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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 22(2); 2022 > Article
FRP 소화수조의 부재간 결속으로 슬로싱 방지를 위한 구조해석 연구

Abstract

The seismic safety of a fire extinguishing water tank must be verified because of the revision of the seismic design standard of fire protection systems. Although, the FRP water tank has weak physical properties, it is often used as a fire extinguishing water tank, confronting the reality that there is no way of checking its structural safety. This study focuses on a reliable structural analysis by extracting and accumulating data on the physical and chemical characteristics of FRP through the National Certification Testing Agency to ensure the structural safety of an FRP water tank. It has been found that sloshing causes the breakage of a water tank and the fluid movement in the lower part of a water tank can be reduced not by using the external reinforcement method but by improving the internal structure through binding of the water tank members. This method can be employed for reinforcing the seismic safety of an FRP water tank with weak physical properties. Accordingly, a water tank with a structure that prevents sloshing caused by an earthquake has been developed. The improvement in the seismic safety of the developed fire extinguishing water tank has been verified through a Solidworks simulation analysis. Therefore, the proposed strategy for the improvement of the seismic safety of a fire extinguishing water tank can be employed as the basic study material for using an FRP water tank with weak physical properties as the seismic fire extinguishing water tank.

요지

소방시설의 내진설계 기준의 개정으로 소화수조 본체의 내진 안전성을 반드시 검증하게 되었다. 그럼에도 불구하고, 소화수조로 지금까지 현장에 많이 설치된 물성이 취약한 FRP 물탱크는 구조 안전성을 확인할 수 있는 방법이 없다는 현실에 직면하고 있다. 본 연구에서는 FRP 물탱크의 구조적 안전성 확보를 위한 FRP의 물리⋅화학적 특성 인자 값에 대해 국가공인시험기관을 통해 데이터를 추출 및 축적함으로서 구조해석의 신뢰성 제고에 대해 연구하였다. 또한 물성이 취약한 FRP 물탱크의 내진 안전성을 보강하는 방법을 외부 보강 방법이 아닌, 물탱크 부재간의 결속을 통한 자체 구조 개선으로 물탱크의 파손 원인을 제공하는 슬로싱 및 물탱크 하부 유체 유동 현상을 저감할 수 있음을 확인하였으며, 이로 인해 「지진에 의한 슬로싱 방지 구조를 갖는 물탱크」를 개발하였다. 더불어 개발된 소화수조를 Solidworks Simulation 해석을 통해서 내진 안전성이 향상되었음을 검증하였다. 이러한 결과로 소화수조의 내진 안전성을 개선함으로써, 물성이 취약한 FRP 소화수조를 내진 소화수조로 사용하기 위한 기초연구 자료로 사용하고자 한다.

1. 서 론

2016년 내진 설계 기준이 처음 제정된 후 국내 다수의 관계 기관 및 공공연구기관에서도 소화설비의 내진 안전성 확보를 위한 연구 개발이 꾸준히 진행되고 있지만, 아직까지 소화수조에 대한 연구는 많이 미흡한 실정이다.
소방시설의 내진설계 기준(NFSC 402, 2021)이 개정되면서 소화수조 본체에 대한 구조안전성을 검토하도록 규정되어 있는데, FRP 물탱크는 물성(Material Properties)이 콘크리트나 Carbon Steel 물탱크 보다 취약하여 수조 자체로서 구조 안전성을 확보하기에는 어려운 점이 있다.
FRP 물탱크는 가성비가 좋고 시공성이 편리하다는 장점으로 소화수조로 주로 많이 사용되었지만 내진설계 기준 제정 이후, 취약한 물성으로 내진 안전성을 보장할 수 없다는 단점 때문에 점점 신규 설치를 위한 현장에서는 적용을 꺼리고 있다. 또 다른 분제는, 기존에 이미 설치되어 사용 중인 수많은 현장의 현실을 외면할 수는 없는 것이다. FRP 소화수조가 설치된 기존 현장의 대책이 절대적으로 필요한 것이 현실이다.
이러한 이유로 물성이 취약한 FRP 물탱크에 대해 보완할 수 있는 연구를 진행하게 되었다.
내진 안전성을 검증하기 위해서 우선 FRP 물탱크 재질의 물리⋅화학적 특성치를 파악해야 내진 안전성을 검토할 수 있는데, 아직까지도 국내의 FRP 물탱크 제조업체는 영세하고 열악한 제조환경을 이유로 FRP 재질의 물성 특성치에 대한 데이터 축적 및 객관화가 제대로 이루어지지 않고 있다.
이에 대해 Heo (2019)은 FRP 소화수조의 물성에 Material Properties for E-glass 물성을 적용하여 구조해석을 하였다. 구조해석의 기초 인자값이 상이하여 구조해석의 신뢰성을 담보할 수 없으므로, FRP 소화수조의 정확한 내진 안전성 검증을 위해서 우선적으로 FRP 소화수조 본체의 물리 화학적 특성치를 확보하여야만 했다.
이러한 연구결과를 경험으로, 본 연구에서는 FRP 물탱크 본체의 정확한 물성을 추출하여 확보함으로 구조해석 시뮬레이션 시 적용 인자값의 기초자료로 활용하고자 하였다.
또한, 물성이 취약한 FRP 물탱크가 내진 안전성을 확보할 수 있도록 여러 가지 연구결과를 종합적으로 취합하고, 분석하여 내진 소화수조 개발을 위한 연구를 수행하였다.

2. 연구의 범위 및 방법

그동안 소화수조로 많이 사용되었지만 물성이 취약하다는 단점 때문에 점점 그 자리를 잃어가고 있는 FRP 물탱크를 대상으로 선정하였다. 더 큰 문제는 이미 설치되어 운용중인 기존의 FRP 소화수조에 대한 대책수립이 급선무인 것이다.
Heo, Kim, Lee, Shin et al. (2018)은 소화수조의 내진 안전성을 확보하는 방법으로 FRP의 취약한 물성을 보완하기 위해 소화수조 외벽에 수직 보강프레임에 버팀대를 추가적으로 설치하여 내진 안전성을 확보하는 외부 보강 방법을 제시하였다.
본 연구에서는 FRP 물탱크의 외부의 구조적 보완이 아닌 내부의 구조적 보강 방법에 대해 구조해석을 기반으로 한 연구를 하였다.
지진 시 소화수조의 변형 또는 파손 원인이 되는 슬로싱(Sloshing) 현상 및 소화수조 하부 유체 유동 현상을 저감할 수 있는 연구를 하였다.
우선, FRP 물탱크의 물리⋅화학적 특성치를 확보하기 위해서 FRP 물탱크 제조업체와 협업하여 현재 FRP 물탱크 제작 방식과 동일한 FRP 시료를 확보하였다.
FRP 두께 3 mm와 5 mm, 2종류로 구분하고 국내 공인 연구기관에 의뢰하여 FRP 소화수조의 인장응력, 전단응력, 포아송비(Poisson’s Ratio), 탄성계수 등의 기초자료를 확보하여 구조해석 시 적용하였다.
소화수조의 내진 안전성을 확보하기 위한 내부 보강 방법으로 슬로싱 현상을 저감할 수 있는 방법을 개발⋅연구하는데, 개발된 제품을 SOLIDWORKS 2019 SP 2.0 구조해석 프로그램을 이용하여, 기존에 사용되고 있는 FRP 물탱크 제작 방식과 개발된 슬로싱 방지 구조를 갖는 물탱크를 Simulation 해석을 통해 인장응력 및 전단응력 변위량의 차이를 비교⋅분석함으로 내진 안전성이 얼마나 향상되는지를 확인하고자 하였다.

3. 슬로싱 현상 방지 구조를 갖는 FRP 물탱크 개발

3.1 FRP Material Properties

FRP 물탱크의 물리⋅화학적 특성치를 확보하기 위하여 FRP 수조 제조업체에 대해 현장 조사를 하였으나, 어느 업체에서도 FRP 물성에 대한 자료를 보유한 업체가 없었다. 대부분의 제조업체에서는 열악한 제조환경과 영세함으로 기술 개발 연구 투자는 엄두도 낼 수 없는 실정이었다.
이러한 이유로 물성치 확보를 우선적으로 진행하게 되었다. 우선 기존의 FRP 제조업체와 협업하여 FRP 시료를 제작하였다. FRP 패널의 기존 제작 방식은 단위 패널 폭 2 m, 두께 3 mm 패널로 제작하였는데, 시료 분석에서는 시편 크기를 300 mm × 300 mm, 두께 3 mm와 5 mm로 나누어 분석을 의뢰하였다. 제작된 시료는 국가공인인증기관인 한국화학융합시험연구원(KTR)에 의뢰하여, FRP 소화수조의 물성 기초자료를 확보하였다. FRP 두께 3 mm, 5 mm용 모두 물성 Test Report 값이 큰 차이를 보이지 않았다.
Tables 12에 FRP 3T의 물성값과 FRP 5T의 물성값을 각각 나타내었다.
Table 1
Material Properties for FRP 3T
Material Properties for FRP 3T
Density (23 °C) 1,389 kg/m3
Tensile Young’s Modulus 8.08 GPa
Shear Young’s Modulus 8.32 GPa
Poisson’s Ratio 0.358
Tensile Strength 145 MPa
Shear Strength 92.8 MPa
Table 2
Material Properties for FRP 5T
Material Properties for FRP 5T
Density (23 °C) 1,389 kg/m3
Tensile Young’s Modulus 7.74 GPa
Shear Young’s Modulus 8.32 GPa
Poisson’s Ratio 0.385
Tensile Strength 140 MPa
Shear Strength 87.9 MPa

3.2 슬로싱 방지 구조를 갖는 물탱크 설계 및 개발

FRP 물탱크에 저장되는 용수가 지진 발생 시 물탱크를 채운 물의 유동으로 인해 슬로싱 현상이 발생하게 되는데, 이에 대한 심각성을 확인하고 이를 방지하기 위한 구조적 안정성이 확보된 물탱크의 연구 개발을 수행하게 되었다.
슬로싱 현상이란 지진과 같은 동적 하중이 소화용수를 보관하고 있는 수조 본체와 구조물에 작용하게 되면 내부 유체 수면이 출렁거리면서 물이 담겨 있는 용기의 경계, 수조 벽체, 수조 덮개 등에 동수압을 발생시키는 현상을 의미한다(NFSC 402, 2021).
이러한 동수압이 수조에 크게 작용하는 경우에는 물탱크의 벽체가 파손되거나 물탱크 자체의 이동이 발생할 수 있어 내부 용수가 유실되는 심각한 문제가 있다.
지진에 의한 슬로싱 방지 구조를 갖는 물탱크의 주요 특징은 다음과 같다(Heo, 2017).
첫째, 기존 물탱크 설치 방식에서 FRP 물탱크 본체 측면에 설치되어 FRP 물탱크 하중을 지탱하고 있는 다수의 수직 보강 프레임(Reinforcing Frame)을 물탱크의 전체 높이보다 연장하여 돌출되게 설치한다. 둘째로는 물탱크의 상단을 커버하는 상부 덮개 커버의 윗면으로 횡단 부재(Transverse Accessories)를 격자 형태로 설치한 후, 수직 보강 프레임의 돌출부위(Top Protrusion)와 상부 횡단 부재를 연결 고정한 것이 주요 특징이다.
슬로싱 방지 구조를 갖는 FRP 물탱크의 상부 횡 부재는 Wire, Turnbuckle, 강봉, 평 Plate 중 어느 하나로 이루어질 수 있는데, 이번 연구에서는 횡 부재를 평 Plate로 구성하여 실시하였으며 평 Plate의 단부를 절곡(Bending)하여 수직 보강 프레임의 상부 돌출단(Top Protrusion)과 볼트 및 너트 등의 결속 수단을 이용하여 분리, 결합, 체결이 되도록 하였다.
이때 횡 부재의 절곡면(Bent piece)과 수직 보강 프레임의 돌출단에는 각각 구멍을 천공(Drill)하여 볼트 및 너트로 체결한다. 아울러 횡 부재의 실시 예로 Wire, Turnbuckle, 강봉 등의 경우에도 덮개커버를 경우에 따라 FRP 물탱크 본체로부터 분리할 필요가 있게 되므로, 수직 보강 프레임의 상부 돌출단과 분리 및 결합이 가능하도록 체결하였다.
횡단 부재의 결합에 의해 FRP 물탱크 본체의 상단 덮개 커버가 아래 방향으로 누르는 힘이 작용하게 되며, FRP 물탱크 본체에 수용된 용수가 지진 발생에 의한 슬로싱 현상으로 덮개커버 하단부를 동수압에 의해 강하게 타격하더라도, 덮개커버가 FRP 물탱크 상단으로부터 벗겨지거나 또는 물탱크 상단 측이 파손되는 현상을 방지함으로 용수의 유실을 방지할 수 있다.
Fig. 1은 지진에 의한 슬로싱 방지 구조를 갖는 FRP 물탱크 입면도를 나타내었다.
Fig. 1
Elevation of FRP Water Tank with Sloshing Prevention Structure
kosham-2022-22-2-91gf1.jpg
이와 같은 구성은 슬로싱 발생 시 좌우로의 흔들림 현상을 억제하기 위한 것으로 후술하는 Cross Bar와 더불어 전체적으로 FRP 물탱크 본체의 흔들림 현상을 상당 부분 억제할 수 있게 된다.
이러한 구성 적용에 의해 FRP 물탱크 자체의 흔들림 현상을 억제하게 되므로, 콘크리트 기초 패드 상면 측으로 수평선상 길게 연장되는 수평 프레임(Horizontal Frame)의 길이를 대폭 줄일 수 있게 되고, 이에 따라 기초 패드의 설치 면적을 축소할 수 있어 협소한 공간에서의 내진 안전성을 보장하는 물탱크의 설치 시공이 가능하도록 하였다.
Fig. 2는 슬로싱 방지 구조를 갖는 FRP 물탱크 단면도를 나타내었다.
Fig. 2
Cross Section of FRP Water Tank with Sloshing Prevention Structure
kosham-2022-22-2-91gf2.jpg
한편, 전술한 상부 덮개커버의 횡 부재 채택과 더불어, 물탱크 외벽면의 수직 보강프레임과 수직 보강프레임 사이를 ‘X’자 형태로 Cross Bar를 상호 연결함으로 물탱크 본체를 지지하여 FRP 물탱크의 내진 안전성을 더욱 보강하였다.
‘X’자 형태로 수직 보강프레임과 수직 보강프레임을 Cross 연결하게 되면, 지진 시 물탱크 전체가 좌우로 흔들리는 현상이 발생될 때, Cross Bar가 물탱크 본체 벽면과 접하여 견고하게 지지함으로 좌우로의 흔들림 현상을 상당 부분 억제할 수 있게 된다.
Fig. 3은 ‘X’자 형태의 Cross Bar를 보강, 결속한 설계도면을 나타내었다.
Fig. 3
‘X’ Cross Bar Reinforcement FRP Water Tank
kosham-2022-22-2-91gf3.jpg
Fig. 4에 나타냈듯이 수직 보강프레임과 수직 보강프레임 사이의 외 측면은 FRP 물탱크 본체의 형상이 볼록하게 형성되므로 그 볼록 부위로 인해 Cross Bar를 ‘X’자로 연결시키는 작업이 난해할 수 있는데, 이를 해소하기 위해 Cross Bar의 양쪽 단부 측에 절곡 편(Bent piece)을 형성한다. 그 절곡 편에 장공(Long hole)을 천공(Drill)하고 이와 결합되는 수직 보강프레임들의 단부 측에도 장공을 형성하여, 각각의 절곡 편에 Cross Bar를 접하여 볼트, 너트 등의 결합 수단을 이용하여 연결 고정 설치하였다.
Fig. 4
‘X’ Shape Cross Bar Reinforcement
kosham-2022-22-2-91gf4.jpg
Fig. 4에는 FRP ‘X’자 형태의 Cross Bar 보강대를 나타내었다.
이와 같이 장공을 이용한 볼트 결합에 의할 경우, 지진 발생 시 물탱크 본체의 요동에 따른 충격력 등이 일정 정도 상쇄될 수 있는 효과를 기대할 수 있으며, 물탱크의 외측 볼록 부위가 일정하지 않을 경우 장공을 이용하여 결합 부위를 조정 가능하도록 설치하였다.
Fig. 5는 FRP 소화수조 ‘X’자 형태의 Cross Bar 보강대 결속 상세도를 나타내었다.
Fig. 5
‘X’-shaped Cross Reinforcement Assembly Detail
kosham-2022-22-2-91gf5.jpg
Cross Bar의 설치에 따라 물탱크 본체의 외 측면을 보강하게 되고, 콘크리트 기초 패드에 견고하게 고정되는 수평 프레임과 수직 보강프레임 중간 부위를 경사지게 연결하는 지지 프레임들의 결합에 의해 지진 발생 시 FRP 물탱크 내부에 저장된 용수의 출렁임에 의한 동수압이 발생하더라도 물탱크의 내진 안전성을 용이하게 확보할 수 있게 된다.
Cross Bar는 Figs. 67에 각각 나타냈듯이 평 Plate 형태로 구성하여 설치하였으나, 상부 덮개 횡 부재의 실시 예에서 나타낸 바와 같이 Wire, Turnbuckle, 강봉 중 어느 하나로 해도 내진 안전성을 향상시키는 데는 문제가 없을 것이다. Wire, Turnbuckle, 강봉 등을 이용하는 경우에는 그 각 단부와 절곡 편 간의 연결 구조를 Wire의 경우 절곡 편의 장공 측으로 삽입하여 단부를 결속할 수 있으며, Turnbuckle의 경우에는 그 단부에 볼트 및 너트 등을 이용하여 결속할 수 있고, 강봉을 이용하는 경우에는 강봉의 단부 측에 구멍을 천공(Drill)하여 절곡 편의 장공과 볼트 및 너트 등을 이용하여 결속할 수 있을 것이다.
Fig. 6
Breakwater Tension Reinforcement Installation Section
kosham-2022-22-2-91gf6.jpg
Fig. 7
Floor Plan of Installation of Breakwater Tension Reinforcement
kosham-2022-22-2-91gf7.jpg

3.3 슬로싱 방지 방파판 개발

전술한 바와 같이 본 연구개발에서는 상부 횡 부재를 이용하여 덮개 커버의 고정 상태가 유지되도록 하고, 아울러 FRP 물탱크 본체 내부에 구성되는 방파판을 이용하여 슬로싱 현상에 의한 동수압을 상쇄시키기 위한 방안을 제시한다.
물탱크의 형상과 재질이 워낙 다양하여 실험적, 해석적으로 안전성이 확인되지 않은 모든 종류의 물탱크에 대하여 방파판을 적용할 것을 권장하지만, 2021년 개정된 소방시설 내진설계 기준 에서는 의무 설치 조항이 삭제되었다.
2016년 소방시설에 대한 내진설계 기준이 처음 제정될 당시에는, 방파판에 대한 시설 기준은 소화수조에 발생하는 과도한 하중을 저감할 수 있도록 유체의 운동에 저항할 수 있는 강도와 내식성 있는 금속으로 제작되어야 하고, 소화수조 평면의 중앙을 기준으로 동서남북 4방향으로 각 방향 길이의 1/2 이상, 높이는 바닥을 기준으로 수조 높이의 1/2 이상으로 규정하였다.
이번 연구에서는 이와 더불어 방파판의 고정 상태를 견고하게 설치하면서도 지진 발생 시 FRP 물탱크 본체의 견고성을 보다 확실하게 담보하기 위하여 방파판의 상단 모서리 끝부분과 인접하는 수직 보강프레임 상, 하단을 각각 장력보강연결 부재(Tension Support Connection Accessories)에 의해 연결되도록 하였다.
여기서 수직 보강프레임과 물탱크 반대편의 수직 보강프레임 간에는 물탱크 내부를 횡단하는 인장봉(Tensile Bars)이 격자 형태로 각각 구비되고 수직 보강프레임과 방파판 상단 모서리 부를 수직 보강프레임의 연결 부위를 이용하여 연결한다. 즉, 통상적으로 기존 물탱크와 동일한 구조로 방파판이 설치되고, 물탱크 본체의 수직 보강프레임들을 상호 연결하기 위한 수단으로, 다수의 Wire를 이용하여 격자 형태로 연결하는데 이러한 Wire들과 수직 보강프레임 간에는 장력보강연결 부재에 의해 방파판의 외측 상단부와 수직 보강프레임 간의 연결에 의하여 방파판을 중심으로 수직 보강프레임을 잡아당기는 장력을 제공하게 된다. 이러한 장력은 물탱크가 콘크리트 기초 패드에서 견고한 고정력으로 전환되는 바, 지진 발생 시 지진하중이 물탱크 내벽 및 상부 덮개커버 측으로 가해지더라도 물탱크가 전후좌우로의 흔들림을 최소화할 수 있다. 이러한 구성요건으로 인해서 슬로싱 발생을 방해하는 요인으로 작용하게 되어 동수압 발생 여력을 최소화할 수 있고 이로 인한 물탱크의 내진 안전성을 충분히 확보할 수 있게 되는 것이다.
Figs. 67에 방파판 장력 보강 단면도 및 평면도를 각각 나타내었다.
슬로싱 방지 구조를 갖는 물탱크를 요약정리하면, 기존 FRP 물탱크의 구조에서 수직 보강프레임을 FRP 물탱크 높이보다 더 높게 설치한 후, 상부 덮개커버를 덮은 상태에서 덮개커버 상부측으로 횡단되는 격자 형태의 다수의 횡 부재를 구비하고, 수직 보강프레임과 수직 보강프레임 간을 ‘X’자 형태로 크로싱(Crossing)시키는 Cross Bar와 물탱크 내부에 구비되는 방파판의 상단 외측으로부터 수직 보강프레임 측으로 상⋅하단 연결하는 장력(Tension) 보강 연결 부재들의 구성을 갖게 된다.
이러한 구성들 또는 결합에 의해 지진이 발생하더라도 슬로싱 현상을 적극적으로 방해하게 되고 이러한 방해에도 불구하고 발생하는 슬로싱에 의한 지진하중이 작용하더라도, 물탱크의 내벽과 상부 덮개 커버 측으로 가해지는 지진하중이 상대적으로 최소화되어 물탱크 본체 및 상부 덮개커버의 손상을 방지할 수 있는 등, 지진 발생에 따른 내진 안전성이 기존의 물탱크보다 월등히 높일 수 있음이 명백하다고 할 것이다.
이러한 구성을 갖춘 FRP 물탱크는 설치되는 장소가 협소하더라도 기초 패드를 최소화할 수 있어 설치 장소의 선택성 및 장소 활용성이 높아, 작업 현장 조건에 크게 구애되지 않고 FRP 물탱크의 설치 시공이 가능할 수 있는 매우 유용하며 안정성을 갖춘 내진에 의한 슬로싱 방지 구조를 갖는 물탱크라고 할 수 있다.

4. 구조해석 성능평가

본 연구에 적용한 구조해석 프로그램으로 SOLIDWORKS 2019 SP 2.0 PROGRAM을 선정하였다. 해당 구조해석 프로그램은 매우 광범위한 산업 부분에서 사용되고 있는데, 엔지니어링 상의 일상적 문제와 정교한 문제에 대한 해답을 도출할 수 있으므로 모델링 구조해석 시 모델링 데이터에 대한 충격, 파손을 확인할 수 있으며, 해석된 데이터를 토대로 파손 분위에 대한 수정이 용이하고, 발생된 응력에 대한 파손 여부를 확인할 수 있으므로 FRP 소화 수조의 구조 해석을 위해서는 최적화된 프로그램이라 할 수 있다.

4.1 FRP 물탱크 구조해석 시뮬레이션

FRP 물탱크의 규격은 가로 3 m, 세로 3 m, 높이 2 m, 용량 18 ton을 표준 Model로 선정하였다.
이번 연구에서 슬로싱 방지 구조를 갖는 물탱크 모델링 작업 시 방파판은 구조해석에서 제외하였다. 그 이유는 물탱크 내부에 설치되는 방파판이 지진하중을 감소시켜주는 역할을 하는 것은 당연하나, 동적해석이 아닌 등가정적해석 방법을 적용함으로 물탱크 내⋅외부에 작용하는 지진하중이 동일하게 적용됨으로 방파판 설치에 대한 해석이 무의미하기 때문이다.
또한, FRP 물탱크 외벽에 설치되는 크로스 형태의 프레임도 적용하지 않고 상부 덮개프레임의 설치만으로 기존 설치 방식의 FRP 물탱크가 슬로싱 현상으로 인하여 지진하중이 얼마나 감소되는지를 확인하였다. 그리고 기존에 설치되어 있는 제작 방식과 동일한 FRP 물탱크와 연구 개발한 슬로싱 방지 구조를 갖는 물탱크를 Solidworks Simulation을 통해서 지진에 대한 내진 안전성의 차이를 확인한다.

4.1.1 FRP 물탱크 모델링

FRP 물탱크 모델링은 서로 다른 물성값과 서로 다른 Part들로 각각 지정하여 하나의 Assembly로 만들었으며, 그 과정에서 Part 선형 Pattern을 통해서 프레임 등이 균일하게 배치될 수 있도록 하였다.
FRP 물탱크 Part는 Shell 형상으로 진행되었고, 한국화학융합시험연구원(KTR)에 시험 의뢰한 FRP의 Material Properties 두께 5 mm Test Report를 사용하였다(Fig. 1).
FRP 외벽 지지 Frame Part는 ‘ㄱ’각형 50 × 50 × 4 mm를 사용하였으며, Shell 형상으로 진행되었고 Steel Material Properties를 사용하였는데, 밀도는 7,850 kg/m3 인장강도는 410 MPa이고 항복강도는 275 MPa을 적용하였다.
FRP 상부 패널의 경우, 탱크의 크기가 커질수록 중력에 취약하여 PVC 지지대를 설치하는데, PVC 지지대 Part는 두께는 4 mm로 Shell 형상으로 진행되었고, PVC의 Material Properties는 밀도는 2,400 kg/m3, 항복강도는 400 MPa을 적용하였다
철근콘크리트 PAD Part의 경우에는 Solid 형상으로 진행되었고, 콘크리트 강도는 250 MPa을 적용하였다.

4.1.2 FRP 물탱크 설계

FRP 물탱크의 Material Properties 결정 두께를 5 mm로 적용하고, 규격은 3 m × 3 m × 2 m이고, 수직 보강프레임은 0.5 m의 간격으로 설계하였다. 이때 장변 및 단변 모두 동일한 규격으로 수직 보강프레임은 개수는 각각 5개이다.
물탱크를 소방시설 내진설계 기준에서 규정한 등가정적해석방법에 의해 수평 지진하중을 산출한다.
산출된 지진하중 28.03 kN을 Solidworks 구조해석 프로그램에 반영하여, 기존 설치 방식 FRP 물탱크와 슬로싱 방지구조를 갖는 FRP 물탱크를 비교 분석하여 도출된 구조해석 결과값으로 내진 안전성의 차이를 확인하였다.
FRP 소화수조는 철근콘크리트 PAD에 바닥을 고정지오메트리로 고정하여 하중이 가해지더라도 자리를 이탈하지 않고 하중이 구조물에 모두 전달될 수 있도록 하였다.

4.2 FRP 물탱크의 구조해석

FRP 물탱크가 설치되는 지역은 지진구역 I, 지반 조건은 S3 지반(얕고 연약한 지반)으로 가정하여 Solidworks Simulation 구조해석을 통해 FRP 물탱크의 내진 안정성을 검토한다.
구조해석은 지진 가속도 스펙트럼 해석이 아닌 소방시설 내진설계 기준에서 제시한 등가정적해석을 사용하였으며 비교 대상은 기존 설치 방식의 FRP 물탱크와 슬로싱 방지 구조를 갖는 FRP 물탱크의 구조 안전성을 확인하고 인장응력과 변위량 및 전단응력의 차이를 비교 분석하였다.

4.2.1 기존 설치 방식의 FRP 물탱크

4.2.1.1 인장응력해석
기존 설치 방식의 FRP 물탱크는 수평 지진하중 48.93 kN 적용 시 FRP 물탱크 본체의 인장응력은 18.98 MPa이고, 변위량은 FRP 본체는 20.42 mm로 나타내었다.
인장응력은 응력 한계치인 145 MPa을 초과하지 않으며 안전한 값을 보이나, 변위량에서는 패널과 패널이 맞닿는 부분에서 상당히 큰 변위량을 보임으로 변위량을 감소시킬 수 있는 추가적인 보완이 필요한 것으로 확인되었다.
수직 보강프레임은 스토퍼와 수직 보강프레임이 맞닿는 부분에 233.03 MPa을 최대값을 나타내었으며 수직 보강프레임 상부 부분에서는 222.87 MPa로 확인되었다.
변위량 또한 6.29 mm의 큰 변위량을 확인할 수 있는데 인장응력은 Steel의 항복강도 275 MPa을 초과하지 않음을 확인하게 된다.
Figs. 89에 기존 설치 방식의 FRP 물탱크 인장응력 및 변위량을 각각 나타내었다.
Fig. 8
Existing Installation Method FRP Water Tank Tensile Stress
kosham-2022-22-2-91gf8.jpg
Fig. 9
Existing Installation Method FRP Water Tank Displacement
kosham-2022-22-2-91gf9.jpg
4.2.1.2 전단응력해석
기존 설치 방식의 FRP 물탱크에 등가정적하중 계산법에 의해 산출된 수평지진하중 48.93 kN 적용 시 FRP 물탱크의 전단응력은 FRP 본체는 Y-Z 축에서 1.97 MPa, 수직 보강프레임은 X-Z 축에서 23.52 MPa이라는 최대값을 나타내었다.
도출된 결과값은 FRP 본체의 전단에 대한 응력 한계치인 92.8 MPa과 수직 보강프레임의 Steel 항복강도 275 MPa 과는 상당한 차이를 보임으로 내진 안전성을 확인할 수 있었다.
Figs. 10~12에 기존 설치 방식의 FRP 물탱크 전단응력 분석으로 다음과 같이 확인되었다.
Fig. 10
Existing Installation Method FRP Water Tank Shear Stress (X-Y)
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Fig. 11
Existing Installation Method FRP Water Tank Shear Stress (X-Z)
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Fig. 12
Existing Installation Method FRP Water Tank Shear Stress (Y-Z)
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4.2.2 슬로싱 방지 구조를 갖는 FRP 물탱크 구조해석

4.2.2.1 인장응력해석
슬로싱 방지 구조를 갖는 FRP 물탱크는 수평 지진하중 48.93 kN 적용 시 FRP 물탱크 본체의 인장응력은 19.37 MPa이고, 변위량은 FRP 본체는 21.06 mm로서 기존 설치 방식 FRP 물탱크와 거의 차이가 없음을 확인하였다.
인장응력은 FRP 응력 한계치인 145 MPa을 초과하지 않는 안전한 값을 보이지만, 변위량에서는 기존 설치 방식 FRP 물탱크와 마찬가지로 패널과 패널이 맞닿는 코너 부분에서 상당히 큰 변위량을 보임으로 앞으로 변위량을 감소시킬 수 있는 추가적인 보완이 필요한 것으로 확인되었다.
수직 보강프레임은 스토퍼와 수직 보강프레임이 맞닿는 부분에 200.89 MPa을 최대값을 나타내었으며, 수직 보강프레임 상부 부분에서는 130.34 MPa로 확인되었다.
변위량은 4.47 mm의 변위량을 보이며 상당한 개선효과를 보임을 확인할 수 있었다.
이러한 결과값은 슬로싱 방지 구조를 갖는 FRP 물탱크를 적용할 경우, 인장에 대한 응력 및 Steel의 항복강도 275 MPa을 초과하지 않으며 탄성변형 구간에 있으므로 내진 안전성을 확인할 수 있었다. Figs. 1314는 슬로싱 방지 구조를 갖는 FRP 물탱크의 인장응력 및 변위량을 보여준다.
Fig. 13
FRP Water Tank Tensile Stress with Sloshing Prevention Structure
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Fig. 14
FRP Water Tank Displacement with Sloshing Prevention Structure
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4.2.2.2 전단응력해석
슬로싱 방지 구조를 갖는 FRP 물탱크에 등가정적하중 계산법에 의해 산출된 수평지진하중 48.93 KN 적용 시 FRP 물탱크의 전단응력은 FRP 본체는 Y-Z 축에서 2.63 MPa, 수직 보강프레임은 X-Z 축에서 19.69 MPa이라는 최대값을 나타내었다.
도출된 결과값은 FRP 본체의 전단에 대한 응력 한계치인 92.8 MPa과 수직 보강프레임의 Steel 항복강도 275 MPa과는 상당한 차이를 보임으로 내진 안전성을 확인할 수 있었다.
Figs. 15~17은 슬로싱 방지 구조를 갖는 FRP 물탱크 전단응력 분석으로 다음과 같이 확인되었다.
Fig. 15
Shear Stress (X-Y) for FRP Water Tank with Sloshing Prevention Structure
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Fig. 16
Shear Stress (X-Z) for FRP Water Tank with Sloshing Prevention Structure
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Fig. 17
Shear Stress (Y-Z) for FRP Water Tank with Sloshing Prevention Structure
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4.2.3 구조해석 시뮬레이션 결과

기존 설치 방식의 FRP 물탱크와 슬로싱 방지 구조를 갖는 FRP 물탱크를 등가정적해석으로 산출된 수평지진하중 48.93 kN을 동일하게 적용하여 Solidworks Simulation 구조해석한 결과를 요약하면 다음과 같다.
FRP 본체의 인장응력 및 변위량은 기존 설치 방식의 FRP 물탱크나 슬로싱 방지 구조를 갖는 FRP 물탱크 모두 근소한 차이만을 확인할 수 있었는데, 제시된 FRP 5T 물성값의 인장 및 전단에 대한 응력 한계치인 145 MPa과 92.8 MPa을 초과하지 않는 응력이 발생됨으로 FRP 물탱크에 대한 안전성을 확인할 수 있었다.
하지만, 변위량에 있어서는 모든 물탱크가 패널과 패널이 교차하는 코너 부분에 큰 변위량을 보이는 것을 확인할 수 있는데, 이는 코너 부분에 수직 보강프레임이 없으므로 발생하는 현상으로 앞으로 FRP 물탱크의 코너 부분에 대하여 변위량을 좀더 줄일 수 있는 연구의 필요성을 인지하게 되었다.
수직 보강프레임은 슬로싱 방지 구조를 갖는 FRP 물탱크 구조를 적용할 경우, Horizontal direction의 최대 인장응력은 130.34 MPa로 41.52%, 변위량은 4.47 mm로서 28.93%의 개선 효과로 보였으며, 전단응력은 19.86 MPa로 16.28%의 내진 안전성이 향상되는 것으로 분석되었다.
분석된 결과값은 Material Properties for Steel의 인장강도 410 MPa 및 항복강도 275 MPa은 초과하지 않는 응력값이다.
도출된 결과값을 근거로 종합적으로 분석해 보면, 슬로싱 방지 구조를 갖는 FRP 물탱크를 설치함으로 Material Propertiess 약한 FRP 물탱크의 내진 안전성이 현격히 향상되었음을 확인할 수 있다.
Tables 3~5를 통해 기존 설치 방식의 FRP 물탱크와 슬로싱 방지 구조를 갖는 FRP 물탱크가 인장응력 및 변위량 전단응력에서 내진 안전성이 얼마나 개선되는지 그 차이를 확인할 수 있다.
Table 3
Existing Installation Method FRP Water Tank Result
Item Main Body Frame
Tensile Stress 18.98 MPa 222.87 MPa
Displacement 20.42 mm 6.29 mm
Shear Stress 1.97 MPa 23.52 MPa
Table 4
Results of FRP Water Tank with Sloshing Prevention Structure
Item Main Body Frame
Tensile Stress 19.37 MPa 130.34 MPa
Displacement 21.06 mm 4.47 mm
Shear Stress 2.63 MPa 19.69 MPa
Table 5
Improvement Effect (Vertical Reinforcement Frame)
Item Difference Values Rate of Improvement
Tensile Stress 93.58 MPa 41.52%
Displacement 1.82 mm 28.93%
Shear Stress 3.83 MPa 16.28%

4. 결 론

FRP 소화수조의 부재간 결속으로 슬로싱 방지를 위한 구조해석 연구를 수행한 결과 다음과 같은 연구결과를 도출할 수 있었다.
첫째, FRP 물탱크의 구조해석 시 기본 인자 값으로 활용할 수 있는 FRP의 물리⋅화학적 특성치를 데이터화한 Report를 보유함으로 구조해석 시 정확한 FRP 물성값의 적용으로 구조해석의 신뢰성을 확보할 수 있었다.
둘째, 물성이 취약한 FRP 물탱크에 슬로싱 현상을 방지할 수 있는 다양한 방파판의 설치 기준을 설정하여 지진으로부터 FRP 물탱크의 내진 안전성을 향상할 수 있는 방법을 제안하였다.
셋째, 기존 설치 방식의 FRP 물탱크와 슬로싱 방지 구조를 갖는 FRP 물탱크를 Solidworks Simulation 구조해석한 결과, 지진하중에 대해 내진 안전성은 FRP 본체를 지탱하는 수직 보강 프레임의 경우는 25% 이상 개선 효과를 확인하였다.
더불어, Solidworks Simulation 구조해석에서는 제외되었지만, 방파판과 외부 ‘X’자 형태의 Cross 보강대까지 설치한다면, 지진에 의한 내진 안전성은 보다 더 개선 효과를 예상해 본다.
이러한 연구 결과를 바탕으로 지난 허동필의 연구논문 에서 제시하였던 물성이 취약한 FRP 물탱크에 내진 안전성 보강 방법으로 내진 버팀대 외부 보강 설치방법을 연구한 바 있다(Heo, Kim, Lee, Lim et al., 2018).
더불어 이번에 향상된 기법의 연구인 내부 보강 방법의 장점과 허동필의 연구논문에서 제시한 기존 설치된 소화수조의 내진보강을 위한연구결과를 총합하여 물성이 취약한 FRP 물탱크가 내진 소화수조로서 안전성을 확보함은 물론 시공의 편의성 및 가성비도 뛰어난 장점의 연구결과를 도출하였다. 이러한 보급용 내진 소화수조가 하루속히 상용화되어 궁극적으로 지진 발생 시 소화설비의 정상작동으로 화재라는 2차 재앙으로부터 우리들의 재산과 생명을 지킬 수 있는 확실한 안전장치가 되었으면 하는 바람이다.

References

1. Heo, D.P (2017) Earthquake resistant water tank for preventing sloshing. No.10-1815865, Filed June 9, 2017. Korean Intellectual Property Office Patent Holder Jongwoo Co., Ltd.

2. Heo, D.P (2019) A study on strengthening the earthquake resistance of the fire extinguishing water tank. Master's thesis, Gachon University.

3. Heo, D.P, Kim, T.H, Lee, J.M, Lim, S.B, and Min, S.H (2018) A study on the structural analysis for seismic retrofit of extinguishing tank. Proceedings of the Korea Institute of Fire Science and Engineering Conference, Vol. 2018, pp. Spring P-19. pp. 229-230.

4. Heo, D.P, Kim, T.H, Lee, J.M, Shin, J.H, and Min, S.H (2018) A study on the seismic retrofit of extinguishing tank. Proceedings of the Korea Institute of Fire Science and Engineering Conference, Vol. 2018, No. Spring, P-18, pp. 227-228.

5. NFSC 402 (2021) National fire safety code for extinguishing tank and water tank.



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