[논문]중공 단면을 갖는 취수탑의 내진 안전성 평가

배정주; 김용곤; 이지호; 한상훈

가설 설정

또한, 프로그램은 범용적이고 다양한 하중조건을 고려한 모델링과 전처리(Pre-Processor) 및 후처리(Post-Processor)가 용이한 MIDAS를 이용하였다. 모델링은 구조물의 기하학적 형상과 응력 집중부위 등을 고려하여 절점 (Node) 13, 179개, 요소(Solid) 9, 041개로 Fig. 2와 같이 구성하였으며, 취수탑 하부기초의 경계조건은 고정단으로 가정하였다.
해석모델은 Solid 요소를 이용한 3차원 유한요소해석을 수행하였으며, 해석모델은 탄성범위 내에서 거동한다고 가정하였다. 또한, 프로그램은 범용적이고 다양한 하중조건을 고려한 모델링과 전처리(Pre-Processor) 및 후처리(Post-Processor)가 용이한 MIDAS를 이용하였다.

제안 방법

만수위와 사수위를 적용하였다. 동수압과 권양 시설물은 질량으로 치환하여 관성력에 영향을 받도록 모델링 하였으며, 특히 동수압은 지진 발생 시유체가 취수탑에 부가되어 취수탑과 일체로 거동하는 것처럼 나타나므로 취수탑에 가해주는 부가질량으로 근사화하여 적용하였으며, 근거는 김용곤5) 의 ''동수압을 고려한 콘크리트 중력식 댐의 내진 안전성 평가''와 환경부°에서 발간한 “상수도 시설내진설계기준마련을 위한 연구''를 준용하였다. 또한, 지진하중은 대상구조물에 임의의 방향으로 작용하게 되지만 해석의 편의를 위하여 설계 응답 스펙트럼은 세 개의 직교방향 성분으로 각각 독립된 입력 운동에 대한 응답을 구한 다음, 이들 세 성분에 의한 응답을 조합하여 방향성을 고려하고 있다.
따라서 상수도 시설에 대한 지진 영향을 정확히 평가하여 내진설계가 필요한 주요시설물에 대한 합리적인 내진설계 기준을 정립하고 기존의 내진설계 대싱-시설의 내진성능 향상 대책을 수립하는 것이 국가적으로 시급한 과제라 하겠다. 본 논문에서는 지진을 고려한 동적해석에서는 권양 시설, 동수압 등을 질량(mass)으로 치환하여 적용하였으며, 지진력은건설교통부°의 “기존 댐의 내진 성능 평가 및 향상요령''에 따라 설계 응답 스펙트럼을 적용하여 안전성평가를 수행하였다.
또한, 지진하중은 대상구조물에 임의의 방향으로 작용하게 되지만 해석의 편의를 위하여 설계 응답 스펙트럼은 세 개의 직교방향 성분으로 각각 독립된 입력 운동에 대한 응답을 구한 다음, 이들 세 성분에 의한 응답을 조합하여 방향성을 고려하고 있다. 따라서 지반운동의 방향성을 X, Y, Z 방향 중에 한 방향을 기준으로, 나머지 두 방향은 30%를 적용하여 다음과 같은 3가지 경우로 분류하였다.
또한, 취수탑에 작용하는 하중은 취수탑의 자중, 연결교량, 권양시설, 정수압 등으로 하중조건은 수위 변화에 따라 달라지므로 상시만수위(EL.100.lm) 와 사수위(EL.83.0m)로 구분하여 적용하였다. 기타 하중은 문헌, 도면 등을 통하여 Table 2와 같이 산정하였다.
연결되어 있다. 본 취수탑의 안전성 평가는 정적해석과 지진을 고려한 동적해석을 수행하였으며, 하중은 자중, 권양시설, 연락교량 및 정수압 등을 고려하였다. 상수도 시설은 수원에서부터 각 가정의 급수장치에 이르기까지 광범위한 지역에 분포되어 있으며 토목구조물, 관로, 전기 및 기계설비, 건축구조물 등 다양한 구조물이나 설비로 구성되어 있다.
시설물의 내진등급은 시설물의 중요도에 따라 내진 특등급, 내진 I등급, 내진 II등급의 3가지 등급으로 분류되며, 본 취수탑은 붕괴방지 수준의 내진 I등급으로 선정하여 500년 빈도의 재현주기를 적용하였다. 설계지반 운동은 지진 I구역이므로 구역계수 0.
이상과 같이 취수탑에 작용하는 하중들을 고려하여 정적 및 동적해석을 통한 안전성 평가를 실시하였다. 동수압의 영향을 고려해주기 위해 유사정적해석이 아닌 부가질량법을 이용한 동력학적 해석이 성공적으로 수행되었으며 만수위 및 사 수위시지 진에 의해 발생하는 가장 큰 인장응력은 만수위시 취수구 방향 지진에 대해 취수구 입구 부분에서 발생하며 균열응력을 초과하는 것으로 나타났다.
11 을 적용 하였다. 평균재현주기에 따른 지진의 최대유효지반가속도는 Table 5와 같이 위험 도계 수로 나타내며, 본 취수탑은 500년 빈도의 재현 주기를 적용하였다.
Combination)방법을 이용하였다. 한편, 지진력은 3개의 직교축으로 동시에 발생하는 지반운동으로 적용하였으며, 이 중 연직방향의 지반운동은 수평 방향의 지반운동에 비해 구조물에 미치는 영향이 크지 않으므로 수평방향의 1/2를 적용하였다.
해석을 수행하기 위한 입력 물성치는 Table 1과같이 콘크리트의 단위중량, 탄성계수 및 포와송비등으로 금회 코어채취를 통하여 얻은 결과를 분석하여 적용 하였다.

대상 데이터

본 취수탑은 높이 26.9m의 원형단면을 갖는 구조로 상단에 권양시설과 연결교량이 연결되어 있으며, 단면은 Fig. 1과 같다.

이론/모형

특히, 취수탑은 기하 틱-적 형상에 의해 지진 발생시 관성력이 크게 작용하여 안전성이 취약할 것으로 예상된다. 따라서, 지진에 대한 안전성 평가를 건설교통부勺의 ''댐 설계기준'과 “기존 댐의 내진성능 평가 및 향상 요령'' 등의 문헌에 따라 응답스펙트럼 해석방법을 적용하여 수행하였다.
콘크리트 허용응력은 한국콘크리트학회2)의 “콘크리트 구조설계기준''과 건설교통부3)의 “댐 설계기주'에 의해 Table 3과 같이 산정하였다.
거동한다고 가정하였다. 또한, 프로그램은 범용적이고 다양한 하중조건을 고려한 모델링과 전처리(Pre-Processor) 및 후처리(Post-Processor)가 용이한 MIDAS를 이용하였다. 모델링은 구조물의 기하학적 형상과 응력 집중부위 등을 고려하여 절점 (Node) 13, 179개, 요소(Solid) 9, 041개로 Fig.
본 해석은 자유도가 2개 이상인 다자유도 시스템으로 계산하였으며, 이에 대한 모드별 해석 결과의 조합(Modal Combination)은 모드간 확률적인 상관도를 고려할 수 있도록 고안된 CQC(Complete Quadratic Combination)방법을 이용하였다. 한편, 지진력은 3개의 직교축으로 동시에 발생하는 지반운동으로 적용하였으며, 이 중 연직방향의 지반운동은 수평 방향의 지반운동에 비해 구조물에 미치는 영향이 크지 않으므로 수평방향의 1/2를 적용하였다.

성능/효과

동수압의 영향을 고려해주기 위해 유사정적해석이 아닌 부가질량법을 이용한 동력학적 해석이 성공적으로 수행되었으며 만수위 및 사 수위시지 진에 의해 발생하는 가장 큰 인장응력은 만수위시 취수구 방향 지진에 대해 취수구 입구 부분에서 발생하며 균열응력을 초과하는 것으로 나타났다. 그러나, 검토한 모델링은 철근을 고려한 해석이 아니므로 만수위시 Y방향 지진이 발생하는 경우에 대하여 최대 응력부 단면에 대한 단면검토를 실시하였으며 P-M 상관도를 작성하여 단면력을 검토한 결과 최종적인 안전에 대한 결론을 내릴 수 있게 되었다.
단면검토는 MIDAS/Set 을 이용하여 최 대응력 부의 단면형상 및 철근을 모델링하여 단면 2차 모멘트 및 설계모멘트 설계축력 등을 산출하고, MIDAS/ Civil의 결과 응력을 모멘트로 환산하여 Fig. 7, 8과같이 비교한 결과 X-방향 지 진시 취수탑저면 응력이 최대 발생부 단면에 대한 P-M 상관분석한 결과단면력 비가 0.653으로 1 이하로 나타나 안전한 것으로 평가 되었다. 또한, 응력검토결과 균열응력을 초과하는 Y-방향 지진시의 단면력을 비교한 결과단면력 비가 0.
동수압의 영향을 고려해주기 위해 유사정적해석이 아닌 부가질량법을 이용한 동력학적 해석이 성공적으로 수행되었으며 만수위 및 사 수위시지 진에 의해 발생하는 가장 큰 인장응력은 만수위시 취수구 방향 지진에 대해 취수구 입구 부분에서 발생하며 균열응력을 초과하는 것으로 나타났다. 그러나, 검토한 모델링은 철근을 고려한 해석이 아니므로 만수위시 Y방향 지진이 발생하는 경우에 대하여 최대 응력부 단면에 대한 단면검토를 실시하였으며 P-M 상관도를 작성하여 단면력을 검토한 결과 최종적인 안전에 대한 결론을 내릴 수 있게 되었다.
또한, 고유치 해석결과 X방향의 기본주기(Fundamental Period)는 0.24초에서 58.00%로 나타났고, Y 방향은 0.225초에서 57.43%, Z방향은 0.036초에서 74.87%로 나타났다.
653으로 1 이하로 나타나 안전한 것으로 평가 되었다. 또한, 응력검토결과 균열응력을 초과하는 Y-방향 지진시의 단면력을 비교한 결과단면력 비가 0.7이로 안전한 것으로 나타났다.
6에 나타내었으며, 지진 방향성에 대한 응력은 만수위 조건과 마찬가지로 연직방향에 비하여 두 수평 방향 지진시 크게 나타났다. 압축응력은 모두 허용응력 범위 이내에 있는 것으로 나타났으며, 인장응력은 허용응력을 초과하나 균열응력 이내로 지진 발생시 균열은 발생하지 않을 것으로 판단된다.

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