산업단지 내 에너지 저장시설 지진 안전성 평가를 통한 내진성능 향상에 관한 연구 = Seismic Performance of Energy Storage Facilities in Industrial Complexes through Seismic Safety Evaluation a study on the improvement

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 최근 한반도에서 발생하는 지진 위험성 증가에 따라 국가기반시설인 에너지 저장기지 주요 시설물을 대상으로 지진으로 발생하는 에너지를 예측하고 대상 시설의 지진안전성 평가를 통하여 잠재적인 지진 위험성으로부터 안전성 여부를 확인하고 안전성이 확보되지 않은 시설에 대하여 내진성능을 향상시키기 위하여 방안을 제시하고자 한다.
대상 시설물의 안전성평가를 위하여 지진위험제어 절차에 따라 1차적으로 현장조사를 통한 설계 현황 및 시설물 노후도 및 지지상세조사를 수행하여 대상 시설 및 기기에 설계기준 분석을 수행하였으며, 2단계 시뮬레이션을 통한 건축물 내진설계평가 및 비구조체 내진성능 평가를 통한 지진안전성을 평가하였다. 3단계 지진안전성 평가에 따라 보완 대책 또는 보강방안을 선정 및 적용하여 에너지 저장시설의 내진성능을 확보하였다.
구조해석은 상용프로그램인 MIDAS-IT의 MIDAS GENw를 사용하였고, 구조물의 해석을 위해 기존 설계도서를 준용하였으며, 해석에 사용한 하중은 국토교통부의 ｢건축구조기준 KDS 41(2019) ｣와 미국 연방기준인 ｢IBC2021｣을 따랐다.
평가 대상은 주요 시설물인 탱크로리 출하대, 변전소, Coalescer, Over Bridge 4개 시설물을 대상으로 현행 설계기준 KDS41(2019)에 따라 지진에 대한 안전성평가를 수행하였다.
지진 안전성 평가를 위한 구조해석 수행결과 출하대 시설은, 기둥부재는 최대 123.1%, 보 부재는 최대 105.3%의 stress ratio로 나타났다. 이중 기둥부재는 44.4%, 보 부재는 1개 부재가 국내에 발생할 수 있는 재현주기 2400년 수준의 지진에 대하여 안전성을 확보하지 못하는 것으로 해석되었다. 따라서 지진에 대하여 현행 설계기준을 만족하기 위해서는 구조물의 보강이 필요한 것으로 나타났다.
변전소 시설을 해석한 결과, 보, 기둥 및 기초 부재는 국내에 발생할 수 있는 재현주기 2400년 수준의 지진에 대하여 안전한 것으로 해석되었다. 일부 보(G2) 부재에서 내력이 부족한 것으로 해석되었는데, 압축철근이 과소 배근된 것으로 나타났으며, 이는 G2 부재가 중앙 보를 지지하는 역할만 하는 보로서 압축철근이 과소한 것으로 인해 커다란 구조적 문제는 없는 것으로 판단되어 특별한 보강은 필요하지 않는 것으로 판단된다.
Coalescer 시설을 해석한 결과, 주요 지지부재의 stress ratio는 최대 4.7% 정도로 나타났다. 따라서 여수기지의 Coalescer를 지지하는 부재는 국내에 발생할 수 있는 재현주기 2400년 수준의 지진에 대하여 안전한 것으로 해석되었다.
Overbridge 시설을 해석한 결과, 주요 지지부재의 stress ratio는 최대 20.7% 정도로 나타났다. 따라서 여수기지의 Overbridge 시설의 부재는 국내에 발생할 수 있는 재현주기 2400년 수준의 지진에 대하여 안전한 것으로 해석되었다.
출하대 시설을 해석한 결과, 재현주기 2400년 수준의 지진에 대하여 안전성을 확보하지 못하는 것으로 해석되어 내진성능 향상을 위하여 보강이 필요한 상황으로 확인되었다. 본 연구에서는 가새를 추가하여 기존 골조시스템을 가새골조 시스템으로 변경하여 구조 시스템의 성능을 증진하는 보강방안과 더불어 기둥부재에 수평부재를 추가하여 기둥의 좌굴길이를 줄여 기둥의 성능을 증진시키는 보강방법을 적용하였다. 보강 설계를 적용하여 탱크로리 출하대 시설을 재해석한 결과, 부재의 응력비(stress ratio)는 보 부재는 최대 94%, 기둥부재는 최대 100%수준으로 나타났다. 가새로 사용된 L-50×5 형강부재는 stress ratio가 82% 수준이며, 기둥보강에 사용된 H-100×100×6×8 부재는 stress ratio가 33% 수준으로 충분한 성능을 발휘할 수 있는 부재크기로 판단된다는 결과가 도출되었으며 보강된 탱크로리 출하대는 2400년 재현주기 지진에 대하여 안전성을 확보한 것으로 확인되었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study predicts the energy generated by earthquakes targeting major facilities of energy storage bases, which are national infrastructures, in accordance with the recent increase in the risk of earthquakes occurring on the Korean Peninsula, and confirms safety from potential earthquake risks through earthquake safety evaluation of the target facilities. In order to improve the seismic performance of the facility where safety is not secured, we would like to suggest a plan.
In order to evaluate the safety of the target facility, in accordance with the seismic risk control procedure, the design status and deterioration of the facility and detailed support were first conducted through a field survey, and design criteria analysis was performed on the target facility and equipment. Earthquake safety was evaluated through building seismic design evaluation and non-structural seismic performance evaluation. According to the 3rd stage earthquake safety evaluation, supplementary measures or reinforcement measures were selected and applied to secure the seismic performance of the energy storage facility.
For structural analysis, MIDAS GENw of MIDAS-IT, a commercial program, was used, and the existing design book was applied for the analysis of the structure. It complied with the "UBC Seismic Provision Standard". For the evaluation target, the safety evaluation against earthquakes was conducted according to the current design standard, KDS41 (2019), for four main facilities: a tank lorry shipping platform, a substation, a coalescer, and an over bridge.
Unlike other facilities as a result of analyzing the shipping table facilities, it was interpreted that safety was not secured against earthquakes with a recurrence period of 2400 years, and it was confirmed that reinforcement was required to improve seismic performance. In this study, a reinforcement method to increase the performance of the structural system by changing the existing frame system to a braced frame system by adding braces and a reinforcement method to improve the performance of the column by reducing the buckling length of the column by adding a horizontal member to the column member was applied. As a result of reinterpreting the tank lorry shipping platform by applying the reinforcement design, the stress ratio of the members was found to be up to 94% for beam members and up to 100% for column members. The L-50×5 section steel member used as a brace has a stress ratio of 82%, and the H-100×100×6×8 member used for column reinforcement has a stress ratio of 33%, which is a member that can demonstrate sufficient performance. The result of judging by the size was derived, and it was confirmed that the reinforced tank lorry shipping platform secured safety against the 2400-year return cycle earthquake.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 1 절 연구의 배경 및 필요성 1
• 제 2 절 연구의 목적 4
• 제 3 절 연구 범위 및 방법 6
• 제 1 항 설계기준 적정성 평가 6
• 제 2 항 시뮬레이션을 통한 지진안전성 평가 7
• 제 3 항 지진 안전성평가에 따른 대책 수립 7
• 제 2 장 이론적 배경 9
• 제 1 절 산업단지 내 에너지 저장시설의 종류 9
• 제 1 항 국내 에너지 저장시설 현황 9
• 제 2 항 석유저장시설(석유기지) 현황 9
• 제 3 항 가스저장시설(LNG기지) 현황 11
• 제 2 절 위험물 안전관리 세부기준 12
• 제 3 절 지진 영향지역 산업단지 관리현황 16
• 제 1 항 지진 영향지역 산업단지의 문제점 16
• 제 2 항 국내외 산업단지의 지진대비 관리정책 17
• 제 3 항 화학물질 취급시설의 내진설계 18
• 제 4 항 산업단지 지진 예측모델 19
• 제 4 절 일본의 내진진단 기준 21
• 제 1 항 개 요 21
• 제 2 항 일본 내진진단 기준 21
• 제 3 항 일본 내진진단 기준 회차별 상이점 23
• 제 3 장 지진 안전성평가 방안 24
• 제 1 절 안전성 평가방법의 종류 24
• 제 1 항 결정론적 안전성평가 24
• 제 2 항 확률론적 안전성평가 25
• 제 3 항 결정론적 및 확률론적 안전성 평가방법의 비교 26
• 제 2 절 지진 안전성 평가방안 제시 27
• 제 1 항 지진에 대한 기존 확률론적 안전성 평가 27
• 제 2 항 지진 안전성 평가방안 제시 29
• 제 4 장 내진 구조해석 및 분석 31
• 제 1 절 개요 31
• 제 2 절 내진설계 기준 및 해석 32
• 제 1 항 내진설계기준 32
• 제 2 항 내진 해석절차 40
• 제 3 항 평가 대상지역 지진하중 산정 41
• 제 3 절 각 시설물별 내진해석 42
• 제 1 항 탱크로리 출하대 42
• 제 2 항 변전소 51
• 제 3 항 Coalescer 56
• 제 4 항 Overbridge 61
• 제 4 절 내진해석 및 분석결과 68
• 제 1 항 탱크로리 출하대 68
• 제 2 항 변전소 68
• 제 3 항 Coalescer 68
• 제 4 항 Overbridge 69
• 제 5 항 시설물별 결과 분석 69
• 제 5 장 내진 성능 향상을 위한 보강설계 70
• 제 1 절 기존 구조물 보수, 보강방법의 종류 70
• 제 1 항 균열 보수 및 접합공법 70
• 제 2 항 같은 재료로 단면을 증대시키는 공법 70
• 제 3 항 철골 부재를 추가하는 보강 공법 70
• 제 4 항 강판 부착 공법 70
• 제 5 항 탄소섬유시트 부착공법 71
• 제 6 항 Wire-Tension 공법 71
• 제 7 항 Bracing 공법 71
• 제 2 절 보강방안 선정 72
• 제 1 항 적용 가능 보강방안 종류 72
• 제 2 항 보강방안 산정 72
• 제 3 절 보강 상세방안 제시 74
• 제 1 항 보강전 시설물 부재 해석 결과 74
• 제 2 항 보강 상세방안 75
• 제 3 항 보강후 시설물 부재 해석 결과 77
• 제 6 장 결론 81
• 참고문헌 84
• 부 록 88
• Abstract 102