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대변형 해석기법(Coupled Eulerian-Lagrangian)을 이용한 3차원 토석류 거동분석
A Study on the 3D Analysis of Debris Flow Based on Large Deformation Technique (Coupled Eulerian-Lagrangian) 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.31 no.12, 2015년, pp.45 - 57  

정상섬 (연세대학교 토목환경공학과) ,  이광우 (연세대학교 토목환경공학과) ,  고준영 (연세대학교 토목환경공학과)

초록
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본 연구에서는 토석류의 유하부 도달 속도 및 피해 영향범위 등의 흐름 특성을 파악하기 위하여 대변형 3차원 유한요소 해석을 수행하였다. 대변형 해석은 ABAQUS (Ver 6.13, 2013)의 Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) 기법을 이용하였으며, 실제 토석류 발생 지역의 관측 값과 해석 결과를 비교함으로써 CEL 대변형 해석기법의 타당성을 검증하였다. 그 결과, CEL 대변형 해석기법은 토석류 거동을 합리적으로 예측 할 수 있음을 확인하였다. 또한 토석류의 흐름에 사방댐이 미치는 영향을 확인하기 위하여 추가적인 해석을 수행하여 분석하였다. 그 결과, 사방댐에 의해 유하부로 흘러 내려오는 토석류의 속도와 체적의 감소효과를 확인하였고 토석류에 의해 발생하는 충격력을 산정하였다. 이로 인하여 대변형 토석류 해석기법은 기존 사방댐 안정성 평가 및 사방댐 설계에 활용이 가능할 것으로 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper presents the application of the Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) technique to simulate the debris flow. The main objective of this study is to investigate the applicability of CEL technique to the behavior of debris flow, such as flow velocity and influence area. Comprehensive studies to...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 토석류의 흐름 속도는 비탈면 붕괴 당시의 경사와 체적과 관련이 있으며, 궁극적으로는 충격력산정과 예측에 매우 중요한 인자이다. 따라서 본 연구에서는 우면산 산사태 발생 당시 래미안 아파트 앞 유역(래미안 유역)에서 측정된 비디오 자료와 CEL 해석 결과를 비교 분석하였다. 본 해석에서는 토석류의 흐름 속도와 토석류의 유동심을 확인하기 위하여 Fig.
  • 토석류 발생에 적절히 대응하고 피해를 최소화하기 위해서는 피해 발생범위를 예측하여 사방구조물을 계획하고 시공하는 것이 중요하다. 따라서 본 절에서는 토석류의 피해 범위를 파악하기 위하여 4.2절에 기술한 것과 같이 래미안 유역의 5개 지점에서의 토석류의 흐름 형상을 분석하였다. Fig.
  • 대변형 토석류 흐름을 모사하기 위하여 CEL 기법을 적용하였으며, 실제 토석류 발생 지역의 현장 관측 값과의 비교를 통하여 CEL 기법의 정확성을 검증하였다. 또한, 사방댐을 모사하여 사방댐이 토석류 흐름에 미치는 영향을 확인하고자 하였다.
  • 본 연구에서는 Table 2에 나타낸 것과 4가지 유형의 요소망 크기를 변화시켜 해석을 수행하였으며, 토석류 초기체적이 흘러내리는 속도를 비교하여 최적의 요소망의 크기를 결정하고자 하였다. 해석결과는 Fig.
  • 본 연구에서는 토석류의 흐름특성의 분석을 위한 대변형 해석기법의 적용성을 평가하고자 한다. 대변형 토석류 흐름을 모사하기 위하여 CEL 기법을 적용하였으며, 실제 토석류 발생 지역의 현장 관측 값과의 비교를 통하여 CEL 기법의 정확성을 검증하였다.

가설 설정

  • 본 연구에서는 CEL 해석을 통해 사방댐의 효과를 분석하기 위하여 유역 중류(C 지점)에 사방댐을 모사하여 해석을 수행하였으며, 이를 통해 사방댐에 가해지는 충격력과 토석류의 속도 및 체적 감소량 산정하였다. Fig. 15에 나타낸 것과 같이 사방 댐의 크기는 가로 50m, 높이 6m, 폭 2m로 모델링 하였으며 경계 조건은 암반위에 고정된 것으로 가정하여 사방댐 바닥면에 x, y, z 방향의 변위를 모두 고정하였다. 사방댐은 탄성모델을 적용하였으며, 단위중량 25kN/m3 탄성계수 21GPa, 포아송비(Poisson’s ratio) 0.
  • 또한 기존의 산사태 해석 프로그램으로부터 산정된 초기체적(initial volume)은 산사태 발생지점에서 중력에 의해 일괄적으로 흘러내리도록 모델링 하였으며, 그 물성은 물, 흙 그리고 암석이 섞여있는 유체로 가정하여 해석을 수행하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
AM방법의 단점은? 서호주대학 (University of Western Australia)에서 개발된 RITSS방법은 해석 단계별로 유한요소망을 재생성하고 결과를 재배치하여 비교적 정확한 해석 방법으로 알려져 있지만 2차원에서만 해석이 가능하다는 단점이 있다. AM방법은 해석단계에 따라 변형된 유한요소망을 합리적으로 수정하는 해석기법이지만 복잡한 지형 및 광범위하게 흐르는 토석류 해석에 적용하기에는 무리가 있다. 반면 Lagrangian 해석법과 Eulerian 해석법의 장점을 각각 적용한 CEL 해석기법은 지형 및 범위에 제약사항이 없어 빠른 속도로 흘러내리는 토석류의 거동을 예측하기에 적합한 것으로 판단된다.
RITSS방법의 장단점은? , 2015). 서호주대학 (University of Western Australia)에서 개발된 RITSS방법은 해석 단계별로 유한요소망을 재생성하고 결과를 재배치하여 비교적 정확한 해석 방법으로 알려져 있지만 2차원에서만 해석이 가능하다는 단점이 있다. AM방법은 해석단계에 따라 변형된 유한요소망을 합리적으로 수정하는 해석기법이지만 복잡한 지형 및 광범위하게 흐르는 토석류 해석에 적용하기에는 무리가 있다.
FLO-2D, RAMMS, DEBRIS-2D 등, 기존의 토석류의 흐름을 해석하는 프로그램의 문제점은? FLO-2D, RAMMS, DEBRIS-2D 등은 토석류 발생 예측지점에 체적과 물성을 정의하고 중력에 의한 토석류의 흐름을 해석하는 프로그램들로 토석류의 이동방향 및 거리, 속도 등을 적절히 모사 할 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 이러한 프로그램들은 DEM (digital elevation models) 기반의 D8 (eight possible directions) 기법으로 흐름방향을 결정하고 있으므로 유한요소해석 결과 보다는 정확도가 낮고 초기 체적을 특정 격자에 유량으로 정의하므로 실제 산사태 발생한 부분을 정확 하게 정의하는데 있어 한계가 있다. 또한, 이러한 프로 그램들은 유사 3차원 해석으로 특정 격자의 표고를 높여 구조물의 모사가 가능하지만 구조물의 형태, 위치 및형식을 자유롭게 모사하는데 어려움이 있으며 사방구 조물의 응력해석이 불가하므로 사방구조물의 안정성을 평가하는데 어려움이 있다. 반면 유한요소해석기법을 이용하면 초기체적을 산사태 발생 위치 및 형상을 직접 모델링 할 수 있으며, 사방구조물에 대한 응력해석도 가능하다.
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참고문헌 (28)

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