In this study, numerical analysis was performed on a type IV hydrogen storage tank to analyze the temperature change of hydrogen inside the tank and the filling performance by changing the inlet nozzle outlet angle and the number of outlets. Considering the residual state of charge (SOC) inside the initial tank, the initial pressure was 10 MPa, and the temperature of hydrogen inside the tank and the SOC results were analyzed when hydrogen with a temperature of 233 K was introduced under the conditions of liner, wrap, and outside temperature of 298 K. The results of the analysis showed that the charging completion rate reached the charging limit pressure. The analysis showed that time of filling completion, when the filling limit pressure is reached, the SOC result is about 94% for all geometry change conditions, and the filling completion time increases by 5s as the number of outlets decreases. The temperature change of the wrap area at the end of filling is up to 3.6K, which shows that the outside air temperature has a negligible effect on the hydrogen temperature change inside the tank.

The government declared ‘2050 carbon neutrality’ as a national vision in October 2020 and subsequently pursued the establishment of a ‘2050 carbon neutrality scenario’ as a follow-up response. Hydrogen is considered as one of the most promising future energy carriers due to its noteworthy advantages of renewable, environmentally friendly and high calorific value. Liquid hydrogen is thus more advantageous for large-scale storage and transportation. However, due to the large difference between the liquid hydrogen temperature and the environment temperature, an inevitable heat leak into the storage tanks of liquid hydrogen occurs, causing boil-off losses and vent of hydrogen gas. Researches on insulation materials for liquid hydrogen are actively being conducted, but research on support design for minimal heat transfer and enhanced rigidity remains insufficient. In this study, to design support structures for liquid hydrogen storage tanks, a thermal-structural coupled analysis technique was developed using Ansys Workbench. Analytical models were created based on the number and arrangement of supports to propose structurally safe support designs.

본 연구에서는 ALOHA와 Bow-tie를 활용하여 메탄올 추진 선박의 저장 탱크가 울산항에서의 누출 시나리오를 가정하여 위험도 평가하였다. ALOHA를 이용하여 대안 및 최악의 시나리오를 산정하여 피해 범위를 예측하였다. 독성 영향 범위의 결과(ERPG-2 기준)로는 대안(629m), 최악(817m)로 육상 탱크 터미널의 부두 시설 및 거주 지역까지 포함되는 것으로 확인되었다. 인화성 영향 범위(LEL 10% 기준) 는 대안(126m), 최악(218m) 선박에서만 발생하였으며, 열복사 영향 범위(5.0kW/m2 기준)는 대안(56m), 최악(56m)로 선박에서만 영향을 미쳤 다. 또한, 전문가 집단을 구성하여 Bow-tie 기법을 통하여 예방 대책과 완화 대책을 평가하였다. 대책 유형 분류에서는 Hardware와 Human 으로 구분되었으며, 안전 유효성과 위험 심각성의 결과에서는 “Gas Freeing System”, “Ventilation System”, “Fire-Fighting System이 가장 높은 평가를 받았다. 위의 평가를 토대로 위험도 평가를 도식화하였다.

Hydrogen is considered as one of the most promising future energy carriers due to its noteworthy advantages of renewable, environmentally friendly and high calorific value. However, the low density of hydrogen makes its storage an urgent technical problem for hydrogen energy development. Compared with the density of gas hydrogen, the density of liquid hydrogen is more than 1.5 times higher. Liquid hydrogen is thus more advantageous for large-scale storage and transportation. However, due to the large difference between the liquid hydrogen temperature and the environment temperature, an inevitable heat leak into the storage tanks of liquid hydrogen occurs, causing boil-off losses and vent of hydrogen gas. Researches on insulation materials for liquid hydrogen are actively being conducted, but research on support design for minimal heat transfer and enhanced rigidity remains insufficient. In this study, to design support for liquid hydrogen storage tank, technique of thermal-structural coupled analysis including geometry, mesh, and boundary condition were developed using Ansys workbench, and equivalent stress and deformation distributions were analyzed.

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.

Liquified hydrogen is considered a new energy resource to replace conventional fossil fuels due to environmental regulations by the IMO. When building tank for the storage and transportation of liquified hydrogen, materials need to withstand temperatures of -253°C, which is even lower than that of LNG (-163°C). Austenitic stainless steel mainly used to build liquified hydrogen tank. When building the tanks, both the base material and welding zone need to have excellent strength in cryogenic condition, however, manual arc welding has several issues due to prolonged exposure of the base material to high temperatures. Laser welding, which has some benefits like short period of exposure time and decrease of thermal affected zone, is used many industries. In this study, laser bead on plate welding was conducted to determine the laser butt welding conditions for STS 304 and STS 316L steels. After the BOP test, cross-section observations were conducted to measure and compare four bead parameters. These tendency result of laser BOP test can be used as conditions laser butt welding of STS 304 and STS 316L steel.

Decarbonization plays an important role in future energy systems for establishing a zero-carbon society. Hydrogen is believed to be a promising energy source that can be converted, stored, and utilized efficiently, leading to a broad range of possibilities for future applications. Hydrogen can be stored in various forms, including compressed gas, liquid hydrogen, hydrides, adsorbed hydrogen. Among these, liquid hydrogen has high gravimetric and volumetric hydrogen densities. There are a lot of previous studies on thermal behavior of MLI and VCS and optimization insulation system, but research on the insulation performance by varying the head shape of the tank has not been conducted. In this study, thermal-structural coupled analysis was conducted on the insulation system with VCS positioned between two layers of MLI for a liquid hydrogen storage tank. The analysis considered dome shapes (torispherical, circle, ellipses), and heat flux and temperature were derived from thermal analysis to predict insulation performance. Maximum equivalent stress and deformation were calculated from the structural analysis, and the optimal dome shape was proposed.

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.

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.

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 해 석을 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.

모듈형 LNG Tank의 외조를 구성하는 SCP(sandwich concrete panel)에 대해서 중속충돌시험기로 충돌시험을 수행하고 이에 대한 수치해석을 수행하였다. 충돌시험에 사용된 시험체는 가로세로 각각 2m로 외조의 일반단면과 연결부단면의 특성을 가지도록 제작하였다. 51kg의 탄자를 설계기준에 규정된 충돌에너지를 갖도록 중속충돌시험기로 45m/sec로 이상의 속도로 가속하여 충돌시켰다. 이런 충돌시험을 두 차례 반복하고 시험체의 극한능력을 평가하기 위하여 충돌속도를 2배로 하여 충돌시켰다. 충돌시험의 수치해석 모델은 LS-DYNA를 이용하여 수행되었다. 외측의 강판와 그 사이의 충진콘크리트를 고 체요소로 모델링하고 전단연결재는 보요소를 이용하여 모델링하였다. 강재의 재료모델은 탄소성 및 파단거동을 고려하였으며 콘크리트의 재료는 CSCM재료로 모델링하였다. 해석에서 전면부의 충돌변형은 시험에서 얻어진 변형과 유사한 값을 얻었으나 후면부의 변형은 시험결과와 다소 작은 값을 보였다. 일반부 단면에 대한 2배속 충돌시험에서는 전후면의 강판이 파 손되었으나 해석결과에서는 전면부의 강판만 파손되었다. 수치해석에서 충돌에너지는 주로 충진 콘크리트로 전이되었는데 이는 이전 연구에서 보였던 고에너지를 가진 충돌의 경우와 다른 경향이다. 작성된 모델은 구조적으로 보수적인 결과를 보 이므로 실제 설계에 적용할 수 있을 것으로 판단된다.

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.