Tank Shell 설계

1. Shell Plate 계산

1) 개요

주요 계산은 각각의 Shell Course 마다 적절한 Min. Plate 두께를 갖도록 하는 것

으로서 각각의 Shell Course 와 Diameter에 작용하는 Hydrostatic Pressure에 대

해서 실제 사용될 Plate 의 두께를 결정하는 일이며 또 다른 중요사항은 풍하중

에서의 좌굴에 대한 저항과 Shell 의 Opening 에 관한 것이다.

2) 계산방법

(1) Design Calculations For Shell Thickness

API 650 에서는 각 Course 의 Plate 두께 계산방법을 아래 두가지로 주어지고

있다.

- One-Foot Method

- Variable Design Point Method(VDPM)

(2) One-Foot Method

이 방법이 사용하기에는 보다 더 간단하다.

이 계산은 매 Course마다의 Hydrostatic Pressure 가 바로 아래쪽 원주둘레 이

음의 위쪽 One Foot 에 작용한다는 것에 근거하고 있다.

이것은 매 Shell Course 는, Lowest Course는 Tank Bottom 이 Intermediate

Course 는 좀더 두꺼운 바로 아랫단의 Shell Course가 보강 역할을 하고 있

다는 가정에서 만들어진 것이다. 그러므로 실로 매 Shell Course는 그 바

로 아래쪽의 원주둘레 이음에서 보강이 되어있고 그 최대응력은 위쪽의 원주

둘레 이음으로 이동하고 있는 것이 된다.

One Foot Method 에 사용할수 있는 최대 허용 설계응력은 사용계획된 재질의

항복강도의 2/3로 하되, First Shell Course의 인장강도의 3/8 을 초과할수 없

을 뿐더러 Upper Course의 인장강도의 2/5 를 초과해서는 안된다. 이 두가지

의 제한조건은 인장강도가 대략 60,000psi를 초과하는 인장강도를 가진 어떠

한 강재를 사용했을때, 인장강도가 First Shell Course에 대한 설계응력이 감

소되는 영향을 준다는 것에 기인하고 있다. Tank가 High Stress Level 로

설계될때 최대응력 보유이론의 구성요소 중 Shell-To-Bottom Joint 가 Critical

Point 가 된다. 두께 계산은 반드시 실제 저장유체의 비중과 수압시험시의 비

중으로 계산되어야 하며 산출식은 API 650 의 Para.3.6.3.2 의 것을 사용한다.

Td =.2 6 1. ( )

. .D H G

SC A

d

− +

Tt = 2 6 1. ( )D H

S t

−

기본적으로 이들 계산식은 Shell Course 의 하단부 원주이음상의 One Foot 에

작용하고 있는 Hydrostatic Pressure를 내압으로 치환시켜서 이 내압에 의해

원통에 작용하고 있는 Hoop Stress를 계산하는 것으로 되어있다. 몇 가지 또

다른 Liquid 를 저장하는 것으로 설계하려면, 설계계산은 그 중 가장 높은 비

중을 가진 것으로 하여야 한다. 각 Shell Course 에 요구되는 최소두께는

1) Operating Condition

2) Hydrostatic Condition의 둘중 큰 값을 택한다.

반면에 Hydrostatic Test Condition 에서는 부식여유를 더하지 않는다.

또한 Hydrotest에서는 좀더 높은 Stress를 적용한다. (API 650 Table 3-2,약

10%씩 큼)보통은 Shell 두께를 결정하는데 Operating Condition 이 좌우한다.

(3) Variable Design Point Method (VDPM)

이 방법은 원주이음에서의 전단력과 그로 인한 소성변형(Elastic Deflection)을

고려하여 각 Shell Course에서 Max. Stress 에 대한 보다 더 정확한 위치를 구

하기 위해 계산된다. 보다 더 복잡한 이 계산과정은 각 Shell Course 의 Max.

Stress Point 를 결정하기위해 우선적으로 One-Foot Method 를 사용하여 임시

적으로 Shell Course 의 두께를 계산한다. One-Foot Method와 같이 두께계

산은 각 Course마다 Design 과 Hydrotest Condition 에 대해 개별적으로 계산

하고 둘 중 큰 값을 Min. Req’d Thickness로 취한다.

VDPM으로 설계를 하게 되면 보통은 두께가 작게 얻어지며 자재비나 시공비

가 줄어들게 된다. 또한 이 방법은 보다 큰 직경의 Tank 의 설계와 시공에

대해서도 적용할 수가 있다.

VDPM은 First(Bottom),Second 및 Upper Shell Course에 대해서 개별 설계

Procedure 로 설계한다. API 650 Appendix K 에서는 Tank 설계하는데 VDPM

의 사용 예가 나타나 있다. Upper Shell Course의 두께는 다음의 수순을

반복적으로 수행하여 결정한다.

○ Max. Design Allowable Stress 는 21000psi까지 사용할 수 있으며

○ RT 검사 요구사항을 줄이는 것에 의해서 수직이음의 효율은 0.85~0.7 까지

줄일 수 있다.

API 650 Appendix J는 Appendix A와 유사한 Design Requirement 를 담고 있

으나 20 feet 미만의 Shop Fabricated Tank 에 특별히 적용하게 되어 있으며

Plate 두께에 대한 제한은 없다. 만일 용접이음 효율이 0.7 로 줄어든다면

RT 검사는 하지 않아도 된다.

3) 최소두께

Shell 의 필요두께는 (Design 두께+부식여유) 혹은 수압시험근거 Shell 두께의 둘

중 큰 값 이상이어야 하며 아래의 최소두께보다는 커야한다.

API 650 의 Min. Nominal Thickness

Nominal Tank Diameter

(Feet)(See Note 1)

Nominal Plate Thickness

(Inches)(See Note2)

< 50 3/16

50 To<120 1/4

120 To 200 5/16

>200 3/8

Note1. Unless Otherwise Specified By The Purchaser, The Nominal Tank

Diameter Shall Be The Centerline Diameter Of The Bottom Shell-Course Plates.

4) 최대두께

API 650

최대두께 0.5 Inch 1.0 Inch 1.5 Inches 1.75 Inches

재질

A131 Gr. A A131 Gr. B

A283 Gr. C

A285 Gr. C

A36

A131 Gr. Cs

A442 Gr. 55/60

A516 Gr.55/60/65/70

A573 Gr. 58/65/70

A662 Gr. B/C

A678 Gr. A

A737. Gr. B

A131 Gr. EH 36

A537 C1. 1/2

A633 Gr. C/D

A678 Gr. B

2. Wind Girder 의 설계

1) 보강링의 치수결정

Inch단위 표현식 : Z = 0.0001 D H V21

2100( / )

Metric 단위 표현식 : Z =0.042 D H V21

245( / )

Z = 최소필요 단면계수(in3 orcm2 )

D = Tank 내경(ft or m)(API 650 에서는 D=Tank 호칭지름)H1= Tank 높이(ft or m)

V = 설계풍속(mph or m/s)

KS B 6225 및 JIS B 8501에서는 32×H1/4×Zw1/2 으로 구한다.

H = Tank 에서 풍압력을 구하는 부분의 지반면으로 부터의 높이(m)

Zn = 풍압력에 대한 지역보정계수

2) Intermediate Wind Girder

중간 보강링의 위치와 수량결정

Step1 : Unstiffened Shell 의 Max. Height 산출

·Inch 표현식 : H1 = 6(100)T )/100( Dt 3 ×(V/100)2

D = Tank 의 호칭직경(Ft or M)

* KS B 6225 및 JIS B 8501 에서는 Tank 의 내경

H1 = 상기①항의 Step1 에서 구한 Max. Unstiffened Shell Height(ft or m)

V = 설계풍속(mph or m/s)

H1은 상기 9.1 항의 Step1 에서 구한 값을 실제 설계에 적용하지 않고 더 작은

값을 사용했을 경우는 실제로 사용된 값을 대입한다. 중간 보강링의 보강 유효

범위 보강링을 설치했을 경우의 보강에 유효한 단면계수는, 보강링의 단면계수

+ 보강링 설치부분의 Shell 의 단면계수로써 잡되 Shell 의 단면계수는 보강링부

로 부터 상하로, Dt47.1 (in)혹은 Dt34.1 (cm)의 사이의 Shell 부분의 범위로

한다.

중간보강링과 Shell 의 수평이음 중간보강링은 Shell 의 수평이음을 기준하여 상

하고 각각 6 inch 이내의 범위에 위치시키면 안된다.