본 연구에서는 수직구의 동적 거동특성 분석을 위하여 지반조건, 입력하중 특성, 하중 방향 등의 주요 인자를 고려하여 3차원 유한요소해석을 수행하였다. 그 결과로, 다층지반에 시공된 수직구는 하부 단단한 지층이 두꺼울수록 전단력과 휨모멘트가 최대 1.7배 크게 발생되며, 지층이 변화하는 경계면에서 가장 큰 단면력이 발생된다. 또한 입력하중의 주기 특성에 따라 수직구 동적거동은 서로 다르며, 수직구와 주변지반에서의 가속도 증폭 비율은 주변지반에서 최대 3배 이상 크게 나타났다.
본 연구에서는 수직구의 동적 거동특성 분석을 위하여 지반조건, 입력하중 특성, 하중 방향 등의 주요 인자를 고려하여 3차원 유한요소해석을 수행하였다. 그 결과로, 다층지반에 시공된 수직구는 하부 단단한 지층이 두꺼울수록 전단력과 휨모멘트가 최대 1.7배 크게 발생되며, 지층이 변화하는 경계면에서 가장 큰 단면력이 발생된다. 또한 입력하중의 주기 특성에 따라 수직구 동적거동은 서로 다르며, 수직구와 주변지반에서의 가속도 증폭 비율은 주변지반에서 최대 3배 이상 크게 나타났다.
In this study, dynamic response of a vertical shaft subjected to seismic loads was evaluated by three-dimensional Finite Element (FE) approach. The emphasis was on quantifying the ground conditions, input motions and direction of motions. A series of parametric analyses were carried out. From the re...
In this study, dynamic response of a vertical shaft subjected to seismic loads was evaluated by three-dimensional Finite Element (FE) approach. The emphasis was on quantifying the ground conditions, input motions and direction of motions. A series of parametric analyses were carried out. From the results of FE analysis, more than 1.7 times increase in shear force and bending moment is obtained when the stiff layer was thinker than the soft layer. And all of the maximum values were occurred near the interface between the soil layers. The dynamic behavior of vertical shaft was significantly influenced by the different frequencies of the input motion, and normalized acceleration of surrounding soil was 3 times larger than vertical shaft.
In this study, dynamic response of a vertical shaft subjected to seismic loads was evaluated by three-dimensional Finite Element (FE) approach. The emphasis was on quantifying the ground conditions, input motions and direction of motions. A series of parametric analyses were carried out. From the results of FE analysis, more than 1.7 times increase in shear force and bending moment is obtained when the stiff layer was thinker than the soft layer. And all of the maximum values were occurred near the interface between the soil layers. The dynamic behavior of vertical shaft was significantly influenced by the different frequencies of the input motion, and normalized acceleration of surrounding soil was 3 times larger than vertical shaft.
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문제 정의
비교분석에 사용된 연구는 2차원 axis-symmetric 조건의 수치해석 결과이며, 응답변위법 결과와의 비교를 통해 그 타당성이 검증되었다(Kawashima, 1996). 본 논문에서는 3차원 해석 기법을 검증하고자 3차원 동적해석을 수행하여 기존 연구와 비교하였다.
본 연구에서는 기존연구(Kawashima, 1996)와의 비교 검증에 적용한 모델링 기법을 토대로 다층지반에 시공된 수직구의 동적거동을 분석하기 위하여 대표적인 수직구 및 지반조건에 대한 수치해석을 수행하였다. 수직구는 그림 5에 나타낸 바와 같이 직경이 9m로 2개의 지층에 시공되어 있는 것으로 모델링 하였으며, 하부지층(h2) 이하로는 기반암이 존재한다고 가정하였다.
가설 설정
따라서 연속체역학에 근거한 동적해석 수행 시 시스템의 자유진동을 감쇠시키고 거리에 따른 감쇠현상을 고려하기 위해 일반적으로 레일리 감쇠비(layleigh damping ratio)가 사용되며, 본 해석에서는 질량에 대한 레일리 감쇠비 5%를 적용하여 수치해석을 수행하였다. 또한 재료의 미소변형에 대한 전단탄성계수는 일정하다고 가정하였다(Psarropoulos et al., 2005).
본 연구에서는 기존연구(Kawashima, 1996)와의 비교 검증에 적용한 모델링 기법을 토대로 다층지반에 시공된 수직구의 동적거동을 분석하기 위하여 대표적인 수직구 및 지반조건에 대한 수치해석을 수행하였다. 수직구는 그림 5에 나타낸 바와 같이 직경이 9m로 2개의 지층에 시공되어 있는 것으로 모델링 하였으며, 하부지층(h2) 이하로는 기반암이 존재한다고 가정하였다. 지층조건은 일반적으로 국내에 분포되어있는 다층지반을 내진설계상의 지반분류 방법에 따라 연약한 층(SD:VS=180m/s)과 단단한 층(SB:VS=761m/s)으로 구분하였으며, 층 경계면에서의 구조물의 거동을 분석하고자 물성차이를 크게 하였다.
수직구는 탄성체(elastic)매질로 가정하여 면내·면외 변형을 고려할 수 있는 shell요소로 모델링 하였으며, 주변지반은 Mohr-Coulomb의 파괴규준을 따르는 탄소성(elasto-plastic)매질로 가정하여 8-node solid요소로 모델링 하였다.
제안 방법
154g를 설계 지진가속도로 적용하였다. 그림 6과 같이 장주기와 단주기 특성을 갖는 실지진파와 인공지진파를 사용하였으며, 하부지층(h2) 저면에 입력하여 기반면 상부에서 지진하중이 작용하는 것을 모사하였다.
각 지층별 수치해석에 사용한 지반조건 및 입력물성은 기존연구에서 사용된 값을 적용하였으며, 이는 표 1과 같다. 기존 연구에 적용된 입력 지진동은 현장에서 계측된 지진파를 지표면에서의 모의 지진동으로 계산하고 1차원 중복반사이론을 통해 구조물 밑면에 작용하는 최종 입력 지진동을 계산하였다. 계산된 입력 지진동은 계측값과의 비교를 통해 적정성을 검증하였고, 이를 동적해석에 적용함으로써 합리적인 결과를 도출 할 수 있었다.
하지만 이러한 연구는 구조물 주변지반의 거동이나 연결부의 안정성 평가 및 면진에 대한 연구가 대부분이며, 수직구조물을 영향인자로 분류하여 자체의 동적 거동에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았다. 따라서 본 연구에서는 수직구의 동적거동을 분석하기 위하여 ABAQUS를 이용한 3차원 동적 유한요소해석을 수행하였으며, 다층지반 조건과 입력하중 그리고 하중 방향에 따른 수직구의 동적 거동특성을 분석하였다.
또한 매질이 같은 경우에도 지반운동의 주파수에 따라 감쇠정도가 달라진다. 따라서 연속체역학에 근거한 동적해석 수행 시 시스템의 자유진동을 감쇠시키고 거리에 따른 감쇠현상을 고려하기 위해 일반적으로 레일리 감쇠비(layleigh damping ratio)가 사용되며, 본 해석에서는 질량에 대한 레일리 감쇠비 5%를 적용하여 수치해석을 수행하였다. 또한 재료의 미소변형에 대한 전단탄성계수는 일정하다고 가정하였다(Psarropoulos et al.
본 연구에서는 경계면에 도달한 파를 흡수하여 지진파의 굴절 및 반사현상을 방지하고 실제와 유사한 거동을 나타낼 수 있도록 점성경계조건(viscous boundary condition)을 적용하였다(Huo, 2004; Psarropoulos et al., 2005). 이를 위해 경계면의 법선 및 접선방향의 dashpot을 각 노드(node)마다 설치하였으며 dashpot 계수 Cp, Cs는 다음 식 (1)~(2)를 통해 산정하였다.
본 연구에서는 다층지반에 시공된 수직구의 동적거동을 유한요소해석을 이용하여 지층조건, 입력하중, 하중작용방향에 따라 분석하였다. 유한요소해석은 범용 해석 프로그램인 ABAQUS 3D(ver.
본 연구에서는 수직구 동적 거동특성을 분석하고자 지반조건, 입력하중, 하중방향 등을 고려한 3차원 동적해석을 수행하였으며 그 결과는 다음과 같다.
본 절에서는 입력하중의 방향에 따른 수직구 동적 거동특성을 분석하기 위하여 인공지진파를 수평방향, 수직방향 그리고 양방향으로 작용시켜 수치해석을 수행하였다. 수직방향 하중을 적용할 경우 하중방향으로 변위가 발생할 수 있도록 경계조건을 변경하였으며, 이외의 다른 조건들은 수평방향 하중이 작용할 때와 동일하게 모델링 하였다.
본 절에서는 지반조건 및 입력하중에 따른 수직구 동적거동특성을 파악하기 위하여 2개의 지층으로 구성된 지반에서 각 층의 높이를 20m, 30m, 40m로 변화시키고, 입력하중은 Ofunato, Hachinohe, Artificial하중을 적용하여 동적해석을 수행하였다. 그림 7은 동적해석 수행 후 구조물에 발생된 최대 전단력과 최대 휨모멘트를 지반조건에 따라 비교도시한 것이다.
수직구는 상부 연약한 층을 통과하여 하부 지지 층까지 시공된 것으로 모델링 하였으며, 구조물 아래의 지반은 기반암으로 간주하였다. 본 해석에서는 기반암 상부 지반면을 지진하중 입력점으로 설정하였기 때문에 -95m이하 지반은 모델링 하지 않았다. 이때, x축, y축 경계(Far-Field-Boundary)는 그림 1(b)와 같이 수직구의 동적거동이 경계면에 영향을 받지 않고, 최적의 해석이 수행될 수 있도록 수직구 직경(D)의 3배를 적용하여 모델링 하였다.
대상 지반은 그림 1과 같이 전체 지반 깊이(H)는 95m이며 지층은 상부토층(h1)과 하부토층(h2)으로 구성하여 연약한 층과 지지 층으로 구성되어 있다. 수직구는 상부 연약한 층을 통과하여 하부 지지 층까지 시공된 것으로 모델링 하였으며, 구조물 아래의 지반은 기반암으로 간주하였다. 본 해석에서는 기반암 상부 지반면을 지진하중 입력점으로 설정하였기 때문에 -95m이하 지반은 모델링 하지 않았다.
수직구는 일반적으로 도심지에 시공되는 경우가 대부분이기 때문에 붕괴방지 1등급(재현주기 1000년)에 해당하는 0.154g를 설계지진가속도로 적용하였으며, 그림 2와 같이 Tokachi-oki(Hachinohe) 지진기록을 해석대상부지에 적합하도록 변환하여 지지층 밑면에 작용하도록 하였다.
물성차이가 큰 두 재료 사이의 경계면은 Coulomb friction law(ABAQUS, 2008)를 적용하여 slip현상을 고려하는 것이 일반적이지만, 지진에 의해 발생된 지반의 상대변위가 수직구에도 같은 변위가 발생되도록 일체거동조건(tie)을 적용하였다. 이는 응답변위법의 기본 가정사항이며, 각각의 해석결과의 비교를 위해 지반과 수직구가 일체거동을 하도록 모델링 하였다.
본 해석에서는 기반암 상부 지반면을 지진하중 입력점으로 설정하였기 때문에 -95m이하 지반은 모델링 하지 않았다. 이때, x축, y축 경계(Far-Field-Boundary)는 그림 1(b)와 같이 수직구의 동적거동이 경계면에 영향을 받지 않고, 최적의 해석이 수행될 수 있도록 수직구 직경(D)의 3배를 적용하여 모델링 하였다. 일반적으로 해석 영역은 구조물 직경의 3D~5D를 적용하지만 본 해석에서는 기존 연구 결과와의 비교를 위해 3D를 적용하였다(Kawashima, 1996).
그림 8은 수직구와 주변지반의 깊이에 따라 발생된 최대 가속도를 기반면 가속도로 나누어(gdepth/gbedrock) 가속도 증폭정도를 무차원 값으로 나타낸 것이다. 주변지반의 가속도는 수직구의 수평 방향으로부터 3m떨어진 지점에서 측정하였으며 심도별로 비교 도시하였다. 그 결과, 모든 지반조건에서 지반의 가속도 증폭 비율이 수직구보다 크게 나타났으며 그 차이는 최대 3배 이상 발생하였다.
지층조건은 일반적으로 국내에 분포되어있는 다층지반을 내진설계상의 지반분류 방법에 따라 연약한 층(SD:VS=180m/s)과 단단한 층(SB:VS=761m/s)으로 구분하였으며, 층 경계면에서의 구조물의 거동을 분석하고자 물성차이를 크게 하였다. 지반물성은 기존에 수직구가 시공된 현장의 지반조사보고서(서울A지역 전기공급시설 전력구 공사, 2008; 부산 B지역 4차 전력구 공사, 2005)를 바탕으로 합리적인 범위내의 값을 산정하여 수치해석을 수행하였다(표 2).
수직구는 그림 5에 나타낸 바와 같이 직경이 9m로 2개의 지층에 시공되어 있는 것으로 모델링 하였으며, 하부지층(h2) 이하로는 기반암이 존재한다고 가정하였다. 지층조건은 일반적으로 국내에 분포되어있는 다층지반을 내진설계상의 지반분류 방법에 따라 연약한 층(SD:VS=180m/s)과 단단한 층(SB:VS=761m/s)으로 구분하였으며, 층 경계면에서의 구조물의 거동을 분석하고자 물성차이를 크게 하였다. 지반물성은 기존에 수직구가 시공된 현장의 지반조사보고서(서울A지역 전기공급시설 전력구 공사, 2008; 부산 B지역 4차 전력구 공사, 2005)를 바탕으로 합리적인 범위내의 값을 산정하여 수치해석을 수행하였다(표 2).
대상 데이터
그림 3에 나타낸 바와 같이 해석 대상으로 하는 수직구는 직경(D) 20m, 높이(H) 100m이며 벽두께(t) 2m, 하부슬래브 두께(tb) 10m로 대구경 수직구이다. 본 수직구는 N치가 10, 전단파속도가 172m/s인 연약층을 통과하여 N치가 50, 전단파속도가 295m/s인 경질층까지 시공되어 있다.
대상 지반은 그림 1과 같이 전체 지반 깊이(H)는 95m이며 지층은 상부토층(h1)과 하부토층(h2)으로 구성하여 연약한 층과 지지 층으로 구성되어 있다. 수직구는 상부 연약한 층을 통과하여 하부 지지 층까지 시공된 것으로 모델링 하였으며, 구조물 아래의 지반은 기반암으로 간주하였다.
데이터처리
기존 연구에 적용된 입력 지진동은 현장에서 계측된 지진파를 지표면에서의 모의 지진동으로 계산하고 1차원 중복반사이론을 통해 구조물 밑면에 작용하는 최종 입력 지진동을 계산하였다. 계산된 입력 지진동은 계측값과의 비교를 통해 적정성을 검증하였고, 이를 동적해석에 적용함으로써 합리적인 결과를 도출 할 수 있었다.
본 수치해석 모델링 방법의 타당성을 검증하기 위하여 기존에 수행된 연구 결과와의 비교분석을 수행하였다. 비교분석에 사용된 연구는 2차원 axis-symmetric 조건의 수치해석 결과이며, 응답변위법 결과와의 비교를 통해 그 타당성이 검증되었다(Kawashima, 1996).
본 연구에서는 다층지반에 시공된 수직구의 동적거동을 유한요소해석을 이용하여 지층조건, 입력하중, 하중작용방향에 따라 분석하였다. 유한요소해석은 범용 해석 프로그램인 ABAQUS 3D(ver. 6.8, 2008)를 이용하였다.
이론/모형
물성차이가 큰 두 재료 사이의 경계면은 Coulomb friction law(ABAQUS, 2008)를 적용하여 slip현상을 고려하는 것이 일반적이지만, 지진에 의해 발생된 지반의 상대변위가 수직구에도 같은 변위가 발생되도록 일체거동조건(tie)을 적용하였다. 이는 응답변위법의 기본 가정사항이며, 각각의 해석결과의 비교를 위해 지반과 수직구가 일체거동을 하도록 모델링 하였다.
이때, x축, y축 경계(Far-Field-Boundary)는 그림 1(b)와 같이 수직구의 동적거동이 경계면에 영향을 받지 않고, 최적의 해석이 수행될 수 있도록 수직구 직경(D)의 3배를 적용하여 모델링 하였다. 일반적으로 해석 영역은 구조물 직경의 3D~5D를 적용하지만 본 해석에서는 기존 연구 결과와의 비교를 위해 3D를 적용하였다(Kawashima, 1996).
성능/효과
1. 수직구가 시공된 지반 조건에서 하부 단단한 지층이 두터울수록(CASE A) 구조물의 상부에 큰 변형이 발생되어 그 결과 전단력과 휨모멘트가 1.7배 크게 발생되며, 특히 단주기 특성을 가지는 Ofunato 지진파를 적용하였을 때 단면력이 가장 크게 발생하는 것을 확인 할 수 있었다.
2. 구조물과 주변지반의 깊이에 따른 무차원화된 가속도를 통해 수직구의 동적거동은 구조물 자체 질량에 다른 관성력보다는 주변지반의 거동에 더 큰 영향을 받고 있음을 알 수 있었다.
3. 다층지반에 시공된 수직구의 경우 최대 전단력과 최대 휨모멘트는 지반 물성이 변화하는 경계면 부근에서 최대로 발생함을 확인 하였으며, 수직방향 성분의 지진하중은 수평방향 지진하중에 비하여 그 영향 정도가 작고 구조물의 손상을 일으키는 주된 요인이 수평방향 성분의 지진하중임을 알 수 있었다.
그림 7은 동적해석 수행 후 구조물에 발생된 최대 전단력과 최대 휨모멘트를 지반조건에 따라 비교도시한 것이다. 그 결과, CASE A 지반조건에서 단면력이 가장 크게 발생하였으며 CASE C 지반조건에서 가장 작게 발생하였다. 이는 기반면에 입력된 지진파가 단단한 지층을 통과하면서 연약한 층보다 감쇠현상이 작게 발생하여 진동 에너지가 상부 연약한 층으로 그대로 전달되어 큰 변형이 발생되었기 때문이다.
수직방향 하중을 적용할 경우 하중방향으로 변위가 발생할 수 있도록 경계조건을 변경하였으며, 이외의 다른 조건들은 수평방향 하중이 작용할 때와 동일하게 모델링 하였다. 그 결과, 그림 10에서와 같이 수직방향 하중이 작용하였을 때 수직구에서 발생한 전단력과 휨모멘트는 수평방향 하중이 작용하였을 때 보다 작게 나타났으며, 수평과 수직방향 하중을 모두 고려하였을 때 가장 큰 단면력이 산정되었다. 따라서 수직구에서 수직방향 성분의 지진하중은 수평방향 지진하중에 비하여 그 영향 정도가 작고 구조물의 손상을 일으키는 주요한 요인이 수평방향 성분의 지진하중임을 알 수 있으며, 이는 기존 연구(An et al.
주변지반의 가속도는 수직구의 수평 방향으로부터 3m떨어진 지점에서 측정하였으며 심도별로 비교 도시하였다. 그 결과, 모든 지반조건에서 지반의 가속도 증폭 비율이 수직구보다 크게 나타났으며 그 차이는 최대 3배 이상 발생하였다. 이는 수직구의 동적거동이 구조물 자체 질량에 따른 관성력 보다 주변지반의 거동에 더 큰 영향을 받고 있음을 알 수 있으며 기존의 연구결과(Okamoto, 1973)와 유사한 결과를 보여주고 있음을 알 수 있다.
이는 기반면에 입력된 지진파가 단단한 지층을 통과하면서 연약한 층보다 감쇠현상이 작게 발생하여 진동 에너지가 상부 연약한 층으로 그대로 전달되어 큰 변형이 발생되었기 때문이다. 또한 입력하중이 변화함에 따라 Ofunato 지진파를 적용하였을 때 수직구에서 가장 큰 단면력이 발생하였으며, Hachinohe 지진파를 적용하였을 때 가장 작은 단면력이 발생하였다. 이는 CASE A, CASE B, CASE C 지반이 각각 0.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수직구와 같은 지하구조물은 무엇에 큰 영향을 받는가?
수직구와 같은 지하구조물은 지상구조물과는 달리 구조물 자체의 질량보다는 주변지반의 거동에 더 큰 영향을 받는다(Okamoto, 1973). 이러한 지하구조물의 지진해석방법은 구조물의 관성력에 중점을 준 지상구조물의 지진해석방법과는 달리 구조물-지반의 상호작용에 대한 연구가 중점적으로 수행되었다.
국내 지하구조물에 대한 내진설계 기준이 강화된 이유는?
0이상의 대규모 지진 발생 횟수가 증가하고 있으며 국내에서도 1988년 이후 지진발생빈도가 꾸준히 증가하고 있는 추세이다. 2010년 7월 충청남도 공주시에서는 규모 2.0 이상의 지진이 발생하였으며 제주도, 강원도, 전라도, 경상도 등 전국각지에서 크고 작은 지진이 빈번히 발생하고 있어 우리나라도 더 이상 지진에 안전한 국가라고 할 수 없다. 따라서 터널을 비롯하여 대부분의 지하구조물에 대한 내진설계 기준이 강화되었으며, 지진에 의해 변형 및 손상으로 인하여 사회적으로 큰 문제를 발생시킬 수 있기 때문에 큰 규모의 지반운동에 대해서도 구조물의 전부 또는 일부가 붕괴되지 않도록 내진 1등급으로 규정하여 내진설계를 실시하도록 되어 있다(터널설계기준, 2007).
본 연구에서 수직구 동적 거동특성을 분석하고자 지반조건, 입력하중, 하중방향 등을 고려한 3차원 동적해석한 결과는 어떠한가?
1. 수직구가 시공된 지반 조건에서 하부 단단한 지층이 두터울수록(CASE A) 구조물의 상부에 큰 변형이 발생되어 그 결과 전단력과 휨모멘트가 1.7배 크게 발생되며, 특히 단주기 특성을 가지는 Ofunato 지진파를 적용하였을 때 단면력이 가장 크게 발생하는 것을 확인 할 수 있었다.
2. 구조물과 주변지반의 깊이에 따른 무차원화된 가속도를 통해 수직구의 동적거동은 구조물 자체 질량에 다른 관성력보다는 주변지반의 거동에 더 큰 영향을 받고 있음을 알 수 있었다.
3. 다층지반에 시공된 수직구의 경우 최대 전단력과 최대 휨모멘트는 지반 물성이 변화하는 경계면 부근에서 최대로 발생함을 확인 하였으며, 수직방향 성분의 지진하중은 수평방향 지진하중에 비하여 그 영향 정도가 작고 구조물의 손상을 일으키는 주된 요인이 수평방향 성분의 지진하중임을 알 수 있었다.
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