선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 지진시 터널구조물의 동적거동을 파악하기 위하여 응답변위법과 동적해석법을 이용하여 내진해석을 실시하였다. 그리고, 이를 통하여 적절한 내진해석절차를 연구하였다.
가설 설정
- 2) 원형터널의 단면은 강성이 같은 링으로 모델링 된다. 이 때 링은 일반적으로 연속된 탄성보로 가정되어진다(그림 1).
- 4) 2차원유한요소해석과 3차원유한요소해석에 의한 라이닝의 최대단면력이 같다. 그리고, 사인파를 입력 하중으로 사용한 경우 라이닝 응력이 지진파를 사용한 경우보다 과대평가되었다.
- 지진시 갱구부의 동적거동을 파악하기 위해, 그림 19와 같이 갱구부를 모델링하고 3차원 유한요소망을 작성하여 내진해석을 실시하였다. 갱구부의 지층의 두께는 36m, 종방향으로 100m떨어진 지점의 지층두께는 76m로 가정하였고, 터널직경은 8m, 라이닝 두께는 30cm로 가정하였다. 지반의 물성치는 표 2에 나타난 것과 같이 일반적인 연암층을 기준으로 설정하였다.
- 입력지반운동으로 사인파와 지진파가 사용되었다. 사인파의 가속도 진폭은 SHAKE를 이용한 파동 해석결과 터널이 위치한 지점의 최대가속도인 0.165g로 하였으며 주기는 기반면 상부지층의 고유주기로부터 0.96 sec 로설정하였다. 지진파는 기반암 가속도 시간이력곡선을 최대가속도가 0.
- 파장이 L, 진폭이 A인 전단사인파가 발생하여 터널구조물에 작용할 때(그림 2), 터널을 보와 같이 가정한다면 전단변위에 대한 터널의 곡률은 다음과 같은 식을 적용하여 구한다.
제안 방법
- 연직방향으로 진행하는 지진파에 대한 동적해석을 위한 2차원 유한요소망은 그림 20과 같다. 갱구부의 경사지형을 고려하기 위하여 종방향으로 다섯지점을 선정하여 해석을 수행하였다. 측면에 수직변위를 구속하는 경계조건을 사용하였고, 바닥면에는 감쇄경계조건을 적용하였다.
- 갱구부의 내진해석을 위한 입력하중의 선정기준이 부족하므로 갱구부로부터 30m, 70m, 110m 지점을 기준으로 각각 입력하중을 구해서 해석을 수행하였다. 표 3은 응답변위법에 적용하기 위하여 터널이 위치한 깊이에서의 지반변위를 응답스펙트럼에 의한 단순계산법에 의해 구한 것이다.
- 내진해석을 실시하기 위해서 입력지반운동이 먼저 결정되어야 한다. 국내의 경우, 지진에 대한 과거기록이 없는 실정이므로, 건설교통부의 '내진설계기준'에 의거하여 설계응답스펙트럼을 작성한 후 이것을 이용하여 입력지반운동으로 사용되는 가속도시간이력곡선을 작성하였다. 주어진 해석조건에 의하여 설계응답스펙트럼은 아래와 같은 절차에 의해 그림 6과 같이 작성된다.
- 본 연구에서는 지진시 터널구조물의 동적거동을 파악하기 위하여 응답변위법과 동적해석법을 이용하여 내진해석을 실시하였다. 그리고, 이를 통하여 적절한 내진해석절차를 연구하였다.
- 기반면 입력지반운동을 구하기 위하여 해석모델의 종방향 중간지점의 단면을 기준으로 SHAKE해석을 실시하여 기반면에서의 최대지반가속도를 구하여 그림 7을 선형축소시켜 사용하였다.
- 동적유한요소해석을 위하여 3차원해석과 2차원해석이 실시되었다. 그림 4는 2차원 유한요소망을 나타내고, 그림 5는 3차원 유한요소망을 나타낸다.
- 그림 11은 2차원 유한요소망을 나타낸다. 양면 경계에 터널축방향 변위를 구속하는 경계조건을 적용 하고, 양 측면에 감쇄경계조건을 적용했다.
- 3차원 유한요소망은 그림 5와 같다. 양측면 경계에 터널축방향 변위를 구속하는 경계조건을 적용하고 해석모델의 앞면과 뒷면에 감쇄경계조건을 적용했다.
- 기반면에서의 입력지반운동을 파악하기 위해서 먼저 지진에 의한 지반의 자유장운동을 파악하여야 깊이에 따른 진폭의 감쇄현상을 고려할 수 있다. 이를 위해 SHAKE 해석을 실시하여 그림 8과 같은 기반면의 가속도 시간이력곡선을 작성한다.
- 그림 4는 2차원 유한요소망을 나타내고, 그림 5는 3차원 유한요소망을 나타낸다. 자유장운동을 묘사하기 위해서 2차원, 3차원 모두 양 측면에 수직방향 변위를 구속하는 경계조건(elementry boundary)을 적용하였고, 바닥면에는 감쇄경계조건(dashpot)을 적용하였다. 입력지반운동은 바닥면에 전단파로 작용된다.
- 이 해석기법에 기초를 둔 컴퓨터 프로그램으로는 PENTAGON-2D, 3D를 이용하였다. 지반을 모델링하기 위해서 솔리드요소를 사용하고, 터널구조물을 모델링하기 위해서는 프레임(frame)요소와 셸(shell)요소를 사용하였다.
- 지진시 갱구부의 동적거동을 파악하기 위해, 그림 19와 같이 갱구부를 모델링하고 3차원 유한요소망을 작성하여 내진해석을 실시하였다. 갱구부의 지층의 두께는 36m, 종방향으로 100m떨어진 지점의 지층두께는 76m로 가정하였고, 터널직경은 8m, 라이닝 두께는 30cm로 가정하였다.
- 그림 13은 경계조건이 동적해석에 미치는 영향을 파악하기 위해서 해석에 적용되는 두가지 케이스를 나타낸다. 첫 번째 케이스는 해석모델의 양 측면에 축방향변위를 구속하는 경계조건을 사용하였고, 두 번째 케이스는 위, 아래면에 축방향변위를 구속하는 경계조건을 사용하였다.
- 갱구부의 경사지형을 고려하기 위하여 종방향으로 다섯지점을 선정하여 해석을 수행하였다. 측면에 수직변위를 구속하는 경계조건을 사용하였고, 바닥면에는 감쇄경계조건을 적용하였다.
- 터널과 지반의 상대강성에 따라 원형터널의 동적응답을 파악하기 위해 라이닝 두께가 30cm, 40cm, 50cm인 경우에 대하여 응답변위법과 동적해석법을 적용하여 해석을 실시하였다. 그림 9는 지진시 원형 라이닝에 작용하는 축력의 분포를 나타낸 것이다.
대상 데이터
- 입력지반운동으로 사인파와 지진파가 사용되었다. 사인파의 가속도 진폭은 SHAKE를 이용한 파동 해석결과 터널이 위치한 지점의 최대가속도인 0.
- 갱구부의 지층의 두께는 36m, 종방향으로 100m떨어진 지점의 지층두께는 76m로 가정하였고, 터널직경은 8m, 라이닝 두께는 30cm로 가정하였다. 지반의 물성치는 표 2에 나타난 것과 같이 일반적인 연암층을 기준으로 설정하였다. 연직방향으로 진행하는 지진파에 대한 동적해석을 위한 2차원 유한요소망은 그림 20과 같다.
- 터널횡단방향 내진해석을 위한 지층조건은 그림 3과 같이 기반암부터 지표면까지의 지층두께가 63m이고 풍화암으로 모델링되었다. 터널의 제원은 직경 8m, 설치위치는 지표면 하부 29m 지점으로 설정하였다. 해석에 적용된 지층 및 라이닝에 대한 물성치는 표 1과 같다.
- 터널횡단방향 내진해석을 위한 지층조건은 그림 3과 같이 기반암부터 지표면까지의 지층두께가 63m이고 풍화암으로 모델링되었다. 터널의 제원은 직경 8m, 설치위치는 지표면 하부 29m 지점으로 설정하였다.
이론/모형
- 갱구부의 동적거동을 파악하기 위하여 응답변위법과 동적유한요소해석법을 채택하였다. 갱구부 종단방향 내진해석을 위한 3차원 유한요소망과 경계조건은 그림 22와 같다.
- 파전파이론을 사용하여 지진에 의한 동적거동을 파악하기 위해 본 논문에서는 유한요소해석기법을 사용하였다. 이 해석기법에 기초를 둔 컴퓨터 프로그램으로는 PENTAGON-2D, 3D를 이용하였다. 지반을 모델링하기 위해서 솔리드요소를 사용하고, 터널구조물을 모델링하기 위해서는 프레임(frame)요소와 셸(shell)요소를 사용하였다.
- 파전파이론을 사용하여 지진에 의한 동적거동을 파악하기 위해 본 논문에서는 유한요소해석기법을 사용하였다. 이 해석기법에 기초를 둔 컴퓨터 프로그램으로는 PENTAGON-2D, 3D를 이용하였다.
성능/효과
- 1) 전단파가 연직으로 진행할 경우, 천단부에서 45°지점에서 가장 큰 단면력이 발생하였다. 응답변위법에 의해 계산된 라이닝에 작용하는 단면력의 분포와 동적해석법에 의해 계산된 단면력의 분포는 같았다.
- 1) 터널축과 평행하게 진행하는 사인전단파를 이용한 동적해석을 위해서는 축방향 해석영역이 파장의 1/2 이상일 때 정확한 해석결과를 얻을 수 있다.
- 2) 응답변위법과 정적유한요소해석법에 의해 계산된 단면력이 같았다. 이것은 터널구조물이 지진시 지반 변형에 순응한다는 것을 나타낸다.
- 그림 16은 입력하중으로 사인파와 지진파를 이용했을때 계산된 라이닝의 최대압축응력을 비교한 것이다. 2차원, 3차원유한요소해석 모두 사인파를 사용했을 때가 지진파를 사용했을 때보다 최대압축응력이 약 1.8배 크게 나타났다. 2차원해석과 3차원해석의 결과는 같게 나타났다.
- 그림 21은 지진파가 연직으로 진행시 라이닝에 발생하는 최대 압축응력을 종방향에 대하여 나타낸 것이다. 2차원, 3차원해석 모두 갱구부에서 멀어질수록 최대 압축응력이 증가하는 것으로 나타났다. 그리고, 2차원해석과 3차원해석시의 라이닝에 발생하는 최대 압축응력은 거의 같게 나타났다.
- 3) 2차원 동적유한요소해석에 의한 결과는 3차원 동적유한요소해석에 의한 결과와 같게 나타났다. 지형이 복잡한 갱구부의 경우에도 2차원해석결과와 3차원 해석결과가 같게 나타났다.
- 3) 응답변위법에 의해 계산된 라이닝의 최대 응력은 동적유한요소해석법에 의해 계산된 라이닝의 최대응력보다 과대평가 되었다. 이는 응답변위법에 의한 내진설계가 동적해석법에 의한 것보다 보수적인 설계라는 것을 나타낸다.
- 5) 지반조건이 다른 두 지반을 터널이 통과할 때, 라이닝의 단면력은 물성의 차이가 클수록 증가했다. 균일한 지반에 설치된 터널에 대해서는 횡단방향 내진해석시 라이닝에 작용하는 단면력이 더 컸고, 지반조건이 다른 두 지반을 터널이 통과할 경우, 종단방향 내진해석시 라이닝에 발생하는 단면력이 더 컸다.
- 6) 갱구부의 횡단방향 내진해석시, 지반의 변형과 라이닝의 단면력은 갱구부에서 가장 크게 나타났고, 갱구부에서 멀어질수록 감소하였다. 그리고, 사인파를 입력하중으로 사용한 해석이 지진파를 입력하 중으로 사용한 해석보다 더 보수적인 결과를 나타내었다.
- 7) 3차원해석시 갱구면을 기준으로 구한 지반운동을 이용한 경우, 라이닝에 발생하는 최대응력이 가장 컸다. 이것은 갱구부의 종단방향 내진해석시, 갱구부 단면을 기준으로 구한 지반운동을 사용하는 것이 보수적인 해석이라는 것을 나타낸다.
- 5) 지반조건이 다른 두 지반을 터널이 통과할 때, 라이닝의 단면력은 물성의 차이가 클수록 증가했다. 균일한 지반에 설치된 터널에 대해서는 횡단방향 내진해석시 라이닝에 작용하는 단면력이 더 컸고, 지반조건이 다른 두 지반을 터널이 통과할 경우, 종단방향 내진해석시 라이닝에 발생하는 단면력이 더 컸다. 그러므로, 지반의 물성차이가 작으면 횡단방향 내진해석시 라이닝에 발생하는 최대응력이 더 지배적이고, 지반의 물성차이가 크면 종단방향 내진해석시 발생하는 라이닝의 최대응력이 더 지배적이라는 것을 알 수있다.
- 2차원해석과 3차원해석의 결과는 같게 나타났다. 그러므로, 종방향 내진해석시 사인파를 이용한 간편화된 2차원 유한요소해석이 효율적이고 안전측해석임을 알 수 있다.
- 균일한 지반에 설치된 터널에 대해서는 횡단방향 내진해석시 라이닝에 작용하는 단면력이 더 컸고, 지반조건이 다른 두 지반을 터널이 통과할 경우, 종단방향 내진해석시 라이닝에 발생하는 단면력이 더 컸다. 그러므로, 지반의 물성차이가 작으면 횡단방향 내진해석시 라이닝에 발생하는 최대응력이 더 지배적이고, 지반의 물성차이가 크면 종단방향 내진해석시 발생하는 라이닝의 최대응력이 더 지배적이라는 것을 알 수있다.
- 4) 2차원유한요소해석과 3차원유한요소해석에 의한 라이닝의 최대단면력이 같다. 그리고, 사인파를 입력 하중으로 사용한 경우 라이닝 응력이 지진파를 사용한 경우보다 과대평가되었다. 그러므로, 사인파를 입력하중으로 사용한 간편화된 2차원동적유한요소해석이 내진해석시 적합하다는 것을 알 수 있다.
- 6) 갱구부의 횡단방향 내진해석시, 지반의 변형과 라이닝의 단면력은 갱구부에서 가장 크게 나타났고, 갱구부에서 멀어질수록 감소하였다. 그리고, 사인파를 입력하중으로 사용한 해석이 지진파를 입력하 중으로 사용한 해석보다 더 보수적인 결과를 나타내었다.
- 이것은 전단파가 연직으로 진행할 때 라이닝에 발생하는 축력이 천단에서 45°지점에서 최대라는 것을 나타낸다. 그리고, 응답변위법과 동적유한요소해석법 적용시 단면력분포가 같게 나타났다.
- 그림 23, 24는 사인파와 지진파를 입력하중으로 사용했을 때 터널깊이의 최대지반가속도와 라이닝에 발생하는 최대압축응력을 종단방향에 대하여 나타낸 것이다. 두 그래프 모두 갱구부에서 값이 가장 크고 갱구부로부터 종방향으로 들어갈수록 최대지반가속도와 최대압축응력값이 감소함을 나타내었다. 사인파를 사용한 경우의 최대응력값이 지진파를 사용했을 때보다 더 크게 나타났다.
- 그림 15는 응답변위법과 동적유한요소해석법을 적용했을 때 계산된 라이닝의 최대응력을 나타낸다. 응답변위법 적용시 최대응력이 동적유한요소해석법을 적용했을 때보다 약 1.3배 크게 나타났다. 이것은 횡방향 내진해석과 같이 응답변위법에 의한 해석이 더 보수적이라는 것을 나타낸다.
- 이것은 터널구조물이 지진시 지반 변형에 순응한다는 것을 나타낸다. 응답변위법에 의한 라이닝의 최대응력이 동적유한요소해석법에 의한 라이닝의 최대응력보다 과대평가 되었다. 이는 응답변위법에 의한 내진해석이 동적해석법보다 보수적인 해석임을 나타낸다.
- 지반의 물성이 변하는 지점에서 가장 큰 응력의 증가가 나타났다. 지반의 물성차이가 작으면(E1/E2=1, 2) 횡단방향 내진해석시 라이닝에 발생하는 최대응력이 더 지배적이고, 지반의 물성차이가 크면 (E1/E2=5, 10) 종방향 내진해석시 발생하는 라이닝의 최대응력이 더 지배적이라는 것을 알 수 있다.
- 그림 12는 터널 종방향 해석영역범위, l를 60m, 120m, 180m로 했을 때, 사인파를 이용한 3차원 동적해석시 라이닝에 발생하는 최대 압축응력을 나타낸 것이다. 해석영 역의 길이가 입력사인파의 1/2파장(L)보다 작을 경우 단부의 경계효과로 인하여 라이닝에 발생하는 압축응력이 과소평가되었고, 1/2이상일 경우 일정하게 나타났다. 이것은 사인파를 이용한 3차원 동적유한요소해석시 종방향 해석영역은 입력파 파장의 1/2이상이어야 정확한 해석결과를 얻을 수 있다는 것을 나타낸다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.