안전한 저장 탱크를 설계하기 위해 필요한 최적 설계 방법

오늘 다뤄볼 주제는 구조물의 “두께 최적화”에 대한 것입니다.

분말, 유체, 고체 등 다양한 물건을 적재하기 위해 저장탱크를 많이 사용합니다. 저장탱크의 경우 모든 무게 하중 및 풍하중, 지진하중 등이 탱크 벽면과 서포트 프레임으로 집중되기 때문에 파손에 매우 위험합니다.

소형 물탱크부터 건물보다 큰 대형 유해 물질 저장 사일로까지 다양하게 존재합니다. 구조물이 파손되는 경우 내부 적재물의 종류, 주변 환경 등에 따라 매우 큰 피해가 발생할 수 있기 사전에 구조안전성에 대한 검토가 필수로 필요합니다.

구조물에 대해 두께 최적화 해석 검토는 왜 필요할까요?

이번 주제인 Silo 구조물은 산업 분야에서 사용되는 대형 저장탱크 중 하나입니다. 저장탱크라고 하는 것은 말 그대로 어떠한 고체, 유체, 기체 등을 저장하는 용기라고 볼 수 있습니다. 곡물부터 물, 가루, 석탄, LPG, 유해 물질까지 매우 다양한 형태의 물건을 저장하는 데 사용합니다. 사람 크기만 한 소형 탱크부터 건물보다 큰 초대형까지 매우 다양한 크기가 존재하며, 크기가 커질수록 내부 적재품이 많아지기 때문에 저장탱크 벽면이나 지지구조물에 가해지는 압력이 커지게 됩니다.

구조적인 안전성을 생각한다면 물론 벽체의 두께가 두꺼울수록 안전할 것입니다. 하지만, 물건을 저장하여 얻는 이익보다 설치를 위한 비용이 매우 커지게 되어 오히려 손해가 발생할 수 있습니다. 반대로 너무 얇으면 벽면이 찢어지고, 종류에 따라 폭발사고까지 발생하는 매우 위험한 상황이 발생할 수 있습니다. 구조 설계에서 우리는 항상 비용과 안전성 사이에 줄다리기하면서 최적화된 효율적인 설계를 찾게 되는 것 입니다.

저장탱크 내부 압력 하중을 고려해서 어떻게 설계할 수 있을까요?

저장탱크 내부 물건 적재 시 별도의 층이 존재하지 않는 하나의 공간으로 존재하기 때문에 중력에 의해 아래로 갈수록 무게가 집중되는 효과가 발생합니다. 대표적으로 정수압의 경우 표면에서 0 Pa의 압력이, 높이에 따라 아래로 갈수록 Rho*g*h 압력 점차 커지는 형태가 가장 익숙합니다. 저장탱크의 경우 일반적으로는 90% 이상 채우기 때문에 유동성이 적어 이번 예제와 같이 구조 하중으로 치환하여 벽체에 압력으로써 적용하지만, 저장량이 90% 이하면 유체에서는 Sloshing에 의한 벽체 파괴가 발생할 수 있으므로 주의해야 합니다.

이번 예제인 Silo의 경우 벽체와 호퍼 구간 2가지로 구분되며, 내부 적재품 또한 물과 같은 유체가 아닌 분립체가 존재하며, 분립체 종류와 구조물의 형상에 따른 벽체와 호퍼에 발생하는 적절한 압력을 산정해야 정확한 설계가 가능합니다. 그렇다면, 저장탱크 내부 압력 하중에 대해서 구조적으로 어떻게 해석검증을 할 수 있는지 함께 알아보도록 하겠습니다. 예제모델은 내부에 분립체가 존재하는 Silo 구조물로 꽉 찬 내부압력에 대한 전체적인 구조물의 응력분포를 확인하고 두께 변수에 대한 최적값은 목표로 해석한 자료입니다.

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