해양플랜트 구조물의 화재 사고 시 PFP 효과를 고려한 비선형 구조응답 해석 기법에 대한 연구

Methods for Nonlinear Structural Response Analysis of Offshore Structures with Passive Fire Protection under Fires

  • 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.

  • KEYWORD

    해양구조물 , 수동적 방화 , 열전달해석 , 비선형 구조응답

  • 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