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.
가설 설정
- 내진설계의 요구조건은 지진구역 I의 내진성능 I등급을 만 족시키도록 하며 내진성능수준은 붕괴방지수준(재현주기 1000년)으로 가정하였다. Single Column/Shaft의 해석대상은 그림 5와 표 5와 같은 지반조건 및 구조제원을 선정하였다.
제안 방법
- 지반모델은 지반의 비선형 거동특성을 나타내는 수평방향 하중전이함수(load transfer curves)를의미하며 이는 국외 여러 기준 및 시방서에 명시되어 있는 내진설계기준에 의거하여 산정하고 그 특징 및 그에 대한 해석결과를 비교·검토하였다.
- 진도법의 지진하중은 국내 내진설계기준(건교부, 1997)에대한 설계지진계수에 기초하여 정적인 등가지진하중으로 산정할 수 있으며 계산된 관성력은 지반의 비선형거동을 모델 링하는 BNWF(Beam on Nonlinear Winkler Foundation)의해석모델에 적용하여 내진해석을 수행하였다. 이 때 지반의 다양한 비선형 거동특성은 비선형 하중전이곡선(Bi-linear 및 p-y 곡선)을 통해 모델링하였다. 응답변위법의 적용은 내진설 계기준연구 (건교부, 1997)의 표준설계응답스펙트럼(standard design response spectrum)의 최대 지표면가속도를 이용하여 산정한 지반수평변위를 BDWF(Beam on Dynamic Winkler Foundation)의 해석모델에 적용하여 해석하였다.
- 첫째, Single Column/Shaft의 내진성능목표(내진등급, 재현 주기)를 결정하고 지반조사를 통해 지반조건을 파악한다. 말뚝두부에 작용하는 등가지진하중(H eq )은 지진계수(k)와 집중 질량(W)의 곱으로 산정하고 그 관성력을 Single Column/ Shaft의 수평거동을 예측할 수 있는 BNWF 해석모델에 적용한다.
- 둘째, 지반-말뚝 시스템의 수평거동을 예측할 수 있는 BNWF의 해석모델에 등가지진하중을 작용하여 수치해석을 실시한다. 비선형 Winkler 기초(beam on nonlinear Winkler foundation, BNWF) 해석모델은 그림 2와 같이 말뚝을 보-기둥 요소로 모델링하고 지반은 여러 층으로 나누어 각층마다 일련의 개별 스프링인 하중전이곡선(t-z, q-z, p-y 곡선) 으로 모델링한다.
- BNWF 해석모델을 이용한 해석시 지반의 다양한 비선형 거동특성 및 동적특성을 고려하는 여러 지반모델을 적용하여 지반-말뚝의 상호작용을 고려한다. 본 연구에서는 국외 여러 기관에서 규정하고 있는 지반모델(Bi-linear 곡선, p-y 곡선)을 정리하였다.
- 본 연구에서는 동일한 해석대상조건에 대해 진도법과 응답 변위법을 적용하였고 각 해석방법에 대한 Single Column/ Shaft의 수평거동특성을 비교·분석하였다.
- 본 연구에서는 동일한 해석대상조건에 대해 진도법과 응답 변위법을 적용하였고 각 해석방법에 대한 Single Column/ Shaft의 수평거동특성을 비교·분석하였다. 이를 위해 해석 대상의 지반조건과 내진설계조건에 기초하여 각 의사정적해 석법에 필요한 설계정수를 내진설계기준에 부합하도록 산정 하였다.
- Single Column/Shaft의 해석대상은 그림 5와 표 5와 같은 지반조건 및 구조제원을 선정하였다. 지반조건은 일반적인 국내지반이 보이는 풍화토와 풍화암으로 이루어진 지표층과 연암의 기반암으로 구성되며 각 지반의 물성치는 풍화토 및 풍화암의 보편적인 N값에 근거하여 전단파 속도와 내부마찰각을 산정하였다. 전단파 속도는 식 (4)를 이용하였으며 내부마찰각은 Dunham의 경험식 (Φ= +15)을 적용하였다.
- 해석대상의 물성치를 적용하여 각각의 비선형 지반모델을 산정하고 그 특성을 비교하였다. 일본의 두 Bi-linear 지반모 델은 모두 N값을 근거로 수평지반반력계수를 산정하나 각기관마다 흙의 탄성계수(E 0 )식을 포함한 그 산정과정이 상이 하다.
- 각 지반모델을 적용한 수치해석에서 Single Column/Shaft 의 상부 경계조건을 두부자유, 두부구속으로 구분하여 해석 하였으며 그 해석결과를 그림 7과 그림 8에 도시하였다. Single Column/Shaft의 두부구속 조건에 따라 수평변위의 차이를 확인할 수 있으며 말뚝두부가 고정된 경우가 자유인 경우에 비해 수평변위가 작은 것으로 나타났다.
- 근입부의 상대강성과 자유장이 Single Column/Shaft의 거동에 미치는 영향을 비교·분석하였다.
- 지표층에 대한 자유장운동 해석결과를 그림 11(b)에 나타냈었다. 단일코사인식과 3차 비선형식을 이용하여 얻은 깊이별 지반수평변위를 ○-line과 ●-line으로 각각 도시하였으며 응답변위해석에는 두 지반수평변위의 평균값을 적용하였다.
- 자유장운동 해석결과를 BDWF의 해석모델에 적용하고 깊이별 지반수평변위는 선형적으로 증가하여 최대수평변위에 도달하도록 하였다. 즉 지반운동을 동일한 증가량으로 세 단계에 걸쳐 증가하도록 적용하였으며 이에 대한 단계별 해석 결과인 그림 12에서 Step 3은 그림 11(b)의 지반수평변위에 대한 해석결과이다.
- 또한 Single Column/Shaft의 수평거동에 대한 영향인자 분석을 수행하였으며 각각의 의사 정적해석법에 따른 해석결과를 서로 비교·분석하였다.
대상 데이터
- 내진설계의 요구조건은 지진구역 I의 내진성능 I등급을 만 족시키도록 하며 내진성능수준은 붕괴방지수준(재현주기 1000년)으로 가정하였다. Single Column/Shaft의 해석대상은 그림 5와 표 5와 같은 지반조건 및 구조제원을 선정하였다. 지반조건은 일반적인 국내지반이 보이는 풍화토와 풍화암으로 이루어진 지표층과 연암의 기반암으로 구성되며 각 지반의 물성치는 풍화토 및 풍화암의 보편적인 N값에 근거하여 전단파 속도와 내부마찰각을 산정하였다.
데이터처리
- 또한 Single Column/Shaft의거동에 대한 영향인자 분석을 수행하였으며 진도법에 기초한 해석결과를 응답변위법을 적용한 수치해석(BNDF 해석모델) 결과와 비교·분석하였다.
- 수치해석결과를 현장재하시험(Juirnarongrit, 2002)의 시험 결과와 비교하였다. 재하시험은 지표면 아래 6m 부근까지 N값이 약 35~37이고 그 이상의 깊이에서는 약 50인 지반에 시공된 현장타설말뚝(D=1.
이론/모형
- 본 연구에서는 진도법을 적용하여 Single Column/Shaft에대한 내진해석을 수행하였으며 지반-말뚝 상호작용을 고려하기 위해 다양한 지반모델을 적용한 수치해석기법(BNWF 해석모델)에 적용하였다. 지반모델은 지반의 비선형 거동특성을 나타내는 수평방향 하중전이함수(load transfer curves)를의미하며 이는 국외 여러 기준 및 시방서에 명시되어 있는 내진설계기준에 의거하여 산정하고 그 특징 및 그에 대한 해석결과를 비교·검토하였다.
- 진도법의 지진하중은 국내 내진설계기준(건교부, 1997)에대한 설계지진계수에 기초하여 정적인 등가지진하중으로 산정할 수 있으며 계산된 관성력은 지반의 비선형거동을 모델 링하는 BNWF(Beam on Nonlinear Winkler Foundation)의해석모델에 적용하여 내진해석을 수행하였다. 이 때 지반의 다양한 비선형 거동특성은 비선형 하중전이곡선(Bi-linear 및 p-y 곡선)을 통해 모델링하였다.
- 이 때 지반의 다양한 비선형 거동특성은 비선형 하중전이곡선(Bi-linear 및 p-y 곡선)을 통해 모델링하였다. 응답변위법의 적용은 내진설 계기준연구 (건교부, 1997)의 표준설계응답스펙트럼(standard design response spectrum)의 최대 지표면가속도를 이용하여 산정한 지반수평변위를 BDWF(Beam on Dynamic Winkler Foundation)의 해석모델에 적용하여 해석하였다.
- 도로교설계기준(한국도로교통협회, 2005)에서는 기초의 내진설계로서 등가정적해석법을 적용하도록 하고 있으며 이에 기초하여 본 연구에서는 진도법을 적용한 Single Column/ Shaft의 내진해석을 수행하였다. 해석 흐름도는 그림 1과 같으며 이는 크게 두 단계로 구분할 수 있다.
- 첫째, Single Column/Shaft의 내진성능목표(내진등급, 재현 주기)를 결정하고 지반조사를 통해 지반조건을 파악한다. 말뚝두부에 작용하는 등가지진하중(H eq )은 지진계수(k)와 집중 질량(W)의 곱으로 산정하고 그 관성력을 Single Column/ Shaft의 수평거동을 예측할 수 있는 BNWF 해석모델에 적용한다. 이 때 설계지진계수는 내진설계기준연구(II)(건교부, 1997)에서 제시하는 지진구역, 내진성능목표, 위험도계수, 지반종류를 고려하여 산정하며 지반종류별 설계지진계수는 표 1에 나타내었다.
- 말뚝두부에 작용하는 등가지진하중(H eq )은 지진계수(k)와 집중 질량(W)의 곱으로 산정하고 그 관성력을 Single Column/ Shaft의 수평거동을 예측할 수 있는 BNWF 해석모델에 적용한다. 이 때 설계지진계수는 내진설계기준연구(II)(건교부, 1997)에서 제시하는 지진구역, 내진성능목표, 위험도계수, 지반종류를 고려하여 산정하며 지반종류별 설계지진계수는 표 1에 나타내었다.
- 둘째, 지반-말뚝 시스템의 수평거동을 예측할 수 있는 BNWF의 해석모델에 등가지진하중을 작용하여 수치해석을 실시한다. 비선형 Winkler 기초(beam on nonlinear Winkler foundation, BNWF) 해석모델은 그림 2와 같이 말뚝을 보-기둥 요소로 모델링하고 지반은 여러 층으로 나누어 각층마다 일련의 개별 스프링인 하중전이곡선(t-z, q-z, p-y 곡선) 으로 모델링한다. 하중이 작용하는 방향에 따라 축방향 요소와 수평방향 요소로 구분되는 n개의 개별요소를 보 방정식에 적용한 후 2차원 유한차분법을 이용하여 말뚝해석을 수행한다(곽 등, 2006).
- 비선형 Winkler 기초(beam on nonlinear Winkler foundation, BNWF) 해석모델은 그림 2와 같이 말뚝을 보-기둥 요소로 모델링하고 지반은 여러 층으로 나누어 각층마다 일련의 개별 스프링인 하중전이곡선(t-z, q-z, p-y 곡선) 으로 모델링한다. 하중이 작용하는 방향에 따라 축방향 요소와 수평방향 요소로 구분되는 n개의 개별요소를 보 방정식에 적용한 후 2차원 유한차분법을 이용하여 말뚝해석을 수행한다(곽 등, 2006).
- 본 연구에서는 대표적인 말뚝해석코드인 LPILE PLUS (Reese 등, 2000)을 적용하였으며 도로교 설계기준(한국도로교통협회, 2005)의 탄성변위법(elastic displacement method)과 비교하여 해석모델에 대한 적용성을 평가한다.
- BNWF 해석모델을 이용한 해석시 지반의 다양한 비선형 거동특성 및 동적특성을 고려하는 여러 지반모델을 적용하여 지반-말뚝의 상호작용을 고려한다. 본 연구에서는 국외 여러 기관에서 규정하고 있는 지반모델(Bi-linear 곡선, p-y 곡선)을 정리하였다.
- 미국의 연방도로국(FHWA, 1986)에서는 AASHTO의 연구 성과 및 관련 실용 지침을 바탕으로 도로교 기초의 내진설계(seismic design of highway bridge foundation)의 절차및 지침을 제시하였다. 이 지침에서는 말뚝의 수평거동의 해석법으로 선형/비선형 해석이론을 제시하였으며 비선형해석 으로 p-y 곡선법을 제시하였다. 또한 API(1993)은 표 4와같이 다양한 지반조건에 대한 반복 p-y 곡선을 제시하였으며 반복지반감소 효과(cyclic soil degradation effect)를 고려하기 위해 반복수평하중에 대한 적합계수를 적용한다.
- 응답변위법의 핵심은 지진시 구조물에 작용하는 지반수평 변위를 결정하는 것으로 그 방법에는 응답스펙트럼방법과 지진응답해석방법이 있다. 응답스펙트럼방법은 기반암의 표준 응답스펙트럼과 제 1모드에 의한 모드해석법의 자유장운동 해석을 이용하는 방법으로 본 연구에서는 이 방법을 적용하 였다. 지반수평변위의 연직방향 분포는 식 (1)의 단일코사인 함수식과 식 (2)의 3차 비선형식을 이용하여 산정할 수 있다(일본운수성, 1998; 환경부, 1999).
- 지반수평변위는 지반운동에 대한 말뚝기초의 동적 Winkler 기초(BDWF) 해석모델에 적용하였다(정상섬 등, 2007). 이해석모델은 말뚝과 지반을 일련의 비선형 스프링 및 감쇠기로 모델링하여 지반의 강성과 감쇠를 고려한다.
- 전단파 속도는 식 (4)를 이용하였으며 내부마찰각은 Dunham의 경험식 (Φ= +15)을 적용하였다.
- 설계지진계수는 내진설계기준연구(II)(건교부, 1997)에 근거 하여 해석대상의 지반조건과 내진설계조건에 부합하도록 산정하였으며 이를 근거로 계산된 등가지진하중을 표 6에 나타내었다.
- 일본의 두 Bi-linear 지반모 델은 모두 N값을 근거로 수평지반반력계수를 산정하나 각기관마다 흙의 탄성계수(E 0 )식을 포함한 그 산정과정이 상이 하다. p-y 곡선의 지반모델은 API(1993)에서 제안한 사질토 p-y 곡선을 이용하였으며 산정과정에서 반중수평하중에 대한 지반의 반복지반감소 효과를 적합계수를 적용하였다.
- 근입깊이와 자유장은표 7과 같이 변화시켰으며 이는 그림 5의 Single Column/ Shaft의 총 길이가 25m인 경우를 기준으로 할 때 자유장 (10m)과 근입깊이(15m)를 각각 5m로 감소시킨 구조이다. 상대강성은 도로교 설계기준(한국도로교통협회, 2005)의 긴말뚝(연성말뚝)과 짧은 말뚝(강성말뚝)의 판정기준에 근거하여 구분하였다.
- 본 연구에서는 현장타설말뚝을 동일한 직경으로 교각까지 연장시킨 구조물인 Single Column/Shaft의 내진해석으로 진도법을 적용한 Single Column/Shaft의 내진해석 절차를 적용하고 이를 지반-말뚝의 상호작용을 고려한 말뚝의 수평거동 해석기법에 적용하였다. 또한 Single Column/Shaft의 수평거동에 대한 영향인자 분석을 수행하였으며 각각의 의사 정적해석법에 따른 해석결과를 서로 비교·분석하였다.
성능/효과
- p-y 곡선의 경우 동일한 지반물성을 갖는 지층에서도 깊이에 따른 지반강성의 증가를 고려하는 반면 Bi-linear 곡선은 N치로 근거해 산정한 동일 지층에서 일정한 지반강성을 갖기 때문이다. 또한 각 기준의 지반반력계수를 비교하면 일본도로협회(이하 JRA)의 지반반력계수는 일본운수성(이하 RTRI)의 그것보다 약 2.5배 큰 것을 알 수있으며 극한지반반력도 더 큰 것을 알 수 있다.
- 각 지반모델을 적용한 수치해석에서 Single Column/Shaft 의 상부 경계조건을 두부자유, 두부구속으로 구분하여 해석 하였으며 그 해석결과를 그림 7과 그림 8에 도시하였다. Single Column/Shaft의 두부구속 조건에 따라 수평변위의 차이를 확인할 수 있으며 말뚝두부가 고정된 경우가 자유인 경우에 비해 수평변위가 작은 것으로 나타났다. 말뚝의 근입 부에서 발생한 최대 휨 모멘트의 크기나 발생위치는 지반모 델이나 해석모델에 상관없이 유사하였으며 말뚝두부가 자유인 경우 최대 휨 모멘트가 지표면 아래 2D(D: 말뚝직경) 이내에서 발생하였다.
- 각 지반모델들의 수치해석결과를 비교한 결과, 두부구속조 건에 상관없이 API 지반모델을 이용한 해석이 가장 큰 수평변위를 나타내었으며 JRA 지반모델의 값이 가장 작은 것으로 나타났다. 이는 JRA 지반모델의 초기 지반강성이 API 지반모델에 비해 상대적으로 큰 값으로 산정되기 때문이라고 사료된다.
- 말뚝강성 차이에 따른 최대 휨 모멘트의 발생위치 및크기의 차는 작았다. API 지반모델은 말뚝강성에 따른 수평 변위의 차이가 상대적으로 큰 반면 Bi-Linear 지반모델은 말뚝강성에 대한 영향이 크지 않는 것으로 나타났다.
- 자유장에 대한 결과(그림 7과 그림 10)를 비교한 결과, 지반모델에 상관없이 자유장이 길수록 수평변위 및 휨 모멘트는 증가하였다. 최대 휨 모멘트의 경우, 자유장에 따라 그차이가 2배 정도로 나타났으나 그 발생위치는 지표면 아래약 1D~1.
- 최대 휨 모멘트의 크기는 내진해석방법에 따라 차이를 보였으나 발생위치는 지표면 아래 약 1D로 거의 일치하였다. 의사정적해석법인 진도법과 응답변위법은 하중/지반변위를 정적인 값으로 변환하여 해석 한다는 점에서 그 접근관점은 유사하다고 볼 수 있으며 본해석대상조건의 경우 진도법에 의한 수평변위 및 단면력이 응답변위법의 그것보다 작은 것으로 나타났다.
- 1. 제안한 내진해석절차를 통한 지반-말뚝 시스템의 수평거동 해석은 동적해석과 같이 복잡한 해석과정을 거치지 않고 Single Column/Shaft의 수평변위 및 단면력을 간편히 예측할 수 있었다.
- 2. 다양한 지반모델(수평방향 하중전이함수)을 적용한 수치해 석에서 일본도로협회(JRA)의 도로교시방서에서 제안하고 있는 Bi-linear 지반모델의 해석결과는 현장 반복수평재하 시험의 수평변위(Juirnarongrit, 2002)와 비교적 잘 일치하 였다. 이 지반모델의 경우, 지반강성을 SPT의 N값으로 산정하고 지진의 영향을 고려하는 지반정수를 적용하여 지반의 동적특성을 고려할 수 있다.
- 3. Single Column/Shaft의 영향인자 분석결과, 상대강성이 클수록 큰 수평변위가 발생하였고 최대 휨 모멘트의 크기및 발생위치는 상대강성의 영향이 적었다. 또한 두부 경계 조건은 고정인 경우가 자유인 경우에 비해 수평변위는 작았으나 고정지점에서 최대 휨 모멘트가 발생하여 지진하 중에 취약할 것으로 평가된다.
- 4. 동일한 해석대상에 대해 각 의사정적해석법에 따른 해석 결과를 비교한 결과, 응답변위법에 의한 수평변위는 진도 법에 기초해 산정한 값보다 약 1.3~2.0배 크게 예측되었 으며 휨 모멘트의 경우도 응답변위에 의한 해석결과가 약 1.5~1.7배 크게 나타났다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.