유체-구조물-지반 상호작용을 고려한 액체저장탱크의 유한요소 모형을 제시하고, 비선형 지진응답 해석기법을 정식화한다. 탱크 구조물은 기하 및 재료 비선형 거동을 고려할 수 있는 쉘 요소로 모델링한다. 유체의 거동은 acoustic 요소로 구현하고, interface 요소 를 사용하여 구조물과 결합한다. 지반-구조물 상호작용을 고려하기 위해 지반의 근역과 원역을 각각 solid 요소와 perfectly matched discrete layer로 모델링한다. 예제 20만 kl급 액체저장탱크의 지진취약도 해석에 적용하여, 유연한 지반에 구조물이 놓인 경우 부지에 서의 암반노두운동의 증폭 및 필터링으로 인해 지진취약도의 중앙값과 대수 표준편차가 감소하는 것을 관찰할 수 있다.

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.

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.

유연한 지반에 놓인 액체저장탱크의 지진 거동은 유체-구조물-지반 상호작용에 의해 복잡하게 나타나므로, 이 시스템의 지진응답 과 피해를 정확하게 예측하기 위해서는 이를 엄밀히 고려하여야 한다. 이 연구에서는 유체-구조물-지반 상호작용을 엄밀히 고려하여 유연한 지반에 놓인 직사각형 액체저장탱크의 지진응답 해석을 수행하고 그 응답 특성을 분석하고자 한다. 이를 위해 지진하중 작용 시 발생하는 유체의 동수압력 및 지반과 구조물 간의 상호작용력을 유한요소 기법을 사용하여 산정한다. 이때, 반무한 지반에서의 에너지 방사를 고려하기 위해 mid-point integrated finite element와 점성 감쇠기를 사용하여 지반 원역의 거동을 모사한다. 이와 같이 산정된 동수압력과 지반-구조물 상호작용력을 구조물의 유한요소에 작용시킨다. 자유장 해석을 통하여 입사 지진파에 의한 유효 지진력을 산정한다. 유연한 지반에 놓인 직사각형 액체저장탱크의 지진응답 해석을 통하여 지반-구조물 상호작용의 효과로 인해 시스템 응답의 변화가 다양하게 나타남을 확인할 수 있다. 그러므로, 유연한 지반에 놓인 직사각형 액체저장탱크의 내진설계를 수행하거나 내진성능을 검토할 때는 유체-구조물-지반 상호작용을 엄밀히 고려하여야 할 것이다.

사각형 유체저장 탱크내에 저장되어 있는 유체의 비선형 유동거동을 섭동법을 사용하여 해석하였다. 제시된 방법에 의한 비선형 해석결과는 기존의 연구결과와 잘 일치하였다. 지반특성과 탱크형상에 따른 유체 표면의 비선형 거동 특성을 분석하여 비선형 해석의 중요성을 입증하였다. 유체의 비선형 거동은 토사지반에서 크게 나타나며 특히 Broad Tank에서의 응답은 대단히 크게 나타났다. 일반적으로 유체표면 유동의 비선형 해석결과는 선형해석결과 보다 크게 나타났다. 유체저장탱크의 설계시 선형해석 만으로는 최대응답을 과소평가할 수 있으므로 비선형 해석을 반드시 수행할 필요가 있다.

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.

지진의 수평지반운동으로 인해 유체저장탱크에 작용하는 수평하중의 산정에 있어서 유체수심에 대한 탱크저면길이의 비율에 따라 유용하게 사용할 수 있는 근사해법에 대하여 연구하였다 본 연구는 탱크벽체를 강체로 가정하고 구한 속도포텐셜이론을 적용하여 탱크의 지진하중을 산정한다. 유체저장탱크의 수평단면이 연직으로 일정하지만 그 형상은 원형, 직사각형, 불규칙형인 경우로 나누어 해석하였다 우선 주기적 지반운동(조화가진)에 대한 해를 구하고 이를 바탕으로 랜덤지진에 대한 시간영역해를 구하도록 한다. 예제해석결과 지진력은 적용하는 설계응답스펙트럼의 특성 탱크단면형, 수심에 대한 저면길이의 비율등에 따라 차이가 다소있으나 주로 고주파수 유효질량의 관성력이 지배적인 것으로 나타났다. 대체적으로 수심에 대하여 탱크저면길이가 상당히 크거나 작은 경우는 고주파수근사해를 써서 지진력을 효율적으로 산정할 수 있었다.