고장수목분석법을 이용한 액화천연가스 저장탱크 형식별 위험성 비교 평가

이승림(Seung Rim Lee),김한상(Han Sang Kim) 한국가스학회 2012 한국가스학회지 Vol.16 No.6

최근 LNG 저장탱크 시장에서는 지상식 멤브레인 LNG 저장탱크의 대용량화 용이성, 친환경성, 내부탱크로부터의 낮은 누출 가능성(완만한 누출속도의 증가) 등의 장점으로 동 탱크의 건설에 대한 적극적인 검토가 이루어지고 있다. 이 논문에서는 고장수목분석법(FTA)을 활용하여 기존의 완전방호식 LNG 저장탱크와의 비교 위험성평가를 통해 멤브레인 LNG 저장탱크의 안전성을 분석하였다. 위험성평가 결과는 추가적인 안전장치를 갖지 않는 초기 멤브레인 LNG 저장탱크를 제외하고 두 형식의 LNG 저장탱크가 매우 유사한 위험수준을 가지는 것으로 나타났다. Building above-ground membrane LNG storage tanks have been recently actively reviewed because they have advantages in ease of large capacity, environmental friendliness, and low possibility of gas leakage of the inner tank (slow increase of leakage speed). In this paper, the safety of membrane LNG storage tanks was ensured through comparative risk assessment of full-containment LNG storage tanks and membrane LNG storage tanks by using Fault Tree Analysis (FTA). Risk assessment results showed that both types of tanks have very similar level of risk except for the membrane storage tanks without additional safety equipments (early model).

LNG 저장탱크의 해석적 지진취약도함수 개발

이태형,권순환,박효상,Lee. Tae-Hyung,Kwon. Soonhwan,Park. Hyo-Sang 한국방재학회 2013 한국방재학회논문집 Vol.13 No.1

천연가스 생산기지, 특히 LNG 저장탱크는 지진에 의한 손상을 입을 경우 사회경제적 피해가 막대하기 때문에 탱크의 내진 성능을 사전에 파악하는 것이 중요하다. 내진설계가 철저하게 반영된 이유로 국내외를 통틀어 LNG 저장탱크가 지진피해를 입은 경우가 거의 없으나, 설계지진하중보다 큰 하중에 대한 탱크의 거동을 예측할 수 있는 기술은 여전히 필요하다. 지진취약도 함수는 구조물의 내진성능을 표현하는 가장 합리적이고 보편적인 방법 중의 하나이다. 본 연구에서는 국내에서 운영 중인 LNG 저장탱크에 대한 지진취약도함수를 개발하였다. 저장탱크의 구조해석에 가장 많이 사용되는 튜닝포크모델을 사용하고 50개의 실측지진파를 이용하여 시간이력해석을 수행하였다. 미국의 지진피해예측 프로그램인 HAZUS에서 정의한 가스저장탱크의 한계상태를 이용하여 구조해석에 의한 해석적 취약도함수를 개발하였다. 합리적인 취약도함수를 도출하기 위해 지진피해에 기반을 둔 기존의 저장탱크 취약도함수와 본 연구에서 도출한 해석적 취약도함수를 조합하여 국내 LNG 저장탱크의 지진취약도함수를 개발하였다. 최대지반가속도가 0.2 g인 지진이 발생하면 탱크 벽체에 경미한 균열이 발생할 확률이 1.0%로, 이보다 심각한 손상이 발생할 확률은 0.0% 나타났고, 설계지반가속도의 두 배 크기인 0.4 g의 지진이 발생하면 경미한 균열이 발생할 확률이 27.1%로, 다수의 균열이 발생할 확률이 10.0%로 나타나 탱크의 안전도가 상당히 높은 것으로 분석되었다. When a Liquified Natural Gas (LNG) receiving terminal is damaged by an earthquake, the socio-economic impact of it`s damage might be huge. Therefore, it is important to understand the seismic resistant capacity of such facilities, specially LNG storage tanks, in order for minimizing the earthquake hazard. Even though seismic design criteria are so strict that LNG storage tanks rarely suffer from earthquakes, we still need to know what to happen when a larger earthquake than a design earthquake occurs. A seismic fragility function is frequently used to express the seismic performance of structures. In this study, the seismic fragility functions of LNG storage tanks that are under operation in Korea are developed. A so-called `tuning-fork model` is used to evaluate the dynamic response of the LNG tank based on a series of time history analyses. The fragility functions are developed based on the performance limit states that are defined in HAZUS, a popular seismic performance evaluation program. Finally, the analytical fragility function is updated by combined by pre-defined empirical fragility functions. According to the fragility functions, the probabilities of having minor cracks and moderate cracks on the tank wall are 1.0% and 0.0%, respectively, for the design-level earthquake with the peak ground acceleration (PGA) 0.2 g. For PGA 0.4 g, the corresponding probabilities are 27.0% and 10.0%, respectively.

장기 운전 환경에서의 지하식 LNG저장탱크 온도 분포 및 변화 특성 분석

김영균(Kim Young kyun),김지훈(Kim Ji Hun),이강원(Lee Kang Won),양영명(Yang Young Myung) 대한토목학회 2007 대한토목학회논문집 A Vol.27 No.2A

지하식 LNG 저장탱크는 루프 외의 전체 구조가 지표면 아래에 건설되며 토압과 지하수압을 지지하는 지중연속벽을 가지고 있어 안정적인 조건에서 LNG를 저장한다. 콘크리트 탱크 내에 단열재를 설치하였으나 장기간 운전에 따른 초저온 LNG의 냉열 전파로 지하식 저장탱크 주변 지반까지 동결이 발생하게 된다. 본 논문에서는 LNG탱크 콘크리트 외조 및 주변 지반의 온도 분포 및 변화를 유한요소해석과 실제 측정 결과 값을 비교 분석 하였다. 설계서의 정확도를 분석하기 위하여 유한요소해석에 필요한 경계 조건 및 물성치는 실제 탱크 설계문서로부터 선택하여 적용하였다. 해석과 측정 결과 값 분석을 통해 지하식 LNG 저장탱크 콘크리트 구조 및 지반에서의 온도변화 거동을 예측 그리고 저장탱크 설계 및 기존 탱크 유지관리에 유용하게 사용할 수 있다는 것을 보였다. In-ground type LNG storage tank is constructed below the ground level except its roof, and has a slurry wall bearing soil and water pressure to store LNG in safe condition. During the long term operation, soil freezing occurs around the in-ground storage tank despite the insulation provided inside of the concrete tank due to the cryogenic temperature of LNG. This study compares the result of FE analysis and measured data to investigate the temperature distribution and variation in and outside the LNG tank. In order to validate the design documents, boundary conditions and material properties for FE analysis have been taken from the design documents for tank construction. The comparative observation between analyses and measurements has revealed that the temperature variation of concrete structure and soil is predictable and the results are applicable to designing the in-ground storage tank.

2,400 MPa급 고강도 강연선이 적용된 LNG 저장탱크의 프리스트레싱 효과

전세진,서해근,양준모,윤석구 대한토목학회 2016 대한토목학회논문집 Vol.36 No.6

High-strength strands have been increasingly applied to recent actual structures in Korea. Structural effect of the increased spacing of sheaths was investigated in this study when the usual 1,860 MPa strands of an LNG storage tank are replaced with 2,400 MPahigh-strength strands. First, finite element models of a cylindrical wall of an LNG tank were established and prestressing effect of the circumferential and vertical tendons was considered as equivalent loads. As a result of varying the tendon spacing and prestressing force with the total prestressing effect kept the same, the stress distribution required in design was obtained with the high-strength strands. Also, a full-scale specimen that corresponds to a part of an LNG tank wall was fabricated with 31 high-strength strands with 15.2 mm diameter inserted in each of two sheaths. It was observed that such a high level of prestressing force can be properly transferred to concrete. Moreover, an LNG tank with the world’s largest 270,000 kl capacity was modeled and the prestressing effect of high-strength strands was compared with that of normal strands. The watertightness specifications such as residual compressive stress and residual compression zone were also ensured in case of leakage accident. The results of this study can be effectively used when the 2,400 MPa high-strength strands are applied to actual LNG tanks. 최근 국내에서는 고강도 강연선이 실구조물에 적용되는 사례가 늘어나고 있다. 이 연구에서는 LNG 저장탱크에 통상적으로 적용되는 1,860 MPa급 강연선을 2,400 MPa급 고강도 강연선으로 대체할 때 쉬스 배치 간격 증가에 따른 구조적인 영향을 고찰해 보았다. 먼저, LNG 탱크의 원통형 벽체를모사하는 유한요소모델에 원환텐던 및 수직텐던의 프리스트레싱 효과를 등가하중으로 가하되 프리스트레싱 효과의 총합은 일정한 상태에서 텐던의 간격 및 긴장력을 조절한 결과, 고강도 강연선을 적용해도 설계 시 요구되는 소정의 응력 분포를 구현할 수 있는 것으로 나타났다. 또한, LNG 탱크벽체 일부분을 모사하는 실대형 실험체를 제작하고 15.2 mm 직경 고강도 강연선이 31개 삽입된 쉬스를 2개 배치하여 매우 높은 수준의 프리스트레싱 힘이 콘크리트에 적절히 전달되는지 관찰하였다. 한편, 세계 최대 용량인 270,000 kl급 LNG 탱크의 유한요소모델을 구축하고 고강도 강연선을 적용했을 때의 프리스트레싱 효과를 일반 강연선의 경우와 비교하였으며, LNG 누출 사고 시에도 여유압축응력 및 여유압축구간과 같은 수밀성 규정을 만족함을 확인하였다. 이 연구결과는 2,400 MPa급 고강도 강연선이 실제 LNG 탱크에 적용될 때 유용하게 활용될 것으로 기대된다.

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.

LNG 저장탱크 바닥판 단열 시스템 개선

이용진,노병철 한국구조물진단유지관리공학회 2010 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.14 No.4

LNG 천연가스로서 저장과 운반이 용이한 액체로 변형이 가능하며, 청정연료로 각광받게 되어, 석유에너지의 의존도를 낮추고 에너지사용의 다변화를 위해 1986년 인도네시아로부터 처음 도입된 이래로 산업의 성장과 더불어 그 수요량이 지속적으로 증가하고 있다. LNG는 천연가스의 부피를 영하 약 -162℃(-260℉)까지 냉각시켜 1/600까지 줄일 수 있으므로, 저장 및 운반에 있어서 매우 효율적이다. 현대의 LNG 저장탱크는 철근 콘크리트 이중벽과 내부 니켈방호벽 및 벽사이의 효율이 높은 단열재로 구성된 완전 방호식이 적용되고 있다. 단열재는 극저온의 온도가 LNG 탱크 외벽으로 전달되는 것을 차단하며, 바닥슬래브, 외벽 및 상부에 설치된다. LNG 저장탱크의 단열재의 배치에 따라 콘크리트 외조에 작용하는 온도분포에 차이가 나므로, 본 연구에서는 기 건설된 완전 방호식 LNG 저장탱크 바닥판 단열재의 배치에 대해 검토하고, 이를 바탕으로 단열시스템 개선 방안을 제안하고자 한다. Liquefied natural gas(LNG) is natural gas that has been converted temporarily to liquid form for ease of storage and transport it. Natural gas is the worlds cleanest burning fossil fuel and it has emerged as the environmentally preferred fuel of choice. In Korea, the demand of this has been increased since the first import from the Indonesia in 1986. LNG takes up about 1/600th the volume of natural gas in the gaseous state by cooling it to approximately -162℃(-260℉). The reduction in volume therefore makes it much more cost efficient to transport and store it. Modern LNG storage tanks are typically the full containment type, which is a double-wall construction with reinforced concrete outer wall and a high-nickel steel inner tank, with extremely efficient insulation between the walls. The insulation will be installed to LNG outer tank for the isolation of cryogenic temperature. The insulation will be installed in the base slab, wall and at the roof. According to the insulation's arrangement, the different aspects of temperature transmission is shown around the outer tank. As the result of the thermal & stress analysis, by the installing cellular glass underneath the perlite concrete, the temperature difference is greatly reduced between the ambient temperature and inside of concrete wall, also reducing section force according to temperature load.

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.

지하식 LNG 저장탱크의 설계 조건에 따른 거동분석

곽효경,이광모,송종영 한국전산구조공학회 2002 한국전산구조공학회논문집 Vol.15 No.2

이 논문에서는 지하식 LNG 저장탱크의 설계조건 변화에 따른 구조거동에 대한 사례연구를 다루었다. 지하식 LNG 저장탱크의 설계에 있어서, 치적의 탱크 형상과 치수를 결정하는 것은 다양한 하중조건과 이들의 하중조합 하에서 더욱 향상된 구조거동을 위해 매우 중요하다. 저장 탱크의 설계단계에서 유지단계에 이르기까지 구조거동에 영향을 미치는 주요인자에 대한 분석과 평가가 이루어졌으며, 이러한 매개변수연구를 토대로 한 결과에 근거하여 지하식 LNG 저장탱크의 보다 합리적인 설계에 대한 기초자료를 제안하였다. This paper deals with parametric studies of the structural response of underground LNG storage tanks according to change in design conditions. In the design of underground LNG storage tank, it is requited to determine the optimal tank shape and dimension to represent a more improved structural behavior under many loading conditions and load combinations. Consequently, main factors which affect to the structural response of LNG storage tanks from planning and design up to maintenance, are investigated, and the differences in structural behavior due to those factors are analyzed. On the basis of the obtained results item parametric studies, a guideline for a more reasonable design is introduced.

복합운송용 LNG탱크컨테이너의 국내도입 활성화 방안 연구

배현옥(Hyun-Ok Bae),이계승(Kye-Seung Lee),백승진(Seung-Jin Back),하오근(Oh-Keun Ha),공현덕(Hyun-Duk Kong) 한국철도학회 2013 한국철도학회 학술발표대회논문집 Vol.2013 No.5

친환경 에너지로 각광받고 있는 LNG는 기타 에너지원에 비해 안전하고 저렴한 특징이 있다.이러한 혜택을 보다 많은 국민들에게 보급ㆍ확산을 해야 하지만 산간지역의 지리적 제약과 경제성 등의 사유로 인프라 구축이 어려우므로 도시지역과 산간 지역 간의 에너지 빈익빈 부익부 현상이 심화되고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 육상운송(철도ㆍ도로)과 해상운송에서 복합적으로 사용 가능하고 저장소로도 이용 가능한 LNG탱크컨테이너를 개발하였다. LNG 탱크컨테이너의 원활한 육상운송을 위해 시연사업 계획을 수립하고 운송 단계별 체크리스트를 기반으로 평택 LNG 기지에서 평창 알펜시아 리조트까지 육상운송 시연사업을 시행하였다. 이를 토대로 LNG 탱크컨테이너의 육상운송 가능성과 활성화 방안을 제시하였다. LNG which has been very popular as one of eco-friendly energy sources has a clear characteristics in that it is safe and cheap compared with other energy sources. It should be supplied and spread to many people so that they can enjoy this benefit. However, as it is difficult to establish necessary infrastructures due to geographical constraints in the mountain regions and economic feasibility, the polarization of wealth has been much worser over time. Under these circumstances, the study developed a LNG tank container which could complexly be used for land (railway and road) and maritime transportation and as a storage facility to solve this problem. The study established a demonstration project plan for a smooth land transportation of LNG containers and carried out a demonstration project for a land transportation from Pyeongtaek LNG base to Alpensia Resort in Pyeongchang based on a checklist by transportation stage. The study presented the possibility of transporting LNG tank container transportation by land and a revitalization plan.

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.