A simplified method for earthquake response analysis of a rectangular liquid storage tank is proposed with fluid-structure interaction considered. In order to simplify the complex three-dimensional structural behavior of a rectangular liquid storage tank, it is assumed that structural deformation does not occur in the plane parallel to the direction in which the earthquake ground motion is applied but in the plane perpendicular to the direction. The structural deformation is approximated by combining the natural modes of the simple beam and the cantilever beam. The hydrodynamic pressure, the structure’s mass and stiffness, and the hydrodynamic pressure’s added mass are derived by applying the Rayleigh-Ritz method. The natural frequency, structural deformation, pressure, effective mode mass, and effective mode height of the rectangular liquid storage tank are obtained. The structural displacement, hydrodynamic pressure, base shear, and overturning moment are calculated. The seismic response analysis of an example rectangular liquid storage tank is performed using the proposed simplified approach, and its accuracy is verified by comparing the results with the reference solution by the finite element method. Existing seismic design codes based on the hydrodynamic pressure in rigid liquid storage tanks are observed to produce results with significant errors that cannot be ignored.

액체저장탱크의 지진 거동은 유체-구조물 상호작용에 의해 복잡하게 나타나므로, 이 시스템의 지진응답과 피해를 정확하게 예측 하기 위해서는 이를 엄밀히 고려하여야 한다. 이 연구에서는 유체-구조물 상호작용을 엄밀히 고려하여 양방향 수평 지반운동이 작용 하는 직사각형 액체저장탱크의 지진응답 해석을 수행하고 그 응답 특성을 분석하고자 한다. 이를 위해 지진하중 작용 시 발생하는 유체 동수압을 유한요소 기법을 사용하여 산정하고, 이 동수압을 구조물의 유한 요소에 작용하여 전체 시스템의 동적 거동을 모사한다. 예제 직사각형 액체저장탱크의 지진응답 해석을 통하여 대상 시스템의 동적 거동은 양방향 수평 지반운동이 작용하는 방위각에 의해 유의미한 영향을 받음을 확인할 수 있다. 그러므로 직사각형 액체저장탱크의 내진설계를 수행하거나 내진성능을 검토할 때는 이러한 특성을 고려하여야 할 것이다.

Performance-based seismic evaluation is usually done by considering simplified models for the liquid storage tanks therefore, it is important to validate those simplified models before conducting such evaluation. The purpose of this study is to compare the seismic response results of the FSI (fluid-structure interaction) model and the simplified models for the cylindrical liquid storage tanks and to verify the applicability of the simplified models for estimating failure probability. Seismic analyses were carried out for two types of storage tanks with different aspect ratios (H/D) of 0.45 and 0.86. FSI model represents detailed 3D fluid-structure interaction model and simplified models are modeled as cantilever mass-spring model, frame type mass-spring model and shell type mass-spring model, considering impulsive and convective components. Seismic analyses were performed with modal analysis followed by time history analysis. Analysis results from all the models were verified by comparing with the results calculated by the code and literature. The results from simplified models show good agreement with the ones from detailed FSI model and calculated results from code and literature, confirming that all three types of simplified models are very valid for conducting failure probability analysis of the cylindrical liquid storage tanks.

유연한 액체 저장탱크 내 유체의 부가질량 및 슬러싱 강성행렬을 도출하는 새로운 방법을 제시하였다. 비점성, 비압축성 이상유체를 표면 출렁임을 고려하여 경계요소법에 의하여 모델링하였다. 유체의 표면과 저장탱크 벽체의 접촉면과 같은 불연속 경계를 다루기 위해 특별한 과정을 도입하였다. 원통형 액체저장탱크의 지진응답해석에 적용하여 우수한 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다.

자오방향 및 주변방향으로 프리스트레스트 하중이 작용된 축대칭 쉘 구조물을 축대칭요소로 모델화하였다 유체-구조물의 상호관계는 접촉면에서 구조물의 가속도에 비례한 부가질량으로 표현하였으며 부가질량은 유체를 비점성 비압축 및 비회전으로 가정하여 유한요소법에 의해 구하였다. 이에 대한 수치해석을 통하여 고유진동해석 및 지진하중을 주하중으로 한 동적해석을 실시하였다 이때 기하학적으로 축대칭인 구조물의 특성을 최대한으로 이용할 수 있도록 쉘을 링요소로 모델링하였으며 기하학적 비선형관계식에 의하여 동적 모형식을 유도하였다 프로그램을 통하여 해석한 결과를 프리스트레스하중 하에서 고유진동수에 대한 정해와 비교한 결과 20개 이내의 링요소로 모델링한 경우에서도 정해와 근접한 해를 얻을수 있었으며 내부유체가 있는 경우에 대한 고유진동수를 문헌과 비교한 결과 근접한 해를 얻을 수 있었다 내부유체의 높이의 증가에 따라 고유진동수는 현저히 감소하였으며 Wave Number가 적을수록 감소폭이 크게 나타났다. 지진하중에 대한 반경방향의 처짐을 해석한 결과 동일한 크기의 프리스트레스하중이 작용될 때 자오방향의 프리스트레스하중이 작용될 경우가 다소 큰 처짐값을 나타내었다.

건물과 교량의 내진설계기준 제정작업이 활발하게 진행되고 있는 반면 탱크구조물에 대한 내진설계기준 제정작업은 아직 초기단계에 머무르고 있는 실정이다 탱크구조물이 지진에 의해 붕괴되는 경우 탱크자체의 파손 및 저장물의 손실에 의한 직접피해보다 저장물의 유출에 의한 피해파급이 더욱 심각한 상황을 초래할 수 있다 따라서 탱크구조물의 내진설계기준에는 탱크구조물의 동적 거동에 대한 해석 및 검토방법은 물론 이러한 피해파급을 최소할 수 잇는 조치가 포함되어야 한다 이논문에서는 원통형 액체저장 강탱크에 대한 내진설계기준의 제정에 필수적으로 고려해야 하는 설계개념과 원칙 해석방법 검토사항 및 피해파급 차단초치를 제시하였다.

액체저장탱크 구조물은 지진에 의해 붕괴되는 경우 구조물의 파손 및 저장물의 손실에 의한 직접피해보다 파급효과(유독물질이나 오염물질의 유출로 지속적인 재산피해 및 환경파괴를 초래함)가 더욱 심각하므로 이러한 직, 간접적 피해를 최소화하기 위한 내진설계기준의 제정이 시급한 과제이다. 본 논문에서는 원통형 액체저장탱크의 내진설계기준을 마련하기 위한 기초작업으로 뉴질랜드지침과 오스트리아지침의 해석방법을 고찰하고, 수치해석 예의 결과를 비교하여 두 지침의 적용타당성 및 문제점을 제시하였다.