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고온을 받는 유황저장탱크의 열팽창에 의한 앵커볼트 영향에 관한 연구

Study on Effect of Anchor Bolt by Thermal Expansion of Sulfur Storage Tank under High Temperature

  • 정욱환 (연세대학교 토목환경공학과) ;
  • 김정수 (한국건설기술연구원 구조융합연구소) ;
  • 김태민 (연세대학교 토목환경공학과) ;
  • 김문겸 (연세대학교 토목환경공학과)
  • Jung, Wook-Hwan (Department of Civil and Environment Engineering, Yonsei University) ;
  • Kim, Jeong-Soo (Structural Engineering Research Institute, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology) ;
  • Kim, Tae-Min (Department of Civil and Environment Engineering, Yonsei University) ;
  • Kim, Moon-Kyum (Department of Civil and Environment Engineering, Yonsei University)
  • 투고 : 2016.08.23
  • 심사 : 2016.09.05
  • 발행 : 2016.10.30

초록

플랜트의 유황 저장 탱크는 강재로 구성되며, 탱크 저면은 앵커볼트에 의해 Ring Wall 형상의 콘크리트 기초와 연결된다. 탱크 내 유황이 내부 열원에 의해 고온상태를 유지하기 때문에, 유황 저장 탱크는 상온의 유체를 저장하는 다른 탱크에 비해 큰 체적팽창을 겪게 된다. 일반적으로 탱크 기초의 구조설계는 기초의 내외부의 온도차를 하중으로 적용한 구조해석이 수행되는데, 이 방법은 탱크의 열팽창 특성이 앵커볼트에 의해 집중하중 형태로 콘크리트 기초에 전달되는 현상을 고려할 수 없다. 이는 온도하중의 영향을 과소평가하게 되며, 앵커볼트에 인접한 콘크리트의 균열을 야기한다. 본 연구는 앵커볼트에 의한 온도 하중전달 메커니즘을 고려한 하중 평가식을 제안함으로써, 콘크리트 기초에 작용하는 하중을 보다 합리적으로 결정하고자 한다. 이를 위해 탱크 바닥판과 앵커볼트가 포함된 유한요소모델을 이용해 앵커볼트 개수 증감에 따른 온도하중의 변화를 분석하였으며, 분석결과를 이론해와 결합해 앵커볼트에 의해 전달되는 하중을 평가할 수 있는 명시적인 형태로 해를 제시하였다. 제안된 식의 유효성을 확인하기 위해 실제 플랜트 현장의 유황 저장 탱크 설계에 적용하였으며, 실무적으로 사용 가능함을 보였다.

In plant industry, sulfur storage tank is made of steel and annular plate is connected with concrete foundation of ring wall type by anchor bolt. Due to keep sulfur at high temperature in tank by coil, sulfur storage tank is expanded larger than another tank stores fluid at room temperature. Generally, structural design of tank foundation is performed analysis with loading of temperature gradient between inner and outer surface, this method can't consider the phenomenon that load is intensively transferred to concrete foundation at anchor bolt. This means that temperature load is underestimated and causes crack of concrete near anchor bolt. In this study, evaluation formula considering temperature load transfer mechanism through anchor bolt is proposed and load acting on concrete foundation is rationally decided. For this purpose, it is analyzed variation of thermal load per various anchor bolt number using finite element model including tank annular plate and anchor bolt. Solution is proposed as specified term combining result of analysis and theoretical solution for evaluating load transferred by anchor bolt. For confirmation of validation of proposed formula, it is applied in design of sulfur storage tank at plant site, it shows that the formula can be practically applied.

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참고문헌

  1. Duhamel, J.M.C. (1838) Memoires${\cdots}$par Divers Sanvants, 5, p.440.
  2. Ebrahimi, F., Rastogo, A. (2008) An Analytical Study on the Free Vibration of Smart Circular Thin FGM Plate based on Classical Plate Theory, Thin-Walled Struct., 46(12), pp.1402-1408. https://doi.org/10.1016/j.tws.2008.03.008
  3. Huang, H., Chen, B., Han, Q. (2014) Investigation on Buckling behaviors of Elastoplastic Functionally Graded Cylindrical Shells Subjected to Torsional Loads, Compos. Struct., 118, pp.234-240. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2014.07.025
  4. Kiani, Y., Bagherizadeh, E., Eslami, M.R. (2011) Thermal Buckling of Clamped Thin Rectangular FGM Plates Resting on Pasternak Elastic Foundation (three approximate analytical solutions), J. Appl. Math.& Mech., 91(7), pp.581-593.
  5. Kulkarni, V.S., Deshmukh, K.C. (2006) Quasi-static Thermal Stresses in a Thick Clamped Circular Plate due to Ramp Type Heating, J. Korean Soc. Indus. & Appl. Math., 10(2), pp.13-41.
  6. Lee, S., Song, S., Moran, K.P., Yovanovich, M.M. (1993) Analytical Modeling of Thermal Resistance in Bolted Joint, Publications-Htd, 263, pp.115-122.
  7. Marguerre (1935) Zeitschrift Fur Angewandte Mathematik und Mechanik, 15, pp.369-372.
  8. Nadai, A. (1925) Elastische Platten, p.268.
  9. Neumann, F.E. (1885) Vorlesungen uber die Theorie der Elasticitat der festen Korper
  10. Nowacki, W. (1957) The State of Stress in a Thick Circular Plate due to a Temperature Field, Bull. Acad. Polon. Sci., Ser. Sci. Tech., 5, p.227.
  11. Roy Choudhuri, S.K. (1972) A Note on the Quasistatic Stress in a Thin Circular Plate due to Transient Temperature Applied along the Circumference of a Circle over the Upper Face, Bull. Acad. Polon. Sci., Ser. Sci. Tech., 20, p.21.
  12. Shao, Z.S., Ma, G.W. (2008) Thermo-Mechanical Stresses in Functionally Graded Circular Hollow Cylinder with Linearly Increasing Boundary Temperature, Compos. Struct., 83(3), pp.259-265. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2007.04.011
  13. Sokolnikoff, I.S., Sokolnikoff, E.S. (1939) Thermal Stresses in Elastic Plates, Trans. Am. Math. Soc., 45(2), pp.235-255. https://doi.org/10.1090/S0002-9947-1939-1501989-8
  14. Wang, C.H., Rose, L.R.F., Callinan, R., Baker, A.A. (2000) Thermal Stress in a Plate with a Circular Reinforcement, Int. J. Solids & Struct., 37(33), pp.4577-4599. https://doi.org/10.1016/S0020-7683(99)00175-4
  15. Wankhede, P.C. (1982) On the Quasi-static Thermal Stresses in a Circular Plate, J. Pure & Appl. Math., 13(11), pp.1273-1277.