플로팅 함체의 강성변화가 상부 철골모멘트연성골조에 미치는 영향을 확인하기 위해 함체의 높이를 1.5m, 2.0m, 2.5m로 변화시키면서 파랑하중 3초에서 15초에 대하여 동적 유체 해석과 그에 따른 파력을 산정하고 정적 구조 해석을 수행하였다. 해석결과, RAO-피치와 상부 골조의 모멘트 증가량이 선형적인 관계이고 함체의 곡률이 구조물의 강성과 반비례함을 확인하였다. 이러한 선형적 결과를 종합하여, 임의의 함체에 대한 상부골조의 해석 결과를 이용하여 함체 높이가 다른 경우에도 상부 골조의 모멘트를 추정하는 절차를 제안하였으며, 추정결과가 해석결과와 상당히 잘 일치함을 확인하였다.
플로팅 함체의 강성변화가 상부 철골모멘트연성골조에 미치는 영향을 확인하기 위해 함체의 높이를 1.5m, 2.0m, 2.5m로 변화시키면서 파랑하중 3초에서 15초에 대하여 동적 유체 해석과 그에 따른 파력을 산정하고 정적 구조 해석을 수행하였다. 해석결과, RAO-피치와 상부 골조의 모멘트 증가량이 선형적인 관계이고 함체의 곡률이 구조물의 강성과 반비례함을 확인하였다. 이러한 선형적 결과를 종합하여, 임의의 함체에 대한 상부골조의 해석 결과를 이용하여 함체 높이가 다른 경우에도 상부 골조의 모멘트를 추정하는 절차를 제안하였으며, 추정결과가 해석결과와 상당히 잘 일치함을 확인하였다.
To examine the interaction of the floating pontoon with a steel moment resisting frame, the static structural analysis is carried out, in which the pressure load are calculated from the forgoing fluid dynamic analysis, varying the period of wave from 3 to 15 second and for 3 cases of depth of pontoo...
To examine the interaction of the floating pontoon with a steel moment resisting frame, the static structural analysis is carried out, in which the pressure load are calculated from the forgoing fluid dynamic analysis, varying the period of wave from 3 to 15 second and for 3 cases of depth of pontoon, 1.5, 2.0, 2.5m. As results, it has shown that RAO-pitch has the linear relationship with the increase of moment of the frame and the curvature of pontoon is reversely proportional to the stiffness of pontoon. By synthesizing these results, an estimation method is proposed, which predicts the moment of frame of the different depth of pontoon based on the analysis result of an arbitrary depth of a floating pontoon. The estimation result shows considerably good agreement, compared with the analysis result.
To examine the interaction of the floating pontoon with a steel moment resisting frame, the static structural analysis is carried out, in which the pressure load are calculated from the forgoing fluid dynamic analysis, varying the period of wave from 3 to 15 second and for 3 cases of depth of pontoon, 1.5, 2.0, 2.5m. As results, it has shown that RAO-pitch has the linear relationship with the increase of moment of the frame and the curvature of pontoon is reversely proportional to the stiffness of pontoon. By synthesizing these results, an estimation method is proposed, which predicts the moment of frame of the different depth of pontoon based on the analysis result of an arbitrary depth of a floating pontoon. The estimation result shows considerably good agreement, compared with the analysis result.
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문제 정의
플로팅 구조물의 상부 구조물은 육상의 구조물과는 전혀 다른 기술적인 문제를 가지고 있지만 육상의 구조물과 마찬가지로 사람들이 생활하기 위해 필요한 안전성과 쾌적성이 확보 되어야 한다(해양수산부, 2008). 따라서 본 연구에서는 플로팅 함체의 강성 변화와 파도 주기에 따른 플로팅 함체의 변형을 확인하고 이러한 변형이 상부골조에 미치는 응답특성을 검토하고자 한다.
본 연구는 플로팅 함체와 철골모멘트연성골조의 상호 작용에 따른 골조의 응답특성을 확인하기 위한 것으로 동적유체해석과 구조 해석을 통하여 플로팅 함체의 높이를 1.5, 2.0, 2.5 m로 변화시키면서 파도주기 3초에서 15초까지 상부 골조의 부재에 발생하는 모멘트의 변화량을 고찰하였으며 그 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 플로팅 함체의 높이 변화에 따라 함체와 철골모멘트연성골조의 상호 작용을 확인하고자 한다.
축력과 모멘트를 동시에 전달해야 되는 기둥 부재에 대해 함체의 강성과 파도주기 변화에 따른 기둥 부재 축력의 증가량을 확인하고자 한다.
가설 설정
적용된 하중은 고정하중 25kN/m, 활하중 15kN/m이며, 파도의 주기는 5∼15초까지 2초씩 증가시켰고 수심은 10m, 파향은 함체의 길이방향으로 가정하였다.
탄성응답해석법에 의해 구조물의 동적 응답을 해석하기 위해 유체는 비압축성, 비점성, 비회전하며 자유 표면은 모든 방향으로 무한히 펼쳐져 있다고 가정한다. 그리고 선형이론으로 주파수 영역에서의 해석을 하고 각각의 평형 위치에 대한 응답은 미소진폭의 조화진동으로 3차원 해석을 수행한다(C.
제안 방법
해석과정은 구조물의 질량, 관성질량모멘트 및 무게중심(COG) 값을 구조 해석을 통해 구하고, 이 값에 의해 주파수 영역에서의 동적유체해석을 통해 플로팅 구조물에 작용하는 파랑하중의 압력을 구하게 된다. 또한 동적유체해석을 통하여 얻어진 파랑하중의 압력을 유체 절점력의 가중 평균값으로 구조요소의 절점하중을 계산하여 구조 해석을 수행하였다.
이러한 선형의 결과를 분석 종합하여, 임의의 함체높이를 기준 모델로 하고 이 기준 모델의 해석 결과를 이용하여 함체 높이가 다른 경우에도 상부 골조의 모멘트를 추정하는 절차를 제안하였다. 추정을 위한 변수로는 함체의 강성비와 RAO-피치를 이용하였다.
이러한 선형의 결과를 분석 종합하여, 임의의 함체높이를 기준 모델로 하고 이 기준 모델의 해석 결과를 이용하여 함체 높이가 다른 경우에도 상부 골조의 모멘트를 추정하는 절차를 제안하였다. 추정을 위한 변수로는 함체의 강성비와 RAO-피치를 이용하였다. 추정결과를 해석결과와 비교하였을 때 보의 경우에 최대 오차율이 5.
파도의 위상각에 따른 플로팅 함체의 수직 변위의 변화를 확인하기 위해 파도의 주기가 9초 일 때 위상각이 0∼135°로 변하는 경우에 대한 해석을 수행하였으며, 그 결과는 Fig. 8에서 도시하였다.
플로팅 구조물의 구조 해석은 구조물에 작용하는 파랑하중의 압력을 동적유체해석을 통하여 구하고, 경계 조건은 물 위에 떠있는 구조물의 부재 반력에 영향을 미치지 않도록 작은 스프링 값(Weak spring=100N/m)을 적용하였다.
플로팅 구조물의 동적유체해석은 단위 진폭을 갖는 입사파에 대한 함체 변위를 무차원하여 파도주기의 변화에 따른 선체의 응답 변화를 함수로 나타내는 선체 응답 함수(RAO :Response Amplitude Operator)해석을 통해 구조물의 수직변위(heave)와 피치(pitch)에 의한 회전이 파도의 주기에 따라 어떠한 양상을 나타내는지 확인하기 위해 수행하였으며, 함체의 높이가 2m인 모델을 유체 해석한 함체 수직변위와 피치 양상은 Fig. 3과 Fig. 4에 도시하였다.
플로팅 구조물의 해석은 동적유체해석(fluid dynamics)과 구조 해석을 상호 연계하여 수행하였다. 해석과정은 구조물의 질량, 관성질량모멘트 및 무게중심(COG) 값을 구조 해석을 통해 구하고, 이 값에 의해 주파수 영역에서의 동적유체해석을 통해 플로팅 구조물에 작용하는 파랑하중의 압력을 구하게 된다.
함체의 강성과 파도 주기에 따른 모멘트 증가량을 확인하기 위하여 Fig. 2의 보 G1, G2와 기둥 C1, C2를 확인하였다.
23에 함체의 강성비의 역수와 곡률비의 관계를 도시하였다. 함체의 강성은 Fig. 1과 같은 함체의 길이방향의 양단부를 단순보와 같이 구속한 구조해석 모델로 지지조건을 변경하고 중앙에 단위하중을 작용하였을 때 중앙점에서의 수직 변위값의 역수로 취하였다. Table 5와 같이 함체의 높이가 1.
플로팅 구조물의 해석은 동적유체해석(fluid dynamics)과 구조 해석을 상호 연계하여 수행하였다. 해석과정은 구조물의 질량, 관성질량모멘트 및 무게중심(COG) 값을 구조 해석을 통해 구하고, 이 값에 의해 주파수 영역에서의 동적유체해석을 통해 플로팅 구조물에 작용하는 파랑하중의 압력을 구하게 된다. 또한 동적유체해석을 통하여 얻어진 파랑하중의 압력을 유체 절점력의 가중 평균값으로 구조요소의 절점하중을 계산하여 구조 해석을 수행하였다.
대상 데이터
상부구조물은 철골모멘트연성골조로 기둥 H-310×305×15×20, 보는 H-480×300×11×15를 사용하였고 스팬은 8m, 층고는 3.5m인 3층 구조물이다.
플로팅 함체 해석 모델은 Fig. 1과 같이 길이 96m, 폭 48m인 콘크리트 구조물이며 8m×8m 모듈 72개로 구성되고 함체의 높이를 1.5m, 2.0m, 2.5m로 변화시켰다.
성능/효과
RAO-피치 그래프와 상부 골조의 모멘트 증가량 그래프가 선형적인 관계임을 볼 수 있었으며, 피치가 최대로 발생하는 파도 주기에서 상부골조의 모멘트 증가량이 최대로 나타났다.
따라서 제안된 상부골조의 모멘트를 추정하는 방법을 이용하여, 함체의 높이가 변화하는 경우에도 상부골조의 모멘트를 빠르고 정확하게 예측할 수 있다.
따라서 제안된 함체 상부골조의 모멘트를 추정하는 방법을 이용하면, 함체의 높이가 다른 경우에 추가해석을 수행하지 않고서도 상부골조의 모멘트를 신속하게 예측할 수 있다. 플로팅 구조물 해석은 구조물의 크기 및 높이, 파도 주기, 위상각 등여러 인자들을 고려하여 유동체 해석, 그로부터 파력을 구하여 구조해석을 수행하므로 많은 시간이 소요되나, 초기설계시 본 연구의 추정방법을 이용하여 해석 시간을 단축할 수 있다.
따라서 플로팅 구조물 설계시 일반적인 범위의 함체의 높이와 파랑주기의 범위에서 함체의 강성비의 역수는 곡률과 선형의 관계를 나타내고 있으며, 곡률과 상부골조의 모멘트의 증가량도 역시 높은 선형 비례의 관계를 보이고 있다.
플로팅 구조물 해석은 구조물의 크기 및 높이, 파도 주기, 위상각 등 여러 인자들을 고려하여 3장의 유동체 해석과 4장의 구조해석을 수행하여야 하기 때문에 많은 시간이 소요된다. 앞 절의 상관관계 분석 결과, 함체높이에 따른 상부 구조물 보와 기둥 부재의 모멘트 증가량, RAO-피치 그리고 함체의 강성비의 관계가 선형적임을 알았다. 이러한 선형 관계 특성을 이용하여 파도주기와 플로팅 함체 높이 변화에 따라 모든 해석을 수행 하지 않고서도, 함체의 강성이 다른 상부골조의 모멘트를 다음과 같이 추정할 수 있다.
제안된 추정방법을 이용하여 함체 높이가 다른 경우에 상부골조 각 부재의 모멘트를 Table 6과 Table 7에서 추정하고 비교한 결과, 보의 경우는 거의 해석값과 일치하였다. 외부기둥의 경우에 최대오차율이 10% 정도로 나타나, 보의 경우보다는 정확도가 떨어지지만 적절하게 예측함을 알 수 있었다. 내부기둥의 경우는 최대오차율이 25% 정도로 크게 발생하였으나, 내부 기둥에 발생하는 모멘트의 크기가 설계에 반영이 되지 않을 정도로 적기 때문에 오차율이 크게 문제가 되지 않는다.
제안된 추정방법을 이용하여 함체 높이가 다른 경우에 상부골조 각 부재의 모멘트를 Table 6과 Table 7에서 추정하고 비교한 결과, 보의 경우는 거의 해석값과 일치하였다. 외부기둥의 경우에 최대오차율이 10% 정도로 나타나, 보의 경우보다는 정확도가 떨어지지만 적절하게 예측함을 알 수 있었다.
추정을 위한 변수로는 함체의 강성비와 RAO-피치를 이용하였다. 추정결과를 해석결과와 비교하였을 때 보의 경우에 최대 오차율이 5.4%, 외부기둥은 10.4% 이내로 해석 값과 일치함을 볼 수 있었다. 내부기둥의 경우에는 최대 오차율이 24.
파도의 위상각과 주기에 따라 플로팅 함체에 발생하는 수직 변위와 변형을 분석한 결과, 함체의 곡률이 상부 골조의 외부및 내부의 보와 기둥의 모멘트 증가량과 선형적인 비례관계임을 확인하였다. 그러나 기둥에 있어서 함체 곡률의 변화에 따른 축력의 변화량이 거의 발생하지 않았다.
플로팅 함체의 높이를 1.5m, 2.0m, 2.5m 로 변화시켜 함체의 강성과 파도 주기 변화에 따른 상부 구조물의 외단부 보 부재 G2에 대한 모멘트 증가량을 확인하였다.
함체의 강성 및 파도주기 변화에 따른 상부구조물의 외부기둥 C2부재에 대한 모멘트 증가량을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
플로팅 구조물에 적용되는 특수하중에는 어떤 것들이 있는가?
중과 함께 바람, 조류, 온도, 변형하중 등을 포함하는 환경하중이 작용되며 계류력, 접안, 충돌력 등의 특수하중이 적용되어야 한다. 이 가운데 환경 하중의 주된 파랑하중은 플로팅 구조물이 설치되는 위치에 의존적이며 플로팅 구조물의 견인에 의한 이동 중에도 작용하므로 파랑하중에 대한 해석은 플로팅 구조물의 설계에서 필수적으로 수행되어야 한다.
플로팅 구조물의 설계에서 필수적으로 수행되어야 하는 일은 무엇인가?
이 가운데 환경 하중의 주된 파랑하중은 플로팅 구조물이 설치되는 위치에 의존적이며 플로팅 구조물의 견인에 의한 이동 중에도 작용하므로 파랑하중에 대한 해석은 플로팅 구조물의 설계에서 필수적으로 수행되어야 한다. 플로팅 구조물의 파랑하중에 의한 해석에 있어서 구조물이 소규모일 경우 탄성변형이 미미하므로 강체(rigid body)로 가정하여도무방한 반면 구조물이 대형화될 경우 유연성(flexibility)에 의한 탄성변형도 무시할 수 없게 된다. 즉, 플로팅 구조물의 규모는 그 거동을 해석함에 있어서 강체와 탄성체를 구분하는 주요 인자 중 하나로 볼 수 있다(김병완, 2006).
서울 반포지구 수상에 조성된 대표적인 플로팅 구조물은 무엇인가?
최근 들어 우리나라에서도 새만금 개발사업, 4대강 정비사업, 여수엑스포 등 친수공간을 이용한 플로팅 사업이 증대되고 있다. 또한 서울시에서는 한강 르네상스의 프로젝트 일환으로 반포지구 수상에 다목적 공연장, 문화 체험장, 카페 및 편의 시설 등을 위한 ‘플로팅 아일랜드(floating island)’가 조성 되었다(문창호, 2011). 이는 소득 수준의 향상으로 인해 물 가까이에서 여가를 보내고자 하는 욕구가 증대 되고 있기 때문이다.
참고문헌 (5)
김병완 외 4인(2006), "파랑하중을 받는 부유체의 강성에 따른 응답 고찰", 한국전산구조공학회 정기학술대회 논문집, pp.941∼948
문창호(2011), "플로팅 호텔의 건축계획에 대한 사례연구", 한국항해항만학회 제35권 6호, pp.515∼522
송화철(2001), "파랑하중을 받는 초대형 부유식 구조물 상부구조체의 정적해석법", 한국강구조학회지, 제 13권 4호, pp.49-56
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