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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 폭발하중에 대한 터널의 안정성을 분석하기 위하여 보다 간편하게 분석할 수 있는 1자유도 스프링- 질량- 감쇠기 모델을 개발하고, 보다 정밀하게 해석할 수 있는 유한요소법을 사용하여 폭발하중에 의한 터널구조물의 동적거동을 분석하고자 한다.
- 본 연구에서 폭발하중은 발생 가능성이 높고, 비교적 큰 피해를 야기할 수 있는 가스폭발하중을 고려하여 터널구조물의 동적거동해석을 분석하였다.
- 본 연구에서는 가스폭발하중에 따른 터널구조물의 동적거동을 파악하기 위하여. 간이모델인 1자유도 질량- 스프링- 감쇠기 모델과 유한요소프로그램을 이용하여 터널안정성에 미치는 영향에 대하여 다음과 같이 분석하였다.
- 유한요소해석은 선형 및 비선형이 가능하고, 지반과 구조물의 상호작용을 고려할 수 있는 해석방법이다. 본 절에서는 재료의 비선형성질을 고려하여 가스폭발하중에 대한 지반의 파괴거동에 대하여 조사하였다.
가설 설정
- 가스폭발하중에 의한 터널의 동적거동을 검토하기 위한 기본 해석모델로서 얕은 토피고를 갖는 2연박스 터널을 산정하여 그림 5와 같이 해석단면을 가정하여 분석하였다.
- 본 해석에 적용한 지반은 포화된 사질토지반을 가정하여, 표 1에 질량 스프링모델에 적용한 재료 정수, 표 2에는 FEM해석에 적용한 재료정수를 나타내었다. 가스폭발하중은 우측부 터널 내부에서 발생되는 것으로 가정하였다.
- 지반 비선형모델로는 Non-associated Mohr-Coulomb (Ψ = 0°)를 가정하였으며, 터널부재는 탄소성 보모델로 가정하였다. 각 부재의 소성모멘트값은 철근비 1.5%로 가정하여 다음과 같은 철근콘크리트 극한모멘트값으로 설정하였다(표 5참조).
- 민감도 분석은 기본해석모델의 값을 고정하고, 가스폭발 하중크기, 폭발지속시간, 터널 부재크기, 토피고 크기를 변화시켜 설계 시 중요한 요소인 변위동적거동에 대하여 조사하였다(앞 절에서 FEM결과와 근접한 결과를 낸 반힌지 경계조건, 감쇠비 ξ =5%가정).
- 본 해석에 적용한 지반은 포화된 사질토지반을 가정하여, 표 1에 질량 스프링모델에 적용한 재료 정수, 표 2에는 FEM해석에 적용한 재료정수를 나타내었다. 가스폭발하중은 우측부 터널 내부에서 발생되는 것으로 가정하였다.
- 적용된 탄성계수값은 동적거동을 고려한 동적탄성계수값에 해당한 값을 나타낸다. 유한요소해석에 있어서는 탄성조건으로 터널구조물을 빔요소, 지반은 삼각형 평면변형율 요소로 가정하였고, 급격한 충격하중을 받는 것을 고려하여 비배수조건으로 해석하였다. 지반 동적경계조건은 과도한 반사파의 영향을 줄이기 위하여 흡수경계조건(absorbing boundary)으로 설정하였다(그림 6참조).
- 지반 동적경계조건은 과도한 반사파의 영향을 줄이기 위하여 흡수경계조건(absorbing boundary)으로 설정하였다(그림 6참조). 재료감쇠에 대한 입력값은 주파수 0.5 Hz와 10 Hz에 대한 지반과 콘크리트의 감쇠비를 각각 2.5%, 1.5%를 가정하고 식 (8)을 이용하여 Rayleigh상수를 표 3과 같이 결정하였다.
- 지반 비선형모델로는 Non-associated Mohr-Coulomb (Ψ = 0°)를 가정하였으며, 터널부재는 탄소성 보모델로 가정하였다.
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