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얕은기초의 하중지지거동에 관한 수치해석
Numerical Analysis of Load Bearing Behavior of Shallow Foundations 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.15 no.10, 2014년, pp.6322 - 6328  

이승현 (선문대학교 토목공학과) ,  이수형 (한국철도기술연구원 광역도시교통연구본부)

초록
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얕은기초의 하중지지거동을 살펴보기 위해 3종류의 얕은기초를 가정하여 유한요소해석을 수행하였다. 띠기초에 대한 해석을 통해 구한 파괴시의 기초하부지반의 파괴양상은 팽창각이 없는 경우 국부전단파괴양상을 보였으며 팽창각이 있는 경우에는 전반전단파괴양상을 보였다. 팽창각에 따른 극한하중에 있어서는 팽창각이 있는 경우의 극한하중이 팽창각이 없는 경우에 비해 1.5배 큰 값을 보였다. 원형기초와 정사각형 기초에 대한 해석결과에 따르면 팽창각의 존재여부와 관계없이 파괴시 기초 인접지반면에 상향의 변위가 발생하여 전반전단파괴양상을 보였다. 극한하중에 있어서는 팽창각이 있는 경우가 없는 경우에 비해 약 10% 정도 증가하였다. 세 종류의 얕은기초에 대하여 해석을 통해 얻은 하중-침하곡선을 살펴볼 때 팽창각이 클수록 하중지지능력이 큼을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Finite element analyses were performed to find out the load bearing behavior of three kinds of shallow foundations. The analysis results for strip footing showed that local shear failure mode could be observed for a zero dilatancy angle and general shear failure mode could be seen for non-zero dilat...

주제어

#Finite element analysis   #Load bearing behavior   #Failure mode   #Dilatancy angle   #Ultimate bearing load  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이와 관련해 수치해석법은 기초의 하중-변위거동을 파악할 적절한 방법이라 할 수 있으나 연구결과가 많지 않은 실정이다. 따라서 본 연구에서는 다양한 기초 형식에 의한 하중지지거동을 수치해석법을 이용하여 평가함으로써 지지력과 침하거동 등을 파악하고자 하였는데 특히, 흙의 팽창각(dilatancy angle)에 따른 하중지지 거동을 살펴보고자 하였다.

가설 설정

  • 해석에서 고려한 기초형식은 띠기초와 원형기초 그리고 정사각형 기초인데 띠기초의 경우 평면변형률해석(plane strain analysis)을 수행하게 되고 원형기초의 경우 대칭해석(symmetrical analysis)을 수행하게 되며 정사각형기초의 경우 3차원해석을 수행하게 된다. 기초는 표면기초 (surface footing)로 가정하였는데 기초 바닥면은 흙과 기초바닥 사이에 상대변위가 없는 거친 바닥(rough base)으로 가정하였고 기초의 폭은 2m로 하였다. 사질토의 전단거동특성은 팽창각(α)에 영향을 받게 되는데 매우 조밀한 모래의 경우 실험실 시험결과에 따르면 팽창각은 흙의 첨두전단저항각(Φ′)의 1/3 정도의 값을 보인다.
  • 1과 같다. 띠기초의 폭은 2m로 가정하였으므로 해석시에는 1m의 폭을 고려하였는데 변위에 대한 경계조건으로는 전체 해석영역의 좌우측은 수평방향으로 변위를 구속시켰으며 아래측은 수평 및 연직방향으로 변위를 구속시켰다.
  • 3이다. 해석에서 가정한 얕은기초는 탄성체로 가정하였는데 탄성계수와 포아송비는 각각 30,000,000kPa 과 0.2이다. 해석에서 고려한 기초형식은 띠기초와 원형기초 그리고 정사각형 기초인데 띠기초의 경우 평면변형률해석(plane strain analysis)을 수행하게 되고 원형기초의 경우 대칭해석(symmetrical analysis)을 수행하게 되며 정사각형기초의 경우 3차원해석을 수행하게 된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
기초의 하중지지거동 해석을 위해 사용한 프로그램은? 기초의 하중지지거동 해석을 위해 상용 유한요소해석 프로그램인 ZSOIL을 사용하였다[8]. 해석대상지반은 Mohr-Coulomb모델을 적용하였는데 흙의 점착력은 15kPa 이고 내부마찰각은 25°이다.
얕은기초의 하중지지거동을 살펴보기 위해 3종류의 기초를 가정하여 유한요소해석을 수행해 보았는데 각각의 얕은기초에 대하여 팽창각을 달리하여 해석한 결과는 무엇인가? 1) 띠기초에 대한 해석을 통해 구한 파괴시의 기초하부지반의 변위벡터와 변위맵을 통해 볼 때 팽창각이 없는 경우 국부전단파괴양상을 보였으며 팽창각이 있는 경우에는 전반전단파괴양상을 보였다. 이러한 결과는 팽창각이 흙의 전단거동에 미치는 체적팽창의 특성을 반영한 결과로 보인다. 팽창각에 따른 극한하중에 있어서는 팽창각이 있는 경우의 극한하중이 팽창각이 없는 경우에 비해 1.5배 큰 값을 보였다. 2) 원형기초와 정사각형 기초에 대한 해석결과에 따르면 팽창각의 존재여부와 관계없이 파괴시 기초 인접지반면에 상향의 변위가 발생하여 전반전단파괴 양상을 보인다고 볼 수 있으며 팽창각이 있는 경우의 상향변위가 없는 경우에 비해 약간 컸다. 극한하중에 있어서는 팽창각이 있는 경우가 없는 경우에 비해 약 원형기초의 경우 8%, 정사각형기초의 경우 9% 증가하였다. 3) 세 종류의 얕은기초에 대하여 해석을 통해 얻은 하 중-침하곡선을 살펴볼 때 팽창각이 클수록 하중지지능력이 큼을 알 수 있었다. 4) 얕은기초에 대한 수치해석결과를 종합적으로 분석해 볼 때 얕은기초 설계에 있어서 수치해석기법을 적용함으로써 하중지지거동을 좀 더 합리적으로 예측할 수 있을 것으로 기대된다.
해석에서 고려한 기초형식은 무엇인가? 2이다. 해석에서 고려한 기초형식은 띠기초와 원형기초 그리고 정사각형 기초인데 띠기초의 경우 평면변형률해석(plane strain analysis)을 수행하게 되고 원형기초의 경우 대칭해석(symmetrical analysis)을 수행하게 되며 정사각형기초의 경우 3차원해석을 수행하게 된다. 기초는 표면기초 (surface footing)로 가정하였는데 기초 바닥면은 흙과 기초바닥 사이에 상대변위가 없는 거친 바닥(rough base)으로 가정하였고 기초의 폭은 2m로 하였다.
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참고문헌 (9)

  1. Terzaghi, K., Theoretical soil mechanics, John Wiley, New York, 1943. DOI: http://dx.doi.org/10.1002/9780470172766 

  2. Skempton, A. W., "The Bearing Capacity of Calys", Proceedings, Building Research Congress, Vol. 1, pp. 180-189, London, 1951. 

  3. Meyerhof, G. G., "Some Recent Research on the Bearing Capacity of Foundations", Canadian Geotechnical Journal, Vol. 1, No. 1, pp. 16-26 (Reprinted in Meyerhof, 1982), 1963. DOI: http://dx.doi.org/10.1139/t63-003 

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  4. Brinch Hansen, "A General Formula for Bearing Capacity", Bulletin No. 11, Danish Geotechnical Institute, Copenhagen, 1961. 

  5. DeBeer, E. E. and Ladanyi, B., "Experimental study of the bearing capacity of sand under circular foundations resting on the surface", Proceedings, 5th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Vol. 1, pp. 577-585. Paris, 1961. 

  6. Prandtl, L., "Uber die Harte plastischer Korper (On the Hardness of Plastic Bodies)", Nachr. Kgl. Ges Wiss Gottingen, Math-Phys. Kl., pp. 74. (in German), 1920. 

  7. Vesic, A. S., "Analysis of ultimate loads of shallow foundations", ASCE Journal of Soil Mechanics and Foundations Division, Vol. SM1, pp. 45-73, 1973. 

  8. Zimmermann, T., ZSOIL.PC Getting started, Elmepress international, Lausanne, Switzerland, 2013. 

  9. Bolton, M. D., "The Strength and dilatancy of sands". Geotechnique 1/36, pp. 65-78, 1986. DOI: http://dx.doi.org/10.1680/geot.1986.36.1.65 

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