, and sloshing height obtained by the proposed procedure are compared to those by a refined FSSI analysis. Numerical results indicated that the present study is accurate and simple enough to replace simplified techniques commonly employed in practice. 이 논문은 유체-구조물-지반 상호작용(FSSI)의 동적효과를 포함한 LNG 저장탱크의 지진응답해석을 위한 두 가지 간략해석모델을 제안하였다. 이를 위해 Haroun이 제안한 유연탱크의 유체부가질량모델을 근사하여 원통형 탱크를 위한 Closed-form 형태의 개선된 유체부가질량함수를 제안하였다. 개선된 유체부가질량함수는 Haroun의 높은 탱크(tall tank)와 넓은 탱크(broad tank) 벤치마크예제를 이용하여 검증하였다. 또한 자유장지반을 전단빌딩으로 모델링하여 지진입력을 지반층에 적용하기 용이하도록 하였고, 탱크의 슬러싱 높이를 계산하기 위해 요구되는 슬러싱모드의 개수에 대해 논의하였다. 최종적으로 이러한 기법들을 하나의 시스템으로 통합한 FSSI 간략해석모델을 개발하였다. 개선된 해석기술의 합리성과 적용성을 보이기 위해 실규모 LNG 저장탱크에 대한 수평 지진응답해석을 수행하였다. 해석모델의 충격성분 진동수, 탱크 벽체의 밑면 전단력, 탱크 벽체의 전도 모멘트, 슬러싱 최대높이를 정밀 FSSI 해석결과와비교하였다. 이를 통해 제안된 간략모델은 실무에서 사용되는 간략모델을 대신하기에 충분히 간단하면서도 정확함을 보였다.

p-version 무한요소를 적용한 지반-구조물 상호작용해석의 계산속도 향상

임재성,손일민,김재민,서춘교 한국전산구조공학회 2016 한국전산구조공학회논문집 Vol.29 No.5

이 연구에서는 p-version 동적무한요소법을 도입함으로써 FE-IE 기법에 기반한 KIESSI-3D 프로그램의 속도향상에 역점 을 두었다. KIESSI-3D의 성능을 평가하기 위해 8가지 실규모 SSI 문제에 대한 수치해석을 수행하였다. 이를 위해 근역지반 모델의 반경( r0 )이 구조물기초 반경(R)의 1.2배, 1.5배, 3.0배인 KIESSI-3D 해석모델을 고려하였다. 또한 SASSI2010 프로그 램을 이용한 SSI 해석을 수행하였으며, 이 결과를 KIESI-3D에 의한 결과와 정확성 및 계산속도를 비교하였다. 수치해석 결 과, 인 KIESI-3D 모델을 사용하면 정확한 해석을 수행할 수 있음을 알 수 있었다. 계산속도 측면을 보면, 새로운 KIESSI-3D의 해석속도는 기존 KIESSI-3D에 비해 최대 25배 빠른 것으로 나타났다. In this study, we focused on a speed-up of KIESSI-3D program, which is based on FE-IE techniques, by introducing a p-version dynamic infinite element method. In order to evaluate performance of the KIESSI-3D, numerical analyses for eight real-scale SSI problems are carried out. We considered three types of KIESSI-3D numerical models whose radii of near-field soil region( r0 )are 1.2, 1.5, and 3.0 times of basemat radius of structure( R ). In addition, SSI analyses using the SASSI2010 program are carried out used for comparison of accuracy and runtime against those of the KIESSI-3D. Numerical results show that the KIESSI-3D model of r0 = 1.2 R is enough to give accurate solution. In view of the computing speed, the new KIESSI-3D was up to 25 times faster than the old KIESSI-3D.

면진 원통형 LNG 저장탱크의 유체-구조물-지반 상호작용해석을 위한 간략모델

김재민(Kim, Jae-min),손일민(Son, Il-min),김남식(Kim, Nam-sik),양성영(Yang, Seong-yeong) 대한토목학회 2013 대한토목학회 학술대회 Vol.2013 No.10