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ISSN : 1226-525X(Print)
ISSN : 2234-1099(Online)
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea Vol.28 No.1 pp.21-32
DOI : https://doi.org/10.5000/EESK.2024.28.1.021

A Parametric Study on the Seismic Response Analysis of LNG Storage Tank with Disconnected Pile Foundation Subjected to Horizontal
Seismic Input Considering Fluid-Structure-Soil Interaction

Son Il-Min1), Kim Jae-Min2)*
1)Ph. D, Department of Architecture and Civil Engineering, Graduate School, Chonnam National University
2)Professor, Department of Civil Engineering, Chonnam National University
*Corresponding author: Kim, Jae-Min E-mail: jm4kim@jnu.ac.kr
August 15, 2023 November 27, 2023 November 27, 2023

Abstract


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.


LNG tank , Load Transfer Platform , Disconnected pile foundation , Soil-structure interaction , Fluid-structure interaction

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

손일민1), 김재민2)*
1)전남대학교 일반대학원 건축토목공학과 박사
2)전남대학교, 토목공학과 교수

초록

    1. 서 론

    LNG(Liquefied Natural Gas) 자원은 일부 지역에 국한된 석유 자원보 다 여러 나라에 분포하여 장기적인 수급이 원활하며, 석탄 및 석유에 비해 탄소 배출량이 적어 친환경적이므로 전 세계적으로 수요가 증가하고 있다. 이러한 수요 증가는 해상운송수단인 LNG 운반선의 대형화 및 수주량 증 가로 이어지고, 인수 및 수출기지의 LNG 저장탱크는 기존의 저용량 저장 탱크에서 안정적인 저장 및 공급을 위해 용량이 대형화 되고 있다. 따라서 LNG 저장탱크의 설계 및 건설에 대한 수요가 증가하고 있다.

    국가적인 에너지 확보 측면에서 LNG의 비중이 증가함에 따라 LNG 저 장시설의 안전에 대한 중요도가 높아진다. 국내에서도 한국가스공사는 2016년 경주지진 이후로 에너지 주요시설인 가스시설에 영향도 등급을 특 A등급으로 상향하여 붕괴방지수준의 재현주기 4800년과 암반에 대한 표 준지반가속도 0.286 g를 적용하도록 하였다. 이는 기존 가스시설 내진력이 규모 6.5에서 규모 6.7로 지진 에너지 대응능력이 2배 증가 되는 것이다. 따라서 국내외에서 LNG 저장탱크의 내진설계는 매우 중요한 항목이다.

    지진에 대한 안전성을 확보하기 위해 LNG 저장탱크는 내진설계를 수 행한다. 유체 저장탱크는 지진에 의해 탱크 벽면에 동수압이 작용하여 구 조물의 거동에 영향을 준다. 또한 이 동수압은 구조물의 가속도에 비례한 다. 따라서 구조물과 동수압 거동을 분리하여 해석할 수 없고 서로의 상호 작용을 고려해야 한다. 이러한 연계 거동을 유체-구조물 상호작용(fluid structure interaction, FSI)이라고 한다. 이처럼 LNG 저장탱크는 FSI를 고려하는 등의 복잡한 설계요건을 충족해야 한다. 한편 대부분의 내진설계 에서는 지반을 강체로 가정하여 기초 바닥에 지진력을 작용하는 방법을 사 용한다. 하지만 이 방법은 암반이 아닌 지반에 중량 구조물이 건설되는 경우 에는 보수적인 방법이 아니다. 따라서 중요구조물이 암반이 아닌 지반에 건 설되는 경우에는 지반-구조물 상호작용(soil structure interaction, SSI)을 고려한 내진설계가 필요하다. 일반적으로 해안에 인접한 지반은 연약하므 로 이 같은 부지에 건설되는 LNG 저장탱크는 SSI 효과가 크게 나타날 수 있다[1, 2]. 만약, 기초 아래의 지반이 상대적으로 연약하고(Vs < 300 m/s) 상부구조물의 강성이 상대적으로 큰 경우(T < 0.5s), 구조물의 응답은 SSI 에 의해 크게 영향을 받을 수 있다[3].

    지지력 또는 침하에 대한 안전이 확보되지 못하는 경우에 이를 보완하기 위한 방법으로 말뚝을 설치하는게 대표적이다. 하지만 액체저장탱크의 내 진설계 지침서에서 구조물-말뚝-지반 상호작용의 영향을 무시하는 것이 일 반적이다[4-7]. 얕은기초는 단단한 지지층이 있다면 안전성과 경제성이 높 은 기초이다. 반면에 말뚝기초는 연약한 지지층에서 침하 저감 및 지지력 확 보를 위해 사용되고 전체적인 하중을 지반 깊은 곳으로 전달한다. 지반보강 을 위한 말뚝(rigid inclusion, RI) 또는 비결합(disconnected) 말뚝은 하중 전달플랫폼(load transfer platform, LTP) 또는 하중전이층을 사용하여 기 초와 말뚝을 분리하는 최신기술이다[8].

    전 세계적으로 발생한 지진의 여파로 수행된 조사에 따르면 말뚝기초 는 심각한 손상을 입을 수 있다. 말뚝기초는 지진 시 말뚝과 기초 사이의 연결된 부분에 큰 수평 전단응력과 휨모멘트가 불가피하게 발생하기 때문 이다. 이러한 지진 시 발생하는 말뚝의 큰 전단응력과 휨 모멘트를 줄이기 위해 말뚝과 기초 사이의 연결을 하지 않는 비결합 말뚝지지 전면기초 (disconnected piled raft foundation, DPRF)가 활용된다. 최근 LTP를 포 함한 DPRF 시스템이 적용된 쿠웨이트 알주르의 LNG 저장탱크에 대한 지 진해석 사례가 발표되었다[9].

    말뚝활용 지반보강(RI)과 비결합 말뚝지지 전면기초는 사용자의 관점 이 다를 뿐 기초와 말뚝 두부가 분리되어 LTP가 사용되는 형태는 유사하다. LTP가 포함된 DPRF 시스템의 정적거동에 대한 실험 및 수치해석연구가 최근까지 수행되었고, 동적거동에 대한 실험적인 연구도 최근까지 활발하 였다. 하지만 동적거동에 대한 수치해석적인 연구는 많지 않은 것으로 조사 되었다[10].

    Hor[11]는 LTP와 말뚝 및 지반을 Unit Cell Model로 모델링하여 등가 의 강성을 계산하고, 계산된 등가강성을 이용하여 작성된 해석모델에 입력 지진에 의한 지반의 최대 수평변위를 가하여 지진에 대한 안전성을 확인하 였다. Sharari[12]는 지반 및 말뚝을 3차원으로 모델링하여 지진해석을 수 행하였다. 하지만 이 연구에서 사용된 지진해석방법은 지반 요소의 크기, 에너지 흡수경계조건 및 지진해석방법이 매우 근사적으로 수행되어, 이 같 은 구조물의 거동특성을 파악하는데 한계가 있었다.

    이처럼 LTP가 유체와 구조물, 지반 및 말뚝의 거동을 동시에 고려한 DPRF로 지지된 LNG 저장탱크의 지진응답에 미치는 영향을 분석한 체계 적인 연구가 없는 실정이다. 따라서 이 연구에서는 LTP가 DPRF 시스템으 로 지지된 LNG 저장탱크의 지진응답에 미치는 영향을 분석하고자 한다.

    2. 유체-구조물-지반 상호작용을 고려한 지진응답 해석

    Fig. 1과 Fig. 2는 KIESSI-3D 프로그램을 이용하여 이 연구에서 유체- 구조물-지반 상호작용 효과를 고려한 해석모델의 작성 방법에 대한 개략도 이다. 상부 외조탱크와 매트기초는 쉘 요소(shell element)로 모델링 되었 고, 내조는 보 요소(beam element)와 집중질량(lumped mass)으로 모델링 되었으며, 유체는 부가질량(added mass)으로 표현 되었다. 내조탱크와 매 트 기초는 강체 보요소(rigid link)로 연결되었다. 그리고 말뚝은 Fig. 2와 같이 쉘 요소로 모델링 되었고, 매트 기초와 연결되었다. 특히, 말뚝은 원 형 태를 모사하기 위해 십육각형으로 모델링 되었다. 마지막으로 지반은 8-절 점 입체요소(solid element)로 모델링 되었다.

    2.1 유체-구조물 상호작용 해석(FSI)

    LNG 저장탱크는 Fig. 1과 같이 LNG를 저장하는 Steel 내조와 이를 보 호하는 PSC(Prestressed Concrete) 외조탱크로 구성되어 있다. 내조탱크 는 지진이 발생하였을 때 벽체에 작용하는 동수압을 고려하여 설계한다. 이 연구에서는 동수압을 고려하기 위해 설계기준에서는 충격성분(impulsive component)과 대류성분(convective component)으로 구분하고 질량-스 프링모델(mass spring model, MSM)을 이용하여 지진력을 산정하는 간 략 방법이 많이 사용되고 있다[6, 7]. ASCE4-16[13]에서는 좀 더 정밀한 방법으로 원통형 탱크의 유체 부가질량을 보 요소에 부착하고 BSM(beam stick model)을 작성하여 지진력을 산정하는 방법 등이 제공되고 있다. 이 연구에서는 BSM 방법을 이용하여 유체-구조물 상호작용효과를 고려하였 다. 이때 FSI 효과는 전단면적을 고려한 Beam 요소로 모델링한 절점에 유 체부가질량함수를 사용하여 계산된 부가질량을 절점에 추가하여 고려하였 다. 이때 Beam 요소의 전단면적은 원통형 단면의 전단변형 뿐만 아니라 Shell의 멤브레인 거동까지 고려한 등가전단면적을 사용하며, 이 전단면적 을 사용할 경우 구조물의 고유진동수가 Shell 요소를 이용하여 모델링한 경 우와 유사하다[14].

    이 연구에 사용된 유체부가질량함수는 Haroun이 제안한 유체부가질량 행렬에 기반하여 BSM에 적용할 수 있는 식 (1)과 같은 분포 부가질량함수 를 사용하였다[14].

    m ¯ ( z ) = m i α H [ sinh ( β ) − sinh ( β z H ) ] ,   0 ≤ z ≤ H
    (1)

    여기서, mi = EC8의 충격성분 유체부가질량,

    α = β 1 − cosh ( β ) + β  sinh ( β ) ,   β = 3 + 0.35 ( H R ) 2 .

    2.2 지반-구조물 상호작용 해석(SSI)

    실제 지반은 지층의 경계면이 수평이 아닌 매우 복잡한 형태의 층상구조 이다. 그러나 SSI 해석에서 이를 모두 고려하기에는 현실적인 어려움이 있 으므로 구조물 주변을 제외한 원역지반(far-field soil)을 평행층상 반무한 지반으로 이상화할 수 있다[13]. SSI 해석을 통상적인 동적 해석과 구별하 는 가장 큰 이유는 지반의 반무한성으로 인한 지반의 동특성이 가진 진동수 에 따라 달라지기 때문이다[13]. 이런 이유로 지반-구조물 상호작용 해석은 통상 진동수영역에서 수행되며 시간영역 응답은 진동수영역 응답을 역 Fourier 변환하여 구한다. 또한 진동수영역 동적해석의 경우 선형해석에 국한되므로 지반의 비선형성을 고려하려면 등가선형화기법을 이용하여야 한다[15].

    이 연구에서는 지반-구조물 상호작용해석을 수행하기 위해 진동수영역 에서 유한-무한요소법을 적용하고 경계반력법에 의해 유효지진하중을 산 정하는 SSI 해석프로그램인 KIESSI-3D를 사용하였다[16, 17]. 이때 진동 수영역에서 운동방정식은 다음과 같다.

    [ S n n ( w ) ] [ S e n ( w ) ] [ S n e ( w ) ] [ S e e ( w ) ] + [ S ˜ e e ( w ) ] ] { { U n ( w ) } { U e ( w ) } } = { { 0 } { P e e f f ( w ) } }
    (2)

    여기서, [ S ( w ) ] = [ K ] + i w [ C ] + i [ H ] − w 2 [ M ] , i = − 1 이며 [ M ] , [ C ] , [ K ] 는 각각 질량행렬, 점성감쇠행렬, 강성행렬이며, [H]는 이력감쇠행렬 로서 각 유한요소(e)의 이력감쇠비( ξ h ( e ) )와 강성행렬 (K(e))로부터 계산된 요소행렬 2 ξ h ( e ) [ K ( e ) ] 을 조립한 행렬이다. 그리고 [ S ˜ ( w ) ] 는 동적무한요소 를 사용하여 계산된 원역지반의 임피던스행렬이며, { P e e f f } 는 유한요소와 무한요소 경계면에서 계산된 유효지진하중이다[16, 17].

    입체요소로 모델링된 근역지반에서 파동전달을 정확하게 묘사하기 위해서는 유한요소의 크기가 충분히 작아야 한다. 해석모델 작성시 기준 이 되는 최대 유한요소의 크기(h)는 지반의 전단파속도(Vs,min)와 해석에 서 고려하는 최대진동수(fmax)로 정의된 다음 조건을 만족해야한다[18]: h ≤ 1 5 V s , min f max .

    3. 해석 사례

    3.1 예제구조물 및 지반 특성

    예제 구조물은 Fig. 3과 같은 63 ML용량의 LNG 저장탱크로서 LNG 저장고가 19.0 m인 내조(steel)탱크와 전체 높이가 29.27 m인 PSC 외조 로 구성되어 있다[19]. 내조탱크는 반경 32.5 m, 높이 20.0 m, 평균 벽두께 0.02 m이다. 외조는 반경 34.9 m, 높이 29.27 m, 평균 벽두께 0.7 m이다. 기초는 반경 35.5 m, 두께 1.0 m인 RC(reinforced concrete) 구조물이다. Fig. 4는 말뚝기초와 말뚝지지 전면기초의 말뚝 배치도이며, 말뚝의 직경 은 0.75 m인 강관 말뚝이 총 229개가 사용되었다[19]. 기초형식은 Fig. 5 와 같은 두 가지 기초형식(말뚝지지 전면기초(piled raft founation, PRF), 비결합 말뚝지지 전면기초(disconnected piled raft foundation, DPRF)) 을 고려하였다. PRF의 말뚝은 지표면에서 20.0 m 아래까지 설치되었으며 바닥 슬래브는 반경 35.5 m, 두께 1.0 m인 RC 구조물이다. 상부 구조물 및 기초의 재료 물성치는 Table 1과 같다.

    지반은 기반암 위에 30.0 m 두께의 균질한 토층(점토)으로 가정하였으 며, 지하수위는 Fig. 5와 같이 지표면에서 6.0 m 아래에 있다고 가정하였다. 점토층의 초기 감쇠비는 Fig. 7(a)의 점토층에 대한 전단변형률 및 감쇠비 그래프에서 초기값인 0.025를 사용하였다. 지반 특성을 정리하면 Table 2 와 같다.

    3.2 입력지진

    입력지진은 기반암노두에서 정의하였다. 입력지진의 강도는 지진구역 I 과 재현주기 4800년을 적용(PGA = 0.286 g)하였다. Fig. 6(a)는 이 연구 에서 사용한 설계가속도응답스펙트럼이고 이를 만족하는 인공지진파를 Fig. 6(b)와 같이 작성하였다. 이때 설계응답스펙트럼의 형상은 KDS 17 10 00[20]을 적용하였다.

    3.3 자유장해석

    이 연구에서는 지반의 1차 비선형거동을 고려하기위해 등가선형 자유 장해석을 수행하였다[15]. 자유장해석은 SHAKE 프로그램을 이용하여 수행하였으며, 비선형 특성은 Fig. 7(a)와 같이 Schnabel의 점토 지반에 대 한 전단변형 및 감쇠비 곡선[21]을 이용하였다. 이때 토층의 두께는 1.2 m 로 세분화하여 해석을 수행하였다. 등가선형 자유장해석을 통해 얻어진 깊 이별 등가선형 지반 특성값은 Fig. 7(b)와 같다. 이와 같이 구한 등가선형 지 반특성을 KIESSI-3D 프로그램의 지반모델에 적용하여 지진응답해석을 수행하였다.

    3.4 하중전달플랫폼(LTP)

    LTP는 DPRF의 바닥슬래브와 말뚝 두부 사이에 사용된다. LTP는 점토 와 같은 마찰저항이 낮은 지반을 마찰저항이 큰 재료를 치환함으로써 구조 물에 가해지는 지진, 바람 등의 횡방향 하중에 대해 횡방향 저항능력을 키울 수 있는 장점이 있다. 과거에는 시공성 및 비용을 고려하여 현장 발생토를 LTP의 재료로 사용하였지만, 최근에는 조립질 재료(자갈 등) 또는 토목섬 유로 보강하여 사용한다[22].

    이 연구에서는 DPRF 시스템의 LTP 제원에 따른 LNG 저장탱크의 지 진응답에 대한 매개변수 해석을 수행하였다. LTP의 중요 매개변수로 강성 과 두께를 고려하였다. LTP의 두께(tLTP)는 LTP와 말뚝 직경(DPILE)의 비로 4가지 (tLTP /DPILE = 0.5, 1.0, 2.0, 3.0)경우를 고려하였다. LTP의 강성을 표현하는 전단파속도는 LTP와 지반의 전단파속도 비로 5가지 경우 (Vs,LTP/Vs,SOIL = 0.5, 0.75, 1.0, 1.25, 1.5)를 고려하였다. 여기서, Vs,soil 은 비선형성이 고려되지 않은 초기 전단파속도이다. 그리고 LTP의 감쇠비 는 5%로 가정하였다[23]. 이렇게 결정된 LTP의 특성을 정리하면 Table 3 과 같다.

    3.5 지진응답해석 모델

    이 연구에 사용된 KIESSI-3D 해석모델은 Fig. 8과 같다. 기반암 위 30.0 m의 점토층은 3.3절의 등가선형 지반특성을 1.2 m간격으로 적용하 였다. 말뚝은 기초에서부터 20.0 m 깊이까지 쉘 요소로 모델링 하였고, 원 형강관말뚝을 모사하기 위해 십육각형 기둥모델로 모델링되었다. 한편, 수 치해석에 소요되는 시간을 단축하기 위해 1/4 모델을 사용하였다.

    DPRF 시스템으로 지지된 LNG 저장탱크 해석모델은 LTP의 반경(RLTP) 은 기초의 반경(Rraft)과 동일하게 모델링 되었고, 3.4절에 소개된 바와 같 이 LTP의 두께(tLTP)에 따른 KIESSI-3D 해석모델을 작성하여 지진응답 해석을 수행하였다. 각각의 LTP 두께에 따른 해석모델은 말뚝의 두부 높이 가 다르게 모델링 되었다. 한편, 탱크-기초-말뚝-지반 사이는 완전부착조건 이다.

    4. 해석 결과

    4.1 기초 및 상부 구조물의 전달함수 비교

    LTP의 전단파속도(Vs,LTP)와 두께(tLTP) 변화에 따른 지진응답의 차 이를 알아보기 위해 Fig. 9 ~ Fig. 11과 같이 구조물 위치별 전달함수비 (Hi/j (f))를 산정하였다. 이때 전달함수비( H i / j ( f ) ≡ | H i ( f ) H j ( f ) | )는 단위 지 진입력에 대한 i점과 j점 응답의 비율이다. 전달함수 값은 총 4곳에서 산정 하였는데, LTP 끝단 절점(HA (f)), 매트 기초 끝단 절점(HB (f)), 외조탱크 벽체 상단 절점(HC (f)), 내조탱크 상단 절점(HD (f))이다. 지반의 전단파 속도 비(Vs,LTP/Vs,soil)에 해당하는 전달함수비를 각각 Fig. 9 ~ Fig. 11으 로 나타내었다. 이때 12 Hz이상의 고진동수 성분은 분석에서 제외하였는 데, 이는 매우 작은 전달함수 값에 대한 비율이기 때문이다.

    LTP로 인한 매트 기초 끝단의 전달함수비(HB/A (f))에서Vs,LTP < Vs,soil인 경우, 구조물의 고유진동수(내조탱크 4 Hz, 외조탱크 8 Hz)와 간 접적으로 영향을 줄 수 있는 2 Hz ~ 8 Hz 사이에 첫 번째 첨두값과 두 번째 첨두값이 나타났다. 또한 LTP의 두께가 증가할수록 두 첨두값의 진동수는 저진동수 성분으로 이동하였고, 각 진동수 성분이 증폭하는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 LTP의 전단파속도가 지반의 전단파속도 보다 점점 커 짐에 따라 두 첨두값의 진동수 성분은 구분이 어려울 정도로 감소하였다. 이러한 결과는 LTP의 전단파속도가 커지면 HA (f)와 HB (f)의 변화가 크 지 않은 이유로 LTP의 두께에 따른 영향을 거의 받지 않는다. 또한 LTP의 전단파속도가 작고 LTP의 두께가 증가함에 따라 LTP층의 고유진동수가 감소하므로 HA (f)와 HB (f)의 변화가 커지며 LTP의 두께에 따른 영향이 커지는 것으로 사료된다. 따라서, LTP의 전단파속도가 작고 두께가 증가 할수록 구조물의 고유진동수는 LTP층으로 인한 영향을 받을 수 있다.

    LTP로 인한 외조탱크 벽체 상단의 전달함수비(HC/B (f))에서 Vs,LTP <Vs,soil인 경우, LTP의 두께가 증가함에 따라 외조탱크 벽체의 고유진동 수가 PRF 시스템과 차이가 커졌다. 반면에 Vs,LTP > Vs,soil인 경우, LTP 의 두께가 변하더라도 외조탱크 벽체의 고유진동수가 PRF 시스템의 첨두 값에 수렴하였다. LTP층의 두께 변화가 외조탱크의 지진응답에 영향을 미 쳤기 때문으로 사료된다.

    LTP로 인한 내조탱크 상단의 전달함수비(HD/B (f))에서 외조탱크에 대한 결과와 대조적으로 DPRF 시스템과 PRF 시스템의 고유진동수의 첨 두값이 매우 유사하였다. 단, PRF 시스템과 유사한 진동수에서 첨두값의 차이가 있었고, 이러한 차이는 LTP층의 두께 변화 때문인 것으로 사료 된 다. 한편, 지반의 전단파속도가 200 m/s인 경우, 다른 두 경우(150 m/s, 250 m/s)와 달리 LTP의 두께가 증가함에 따라 내조탱크의 첫 번째 첨두값에 대 한 증폭이 나타났다.

    4.2 상부 구조물 및 말뚝의 부재력 비교

    이 절에서는 DPRF 시스템의 LTP층 전단파속도(Vs,LTP)와 두께(tLTP) 변화에 따른 외조탱크(수직응력 (S11 ), 전단응력(S12 )), 내조탱크(밑면 전단력(Vbase), 전도모멘트(Mbase)), 말뚝 두부(축력, 휨모멘트)의 부재 력을 비교하였다. DPRF의 최대 부재력을 PRF의 최대 부재력과 비교 (FDPRF/FPRF)하였고, LTP의 전단파속도와 지반의 전단파속도 비(Vs,LTP/ Vs,soil = 0.5, 0.75, 1.0, 1.25, 1.5)에 대한 결과를 Fig. 12에 나타내었다.

    외조탱크는 Vs,LTP <Vs,soil인 경우, LTP의 두께가 증가할수록 PRF 시스템과의 부재력 차이는 5% 이상 커질 수 있다. 반면에 Vs,LTP ≥Vs,soil 이면 LTP의 두께가 증가하더라도 PRF 시스템과의 부재력 차이는 5% 이 하로 작다. 이러한 결과는 지반의 전단파속도(Vs,soil)가 증가(강성 증가)하 더라도 Vs,LTP <Vs,soil인 경우에 외조탱크의 응답은 PRF 시스템과의 차 이가 커지고, Vs,LTP > Vs,soil인 경우에 PRF 시스템에 수렴하는 것으로 나타났다. 이는 4.1절에서 설명한 바와 같이 Vs,LTP <Vs,soil이고 LTP의 두께가 증가함에 따라 외조탱크의 고유진동수에 영향을 미치기 때문으로 사료된다.

    내조탱크는 외조탱크와 마찬가지로 Vs,LTP <Vs,soil인 경우, LTP의 두 께가 증가할수록 PRF 시스템과의 부재력 차이는 5% 이상 커질 수 있으며, Vs,LTP > Vs,soil이면 내조탱크의 부재력의 차이는 5% 이하로 무시할 수 있을 정도로 작다. 이러한 결과는 지반의 강성이 증가(전단파속도 증가)하 더라도 Vs,LTP <Vs,soil인 경우에 내조탱크의 응답은 PRF 시스템과의 차 이가 발생하고, Vs,LTP > Vs,soil인 경우에 PRF 시스템에 수렴하는 것으로 나타났다. 앞선 4.1 절에서 내조탱크는 LTP의 두께 변화에 따른 전달함수 비(HD/B (f))의 차이가 크지 않았다. 하지만 지반의 전단파속도가 200 m/s 인 경우, LTP의 두께가 증가함에 따라 내조탱크의 첫 번째 첨두값이 증가 하였다. 이러한 이유로 지반의 전단파속도가 200 m/s인 경우, 내조탱크의 부재력이 다른 두 경우(150 m/s, 250 m/s)보다 PRF 시스템과의 차이가 큰 것으로 사료된다.

    말뚝은 참고문헌[8-11]에서 연구된 바와 같이 DPRF 시스템의 말뚝 두 부의 축력 및 휨모멘트가 PRF 시스템보다 매우 작다. 또한, 그림에서 LTP 의 전단파속도가 커짐에 따라 말뚝 두부의 축력 및 휨모멘트가 PRF 시스템 보다 증가하는데, 이는 LTP와 LTP 아래 지반의 경계에서 발생하는 응력의 차이 때문으로 사료된다. 이러한 차이는 지반의 전단파속도가 증가(강성 증 가)하더라도 동일하게 나타났다.

    5. 결 론

    이 연구에서는 비결합 말뚝지지 전면기초(disconnected piled raft foundation, DPRF) 시스템의 LNG 저장탱크에 대하여 하중전달플랫폼 (load transfer platform, LTP)의 특성(두께(tLTP), 전단파속도(Vs,LTP)) 이 지진응답해석 시 상부구조물(내조탱크와 외조탱크) 및 말뚝에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 진동수영역 지반-구조물 상호작용해석 프로 그램인 KIESSI-3D를 이용하여 유체-구조물 상호작용과 지반-구조물 상 호작용을 동시에 고려하는 유체-구조물-지반 상호작용 해석을 수행하였다. 지진응답은 결합 말뚝지지 전면기초(piled raft foundation, PRF) 시스템 과 비교하였다. 이로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

    • 1) DPRF 시스템은 LTP의 전단파속도(강성)와 두께가 변하더라도 말뚝 두부에서 휨모멘트와 축력이 PRF 시스템보다 작다.

    • 2) DPRF 시스템은 LTP의 전단파속도가 지반의 전단파속도 보다 작고 두 께가 증가할수록 상부구조물의 부재력이 증가할 수 있다. 이는 LTP의 전단파속도가 작고 두께가 증가하면 LTP층 자체의 고유진동수가 상부 구조물의 고유진동수와 가까워져 상부구조물의 응답에 영향을 미치기 때문인 것으로 사료된다. 따라서 DPRF 시스템을 적용할 때, LTP의 전 단파속도(강성), 두께에 대한 매개변수해석은 반드시 수행되어야 할 것 으로 판단된다.

    Figure

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    Fluid-structure-soil interaction(FSSI) analysis model used in this study

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    Schematic diagram for modeling LNG storage tank by the KIESSI-3D program

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    Example of LNG storage tank (63 ML)

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    Pile arrangement

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    Foundation types of LNG tank considered in this study

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    Horizontal input motion at bedrock outcrop (PGA:0.286 g)

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    Equivalent linear soil properties

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    KIESSI-3D finite element models for structure and near-field soil of the LNG tank

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    Comparison of horizontal transfer functions for foundation(B), outer tank(C), and inner tank(D) as a function of LTP thickness and shear wave velocity in a DPRF system (Vs,LTP/Vs,soil = 0.5)

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    Comparison of horizontal transfer functions for foundation(B), outer tank(C), and inner tank(D) as a function of LTP thickness and shear wave velocity in a DPRF system (Vs,LTP/Vs,soil = 1.0)

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    Comparison of horizontal transfer functions for foundation(B), outer tank(C), and inner tank(D) as a function of LTP thickness and shear wave velocity in a DPRF system (Vs,LTP/Vs,soil = 1.5)

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    Comparison of member forces in the foundation, outer tank, and inner tank as a function of LTP thickness and shear wave velocity in a DPRF system. : (a) S11 of outer tank; (b) S12 of outer tank; (c) base shear of inner tank; (d) overturning moment of inner tank; (e) axial force of pile head; (f) bending moment of pile head

    Table

    Structural porperties of the LNG storage tank

    Soil properties of the LNG storage tank

    Soil properties of the LNG storage tank

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    Journal Abbreviation J. Earthq. Eng. Soc. Korea
    Frequency Bimonthly
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    Year of Launching 1997
    Publisher Earthquake Engineering Society of Korea
    Indexed/Tracked/Covered By