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문제 정의
- 본 연구에서는 콘크리트 부유구조체의 구조성능을 향상시키기 위한 부력 프리플랙션 효과에 대한 해석적 연구를 수행하였다. 부력 프리플랙션은 부유구조체를 구성하는 모듈들의 부분적 부력차이에 의해 부유구조체에 프리플랙션 효과가 도입되는 것을 뜻한다.
- 부력 프리플랙션 효과가 콘크리트 부유구조체의 구조성능에 미치는 영향을 분석하기 위해 해석적 연구를 수행하였다. 부력 프리프랙션 효과를 검증하기 위한 해석모델은 그림 4에 나타난 바와 같은 400×100 m 규모의 부유식 컨테이너 터미널을 대상으로 하였으며, 콘크리트 부유구조체의 상세제원은 실제 설계에서 도출된 단면을 바탕으로 하였다(한국건설기술연구원, 2010).
- 그림 7과 그림 8은 부유구조체의 단부 모듈과 중앙부 모듈 접합부에서의 상세 해석결과를 나타낸다. 접합부에 헌치부를 설치한 목적은 접합부에서의 응력집중 현상을 방지하여 부유구조체의 구조적 연속성과 시공성을 확보하기 위함이며, 해석결과를 바탕으로 응력집중 감소 효과를 분석하였다. 그림 7(a), (b)는 해석모델 L5에 대해 헌치부 유무에 따른 접합부에서의 상세 응력분포를 나타낸 것이며, 그림 8은 헌치부 유무에 따른 부유구조체 길이방향으로의 응력 분포를 나타낸 것이다.
제안 방법
- 각각의 해석모델에서 양 단부 모듈과 중앙부 모듈의 건현은 표 1에 나타난 실제의 제원 및 물성을 이용하여 아래의 식을 바탕으로 도출하였으며, 이를 바탕으로 양 단부 모듈과 중앙부 모듈의 건현차이를 도출하였다.
- 이를 위해 그림 3(b)에 나타난 바와 같이 중앙부 모듈의 내부에 해수 발라스팅을 실시하여 건현차이(d) 만큼 중앙부 모듈을 가라앉혀 중앙부 모듈의 헌치부와 양 단부 모듈의 부딪힘을 방지한 후 각 모듈의 외벽을 밀착시킨다. 다음으로 양 단부 모듈과 중앙부 모듈의 건현을 일치시켜 양 단부 모듈과 중앙부 모듈의 접합을 실시한다. 이때 모듈간의 접합방법은 콘크리트 부유구조체의 경우 프리스트레싱 방법이, 강재 부유구조체의 경우 용접 방법이 일반적으로 적용된다.
- 부력 프리플랙션은 부유구조체를 구성하는 모듈들의 부분적 부력차이에 의해 부유구조체에 프리플랙션 효과가 도입되는 것을 뜻한다. 부력 프리프랙션 효과를 검증하기 위해, 실제 설계에서 도출된 콘크리트 부유구조체 단면을 바탕으로 전체 부유구조체 길이에서 부력 부리플랙션 효과를 발생시키는 변단면 중앙부 모듈의 길이 비를 매개변수로 설정한 해석적 연구를 수행하였다. 해석결과는 부력 프리플랙션에 의해 도입되는 콘크리트 부유구조체의 하부 슬래브 응력상태와 부상 변위량에 대해, 이를 부력 프리플랙션과 활하중의 하중단계별로 분석하여 부력 프리플랙션 효과가 콘크리트 부유구조체의 구조성능에 미치는 영향을 분석하였다.
- 부력 프리플랙션은 부유구조체를 구성하는 모듈들의 부분적 부력차이에 의해 부유구조체에 프리플랙션 효과가 도입되는 것을 뜻한다. 부력 프리프랙션 효과를 검증하기 위해, 실제 설계에서 도출된 콘크리트 부유구조체 단면을 바탕으로 전체 부유구조체 길이에서 부력 부리플랙션 효과를 발생시키는 변단면 중앙부 모듈의 길이 비를 매개변수로 설정한 해석적 연구를 수행하였으며, 해석결과를 바탕으로 부력 프리플랙션 효과가 콘크리트 부유구조체의 구조성능에 미치는 영향을 분석하였다.
- 본 연구에서는 두 모듈의 건현차이(d)는 고정시킨 상태에서 길이비(l2/L)를 변화시키면서 매개변수 연구를 실시하였다. 즉, 중앙부 모듈의 단면높이와 양 단부 모듈의 단면높이는 각각 20 m와 14 m로 고정하였으며, 표 2에 나타난 바와 같이 단면높이 20 m를 갖는 중앙부 모듈의 길이 비를 0.0~1.0까지 변화시키면서 부력 프리플랙션 효과의 변화를 분석하였다. 이때, 중앙부 모듈과 양단부 모듈의 접합시 접합부에서 발생하는 응력 집중현상을 방지하기 위해 그림 4(b)에 나타난 바와 같이 1:33의 기울기를 갖는 헌치부(도로교설계 기준, 2011)를 설치하였다.
- 0을 이용하였다(ANSYS, 2011). 콘크리트 부유구조체는 그림 5에 나타난 바와 같이 3D Shell 요소를 이용하여 모델링하였으며, 부유구조체 하부 슬래브에 작용하는 부력은 실제 부력의 크기를 고려한 탄성 지반(Elastic support) 요소를 이용하여 모델링하였다(Allen 등, 2006; Haveman 등, 2006; Jeong 등, 2010). 해수 발라스팅 제거에 따른 중앙부 모듈의 부상력은 건현차이(d)에 해당하는 만큼의 부력을 부유구조체 하부 슬래브에 상향의 외력으로 작용시켰다.
- 해수 발라스팅 제거에 따른 중앙부 모듈의 부상력은 건현차이(d)에 해당하는 만큼의 부력을 부유구조체 하부 슬래브에 상향의 외력으로 작용시켰다. 해석결과는 부력 프리플랙션에 의해 도입되는 콘크리트 부유구조체 하부 슬래브의 응력상태와 부상력에 의한 부상 변위량에 대해 분석하였으며, 이를 부력 프리플랙션과 활하중의 하중단계별로 분석하여 부력 프리플랙션 효과가 콘크리트 부유구조체의 구조성능에 미치는 영향을 분석하였다.
- 부력 프리프랙션 효과를 검증하기 위해, 실제 설계에서 도출된 콘크리트 부유구조체 단면을 바탕으로 전체 부유구조체 길이에서 부력 부리플랙션 효과를 발생시키는 변단면 중앙부 모듈의 길이 비를 매개변수로 설정한 해석적 연구를 수행하였다. 해석결과는 부력 프리플랙션에 의해 도입되는 콘크리트 부유구조체의 하부 슬래브 응력상태와 부상 변위량에 대해, 이를 부력 프리플랙션과 활하중의 하중단계별로 분석하여 부력 프리플랙션 효과가 콘크리트 부유구조체의 구조성능에 미치는 영향을 분석하였다.
대상 데이터
- 부력 프리프랙션 효과를 검증하기 위한 해석모델은 그림 4에 나타난 바와 같은 400×100 m 규모의 부유식 컨테이너 터미널을 대상으로 하였으며, 콘크리트 부유구조체의 상세제원은 실제 설계에서 도출된 단면을 바탕으로 하였다(한국건설기술연구원, 2010).
데이터처리
- 부력 프리플랙션 효과에 따른 구조거동 해석에는 범용 구조해석 프로그램인 ANSYS 13.0을 이용하였다(ANSYS, 2011). 콘크리트 부유구조체는 그림 5에 나타난 바와 같이 3D Shell 요소를 이용하여 모델링하였으며, 부유구조체 하부 슬래브에 작용하는 부력은 실제 부력의 크기를 고려한 탄성 지반(Elastic support) 요소를 이용하여 모델링하였다(Allen 등, 2006; Haveman 등, 2006; Jeong 등, 2010).
성능/효과
- 06 MPa의 인장응력이 발생하는 것으로 나타났다. 길이 비에 따른 해석모델의 모 든 경우에 공통적으로 양 단부 모듈에서의 활하중 인장응력은 단일단면 L0(단면높이 14.0 m)의 인장응력 분포를 따라가다가 중앙부 모듈에서의 활하중 인장응력은 단일단면 L10(단면높이 20 m)의 인장응력 분포를 따라가는 것으로 나타났다. 이때, 중앙부 모듈의 길이 비가 증가할수록 중앙부 모듈과 양 단부 모듈의 인장응력 차이가 감소하는 것으로 나타났으며, 전반적으로 중앙부 모듈의 길이 비에 따른 활하중 인장응력은 미소한 차이를 나타내었다.
- 본 논문의 부력 프리플랙션에 의한 구조성능 향상은 하부 슬래브의 하중지지능력 향상을 가져와 부유구조체의 전체 단면높이를 감소시키고 조밀한 하부 슬래브의 구조상세를 개선하는데 기여할 것으로 기대된다. 따라서, 부력 프리플랙션 도입에 따라 설계에서 안전성 및 경제성 측면 모두에서 이익을 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
- 본 연구의 부력 프리플랙션 도입에 따른 부유구조체의 건현 감소와 호깅(−)의 변형 특성은 구조성능 향상뿐만 아니라 파랑하중에 의한 운동저감 측면에서도 보다 유리할 것으로 판단된다.
- 연구결과, 전체 부유구조체 길이에 대한 변단면 중앙부 모듈의 길이 비가 작은 경우에도 상대적으로 큰 부력 프리플랙션 효과가 발생되는 것으로 나타났다. 부력 프리플랙션 효과는 중앙부 모듈의 길이 비에 따라 포물선의 형태를 나타내며, 중앙부 모듈의 길이 비 40~60%에서 최대의 효과가 도입되는 것으로 나타났다. 부력 프리플랙션과 활하중을 함께 고려한 경우 부유구조체 거동 특성은, 단일단면 해석모델의 경우 새깅(+)의 휨 거동을 나타내는 반면, 부력 프리플랙션이 도입된 변단면 해석모델의 경우 양 단부는 새깅(+)의 거동을 중앙부는 호깅(−)의 휨 거동을 나타내는 복합적 휨 거동 특성을 나타내었다.
- 부력 프리플랙션과 활하중을 함께 고려한 경우 부유구조체 거동 특성은, 단일단면 해석모델의 경우 새깅(+)의 휨 거동을 나타내는 반면, 부력 프리플랙션이 도입된 변단면 해석모델의 경우 양 단부는 새깅(+)의 거동을 중앙부는 호깅(−)의 휨 거동을 나타내는 복합적 휨 거동 특성을 나타내었다.
- 부력 프리플랙션에 따른 부유구조체의 부상 변위량은 중앙부 모듈의 길이 비가 증가할수록(해석모델 L1⇒L9) 부상력의 증가에 따라 0.48~6.0 m로 점차적으로 증가하는 결과를 나타내었다.
- 0 m로 점차적으로 증가하는 결과를 나타내었다. 부력 프리플랙션에 따른 부유구조체의 최종 건현은 초기 건현과 부력 브리플랙션에 따른 부상 변위량의 합으로 나타낼 수 있으며, 해석모델 L0~L10의 길이 비에 따라 8.47~13.44 m에 분포하는 결과를 나타내었다. 여기서, 부유구조체 중앙부에서의 초기건현은 중앙부 모듈의 최초건현에서 건현차이(d)를 고려한, 즉 양 단부 모듈의 최초건현을 나타낸다.
- 부유구조체의 휨 모멘트도에 대응하여 중앙부 모듈의 길이 비에 따라 양 단부 모듈의 단면높이를 감소시키면서 부력 프리플랙션을 도입하면, 재료물량은 감소시키면서 구조성능은 향상시키는 두 가지 효과를 얻을 수 있는 것으로 나타나, 안전성 뿐만 아니라 경제성 측면에서도 유리한 것으로 나타났다. 이외에, 중앙부 모듈의 길이 비에 따라 양 단부 모듈의 단면높이를 감소시키면서 부력 프리플랙션을 도입하는 경우, 건현 감소와 호깅(−)의 변형 특성은 구조성능 향상뿐만 아니라 파랑하중에 의한 운동저감 측면에서도 보다 유리할 것으로 판단된다.
- 연구결과, 전체 부유구조체 길이에 대한 변단면 중앙부 모듈의 길이 비가 작은 경우에도 상대적으로 큰 부력 프리플랙션 효과가 발생되는 것으로 나타났다. 부력 프리플랙션 효과는 중앙부 모듈의 길이 비에 따라 포물선의 형태를 나타내며, 중앙부 모듈의 길이 비 40~60%에서 최대의 효과가 도입되는 것으로 나타났다.
- 0 m)의 인장응력 분포를 따라가다가 중앙부 모듈에서의 활하중 인장응력은 단일단면 L10(단면높이 20 m)의 인장응력 분포를 따라가는 것으로 나타났다. 이때, 중앙부 모듈의 길이 비가 증가할수록 중앙부 모듈과 양 단부 모듈의 인장응력 차이가 감소하는 것으로 나타났으며, 전반적으로 중앙부 모듈의 길이 비에 따른 활하중 인장응력은 미소한 차이를 나타내었다.
- 이상의 부력 프리플랙션에 의한 해석결과를 종합하면, 변단면 중앙부 모듈의 길이 비는 프리플랙션에 의해 부유구조체에 도입되는 사전 압축응력 수준과 부상 변위량에 상당한 영향을 미치고, 부력 프리플랙션 효과는 길이 비 40~60%에서 최대에 이르는 것으로 나타났다.
- 이상의 활하중이 작용하는 경우의 해석결과를 종합하면, 중앙부 모듈의 길이 비는 활하중에 의해 부유구조체에 발생하는 응력 수준과 하강 변위량에 미소한 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 길이 비 50% 이상에서는 길이 비가 증가하여 중앙부 모듈의 부상력이 증가하여도 중앙부의 부상력 범위가 점차 넓어지는 특징을 나타낸다. 이에 따라, 부유구조체의 일부분만을 부상시켜 프리플랙션을 유발시키던 길이 비 50% 이하 단계와는 달리, 부유구조체 전체를 부상시키려는 힘이 강해지면서 프리플랙션 효과는 점차 감소하는 결과를 나타내었다. 최종적으로 해석모델 L10(단면높이 20.
- 0 m)에서 해수면에 대해 평면 상태를 유지하던 부유구조체는 해석모델 L1 부터 중앙부 모듈의 부분적인 부상력에 따라 프리플랙션이 발생하기 시작하였다. 이후 길이 비가 증가할수록 중앙부 모듈에 작용하는 부상력의 증가로 프리플랙션이 점차 증가하며, 길이 비 50%인 L5 해석모델에서 프리플랙션은 최대에 도달하였다.
- 60 MPa 수준의 사전 압축응력이 도입되는 것으로 나타났다. 전체 부유구조체 길이에 대한 중앙부 모듈의 길이 비에 따른 분석 결과, 부유구조체 하부 슬래브에 발생하는 사전 압축응력은 중앙부 모듈의 길이 비가 증가할수록 점차적으로 증가하다가 길이 비 50%(해석모델 L5)에서 최대값 14.60 MPa를 나타내고, 이후 점차적으로 감소하는 포물선의 특징을 나타내었다. 즉, 해석모델 L0(단면높이 14.
- 전체 부유구조체 길이에 대한 중앙부 모듈의 길이 비와 콘크리트 부유구조체 하부 슬래브에서의 최대응력 상관관계는 그림 13에 나타내었다. 전체적으로, 활하중 재하를 고려한 경우의 부력 프리플랙션 효과도 중앙부 모듈의 길이 비가 증가할수록 점진적으로 증가하다가 50%의 길이 비에서 최대 효과를 나타내며 이후 점진적으로 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 부력 프리플랙션과 활하중이 함께 작용하는 경우에도 부유구조체의 하부 슬래브에는 압축응력 상태에 있으며, 이는 부력 프리플랙션 도입이 보다 큰 활하중 지지능력을 가져와 부유구조체의 구조성능 향상에 기여할 것으로 판단된다.
- 이에 따라, 부유구조체의 일부분만을 부상시켜 프리플랙션을 유발시키던 길이 비 50% 이하 단계와는 달리, 부유구조체 전체를 부상시키려는 힘이 강해지면서 프리플랙션 효과는 점차 감소하는 결과를 나타내었다. 최종적으로 해석모델 L10(단면높이 20.0 m)에서는 해석모델 L0(단면높이 14.0 m)와 동일하게 부유구조체가 해수면에 평면 상태로 복귀하는 결과를 나타내었다.
- 최종적으로, 인접한 모듈들의 부력차이를 이용하는 부력 프리플랙션은 원리가 간단하여 적용이 간편하고, 부유구조체의 하부 슬래브에 효율적으로 사전 압축응력을 도입시킬 수 있는 것으로 나타났다. 이는 부유구조체의 하중지지능력 향상을 가져와 콘크리트 부유구조체의 구조성능 향상과 단면높이 슬림화에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
- 그림 7(a), (b)는 해석모델 L5에 대해 헌치부 유무에 따른 접합부에서의 상세 응력분포를 나타낸 것이며, 그림 8은 헌치부 유무에 따른 부유구조체 길이방향으로의 응력 분포를 나타낸 것이다. 해석결과, 헌치부가 설치되지 않은 경우 접합부 인접 절점에서의 응력은 약 3.60~7.59 MPa로 약 2.1배의 응력변동을 나타내었지만, 헌치부가 설치된 경우에는 약 3.65~4.34 MPa로 약 1.13배의 응력변동을 나타내어 응력집중 현상이 확연히 감소하는 것으로 나타났다. 기타의 모든 경우에서도 접합부에서의 응력집중이 크게 발생하지 않아 부유구조체의 구조적 연속성을 확보하면서 접합부에서의 시공성 확보에도 문제가 없을 것으로 나타났다.
- 활하중 작용에 따른 하강 변위량은 전체 부유구조체 길이에 대한 중앙부 모듈의 길이 비가 증가할수록 단면 강성의 증가에 따라 3.66~3.59 m로 미소하게 감소하는 결과를 나타내었다. 또한, 중앙부 모듈의 길이 비가 증가할수록 단면 강성의 증가에 따라 그림 11(a)에 나타난 바와 같이 변형 곡률이 감소하는 것으로 나타났으며 이에 따라 양 단부와 중앙부에서의 건현차이가 감소하는 결과를 나타내었다.
- 해석결과에 따른 부유구조체 길이 방향으로의 응력분포와 하강 변위량의 분포는 그림 11에 나타내었으며, 중앙부 하부 슬래브에서의 최대 응력과 최대 하강 변위량은 표 4에 나타내었다. 활하중에 대한 해석결과, 해석모델 L0(단면높이 14.0 m)과 L10(단면높이 20 m)의 단일 단면의 경우 하부 슬래브의 중앙부에는 약 -5.73과 -4.24 MPa의 인장응력이 발생하여 단면높이 6.0 m에 대하여 약 -1.49 MPa의 인장응력 차이가 발생하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 전체적으로, 활하중 재하를 고려한 경우의 부력 프리플랙션 효과도 중앙부 모듈의 길이 비가 증가할수록 점진적으로 증가하다가 50%의 길이 비에서 최대 효과를 나타내며 이후 점진적으로 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 부력 프리플랙션과 활하중이 함께 작용하는 경우에도 부유구조체의 하부 슬래브에는 압축응력 상태에 있으며, 이는 부력 프리플랙션 도입이 보다 큰 활하중 지지능력을 가져와 부유구조체의 구조성능 향상에 기여할 것으로 판단된다.
- 따라서, 하부 슬래브의 인장 응력을 감소시키기 위해 부유구조체의 전체 단면높이를 증가시키고, 균열을 방지하기 위해 하부 슬래브에 철근과 프리 스트레싱 텐던이 매우 조밀하게 배치되는 구조상세 특징을 나타내고 있다. 본 논문의 부력 프리플랙션에 의한 구조성능 향상은 하부 슬래브의 하중지지능력 향상을 가져와 부유구조체의 전체 단면높이를 감소시키고 조밀한 하부 슬래브의 구조상세를 개선하는데 기여할 것으로 기대된다. 따라서, 부력 프리플랙션 도입에 따라 설계에서 안전성 및 경제성 측면 모두에서 이익을 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
- 43배 높게 설정하여 부력 프리플랙션 효과가 크게 나타나는 것도 하나의 요인이겠지만, 전반적으로 부력 프리플랙션 효과로 인하여 부유구조체의 구조성능이 효율적으로 향상될 수 있음을 나타내는 것이기도 하다. 실제 설계에서는 부유구조체의 소요 구조성능을 바탕으로 양 단부와 중앙부 모듈의 단면높이 차이를 조절하면 적절한 응력상태를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.
- 최종적으로, 인접한 모듈들의 부력차이를 이용하는 부력 프리플랙션은 원리가 간단하여 적용이 간편하고, 부유구조체의 하부 슬래브에 효율적으로 사전 압축응력을 도입시킬 수 있는 것으로 나타났다. 이는 부유구조체의 하중지지능력 향상을 가져와 콘크리트 부유구조체의 구조성능 향상과 단면높이 슬림화에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
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