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문제 정의
- 이러한 국내외적 배경하에 본 고에서는 해중터널에 작용하는 충돌하중 산정 및 특성 분석에 관한 연구결과를 기술하였다. 기존의 충돌하중에 대한 구조물들은 일부 구조물을 제외하고 상세한 설계가 이뤄지지 않았기에 초과압력 하중으로 고려한 과도설계가 이루어졌다.
- 본 연구에서는 잠수함 운항중과 침몰시에 대해서 충돌 하중에 대한 구조물의 거동 및 설계를 위한 콘크리트 비선형 재료 모델을 적용하여 실제 가능성 있는 해중터널에 대한 충돌 시나리오에 대하여 구조체에 대한 충돌해석을 수행하였다.
- 메쉬모델링을 수행하였다. 해중터널의 개념설계에서 격벽 부가 고려되고 있으므로 본 모델링에서는 대표적 단면에대한 터널 외벽과 격벽부를 모델링하여 실제 거동과 유사하게 모사하고자 하였다. 실제 선박이나 잠수함과 같은 유선형 충돌체를 고려하기 위해 그림 4와 같은 배수량 18, 750 톤의 Ohio (U.
- 본 연구에서는 예상되는 충돌체의 충격하중에 대한 해 중 터널의 설계를 위하여 잠수함 침몰시 해중터널에 대한 충돌해석을 수행하였다. 본 연구로부터 얻은 결론은 다음과 같다.
제안 방법
- 실질적으로 충돌 하중을 받는 구조물의 거동 및 성능을 실험을 통해 얻어야 하나 실험장소 및 계측 등의 실험적 제약과 정확성의 부족으로 인하여, 충돌하중에 대한 구조물의 거동분석과 설계는 해석적 연구를 통해 주로 이루어지고 있다. 이와 같은해석적 연구를 위해 본 연구에서는 해중터널의 충돌해석을 위해 상용 구조해석프로그램인 LS-DYNA 를 사용하여 해 중 터널에 대한 충돌해석을 수행하였다. 충돌하중은 기존의 정적해석 및 동적해석과 달리 매우 짧은 시간(1〜10이s) 에아주 큰 압력하중으로 작용하기 때문에 그 응답은 충격영역에 속하게 된다.
- 그러므로 기존의 해석적 기법과는 다른 방식의 접근이 필요하다. 따라서 충돌하중에 대한 해 중 터널 구조물의 거동 및 설계를 위하여 콘크리트 비선형 재료 모델을 적용하여 해중터널 개념 설계안에 대한 충돌 시나리오별 정밀 충돌해석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 그림 2와 같은 해중터널의 제원을 기본으로 메쉬모델링을 수행하였다. 격벽부는 본 충돌해석에서 실제 충돌하중에 저항하는 효과가 미미하고, 실제 건설될해중터널의 격벽부는 그 형상이 매우 다양하므로 본 충돌해석에서는 그림 2와 같이 격벽부를 고려하지 않고, 터널부외벽만 고려하였으며, 실제 선박이나 잠수함과 같은 유선형 충돌체를 고려하기 위해 그림 2와 같은 유선형 충돌체를 모델링하였다.
- 메쉬모델링을 수행하였다. 격벽부는 본 충돌해석에서 실제 충돌하중에 저항하는 효과가 미미하고, 실제 건설될해중터널의 격벽부는 그 형상이 매우 다양하므로 본 충돌해석에서는 그림 2와 같이 격벽부를 고려하지 않고, 터널부외벽만 고려하였으며, 실제 선박이나 잠수함과 같은 유선형 충돌체를 고려하기 위해 그림 2와 같은 유선형 충돌체를 모델링하였다. 터널 외벽부는 피복두께 10cm 의 상단 및 하단 철근을 갖으며, 철근비는 0.
- 2%로 고려하였다. 충돌체와 터널부는 8절점 솔리드요소로 모델링하였고, 철근은 2 절점 트러스 요소를 사용하여 모델링하였다. 해석에서는 ANSYS LS-DYNA v.
- 2%로 고려하였다. 충돌체와 터널부는 8절점 솔리드요소로 모델링하였고, 철근은 2 절점 트러스 요소를 사용하여 모델링하였다. 해석에서는 ANSYS LS-DYNA v.
- 본 연구에서는 그림 3과 같은 해중터널의 제원을 기본으로 메쉬모델링을 수행하였다. 해중터널의 개념설계에서 격벽 부가 고려되고 있으므로 본 모델링에서는 대표적 단면에대한 터널 외벽과 격벽부를 모델링하여 실제 거동과 유사하게 모사하고자 하였다.
- ① 해중터널의 충돌해석의 해석 범위를 결정하기 위하여 개념 설계로부터 결정된 터널 단면을 일정하게 하고, 터널 길이를 100m, 300m, 500m, 1000m 로 달리하여 충돌해석을 수행하였다. 해석결과 충돌시 고려한 잠수함의 길이와 비슷한 100m, 300m 의 경우는 실제해중터널의 길이효과를 고려하지 못하는 것으로 나타났으며, 충돌체를 잠수함으로 가정하고 터널 외경이 23m인 경우 터널 길이를 500m 이상으로 해석을 수행해야 할 것으로 사료된다.
대상 데이터
- 9기을 사용하였고, 콘크리트 재료 모델은 72(*MAT_CONCRETE_ DAMAGE)을 사용하였다. 터널의 직경은 20m이며, 벽체두께는 1m, 터널 길이는 100m로 고려하였다.
- 해중터널의 개념설계에서 격벽 부가 고려되고 있으므로 본 모델링에서는 대표적 단면에대한 터널 외벽과 격벽부를 모델링하여 실제 거동과 유사하게 모사하고자 하였다. 실제 선박이나 잠수함과 같은 유선형 충돌체를 고려하기 위해 그림 4와 같은 배수량 18, 750 톤의 Ohio (U.S.) 잠수함을 기본 충돌체 대상으로 선정하였으며, 철제 솔리드 요소로 충돌체를 모델링(지름 10m 의 구 (球)를 scale factor 5로 설정하여 옆으로 눌려진 형상) 하였다. 터널 외벽부는 피복두께 10cm 의 상단 및 하단 철근을갖으며, 잠수함 침몰시 충돌 속도는 0.
- 콘크리트재료 모델은 72(*MAT_CONCRETE_ DAMAGE, LSTC, 2007)을 사용하였다. 터널의 외경은 23m이며, 벽체 두께는 1m, 터널 길이는 100m, 300m, 500m, 1000m로 고려하였다.
- 2007)을 사용하였다. 터널의 외경은 23m이며, 벽체 두께는 1m, 터널 길이는 100m, 300m, 500m, 1000m로 고려하였다.
이론/모형
- 충돌체와 터널부는 8절점 솔리드요소로 모델링하였고, 철근은 2 절점 트러스 요소를 사용하여 모델링하였다. 해석에서는 ANSYS LS-DYNA v.9기을 사용하였고, 콘크리트 재료 모델은 72(*MAT_CONCRETE_ DAMAGE)을 사용하였다. 터널의 직경은 20m이며, 벽체두께는 1m, 터널 길이는 100m로 고려하였다.
성능/효과
- 그림 7은 정면 충돌시 주응력 분포를 나타내고 있다. 전체적으로 충돌시 나타나는 응력은 콘크리트 압축강도인 45MPa 를 초과하지 않는 것으로 나타났다. 그림 8은 충돌 시나리오 A 의 에너지 이력을 보이는 그래프로 충돌이 진행됨에 따라 충돌체의 운동에너지가 감소하는 결과를 나타내고 있다.
- 그림 7은 정면 충돌시 주응력 분포를 나타내고 있다. 전체적으로 충돌시 나타나는 응력은 콘크리트 압축강도인 45MPa 를 초과하지 않는 것으로 나타났다. 그림 8은 충돌 시나리오 A 의 에너지 이력을 보이는 그래프로 충돌이 진행됨에 따라 충돌체의 운동에너지가 감소하는 결과를 나타내고 있다.
- 있다. 터널 길이 100m 와 300m 의 경우 터널 길이에 따른 휨모멘트에 의한 터널 상부 충돌면의 터널축 방향의 압축변형률과 터널 중앙단면부 격벽부 전반에 걸쳐 압축변형률이 발생하는 것으로 나타났다. 충돌체 방향과 수직, 측면, 수평 충돌의 경우 모두 터널을 관통하는 파괴거동은 나타나지 않았으며, 충돌 후 충돌체가 충돌방향과 반대로 튕겨 나가는 거동을 나타냈다.
- 충돌체 방향과 수직, 측면, 수평 충돌의 경우 모두 터널을 관통하는 파괴거동은 나타나지 않았으며, 충돌 후 충돌체가 충돌방향과 반대로 튕겨 나가는 거동을 나타냈다. 3가지 충돌 시나리오의 경우 충돌체 형상에 따라 충돌체가 터널 축방향과 수평한 경우 가장 큰 충돌 면적을 나타냈으며, 이에 따라 충돌시 터널길이 전체에 걸쳐 충돌하중이 전달되는 것으로 나타났다.
- 충돌체 방향과 수직, 측면, 수평 충돌의 경우 모두 터널을 관통하는 파괴거동은 나타나지 않았으며, 충돌 후 충돌체가 충돌방향과 반대로 튕겨 나가는 거동을 나타냈다. 3가지 충돌 시나리오의 경우 터널 길이 100m, 300m 의 경우와 같이 충돌체 형상에 따라 충돌면적이 달라지는 것으로 나타났으나, 충돌체 크기에 비해 터널 길이가 상대적으로 커지므로 충돌면적의 상대적인 차이는 크지 않은 것으로 나타났다.
- 그림 25에서 그림 27은 세가지 충돌 시나리오에 대한 터널 길이별 결합력의 시간이력을 보이고 있다. 터널 길이가 길어질수록 최대하중이 발생 시간이 다소 길어지는 경향을 보이며, 충돌 후 충돌체가 역방향으로 튕겨 나감에 따라 결합력이 사라지는 것으로 나타났다.
- ① 선박이나 잠수함이 전진하면서 터널을 정면 또는 측면으로 충돌할 경우에는 충돌면적이 충돌체 전체 면적에 비해 작으므로 층돌이 진행됨에 따라 작게 감소하지만, 선박이나 잠수함의 침몰에 의한 경우는 충돌면적이 매우 크므로 충돌이 진행됨에 따라 운동에너지가 급격히 감소하는 것으로 나타났다.
- 질량이 매우 큰 선박이나 잠수함이 전진하면서 터널을 정면 또는 측면으로 충돌할 경우에는 x-방향력에 있어서는 그 차이가 크지 않으나, 침몰 충돌의 D 의 경우는 x-방향력이 월등히 큰 것으로 나타났다. 실제 침몰의 경우에는 운항중 충돌속도인 5m/s 의 경우에 비해 느릴 것으로 판단되나, 만약 그 속도가 같다면 전체 질량이 매우 큰 충돌면적을 갖으며 충돌이 진행되는 시나리오 D 의 경우가 가장 큰 하중과 질량을 전달하는 것으로 보이므로 향후 실제 해중터널의충돌하중 산정에 있어, 이와 같은 현상에 대한 고려할 필요하다고 볼 수 있다.
- 충돌해석을 수행하였다. 해석결과 충돌시 고려한 잠수함의 길이와 비슷한 100m, 300m 의 경우는 실제해중터널의 길이효과를 고려하지 못하는 것으로 나타났으며, 충돌체를 잠수함으로 가정하고 터널 외경이 23m인 경우 터널 길이를 500m 이상으로 해석을 수행해야 할 것으로 사료된다.
- ② 터널축 방향과 수직 방향의 하중은 충돌 방향의 하중의 8% 이내로 매우 작게 나타났으며, 이는 충돌체의 충돌 시 콘크리트 터널부와의 충돌 접촉면의 변형에 의해 발생한 것으로 판단된다. 또한 터널축 방향 최대 하중은 충돌체가 터널축에 수직으로 충돌하는 경우가 가장 크게 나타났으며, 이는 충돌방향이 평행한 경우 터널축에 수직한 충돌면적이 가장 작게 형성되므로 충격하중의 전달이 상대적으로 작게 전달되기 때문인 것으로 사료된다.
후속연구
- 국외에서는 1960~70년대부터 해 중 터널에 대한 기술개발이 진행되어 상당한 수준의 기술축적이 이루어진 상태이나, 현재 상용 수준의 해중터널은 건설되어 있지 않은 상태이다. 따라서, 국내의 높은 건설기술 수준을 감안한다면 단기간에 기술수준 격차를 줄일 수 있을 것으로 판단되고, 기술도입보다는 기술개발을 통해 독자적인 기술확보가 필요할 것으로 사료된다. 또한, 해 중 터널에 대한 기술분야는 향후 건설될 초대형 해양구조물 건설에 직접적으로 활용할 수 있어 기술개발이 된다면 타 분야의 확장효과가 매우 크므로 기술도입보다는 국내 독자기술 개발이 필요한 실정이다.
- 나타내고 있다. 실제 계획중인 해중터널의 길이는 1km 이상이므로 터널 100m의 결과는 실제와는 판이할 것으로 판단되며, 해석 모델링의 범위를 결정하는데 참고자료로 사용될 수 있다.
- 이는 향후 해중터널 구조설계시 고려할 수 있는 최대 충격하중으로 간주할 수 있으나, 본 연구에서 고려한 배수량 18, 750톤의 Ohio (U.S.) 잠수함은 국내 해상에 주로 운항이 예상되는 잠수함 (예 : 손원일급 1, 800톤) 에 비해 10배 이상의 규모이므로 국내 해중터널에 적용 시에 이에 대한 검토가 이루어져야 할 것으로 판단된다.
- ⑥ 본 고에 기술한 해중터널의 충돌해석 결과는 현재까지 확정적이지 않은 해중터널의 개념 설계안을 토대로 수행한 몇 가지 충돌 시나리오에 대한 결과이므로 실제 해중터널의 충돌하중 산정을 위해서는 보다 다양한 충돌 해석이 수행되어야 할 것으로 사료된다. 따라서 향후 해중터널에 대한 상세 형식과 제원이 결정되고 보다 현실적인 충돌 시나리오가 선정이 된다면, 본 연구에서 기술한 바와 같은 해중 터널의 정밀충돌해석을 통해 구조설계에 적용할 수 있는 충돌 설계하중을 도출할 수 있으리라 판단된다.
- 사료된다. 따라서 향후 해중터널에 대한 상세 형식과 제원이 결정되고 보다 현실적인 충돌 시나리오가 선정이 된다면, 본 연구에서 기술한 바와 같은 해중 터널의 정밀충돌해석을 통해 구조설계에 적용할 수 있는 충돌 설계하중을 도출할 수 있으리라 판단된다. 匠
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