콘크리트와 철근의 재료모델 그리고 스톡앵커의 낙하거리 변화에 따른 아치형 해저 케이블 보호구조물의 충돌특성을 분석하였다. 콘크리트의 재료모델로는 plastic kinematic모델과 Johnson-Holmquist Concrete모델이, 철근의 재료모델은 선형탄성모델과 plastic kinematic모델이 고려되었다. 스톡앵커의 무게는 2ton이며 낙하거리는 3, 5, 8.83m로 선정되었다. 충돌해석을 위해 유한요소해석 프로그램 ANSYS가 사용되었고, 해석시간 단축을 위해 낙하거리를 초기속도로 변화하는 기법을 사용하였다. 낙하거리 변화에 따른 재료모델의 민감성을 분석한 결과, 콘크리트의 충돌응답은 콘크리트모델에 민감하고 철근의 충돌응답은 일차적으로 철근모델에 이차적으로 콘크리트모델에 민감함을 알 수 있었다.
콘크리트와 철근의 재료모델 그리고 스톡앵커의 낙하거리 변화에 따른 아치형 해저 케이블 보호구조물의 충돌특성을 분석하였다. 콘크리트의 재료모델로는 plastic kinematic모델과 Johnson-Holmquist Concrete모델이, 철근의 재료모델은 선형탄성모델과 plastic kinematic모델이 고려되었다. 스톡앵커의 무게는 2ton이며 낙하거리는 3, 5, 8.83m로 선정되었다. 충돌해석을 위해 유한요소해석 프로그램 ANSYS가 사용되었고, 해석시간 단축을 위해 낙하거리를 초기속도로 변화하는 기법을 사용하였다. 낙하거리 변화에 따른 재료모델의 민감성을 분석한 결과, 콘크리트의 충돌응답은 콘크리트모델에 민감하고 철근의 충돌응답은 일차적으로 철근모델에 이차적으로 콘크리트모델에 민감함을 알 수 있었다.
In the study, we analyzed the collision characteristics of a so-called arch-type submarine cable protector by considering the changes in drop heights of a stock anchor and material models for concrete and steel reinforcing bars. We considered plastic kinematics model and Johnson-Holmquist Concrete m...
In the study, we analyzed the collision characteristics of a so-called arch-type submarine cable protector by considering the changes in drop heights of a stock anchor and material models for concrete and steel reinforcing bars. We considered plastic kinematics model and Johnson-Holmquist Concrete model for the concrete and linear elastic model and plastic kinematics model for the reinforcing bars. The drop heights of 2-ton stock anchor were selected as 3, 5, and 8.83m, respectively. ANSYS, a finite element analysis program, was used for the collision analysis. To save computational time, we converted those drop heights into initial velocities by the principle of energy conservation. From the sensitivity of the material models on the drop height changes, it is shown that the collision response of the reinforcing bars is sensitive firstly on the steel models and secondly on the concrete models, while the collision response of the concrete is sensitive only on the concrete models.
In the study, we analyzed the collision characteristics of a so-called arch-type submarine cable protector by considering the changes in drop heights of a stock anchor and material models for concrete and steel reinforcing bars. We considered plastic kinematics model and Johnson-Holmquist Concrete model for the concrete and linear elastic model and plastic kinematics model for the reinforcing bars. The drop heights of 2-ton stock anchor were selected as 3, 5, and 8.83m, respectively. ANSYS, a finite element analysis program, was used for the collision analysis. To save computational time, we converted those drop heights into initial velocities by the principle of energy conservation. From the sensitivity of the material models on the drop height changes, it is shown that the collision response of the reinforcing bars is sensitive firstly on the steel models and secondly on the concrete models, while the collision response of the concrete is sensitive only on the concrete models.
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문제 정의
아치형 보호구조물의 경우 기존의 콘크리트 매트와 달리 해저 케이블과 이격되어 있어 외부의 앵커 충돌에 의해 발생하는 해저 케이블의 직접적인 손상을 방지하는 구조이다. 따라서 본 연구에서는 해저 케이블의 손상을 고려하지 않고 앵커 충돌에 의해 아치형 보호구조물의 응답만을 알아보았다.
본 연구에서는 우진호 등(2009)이 수행한 아치형 해저 케이블의 충격해석에서 가정된 철근의 선형탄성 거동을 소성거동으로 확장시켜 보다 면밀한 충격해석을 수행하고자 한다. 또한 콘크리트 재료모델과 철근모델의 조합이 충돌해석에 미치는 영향을 조사하고자 한다. 이를 위해 사용된 콘크리트의 재료모델은 Plastic Kinematic(PK)모델과 Johnson-Helmquist Concrete(JHC)모델이며, 내부 철근의 재료모델은 선형탄성 (LE)모델과 Plastic Kinematic모델이다.
본 연구에서는 우진호 등(2009)이 수행한 아치형 해저 케이블의 충격해석에서 가정된 철근의 선형탄성 거동을 소성거동으로 확장시켜 보다 면밀한 충격해석을 수행하고자 한다. 또한 콘크리트 재료모델과 철근모델의 조합이 충돌해석에 미치는 영향을 조사하고자 한다.
대체 보호구조물의 개발과 관련하여 일련의 연구가 수행되 었다. 이들 연구는 제안된 보호구조물의 외부 충돌에 의한 안정성을 제고하는데 초점을 두고 있다. 즉, 외부 인자의 충돌에 의한 보호구조물 거동을 분석하는 연구로써 컴퓨터를 이용한 충돌 시뮬레이션과 실지 충돌시험으로 구성된다.
가설 설정
내부 철근의 경우 아치형 보호구조물 내부에 상하150mm의간격으로 두 개의 철근망이 배근되어 있는 것으로 가정하였다. 대상 철근은 직경이 20mm인 H20을 고려하였으며 철근의 재료모델은 선형탄성(LE)모델과 Plastic Kinematic(PK)모델을 고려하였다.
유한요소 시뮬레이션 상에서 앵커의 경우 4개의 노드를 가지는 쉘(shell) 요소로 모델링되었다. 일반적인 구조용 강재의 물성치를 고려하여 모델링되었으며, 강체로 가정하였다. 이는 충돌 시 피충돌체인 콘크리트의 손상에 비해 앵커의 손상은 미비하기 때문이다.
제안 방법
본 연구에서는 피 충돌체로 고려된 아치형 보호구조물은 특허 등록된 해저 케이블 보호용 덕트(한국해양기술, 2007) 를 기준하여 그림 3과 같이 모델링되었으며 본 연구에서는 아치형 보호구조물이라 명명하였다. 8개의 노드를 가지는 솔리드 요소로 모델링을 수행하였다. 아치형 보호구조물의 치수는 그림 3에 나타내었다.
아치형 보호구조물에 사용된 콘크리트 압축강도(fck)는 35MPa이다. 경계조건으로 아치형 보호구조물의 하부 면에 수직방향의 변위를 구속하였다.
또한 충돌체인 앵커의 충돌거리를 변화하여 이들 모델과 구조물의 동적응답의 민감성을 분석하였다. 구조 동적응답은 아치형 보호구조물에 발생하는 최대 von-Mises응력, 콘크리트 충돌부의 최대 압축응력과 최대 변위, 내부 철근에 발생하는 최대 인장응력으로 선정하였다. 이상의 해석으로 얻어진 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 앵커의 충돌 낙하거리, 콘크리트와 내부 철근의 재료모델을 변화시켜 앵커 충돌해석을 수행하였다. 따라서 앵커 충돌에 의해 아치형 보호구조물에 발생하는 동적 응답을 콘크리트와 철근의 재료모델 그리고 앵커의 낙하속도 별로 비교하였다.
실제 시뮬레이션 상에서 위에서 가정한 실제 낙하높이를 고려하는 경우 해석시간이 과도해진다. 따라서 유한요소 모델링 상에서 아치형 해저 케이블 보호구조물의 최상단으로부터 5cm 떨어진 높이에서 앵커가 낙하하도록 모델링하고 에너지 보존 법칙에 입각 하여 계산된 앵커의 낙하속도를 앵커의 초기속도로 입력하여 충돌해석을 수행하였다. 낙하높이별 앵커의 초기속도는 표 2와 같다.
이를 위해 사용된 콘크리트의 재료모델은 Plastic Kinematic(PK)모델과 Johnson-Helmquist Concrete(JHC)모델이며, 내부 철근의 재료모델은 선형탄성 (LE)모델과 Plastic Kinematic모델이다. 또한 우진호 등 (2009)은 충돌 높이를 고정하였으나 본 연구에서는 충돌 높이를 변화시켜 재료모델과 충돌응답의 민감성을 분석하였다.
콘크리트는 모델링에는 Plastic Kinematic모델과 Johnson-Helmquist Concrete 모델이, 내부철근 모델링에는 선형탄성 모델과 Plastic Kinematic모델이 사용되었다. 또한 충돌체인 앵커의 충돌거리를 변화하여 이들 모델과 구조물의 동적응답의 민감성을 분석하였다. 구조 동적응답은 아치형 보호구조물에 발생하는 최대 von-Mises응력, 콘크리트 충돌부의 최대 압축응력과 최대 변위, 내부 철근에 발생하는 최대 인장응력으로 선정하였다.
본 연구에서는 앵커의 충돌 낙하거리, 콘크리트와 내부 철근의 재료모델을 변화시켜 앵커 충돌해석을 수행하였다. 따라서 앵커 충돌에 의해 아치형 보호구조물에 발생하는 동적 응답을 콘크리트와 철근의 재료모델 그리고 앵커의 낙하속도 별로 비교하였다.
본 연구에서는 콘크리트와 내부철근의 재료모델 변화에 따른 아치형 해저 케이블 보호구조물의 충격 특성을 유한요소 시뮬레이션을 이용하여 분석하였다. 콘크리트는 모델링에는 Plastic Kinematic모델과 Johnson-Helmquist Concrete 모델이, 내부철근 모델링에는 선형탄성 모델과 Plastic Kinematic모델이 사용되었다.
수중에서의 항력을 고려하여 앵커의 종단속도를 계산하고 스톡앵커의 대기 중 낙하높이를 5m로 결정하여 충돌시뮬레이션을 수행하였다. 또한 충돌거리에 따른 응답을 비교하기 위해 3m와 8.
이들 연구는 제안된 보호구조물의 외부 충돌에 의한 안정성을 제고하는데 초점을 두고 있다. 즉, 외부 인자의 충돌에 의한 보호구조물 거동을 분석하는 연구로써 컴퓨터를 이용한 충돌 시뮬레이션과 실지 충돌시험으로 구성된다. 충돌 시뮬레이션은 유한요소법을 이용하여 수행되었는데 아치형 해저 케이블 보호구조물의 앵커 충돌해석(우진호 등, 2009)과 원통연결 보호구조물의 앵커 충돌 및 끌림해석(우진호 등, 2010)이 수행된 바 있다.
대상 철근은 직경이 20mm인 H20을 고려하였으며 철근의 재료모델은 선형탄성(LE)모델과 Plastic Kinematic(PK)모델을 고려하였다. 철근은 2개의 노드를 가지는 보요소로 모델링되었으며 콘크리트를 구성하는 요소와 노드를 공유하도록 모델링되었다. 상하부 철근망의 배근 간격은 150mm이고 모델링을 용이하게 하기 위해서 보호공의 돌출부를 제외하고 모델링하였다.
대상 데이터
내부 철근의 경우 아치형 보호구조물 내부에 상하150mm의간격으로 두 개의 철근망이 배근되어 있는 것으로 가정하였다. 대상 철근은 직경이 20mm인 H20을 고려하였으며 철근의 재료모델은 선형탄성(LE)모델과 Plastic Kinematic(PK)모델을 고려하였다. 철근은 2개의 노드를 가지는 보요소로 모델링되었으며 콘크리트를 구성하는 요소와 노드를 공유하도록 모델링되었다.
재료모델에 요구되는 물성치의 수가 많지 않으면서 비선형 비탄성 재료모델을 묘사하기 때문에 다양한 재료의 모델링에 주로 사용된다. 본 연구에서는 철근과 콘크리트의 재료모델에 각각 사용하였다.
본 연구에서는 피 충돌체로 고려된 아치형 보호구조물은 특허 등록된 해저 케이블 보호용 덕트(한국해양기술, 2007) 를 기준하여 그림 3과 같이 모델링되었으며 본 연구에서는 아치형 보호구조물이라 명명하였다. 8개의 노드를 가지는 솔리드 요소로 모델링을 수행하였다.
콘크리트 재료모델은 Plastic Kinematic(PK)모델과 Johnson-Holmquist Concrete(JHC)모델을 고려하였다. 아치형 보호구조물에 사용된 콘크리트 압축강도(fck)는 35MPa이다. 경계조건으로 아치형 보호구조물의 하부 면에 수직방향의 변위를 구속하였다.
또한 콘크리트 재료모델과 철근모델의 조합이 충돌해석에 미치는 영향을 조사하고자 한다. 이를 위해 사용된 콘크리트의 재료모델은 Plastic Kinematic(PK)모델과 Johnson-Helmquist Concrete(JHC)모델이며, 내부 철근의 재료모델은 선형탄성 (LE)모델과 Plastic Kinematic모델이다. 또한 우진호 등 (2009)은 충돌 높이를 고정하였으나 본 연구에서는 충돌 높이를 변화시켜 재료모델과 충돌응답의 민감성을 분석하였다.
PK모델에 사용된 철근과 콘크리트의 물성치는 표 3에 나타내었다. 일반적으로 tangent 탄성계수의 계측은 용이치 않으므로 본 연구에서는 ANSYS v.11(2008)에서 제시된 1018 steel의 tangent 탄성계수를 사용하였다.
이론/모형
앵커의 형상은 한국산업규격(KS)의 V3311(2006)의 스톡앵커를 기준으로 한다. 한국산업규격의 앵커 형상은 그림 1과 같다.
콘크리트 재료모델은 Plastic Kinematic(PK)모델과 Johnson-Holmquist Concrete(JHC)모델을 고려하였다. 아치형 보호구조물에 사용된 콘크리트 압축강도(fck)는 35MPa이다.
본 연구에서는 콘크리트와 내부철근의 재료모델 변화에 따른 아치형 해저 케이블 보호구조물의 충격 특성을 유한요소 시뮬레이션을 이용하여 분석하였다. 콘크리트는 모델링에는 Plastic Kinematic모델과 Johnson-Helmquist Concrete 모델이, 내부철근 모델링에는 선형탄성 모델과 Plastic Kinematic모델이 사용되었다. 또한 충돌체인 앵커의 충돌거리를 변화하여 이들 모델과 구조물의 동적응답의 민감성을 분석하였다.
성능/효과
따라서 현재 해상풍력 등 신재생에너지를 생산하고 공급하는데 많은 연구개발이 진행되고 있다. 셋째, 해저 전력케이블의 안정성을 향상시키는 것이다. 기존의 케이블 보호구조물은 폭 2m, 높이 20cm의 콘크 리트 매트리스 형태로 1990년대 조류에 의한 해저 케이블의 이탈방지와 외부 충격 및 끌림에 의한 파손을 막기 위하여 설치되었다.
표 5, 6, 7과 8은 각 재료모델 별 아치형 보호구조물의 응답을 나타내고 있다. 즉, 아치형 보호구조물에 발생하는 최대 von-Mises 응력, 충돌부의 최대 압축응력과 최대 Y-방향 변위, 내부 철근에 발생하는 최대 인장응력을 각각 나타내었다. 여기서 콘크리트와 철근의 재료모델을 조합하여 PK-LE와 같은 형식으로 나타내었는데, 전자는 콘크리트의 재료모델을 후자는 철근의 재료모델을 나타낸다.
후속연구
본 연구에서 고려한 콘크리트와 철근 재료모델의 적용성은 차후 보다 면밀한 고찰에 의해 검증될 필요가 있다. 특히, 충돌거리 변화에 따른 충돌응답 특성이 콘크리트의 재료모델에 따라 급격하게 달라짐으로 향후 실증 충돌시험을 통한 콘크 리트 재료모델의 검증 및 제안이 요구된다.
본 연구에서 고려한 콘크리트와 철근 재료모델의 적용성은 차후 보다 면밀한 고찰에 의해 검증될 필요가 있다. 특히, 충돌거리 변화에 따른 충돌응답 특성이 콘크리트의 재료모델에 따라 급격하게 달라짐으로 향후 실증 충돌시험을 통한 콘크 리트 재료모델의 검증 및 제안이 요구된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해저 전력케이블의 안정성과 이에 전적으로 의존하는 도서지역의 전력공급체계의 문제를 해결하기 위한 방법들로 어떤 것들이 있는가?
따라서 이들 문제점을 해결하기 위해 다양한 정책 및 연구가 고려되었다. 먼저, 해저 전력케이블의 손상을 방지하기 위해 해저 케이블의 위치와 선박의 위치를 모니터링하고 사고발생 위험을 경보하는 시스템의 도입이다. 이와 같은 시스템은 국제적으로 통용되고 있으나 사고지역에서는 운용되지 않았으며 일정 톤수 이하의 작은 선박에는 시스템을 설치하고 운용하는데 여전히 문제점을 안고 있다. 둘째, 도서 자체에서 전력을 생산하는 시스템의 도입이다. 과거에 디젤을 이용한 자체 전력생산시스템은 작은 도서에서 일시적으로 전력을 공급하는데는 유용하나 제주도와 같은 규모의 도서에서 운용하기에는 문제점이 많았다. 따라서 현재 해상풍력 등 신재생에너지를 생산하고 공급하는데 많은 연구개발이 진행되고 있다. 셋째, 해저 전력케이블의 안정성을 향상시키는 것이다. 기존의 케이블 보호구조물은 폭 2m, 높이 20cm의 콘크 리트 매트리스 형태로 1990년대 조류에 의한 해저 케이블의 이탈방지와 외부 충격 및 끌림에 의한 파손을 막기 위하여 설치되었다. 그러나 사고 당시 매트리스의 압축강도가 감소 하여 보호구조물의 기능을 상실한 것으로 판단된다. 따라서 이들 매트리스 보호구조물을 대체할 수 있는 보호구조물의 개발이 필요하다.
스톡앵커가 충돌체로 고려되는 이유는?
일반적으로 선박의 계류를 목적으로 사용되는 앵커는 사용 목적과 해당선박의 크기에 따라 다양한 형태와 종류가 사용 되고 있다. 그 중 스톡앵커(stock anchor)의 경우 하부면적이 작아서 충돌 시 파괴력이 크고 선박에서 주로 사용되기 때문에 충돌체로 고려되었다. 해저 케이블이 설치된 제주-해남 간 해역의 경우 항행선박의 크기가 제한되고 있으며, 항행하는 선박에서 주로 사용되는 앵커의 무게는 2ton이며, 모델링에서도 동일하게 적용되었다.
일반적으로 앵커를 사용하는 목적은?
일반적으로 선박의 계류를 목적으로 사용되는 앵커는 사용 목적과 해당선박의 크기에 따라 다양한 형태와 종류가 사용 되고 있다. 그 중 스톡앵커(stock anchor)의 경우 하부면적이 작아서 충돌 시 파괴력이 크고 선박에서 주로 사용되기 때문에 충돌체로 고려되었다.
참고문헌 (13)
궈이홍, 한상묵 (2010) 경계형 모델을 사용한 초고강도 섬유보강 콘크리트거더의 파괴역학적 해석, 한국전산구조공학회 논문집, 23(1), pp.81-94.
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Tham, C.Y. (2005) Reinforced Concrete Perforation and Penetration Simulation using AUTODYN-3D, Finite Elements in Analysis and Design, 41, pp.1401-1410.
Zhou, X.Q., Kuznetsov, V.A., Hao, H., Waschl, J. (2008) Numerical Prediction of Concrete Slab Response to Blast Loading, International Journal of Impact Engineering, 35, pp.1186-1200.
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