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Methods for Nonlinear Structural Response Analysis of Offshore Structures with Passive Fire Protection under Fires
Methods for Nonlinear Structural Response Analysis of Offshore Structures with Passive Fire Protection under Fires
Journal of Ocean Engineering and Technology. 2014. Aug, 28(4): 294-305
Copyright © 2014, Korean Society of Ocean Engineers
  • Received : April 10, 2014
  • Accepted : August 19, 2014
  • Published : August 30, 2014
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정환 김
동훈 이
연철 하
봉주 김
정관 서
점기 백

Abstract
In offshore structures, fire is one of the most important hazardous events. The concern of fires has recently been reflected in the rules and quantified risk assessment based design practice. Within the framework of quantified risk assessment and the management of offshore installations, therefore, more refined computations of the consequences or hazardous action effects due to fire are required. To mitigate fire risk, passive fire protection(PFP) is widely used on offshore structures. This study presents methods for a nonlinear structural response analysis considering the PFP effects under fires. It is found that a structural response analysis is most likely to use valuable technology for the optimization and design of offshore structures with PFP. Thermal and structural response analyses have been performed using LS-DYNA and FAHTS/USFOS. The results of these structural response analyses are compared with each other.
Keywords
1. 서 론
심해자원 개발용 해양구조물은 설계 목적 상 원유의 생산, 분리, 저장, 하역과 그에 수반된 다양한 작업의 대부분이 상부구조물 (Topsides)에서 이루어지고, 특성상 육상설비와는 다르게 제한된 공간 안에서 이루어지므로 화재, 폭발, 중량물 낙하 등 고 위험 사고를 고려한 설계와 운영이 필요하다( Paik and Thayamballi, 2007 ; Paik and Czujko, 2011 ). 특히 Piper Alpha 사고는 대표적인 화재 사고인데 이 사고로 인해 수많은 인명피해와 재산 손실 그리고 심각한 환경 오염이 발생했다. 이러한 피해를 줄이기 위해서는 해양플랜트 구조물의 화재 하중에 대한 적절한 내화구조(Fire poof construction)설계가 이루어 져야 한다.
화재 사고로부터 발생하는 열하중은 구조물의 재료적 비선형을 발생시켜 강도 저하로 인한 구조물의 점진적 붕괴를 야기한다. 이러한 이유로 화재에 의한 구조물의 붕괴를 방지하고자 PFP(Passive fire protection)를 적용하여 내화구조설계를 하고 있고, 특히, 에폭시(Epoxy) 재질의 PFP(Passive fire protection)는 열하중에 노출되면 표면이 점점 부풀어 올라 부피가 증가하고 열전도(Heat conduction) 계수가 감소하여 단열재 역할을 함으로써 화재로부터 구조물의 온도상승과 그에 따른 구조물의 붕괴 시간을 효과적으로 지연할 수 있어 널리 활용되고 있다. 하지만 에폭시 재질의PFP 경우 재료비와 시공비용이 많이 들기 때문에 현재 PFP 최적화 기법에 대해서 많은 연구들이 진행되고 있다( FABIG, 2010 ; HSE, 2007 ). 또한 화재사고에 대한 구조물의 온도분포 및 특성을 얻기 위하여 다양한 해석코드를 이용한 CFD(Computational fluid dynamics) 해석( Seok et al., 2013 )과 CFD해석 결과를 바탕으로한 구조물의 열전달해석 및 열하중에 대한 비선형 구조응답 해석에 대한 많은 연구가 수행되고 있다( Franssen and Real, 2010 ; FABIG, 1993 ; FABIG, 2010 ). 하지만, 해양플랜트 상부구조물의 PFP 최적 설계를 위한 해석기법 및 절차 그리고 제한적인 해석코드 활용으로 인한 다양한 비교분석 연구가 필요한 실정이다. 기존의 제한적으로 사용되는 해양플랜트용 해석코드는 판구조로 이루어진 선박과 달리 보, 기둥등과 같은 1차원 요소로 구성된 프레임구조를 기반으로 하기 때문에 부재와 복잡한 형상 및 판구조의 거동형태를 가지는 부재에 대한 경우는 모델링의 어려움과, PFP최적설계 시 요구되는 국부적인 구조응답 특성과 같은 정밀한 해석에 한계를 보이는 경향이 있다.
따라서 본 연구에서는 PFP 최적설계를 위한 범용 비선형 유한 요소해석 코드를 사용하여 PFP효과를 고려한 비선형 구조응답 해석기법 및 절차를 개발하였다. 우선 기존의 해석 방법과 본 연구에서 개발된 해석 기법에 대해 설명하고 개발된 기법을 FPSO(Floating production storage and offloading) 상부구조물에 적용하여 기존의 해양플랜트 산업체에서 사용되는 해석코드를 이용한 해석기법과의 PFP효과에 대한 비교 분석을 수행하였다.
2. 해석 기법
본 연구에서는 다양한 해양플랜트 상부구조물에 대하여 발생 가능한 화재 시나리오 대상으로 해양산업체에서 널리 사용되는 해석기법과 본 연구에서 제안된 기법을 정량적으로 분석하기 위하여, 화재해석은 화재해석전용 CFD 해석코드인 KFX(Kameleon FireEx) 프로그램을 공통적으로 사용하였다( ComputIT, 2013 ). Fig. 1 는 일반적으로 해양산업체에서 사용되고 있는 기법으로 화재해석 결과를 기반으로 열전달 해석은 FAHTS( USFOS A/S, 2013a ), 그리고 구조응답 해석은 USFOS( USFOS A/S, 2013b ) 프로그램을 이용하여 수행한다. Fig. 2 는 본 연구에서 제안된 기법으로 열전달 해석과 비선형 구조응답 해석을 범용 유한요소코드인 LS-DYNA( LSTC, 2013 )를 이용하여 수행하는 기법이다.
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An existing procedure for the nonlinear structural response analysis under fire
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A new procedure for the nonlinear structural response analysis under fire, considered in the present paper
- 2.1 비선형 재료 물성치 모델링
화재 시 발생하는 구조 또는 열 하중에 대한 해양플랜트 거동을 살펴보기 위해서는 온도 변화에 따른 재료의 특성이 정의되어야 한다. 재료의 물성치는 열전도계수와 비열 등 구조물의 온도에 영향을 미치는 열적 물성치(Thermal properties)와 탄성계수, 항복강도 그리고 열 팽창계수(Thermal elongation) 등 구조물의 거동에 영향을 미치는 기계적 물성치(Mechanical properties)가 있다( Franssen and Real, 2010 ). 그리고 에폭시 타입의PFP 경우는 앞서 설명 했듯이 화재가 발생하면 화학 반응을 일으켜 단열재 역할을 하기 때문에 온도에 따른 열적 물성치만 고려하였다.
- 2.1.1 열적 재료 물성치
강의 비열( Ca )은 다음 식을 통해 정의될 수 있고 Fig. 3 은 온도에 따른 변화를 나타내고 있다.
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여기서 θa 는 강의 온도 (℃)이다.
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Specific heat of carbon steel
강의 열전도계수( ka )는 다음 식을 통해 정의될 수 있다.
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온도에 따른 강의 열전도계수의 변화는 Fig. 4 와 같다.
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Thermal conductivity of carbon steel
- 2.1.2 기계적 재료 물성치
일반적으로 강의 강도와 강성은 온도의 증가에 따라 감소하게 된다. 또한 온도가 증가함에 따라 부피가 팽창한다. 따라서 화재에 대한 정확한 구조거동을 살펴보기 위해서는 온도에 대한 재료의 기계적 특성이 고려되어야 한다. Eurocode에서는 여러 시험 결과를 통해 증가하는 온도에 대한 재료 특성을 명시하고 있다( Franssen and Real, 2010 ). 온도 상승에 따른 강도와 강성의 변화 특성은 Fig. 5 Table 1 에 나타나 있다. 이를 통해 탄소강은 400℃이상의 온도에서 강도가 떨어짐을 확인할 수 있다. 700℃에서는 원래의 23%에 해당하는 강도를, 800℃에서는 11%에 해당하는 강도를 그리고 900℃에서는 강도가 6% 수준까지 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 탄성계수의 경우 100℃이상에서 감소가 시작됨을 확인할 수 있다.
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Reduction factor of carbon steel at elevated temperature
Reduction factors for carbon steel for the design at elevated temperatures
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Reduction factors for carbon steel for the design at elevated temperatures
다음 식은 온도에 따른 열 팽창계수를 나타낸 것이고 Fig. 6 는 온도에 따른 열 팽창계수를 나타낸 것이다.
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Thermal elongation of carbon steel
- 2.1.3 PFP 재료 물성치
일반적으로 해양 플랜트 구조물의 경우 에폭시 종류의 PFP를 많이 사용하고 있다. 따라서 PFP 효과를 고려하기 위해서는 온도에 따른 PFP의 재료물성치를 적용하여야 하지만 앞 장에서도 설명 했듯이 화재가 발생하는 동안 PFP 재료의 성질이 바뀌기 때문에 현재 산업체에서는 상온일 때의 재료 물성치를 적용하여 해석을 수행하고 있다. 하지만 이러한 가정은 PFP 효과를 고려한 구조물의 온도를 정확히 계산하는데 제약이 있기 때문에 본 연구에서는 온도에 따른 PFP의 열전도계수를 고려해주었다. Fig. 7 은 온도에 따른 PFP의 열전도계수를 나타낸 것이고 Table 2 는 본 연구에서 적용한 PFP 재료의 정보를 나타내고 있다( International Protective coatings, 2013 ).
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Thernal conductivity of epoxy type PFP
Information of epoxy type PFP
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Information of epoxy type PFP
- 2.2 열전달 해석
화재로 인해 발생한 열(Heat)은 시간에 따라서 주변 구조물로 전달이 되고, 이로 인하여 구조물의 온도가 상승하게 된다. 해양구조물의 온도 특성은 가스 온도, 노출되는 범위, PFP의 적용 유무, 구조재료의 열적 물성치와 구조물의 대류계수와 방사율(Emissivity) 등을 고려하여 계산할 수 있다( Kim et al., 2013 ). 수치해석적인 방법으로 정도높은 PFP 효과를 고려하기 위해서는 온도에 따른 PFP의 열적 물성치 값을 입력해줌으로서 PFP효과를 고려한 구조물의 온도를 계산 할 수 있다.
일반적인 해양산업에서는 열전달 해석을 수행하기 위해 FAHTS 프로그램을 사용하다. FAHTS 프로그램은 화재전용 해석프로그램인 KFX와 자동연동되어 화재 CFD해석 결과인 가스온도와 열 유속등의 화재 특성정보를 활용한다( USFOS A/S, 2013a ). 일반적으로 FAHTS/USFOS 프로그램은 구조물을 빔 요소를 사용하여 모델링한다. FAHTS 프로그램은 빔요소로 모델링된 구조물을 자동적으로 쉘요소로 변환하여 열전달 해석을 수행한다. PFP 효과를 고려할 경우 FAHTS 프로그램은 PFP의 열전도계수와 두께만을 고려하여 구조물의 온도를 계산한다.
본 연구에서는 제시하고 있는 방법은 인터페이스 프로그램과 LS-DYNA를 이용하여 열전달 해석을 수행한다. 산업체에서는 사용하는 방법의 경우 FAHTS 프로그램과 KFX 프로그램과 연동이 되어 있어 CFD 해석 결과인 가스온도와 열 유속등을 자동적으로 입력해주지만 본 연구에서는 사용하는 LS-DYNA프로그램의 경우는 자동연동이 되지 않기 때문에 인터페이스 프로그램을 개발하여 KFX 해석 결과를 LS-DYNA프로그램에 입력할 수 있도록 하였다. 본 연구에서 사용된 인터페이스 프로그램은 FATHS 프로그램과 같은 기법으로 모니터링 위치(Monitoring point)에서의 화재해석 결과를 쉘요소로 모델링된 LS-DYNA프로그램에 사용할 수 있도록 해준다. 하지만 KFX프로그램은 최대 1000개의 모니터링 위치에 대해서만 결과를 사용자에게 제공한다. 이러한 이유로 인터페이스 프로그램은 FAHTS 프로그램과 같이 KFX의 모든 도메인 결과를 사용하는 것이 아니라 구조물에 인접한 제한된 개수의 모니터링 위치의 결과만을 사용할 수 있는 단점은 있지만, 각 모니터링 위치에 대한 결과를 보간법으로 4절점 유한요소에 효과적으로 열특성 정보를 입력해 줄 수 있다.
KFX 프로그램으로부터 얻어진 해석 결과를 LS-DYNA로 입력하기 위해 인터페이스 프로그램은 Eurocode에서 제시하고 있는 열전달 방정식을 이용한다( European standard, 2005a ; European standard, 2005b ).
PFP 효과가 없을 시의 사용되는 열전달 방정식은 아래와 같다.
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는 대류에 의한 열유속 ( W / m2 ),
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은 복사에 의한 열유속 ( W / m2 ), ksh 은 Shadow effect를 고려하기 위한 계수, Am 은 고온에 영향을 받는 강재 표면의 면적 ( m2 ), V 은 강재의 부피 ( m3 ), Ca 은 온도에 따른 강재의 비열 ( J / kgK ), pa 은 강재의 밀도 ( kg / m3 ), ac 은 대류 계수 ( W / m2K ), Φ 은 View factor를 의미한다.
PFP 효과를 고려한 구조물의 열전달 방정식은 아래와 같다.
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Ap 는 PFP의 유효 면적 ( m2 ), cp 는 PFP재료의 온도에 따른 비열( J / kgK ), θa,t 은 해당 시간의 강재 온도 (℃), θg,t 은 해당 시간의 외부 온도(℃), △ θa,t 은 외부 온도의 증가량 (℃), kp 은 PFP재료의 열전도 ( W / mK ), 은 강재의 방사율, pp 은 PFP의 밀도( kg / m3 ), dp 은 PFP의 두께 ( m )를 의미한다.
Fig. 8 은 인터페이스 프로그램의 기본적인 개념을 나타내고 있고 그림과 같이 인터페이스 프로그램은 KFX의 모니터링 위치에서의 가스온도, 열유속 등을 LS-DYNA프로그램의 노드나 요소에 자동적으로 입력해준다. CFD 해석을 수행하기 전, 사용자가 결과를 얻고자 하는 위치에 모니터링 포인트를 지정함으로써 특정 위치의 해석 결과를 이용할 수 있게 된다.
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Concept of the interface program
- 2.3 비선형 구조응답 해석
일반적으로 화재가 발생하면 구조물의 온도가 증가하고 그로 인해 기계적 물성치인 탄성계수와 항복 응력은 감소한다( Franssen and Real, 2010 ). 따라서 화재에 대한 비선형 구조응답 해석을 수행하기 위해서는 열전달 해석 결과와 온도에 따른 재료의 기계적 물성치를 고려해 주어야 한다. PFP는 앞서 말했듯이 단열재 역할만 하여 구조물의 온도 상승을 지연 시킬 뿐 직접적으로 구조강도에 영향을 미치지 않는다. 따라서, PFP효과를 고려한 구조 응답 해석은 PFP를 적용한 열전달 해석 결과가 중요하다.
일반적으로 해양 산업에서는 화재에 대한 비선형 구조응답해석을 빔요소를 기반으로 하는 USFOS프로그램을 사용한다. Fig. 9 - 10 은 FAHTS-USFOS 열전달 해석과 인터페이스 프로그램을 이용한 LS-DYNA 열전달 해석 결과의 예를 보여준다. FAHTS 프로그램은 쉘요소를 기반으로 한 온도특성을 사용하기 때문에 USFOS에 온도특성을 적용해주기 위해 Fig. 9 과 같이 FAHTS 열전달 해석 결과를 평균 값과 끝 점의 증분량으로 변환하여 해석을 수행한다. 본 연구에서 개발한 기법( Fig. 10 )은 열전달 해석과 구조응답 해석을 LS-DYNA 프로그램을 사용하여 수행한다. 따라서 이 기법은 일반적으로 FAHTS/USFOS를 사용하는 기법과 달리 해석 모델을 변환해 줄 필요가 없고 쉘요소를 이용하여 구조물을 모델링하기에 보 부재와 판 부재로 구성된 복잡한 형상 및 PFP효과등에 관련한 국부적인 구조응답 특성을 정확히 분석할 수 있는 장점이 있다.
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Application of the steel temperature for the USFOS nonlinear structural response analysis with the beam element models, representing the modification of the shell element models
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Application of the steel temperature for the LS-DYNA nonlinear structural response analysis with the shell element models, representing the exactly same shell element models
3. 적용예
본 연구에서 제안된 해석기법의 적용성을 입증하기 위해 FPSO Topside 구조물에 본 기법을 적용하여 해석을 수행하였다. 그리고 제안된 기법을 이용한 해석 결과와 FAHTS/USFOS를 이용한 해석 결과와 비교하였다.
- 3.1 해석 모델
본 연구에서는 VLCC(Very large crude carrier) 급의 FPSO Topside 구조물을 대상모델로 선정하였다. Fig. 11 는 대상모델의 레이아웃과 주요 치수를 보여주고 있다. 모든 데크는 I-거더로 지지되어 있고 중간 데크는 그레이팅 패널으로 구성되어 있고 나머지 데크는 판으로 되어 있다. Fig. 12 Table 3 4 는 대상 모델의 주요부재 치수이다.
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Layout and principal dimensions of the hypothetical topside module of the FPSO
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Topology of decks and columns (solid line indicates main frames and dotted line indicates secondary frames)
Dimensions and geometric properties of the frames
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Dimensions and geometric properties of the frames
Dimensions and geometric properties of the columns
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Dimensions and geometric properties of the columns
- 3.2 화재 시나리오 및 CFD 해석
- 3.2.1 화재 시나리오
화재 CFD 해석에 영향을 미치는 변수들은 연료, 설치 환경에 관련된 변수(바람방향, 바람세기) 그리고 누출에 관련된 변수(누출 직경, 누출위치, 누출 시간) 등이 있다. 본 연구에서는 비선형 구조응답 해석 기법에 초점을 맞추고 있기 때문에 연료는 LPG를 사용하였으며 나머지 변수들에 대한 정보는 아래와 같다.
  • •Wind direction = 150 deg.
  • •Wind speed = 5 m/s
  • •Leak rate = 2.0 kg/s
  • •Leak duration = 600 s
  • •Leak direction = +Z
  • •Leak position in the X direction = 7.5 m
  • •Leak position in the Y direction = 9.8 m
  • •Leak position in the Z direction = 1.5 m
- 3.2.2 화재 CFD 해석
Fig. 13 은 화재 CFD 해석을 하기 위해서 제트 그리드(Jet grids)를 사용하여 생성한 KFX 모델을 나타내고 있다. 본 연구에서는 화재 CFD 해석을 수행하기 위해 총 500,000개의 그리드를 사용하였다. 상용 KFX 프로그램은 모니터링 포인트의 개수를 1000개로 한정되어 있기 때문에 LS-DYNA를 이용해서 열전달 해석을 수행할 때에는 모니터링 포인트의 위치 선정에 있어 신중을 가해야 한다.
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KFX model for fire CFD simulation using jet grids
Fig. 14 는 누출 위치와 모니터링 포인트들의 위치를 나타내고 있다. Fig. 15 는 5(sec.)와 10(sec.) 일때의 가스 온도분포를 나타내고 있고 Fig. 16 은 시간에 따른 가스 온도를 표현하고 있다. Fig. 15 를 통해 Heat flow가 하부 데크에서 발생하여 중간 데크로 점점 확대되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 KFX 해석 결과를 사용하여 열전달 해석과 구조응답 해석을 수행하였다.
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Leak position and definition of monitoring points on (c) middle deck and (d) upper deck
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Gas cloud temperature distribution in the topside module (in K)
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Gas cloud temperature versus time history obtained by KFX simulation
- 3.3 열전달 해석
열전달 해석을 수행하기 위해서는 탄소강에 대한 비열이나 열전도계수 같은 열적 물성치값과 대류와 복사에 관련된 계수를 정의해 주어야 한다. FAHTS 프로그램의 경우 자동적으로 대류계수를 가스온도와 열유속 등을 KFX 해석 결과를 이용하여 계산한다. LS-DYNA의 경우는 사용자가 직접 대류계수와 방사율을 입력해줘야 하는데 본 연구에서는 대류계수를 25W/m 2 K 그리고 방사율은 0.24로 가정하였다( Cengel and Ghajar, 2010 ; Franssen and Real, 2010 ).
Fig. 17 은 열전달 해석을 하기 위한 LS-DYNA와 FAHTS 모델을 보여 주고 있다. Fig. 18 은 PFP가 없을 경우의 열전달 해석 결과를 나타내고, Fig.19 은 LS-DYNA와 FAHTS의 해석 결과를 여러 개의 모니터링 포인트에서 비교를 한 것이다. 그림을 통해 LS-DYNA를 이용하여 열전달 해석을 수행한 결과가 KFX의 모든 도메인 결과를 사용하는 FAHTS 결과와 잘 맞는 것을 확인할 수 있다.
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Topside models without the cover plates on the upper and process decks
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Prediction of steel temperature distributions after 600 seconds of the fire
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Comparison of steel temperatures between LS-DYNA and FAHTS
다음으로 PFP를 적용하였을 때 구조물의 온도특성의 분석을 위하여 두께가 5mm인 PFP를 Fig. 20 와 같이 중간 데크의 주지지부재에 배치하여 열전달 해석을 수행하였다. FAHTS 프로그램의 경우는 PFP의 온도에 따른 열전도계수와 두께만을 입력하여 열전달 해석을 수행하였고 본 연구에서 제시하는 LS-DYNA의 경우는 PFP의 온도에 따른 열전도계수와 두께뿐만 아니라 비열 값을 고려하였다. 하지만 PFP의 비열의 경우 온도에 따른 값을 찾을 수 없어서 상온일 때의 비열 값을 고려하였다. Fig. 21 은 PFP를 적용하였을 때 열전달 해석 결과인 구조물의 온도 분포들을 나타내고, Fig. 22 은 여러 개의 모니터링 포인트에서의 LS-DYNA와 FAHTS열전달 해석 결과를 비교를 한 것이다. Fig. 22 을 통해 PFP를 적용했을 때에도 LS-DYNA와 FAHTS의 결과가 잘 맞는 것을 확인 할 수 있고 PFP를 적용함에 따라 온도 상승이 지연 되는 것을 확인 할 수 있다.
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Topside module applied PFP on main frames in mezzanine deck
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Prediction of steel temperature distributions with PFP effect after 600 seconds of the fire
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Comparison of steel temperatures versus time history between LS-DYNA and FAHTS
- 3.4 비선형 구조응답 해석
화재에 대한 비선형 구조응답 해석을 수행하기 위해서는 온도에 따른 기계적 물성치 고려해야 한다. 해석에 사용된 강재의 항복응력과 탄성계수는 상온에서 각각 235MPa, 210GPa 이며, 온도에 따른 물성치의 변화는 앞서 2.1.2 장에 소개되어 있다.
화재 시 비선형 구조응답 해석을 위한 적정 하중을 고려하기 위해, 대상 구조물에 존재하는 여러 탱크와 부속 하중물들의 총 무게인 2000kN의 하중을 중간 데크의 중앙부에만 존재한다고 가정하였으며, 본 연구에서는 Fig. 23 와 같이 중간 데크의 중간에 총 2000kN의 균일한 분포하중과 경계조건을 이용한 비선형 구조응답 해석을 수행하였다.
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Area of mechanical load application of 2,000 kN on the middle deck and boundary condition applied (U = translational degree of freedom, R = rotational degree of freedom, 1= fixed)
Fig. 24 은 PFP를 고려 하지 않았을 경우의 처짐을 나타내고, Fig. 25 는 PFP를 적용 한 경우의 처침 형상을 나타내고 있다. Fig. 26 는 시간에 따른 처짐을 나타내는데 LS-DYNA 와 USFOS 결과가 비교적 잘 일치하는것을 확인할 수 있다. 그리고 PFP를 적용했을 경우 처짐이 현저히 작은 것을 확인 할 수 있는데 이는 PFP를 적용함으로써 구조물의 온도가 증가하는 것을 지연시켜 그로 인해 구조물의 온도가 PFP를 적용하지 않은 경우보다 낮아 지고 처짐이 작아지는 것을 의미 한다.
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Deformed shapes of the topside module without PFP after 550s
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Deformed shapes of the topside module with PFP after 600s
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Comparison of deflections of the topside module at monitoring points: (a) without PFP and (b) with PFP
4. 결 론
PFP의 경우 현재 화재사고에 대한 해양플랜트 구조물의 설계시 구조물의 온도 상승과 붕괴를 지연하기 위한 하나의 방법으로 많이 사용되고 있다. 본 논문에서는 화재 사고시 PFP 효과를 고려한 구조응답 해석 기법에 대해서 연구하였다. 본 연구를 통해 다음의 결론을 얻을 수 있다.
  • (1) KFX 프로그램을 이용한 화재 전산유체역학(CFD) 해석 결과를 LS-DYNA 프로그램을 이용하여 열전달 해석과 구조응답 해석을 수행하는 기법을 개발하였다. LS-DYNA프로그램은 다양한 구조응답 해석이 가능한 범용 구조응답 해석 프로그램으로, 기존의 사용자들이 본 연구에서 개발된 기법을 이용하여 화재 시의 구조응답 해석을 수행할 수 있을 것으로 사료된다.
  • (2) 기존의 방법은 KFX 프로그램의 모든 위치에서의 해석 결과를 이용하지만, 인터페이스 프로그램을 이용한 개선된 해석기법은 최대 1000개의 지정된 위치에서의 해석 결과만을 이용할 수 있다.
  • (3) 쉘 요소를 이용하여 열전달 해석을 수행하는 FAHTS프로그램의 해석 결과를 빔 요소의 USFOS 프로그램에 적용 시 평균값과 증분량으로 변환하여 사용되기 때문에 그 과정에서 오차가 발생한다. 인터페이스 프로그램을 이용한 LS-DYNA에서는 변환과정을 거치지 않고 열전달 해석 결과를 이용하여 구조응답 해석을 수행할 수 있다.
  • (4) PFP의 경우 열적 물성치를 입력한 열전달 해석을 수행하여 PFP 효과를 구현하였다. FAHTS 프로그램의 경우 PFP의 온도에 따른 열전도계수와 두께만을 입력하여 열전달 해석이 수행되며, 본 연구에서 제시하는 기법은 PFP의 온도에 따른 열전도계수와 두께뿐만 아니라 PFP의 비열 값을 고려하였다.
  • (5) LS-DYNA의 경우는 2차원 쉘요소를 사용하기 때문에 1차원 요소를 사용하는 기존의 방법에 비해 복잡한 형상에 대한 구조응답 해석이 가능하다.
  • (6) 본 연구에서 개발 된 기법을 FPSO Topside 구조물에 적용하였을 때 기존의 FAHTS/USFOS를 사용한 기법과 그 결과가 잘 맞는 것을 확인 할 수 있었다.
본 연구에서 개발된 방법을 이용하여 화재 사고에 대한 해양플랜트 구조물의 안전설계에 유용한 자료가 될 것으로 사료 된다.
Acknowledgements
이 논문은 부산대학교 자유과제 학술연구비(2년)에 의하여 연구되었음.
References
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