설계 검토를 위한 기본 모델

LNG Tank는 하중 조합이 필요한 설계 검토 기능을 제공합니다.

유체의 낮은 온도 때문에, Solid 요소로 구성된 모델의 열해석이 수행되어야 하고, 이는 종종 Shell 요소로 구성된 모델의 구조해석을 수행하였을 때 하중 조합에 있어 어려움을 야기합니다.

LNG Tank는 열해석에서 얻은 온도 및 온도 변화를 Shell 모델로 가져오고, 필요한 모든 하중 조합을 단일 모델에서 수행하며 효율적인 방식으로 설계 검토 결과를 제공합니다.  

Tank Wizard의 기능을 모두 사용하기 위해서는, MicroSoft Excel spreadsheet application이 미리 설치되어 있어야 합니다. Wizard는 설계 하중 조합을 위해 스프레드시트 템플릿을 가져오고, 설계 검토 리포트 역시 스프레드시트로 작성됩니다.

본 매뉴얼은 Tank Wizard 기능을 이용하여 설계 검토를 수행하는 과정을 다루고 있으며, 모델링 개념에 대한 자세한 내용은 별도의 LNG Tank User Manual을 참고하면 됩니다.

LNG Tank User Manual에서 사용된 사용자 입력값이 본 매뉴얼에서도 계속 사용되며, 그렇지 않은 경우에는 별도로 안내하고 있습니다.

1.     Preparations

사용자 입력

Tank>Tank Definition에 미리 정의된 사용자 입력값을 제공합니다.

2.     기본 모델 구성

기본 모델 구성

Tank> Create 3D Shell Model…메뉴를 실행하여 모델을 구성합니다.

• ‘Number of buttress’를 0으로 입력합니다. (Buttress를 해석모델에 고려하지 않음)
• ‘Roof ratio for 1^st build’는 0.5로 입력합니다.
  여기서 정의한 값에 따라 시공단계 해석모델에서 1차로 시공되는 Roof의 두께가 결정됩니다. 시공단계 해석모델의 ‘Ringbeam 1^st PS stage’ 단계에 적용되는 Ringbeam의 첫 번째 프리스트레스의 양 역시 이 값에 따라 다르게 적용됩니다.

모델은 아래와 같이 구성됩니다.

철근 및 프리스트레스 텐던

철근 및 프리스트레스 텐던의 배근을 정의하고, 해석 모델에 적용합니다.  

Tank> Design Checks> Add/Update Rebars and Tendons… 메뉴를 이용하여 철근 및 프리스트레스 텐던을 정의합니다.

대화창의 Template Download 버튼을 눌러 템플릿을 다운받아 값을 정의합니다.

철근 및 프리스트레스 입력 시트는 아래 LUSAS가 설치된 폴더에서 확인할 수 있습니다.
[C:\Program Files (x86)\LUSAS230\Programs\scripts\Tank\Tank_Template_Reinforcement.xlsx]. 위의 파일을 작업폴더에 복사해 붙여 넣고 사용할 수도 있습니다.

Wall reinforcement

‘Wall’ 시트에서 벽체의 내, 외측 철근 배근을 정의합니다.

• Ringbeam을 포함 최대 15쌍의 (내, 외측) 벽체 철근을 정의할 수 있습니다
• 정의가 필요하지 않은 셀은 공란으로 남겨 둡니다.

• Location : 모델러에서 철근 데이터셋 명으로 사용됩니다.
• Height : 동일한 철근 배근이 적용되는 각 구간의 높이를 정의합니다.
              입력한 ‘Height’의 총 합은 Tank Definition에서 정의한 Height of Wall 과
              일치해야 합니다. 
• Separate Stage(Y/N) : ‘N’ 을 입력하면 현재 구역에 대한 시공 단계가 생성되지 않고,  이전 단계에서 해당 구역이 활성화 됩니다.
• Cover thickness : 가장 인접한 Concrete 표면에서 철근 표면까지의 거리 (mm).

• Rebar Arrangement Type : A – 수직 철근 내측 위치

      B – 수평 철근 내측 위치

• Diameter : 철근 직경 (mm).
• Number of Rebar : 번들로 묶인 철근의 개수.  묶음철근이 아닌 경우 1을 입력.
• Spacing : 철근 중심간 간격 (mm)
• Es : 철근의 탄성계수 (MPa)

• Rebar Arrangement Type : A – 수직 철근 외측 위치

      B – 수평 철근 외측 위치

Slab reinforcement

슬래브의 내, 외측 철근 배근은 ‘Slab’ 시트에 정의합니다.

• Annular part와 Central part 각 1쌍씩, 최대 2 쌍의 슬래브 철근을 정의할 수 있습니다.  중심방향과 원주 방향에 대해 철근을 정의할 수 있습니다. (직교방향 배근으로 적용되는 것이 아니므로 주의 필요)

• Annular Part는 아래 삽도에서 표시한 것과 같이 Slab의 외측 부분입니다. (=L_outer)

• Rebar Arrangement Type : A – 원주 방향 철근 상면 위치

      B – 중심 방향 철근 상면 위치

Roof reinforcement

Roof의 내, 외측 철근 배근은 ‘Roof’ 시트에서 정의합니다

• 최대 2 쌍의Roof 철근을 정의할 수 있습니다.
• Varying Part는 아래 삽도에서 표시한 것과 같이 외측 부분을 의미합니다. (=sl₁ + sl₂)

• Rebar Arrangement Type : A – 원주 방향 철근 상면 위치

      B – 중심 방향 철근 상면 위치

Prestress Tendon

벽체와 슬래브의 텐던 배치는 ‘PreStress’ 시트에서 정의합니다. 

• 벽체의 경우 Ringbeam을 포함하여 최대 15 쌍을 정의할 수 있습니다.
• 해당 구역에 프리스트를 고려하지 않는 경우, 공란으로 남겨 둡니다.
• 피복 두께(Cover thickness)는 콘크리트 외측 면으로부터 텐던 표면 까지의 거리를 의미합니다. 

철근 배근

철근 배근은 모델러에서 Wood-Armer 속성으로 정의됩니다.

Roof의 Hoop 철근은 Bar in X에, Radial 철근은 Bar in Y에 정의됩니다.

Wall의 Horizontal 철근은 Bar in X에, Vertical 철근은 Bar in Y에 정의됩니다.

Slab의 Radial 철근은 Bar in X에, Hoop철근은 Bar in Y에 정의됩니다.

내측 철근은 Top Face에, 외측 철근은 Bottom Face에 정의됩니다.

구성된 모델에서Shell 요소의 Local z 축은 탱크의 내부를 향합니다. 따라서 벽체의 외측면은 ‘bottom face’를 의미합니다. 

묶음철근의 간격은 [Spacing / Number of rebar]로 계산하여 적용합니다.

여기에 입력한 값은 콘크리트의 균열 폭에 영향을 미치기 때문에 주의하여야 합니다. 또는 묶음철근을 1개의 철근으로 환산했을 때 등가의 반경을 계산하여 적용하는 방법을 사용할 수 있습니다.

아래 삽도는 Wall Lot 1에 대한 철근 정보를 나타냅니다.

Rebar Arrangement type of A 은 내측의 수직방향 철근을 의미하기 때문에 Bar in Y는 Layer 1에 위치합니다.

철근 정보는 철근 배근 간격에 맞춰 Surface를 분할하여 모델링하지 않았기 때문에 속성 데이터를 모델에 적용하지 않습니다. 단, 정의되어 있는 속성 데이터의 이름에 있는 철근 정보를 설계검토에 반영합니다.

텐던 배치

텐던 배치는 Wood-Armer/RC Slab 속성에 저장됩니다. 철근 정보가 모델러에서 업데이트 되면, 텐던 정보를 잃을 수 있기 때문에 해당 정보는 모델러에서 확인할 수 없습니다.

Analyses

총 70개 하중케이스를 갖는 4개의 해석이 기본 모델에 정의됩니다.

• Base Analysis : 선형 해석을 위한 것으로 총27개의 하중케이스가 생성됩니다. 정의된 하중케이스중 23개는 하중이 이미 적용되어 있습니다. 별도로 수행한 2D 열해석의 결과를 ‘Max External Max Base Heating Temperature’ 를 포함한 4개의 하중케이스에 적용하여 해석에 반영할 수 있습니다.
• Seismic Analysis : 등가의 최대 지진 가속도 및 유체의 동하중이 이 곳에 추가 됩니다.
• Staged Construction Analysis : 자중이 고려된21가지의 시공 단계 하중 케이스가 정의됩니다.
• CRSH Analysis : 자동으로 해석이 추가되진 않지만, Tank> Add Loading> Creep and Shrinkage… 메뉴를 이용하여 추가할 수 있습니다. 단, Concrete Creep and Shrinkage 재료특성을 미리 정의해야 합니다. CRSH 해석을 추가하기 전,  시공단계 해석과 유사하게 21가지 단계의 하중 케이스가 정의됩니다. 여기에 순수 Creep과 Shrinkage의 영향을 검토하기 위한 하중조합이 추가됩니다. 순수 Creep과 Shrinkage의 영향은 Creep/Shrinkage가 포함된 Analysis 5의 결과에서 Creep/Shrinkage가 포함되지 않은 Analysis 4의 결과를 빼는 것으로 확인할 수 있습니다.
• Eigenvalue Analysis : 고유치 해석을 정의합니다.

Roof element layers

앞서 기본 모델 구성을 위한 대화창에 정의된 ‘Roof ratio for 1^st build’ 값에 따라 Roof는 두 개의 층으로 구성됩니다. 따라서, 시공단계를 고려하기 위해 동일한 위치에 2 쌍의 Roof Surface가 구성됩니다. 시공단계 해석 모델을 제외한 다른 해석에서는 최종 구성된 Roof 층만 사용되므로 다른 한 쌍의 Roof는 Base Analysis, Thermal Analysis, Seismic Analysis와 Eigenvalue analysis의 첫 번째 Loadcase에서 비활성화 됩니다.

Loadings

자중은 모든 해석에 적용됩니다.

기본 해석(Base Analysis)에는 27가지의 하중케이스가 정의되어 있고, 그 중 5개의 하중케이스에는 사용자 입력에 따라 정의된 하중이 적용되어 있습니다.

그 외의 해석에는 자중을 제외한 하중은 아직 정의 및 적용되어 있지 않습니다.

Base Load Combinations

기본 모델을 구성하면, [Fig 12]와 같이 10가지의 하중 조합이 함께 정의됩니다. 이들 하중 조합은 시공단계 해석에 추가된 하중의 영향을 얻는데 사용됩니다. 따라서 설계 하중 조합에서 단일 하중 케이스로 사용될 수 있습니다. 일반적으로 시공단계 해석은 비선형해석으로 해석 결과의 중첩을 적용할 수 없습니다. 하지만, 이 단순화된 접근 방식은 설계 기준에 따라 선형 설계의 관점에서 수백 개의 하중 조합을 검증하는 체계적이고 효율적인 방법을 제공합니다.

예를 들어, ‘WO Roof RingBeam 1^st PS ONLY’ 하중조합은 ‘Ringbeam 1^st PS[Staged]’ 단계의 결과에서 ‘Ringbeam[Staged]’ 단계의 결과를 뺀 것입니다.

1. Ringbeam[Staged] : Wall과 Ringbeam이 시공완료 되었으며, Roof는 아직 시공되지 않음.
2. RingBeam 1^st PS[Staged] : Wall과 Ringbeam이 시공 완료 되었으며, Roof는 아직 시공되지 않고, 1^st Prestress 하중이 적용됨.

 두 하중케이스 모두 시공단계 해석에 정의되어 있는 것으로 2)-1)의 하중조합은 시공 단계에서 순수 1^st PS의 영향을 얻기 위한 목적으로 사용됩니다.

하중 조합 템플릿

설계 하중 조합을 정의하기 위한 템플릿은 다음과 같은 형식의 파일명으로 작업 폴더에 저장됩니다. [Model name]_ComboTemplate.xlsx.

3.     철근과 프리스트레스 업데이트

모델 구성 이후 정의한 철근과 프리스트레스를 수정할 필요가 있는 경우, Tank> Design Checks> Add/Update Rebars and Tendons… 메뉴를 통해 업데이트 할 수 있습니다.

이미 정의되어 있는 속성값에 대한 업데이트를 의미하며, 적용되어 있는 속성을 제거하거나 삭제를 필요로 하는 경우에는 사용자가 모델러에서 직접 수정해야 합니다.

한 쪽 면에 대한 철근만 고려하는 경우, 다른 면의 철근 탄성계수를 해석에 영향을 미치지 않는 수준의 작은 값으로 정의하여 무시할 수 있습니다.