콘크리트 타설에 따른 LNG 저장탱크 Steel Roof 거동 특성에 대한 연구 = Study on the Steel Roof Behavior LNG Storage Tank during Concrete Pouring

국문 초록 (Abstract)

국문초록

콘크리트 타설에 따른 LNG 저장탱크 Steel Roof 거동 특성에 대한 연구
공주대학교 대학원 건축공학과 건축구조전공
김기범


액화천연가스 (Liquefied Natural Gas)는 메탄을 주성분으로 하는 저분자 탄화수소의 혼합물에서 천연가스를 액화한 것으로, 대기압에서 비등점이 -162°C인 액체로 존재하며 이때의 체적은 가스 상태의 1/600로 축소되어 수송 및 저장시에 우수한 특징을 가지고 있다. 천연가스 중에 함유되어 있는 탄산가스 유화수소와 같은 불순물은 액화정제 공정에서 제거되어 LNG는 부식성이 없으며 기화가스의 연소제는 Co2와 Nox의 발생이 낮은 청정 에너지로서 도시가스용 원료 및 발전용 등의 연료로서 널리 사용되고 있어 사회적 경제적으로 중요한 역할을 담당하고 있다. 우리 나라는 1986년부터 LNG 저장탱크가 건설되어 운전 및 사용이 시작된 이래 그 수요가 증가추세에 있으며 수요 증가에 따른 저장기지의 건설 및 저장설비의 확충이 계획되고 있으나 아직까지는 외국의 설계기술에 상당 부분을 의지하고 있다.
LNG 저장탱크는 내조?벽체?루프로 구성된 원통 쉘 구조로서 일반 건축 구조물과는 달리 내부에 LNG를 -162°C의 액체 상태로 저장해야 하므로 액체압은 물론 극저온 온도에 따른 영향에 대하여 충분한 안전성을 요구하는 특수 구조물이다. LNG와 직접 접촉하는 내조는 9% Ni강 형식과 멤브레인 형식으로 나뉘어 지며 각각의 형식에 따라 단열 방식과 내조 설계 방법이 달라져 고유의 설계기술이 필요하다. 초기의 LNG저장탱크의 경우 외조 벽체부를 탄소강 재료를 사용하여 구성하였으나 저장탱크 용량이 대형화됨에 따라 안전성을 확보 하기 위하여 원통 쉘 구조의 측벽과 원판 형태의 바닥판에서 프리스트레스 철근 콘크리트로 시공 건설된다. 루프는 돔 형상을 갖는 구조물로서 벽체 정상부에 지지되어진 강판의 구형 쉘 구조로 구성되며 루프 프레임에 고정 지지된 서스펜디드 데크 상부에 단열재를 설치하여 단열 하는 방식이 주로 사용된다. 루프 또한 초기 LNG저장탱크에는 Steel 루프만으로 시공되었으나 외부의 충격등에 대비하여 Steel 루프 상부를 콘크리트로 타설 시공된 복합구조로 안전성을 확보하고 있다. 루프의 구조는 그 형상 및 여러 가지 하중조건이 벽체에 비해 상대적으로 복잡하나 이에 대한 설계기술 수행 자체가 아직은 미비한 실정이다. 또한 루프는 재료 형태, 하중조건, 시공방법의 다양성으로 인하여 전체 LNG 저장탱크 구조요소 중 해석이나 설계가 상대적으로 어려운 부분이다. LNG 저장탱크는 국제규격을 기준으로 하여 각각의 하중 조건에 대하여 구조 계산을 통한 설계서를 작성한다. 특히 유한요소 해석 프로그램을 이용한 구조 해석과 실제 건설 과정의 하중 조건하에서의 실험을 이러한 구조 계산값의 신뢰성을 확보 하고있다. 이중 실험 데이터의 경우 각 설계사 별로 자체적으로 시행하여 가지고 있는 결과 값으로 공개되기보다는 자체적인 know-how로서 가지고 있다.
본 연구에서는 LNG 저장탱크의 주요 부위인 Steel 루프를 실제적으로 해석하고 설계할 수 있는 기술을 구체적으로 개발하여 향후 건설될 저장탱크에 대한 안정성을 확보할 수 있는 근거를 마련하고 해석 및 설계기술의 국산화를 위한 근거를 마련하기 위한 구체적인 단계로서 유한요소 해석법을 이용한 대용량 LNG 저장탱크 Steel 돔 Roof의 설계 기술을 개발하고자 한다. 이를 위하여 실제로 시공 건설된 LNG 저장탱크의 Roof의 변형 거동을 측정하였으며 이 측정값을 유한요소 해석 결과와 비교하였다.
본 논문에서는 지하식 LNG 저장탱크 Roof 구조의 콘크리트 타설 시공시의 거동에 대한 해석 및 측정을 하여 분석을 하였으며 이를 이용한 설계변수에 따른 구조계의 거동 해석을 하였다.
설계변수로 Roof에 적용되는 H형강, Steel Roof 플레이트 두께, 콘크리트 타설시 부하 되는 내부압력 변화를 선정하였으며 각각의 설계변수의 변화에 따른 대상 구조물의 수직 변위값 및 응력값 그리고 벽체에 고정되고 Steel Roof 플레이트와 용접 연결되어 전체 Steel Roof를 고정 지지하는 Compression Ring Plate에 대하여 범용 해석 프로그램인 LUSAS를 이용해 수행하였다.
이러한 일련의 작업을 통해 측정과 해석으로 얻은 결과 그리고 설계변수가 구조물의 거동에 미치는 영향에 대해 살펴보았으며 이에 다음과 같은 결론을 얻었다.
1. 저항식 온도센서를 이용하여 중요부위의 콘크리트 수화열 온도를 측정한 결과, 콘크리트 두께 중 중앙부에서 최대 온도가 발생하였으며 Roof 중앙부 보다는 벽체부에 가까워질수록 온도가 증가하였다. 측정 온도와 대기 온도를 고려한 결과 콘크리트 타설에 의한 수화열 발생이 Steel Roof 구조물에 미치는 영향은 미비할 것으로 예측되었다.
2. Air Support 및 콘크리트 타설 작업이 이루어지는 동안의 Roof의 변형 거동을 광파기를 이용한 측정값과 해석값을 비교한 결과 안정적인 거동 특성을 나타냈다. 그러나 Roof 최상부에서는 해석과는 달리 수직 변위의 처짐 값이 크게 나타났다. 이는 해석 모델링시 Roof 최상부의 응력 특이점 제거를 위해 실제 모델링이 되지 않은 점이 주 요인으로 정확한 해석이 이루어지기 위해서는 이에 대한 고려가 필요하다.
3. Steel Roof 두께의 변화가 Roof 거동에 미치는 영향에 대한 분석 결과, Steel Roof의 두께를 감소시킨 경우, 큰 H형강의 사용에 의해 수직 변위 및 응력값을 감소시키는 효과를 얻었을 수 있었다.
5. 내부 압력 변화가 Roof 거동에 미치는 영향에 대한 분석 결과, 압력을 감소시킨 경우에는, H형강의 증가에도 변위 및 응력이 감소하지 않아 압력에 큰 영향을 받는 것으로 나타났다.
6. Compression Ring 플레이트는 초기 콘크리트 타설시엔 Step 1～2까지는 수직 처짐 변위가 증가하였으나 Step 3 이후 전체적인 콘크리트 타설이 이루어지며 안정화를 이루어 수직 처짐의 변위 값이 감소하는 현상을 보였다.
7. 설계변수의 변화에 의한 Compression Ring 플레이트의 거동을 분석한 결과, Roof 플레이트 두께 변화시엔 H형강의 크기 증대에 의한 변위 및 응력 감소가 이루어 졌으나 압력 변화시엔 그런 현상이 나타나지 않았다. Roof 플레이트와 용접 연결되어 있어 Compression Ring 플레이트의 자체적인 거동보다는 Roof 플레이트와 연동되는 것으로 나타났다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

ABSTRACT

Study on the Steel Roof Behavior of LNG Storage Tank
during Concrete Pouring

Ki-Beom Kim

Department of Architectural Engineering
Graduate School, Kong Ju National University
Kong Ju Korea

(Supervised by Professor Woo-Bum Kim)


This paper presents the behavior of the steel roof structure in the in-ground LNG storage tank during concrete pouring. When designing the steel roof, it should be required to confirm a stable behavior under many load conditions and combinations of them. We have analyzed the steel roof behavior during concrete placing by FEM and experimental measurements.
We could obtain the vertical displacement and equivalent stress according to the various load cases using the finite element method program LUSAS 13.4, and could measure the vertical displacement by the total station. All measured data have been compared with numerical results from the FEM analysis for verification. On the basis of analysis results and measured data, we could expect the various steel roof behaviors according to the changes of design variables. Design variables are H frame, the thickness of the steel roof plate and the pressure loaded on the inner shell. On the basis of results obtained from this study, a more accurate design method for the steel roof of the LNG storage tank has been established.

목차 (Table of Contents)

• 목차
• 표목차 = ⅲ
• 그림목차 = ⅳ
• 1. 서론 = 1
• 1.1 연구의 배경 및 필요성 = 1
• 1.2 연구동향 = 3
• 1.3 연구의 목적 및 내용 = 5
• 2. 하중조건 및 해석 모델링 = 6
• 2.1 LNG저장탱크 Roof 건설과정 = 6
• 2.2 LNG저장탱크 Roof 형상 및 하중 조건 = 8
• 2.3 해석 모델링 = 14
• 2.4 콘크리트 타설시 LNG Roof 거동측정 = 16
• 2.4.1 광파기를 이용한 수직변위 측정 = 16
• 2.4.2 온도센서를 이용한 콘크리트 수화열 측정 = 16
• 3. 결과 및 고찰 = 22
• 3.1 콘크리트 타설에 따른 Roof 거동 = 22
• 3.2 설계 변수에 의한 영향 = 30
• 3.2.1 H Beam 형상에 의한 영향 = 30
• 3.2.2 Plate 두께의 변화에 의한 영향 = 37
• 3.2.3 압력 변화에 의한 영향 = 42
• 3.3 Compression Ring Plate = 48
• 3.3.1 Compression Ring두께에 의한 영향 = 48
• 3.3.2 Roof Plate 두께에 의한 영향 = 50
• 3.3.3 압력 변화에 의한 영향 = 54
• 4. 결론 = 58
• 참고문헌 = 60
• ABSTRACT = 61