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문제 정의
- 에너지파일 가동으로 인한 온도변화는 에너지파일과 주변 지반에 열응력 및 변위를 발생시키며, 이는 파일의 역학적 거동에 큰 영향을 끼치므로 구조물 설계에 중요한 고려요소가 된다. 본 연구에서는 현장타설 에너지파일에 대한 현장 열응력 시험을 수행하여 파일과 주변 지반의 온도변화에 따른 에너지파일의 역학적 거동을 분석하였다. 또한 에너지파일의 열역학적 거동을 모사할 수 있는 수치해석 모델을 개발하였고, 수치해석 결과와 현장시험 결과와의 비교를 통해 개발된 모델의 적합성을 판단하였다.
제안 방법
- 따라서 본 연구에서는 해석의 편의를 위해 수치해석을 두 단계로 나누어 수행하였다. 1단계로 3차원 전산유체해석(CFD, Computation fluid dynamics)과 고체에서의 열전달을 고려한 수치해석을 통해 파일 표면과 지중 온도변화를 파악하고, 2단계로 2차원 축대칭 모델을 사용하여 온도변화에 의한 에너지파일의 역학적 거동을 모사하였다. 2차원 축대칭 모델에서는 열교환기를 직선 형태로 모사하였고 1단계의 3차원 열전달 모델로부터 얻은 시간에 따른 파일 표면온도를 경계조건으로 입력하여 순환수의 거동을 대체하였다[3, 4].
- 3. 파일과 지반 사이(Contact interface)의 역학적 특성을 반영한 에너지파일의 열역학적 거동을 모사 할 수 있는 수치해석 모델을 개발하였다.
- 현장 열응력 시험은 파일두부를 구속하지 않은 상태에서 열교환에 의한 열응력 변화를 관찰하는 방법으로 수행되었다. 건물의 냉난방 가동에 따른 에너지파일 내부 온도변화와 그 확산범위를 측정하기 위하여 철근망 2m, 5m, 8m, 11m, 14m 지점에 열전대를 설치하였으며, 온도변화에 따른 파일의 변형률을 측정하기 위해 철근망 3.5m, 7m, 10.5m 14m 지점에 변형률계를 설치하였다. 건물의 냉난방 부하를 모사하기 위해 항온 수조를 제작 및 이용하여 난방 시에는 6~9℃, 냉방 시에는 29~30℃의 유입수를 에너지파일에 적용하였으며, 지반과의 열교환이 이루어진 후의 유출수의 온도를 측정하였다.
- 5m 14m 지점에 변형률계를 설치하였다. 건물의 냉난방 부하를 모사하기 위해 항온 수조를 제작 및 이용하여 난방 시에는 6~9℃, 냉방 시에는 29~30℃의 유입수를 에너지파일에 적용하였으며, 지반과의 열교환이 이루어진 후의 유출수의 온도를 측정하였다. 지반, 에너지파일, 유입수 및 유출수 온도와 순환수의 유량은 전력공급 타이머와 데이터수집장치(Data logger)를 이용하여 5분 단위로 측정하였으며, 축 방향 변형률은 변형률 측정 장치를 이용하여 24시간 간격으로 측정하였다.
- 해석시간의 단축과 컴퓨터 메모리 사용량을 줄이기 위해 열역학적 해석은 2차원으로 수행되었다. 기존 U형 열교환 파이프를 직선 형태의 등가 경계조건으로 변환하고, 3차원 전산유체해석을 통해 얻은 시간에 따른 파일표면 온도를 경계온도 조건으로 적용하였다. 에너지파일의 두부는 구속되지 않은 자유단으로 설정하였고 지반 하부와 측면 경계는 고정 경계면으로 적용하였다.
- 냉·난방 각각 15일의 현장 시험을 모사하였고 시간에 따른 파일표면의 깊이별 온도, 유출수 온도 및 지중온도를 관찰하였다.
- 이와 같이 복잡하고 미세한 격자와 다양한 물리모델이 결합된 해석은 과도한 해석시간과 컴퓨터 메모리가 요구된다[2]. 따라서 본 연구에서는 해석의 편의를 위해 수치해석을 두 단계로 나누어 수행하였다. 1단계로 3차원 전산유체해석(CFD, Computation fluid dynamics)과 고체에서의 열전달을 고려한 수치해석을 통해 파일 표면과 지중 온도변화를 파악하고, 2단계로 2차원 축대칭 모델을 사용하여 온도변화에 의한 에너지파일의 역학적 거동을 모사하였다.
- 본 연구에서는 현장타설 에너지파일에 대한 현장 열응력 시험을 수행하여 파일과 주변 지반의 온도변화에 따른 에너지파일의 역학적 거동을 분석하였다. 또한 에너지파일의 열역학적 거동을 모사할 수 있는 수치해석 모델을 개발하였고, 수치해석 결과와 현장시험 결과와의 비교를 통해 개발된 모델의 적합성을 판단하였다.
- 에너지파일의 열역학적 거동은 주변 지반의 물성이 다를 경우 물성에 따라 상이한 거동을 보였으며, 이는 파일과 주변 지반 사이의 경계면 조건이 에너지파일의 열역학적 거동에 매우 큰 영향을 준다는 것을 의미한다. 또한, Augmented lagrangian method를 활용하여 에너지파일의 열역학적 거동을 모사한 수치해석에서도 파일과 지반사이의 Contact interface 조건의 설정이 중요한 요소로 작용하였다.
- 먼저 3차원 CFD 수치해석을 통해 현장 타설 에너지파일의 열전달 거동을 모사하였다. 지반은 원기둥 형태로, 직경 8m, 깊이는 20m로 모델링하였다.
- 시간에 따라 에너지파일 표면에 발생하는 열응력을 측정하였으며, 유한요소 수치해석 프로그램을 사용하여 이를 모사할 수 있는 수치모델을 개발하였다. 수치해석결과와 현장시험 결과와의 비교를 통해 수치모델을 검증하였으며, 본 연구를 통해 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
- 에너지파일의 열역학적 거동을 관찰하기 위해 30일간의 에너지파일 냉난방 가동을 모사한 현장시험을 수행했다. 시간에 따라 에너지파일 표면에 발생하는 열응력을 측정하였으며, 유한요소 수치해석 프로그램을 사용하여 이를 모사할 수 있는 수치모델을 개발하였다. 수치해석결과와 현장시험 결과와의 비교를 통해 수치모델을 검증하였으며, 본 연구를 통해 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
- 에너지파일은 콘크리트, 지반은 사질토와 암반층으로 구분하여 모델링하였다. 지반과 에너지파일, 열교환 파이프의 제원은 Table 2에 나타냈다.
- 기존 U형 열교환 파이프를 직선 형태의 등가 경계조건으로 변환하고, 3차원 전산유체해석을 통해 얻은 시간에 따른 파일표면 온도를 경계온도 조건으로 적용하였다. 에너지파일의 두부는 구속되지 않은 자유단으로 설정하였고 지반 하부와 측면 경계는 고정 경계면으로 적용하였다. 지반은 현장 지반조건을 반영하여 2개의 층으로 나눠 상부는 사질토, 하부는 암반층으로 구분하였다.
- 에너지파일의 열역학적 거동을 관찰하기 위해 30일간의 에너지파일 냉난방 가동을 모사한 현장시험을 수행했다. 시간에 따라 에너지파일 표면에 발생하는 열응력을 측정하였으며, 유한요소 수치해석 프로그램을 사용하여 이를 모사할 수 있는 수치모델을 개발하였다.
- 열교환 파이프는 ‘Non-isothermal pipe flow 모듈’을 이용하여 선으로 모사하고 가상의 직경을 적용하는 방법을 사용하였으며, 파일 표면에서 0.1m 안쪽 위치에 모델링하였다.
- 건물의 냉난방 부하를 모사하기 위해 항온 수조를 제작 및 이용하여 난방 시에는 6~9℃, 냉방 시에는 29~30℃의 유입수를 에너지파일에 적용하였으며, 지반과의 열교환이 이루어진 후의 유출수의 온도를 측정하였다. 지반, 에너지파일, 유입수 및 유출수 온도와 순환수의 유량은 전력공급 타이머와 데이터수집장치(Data logger)를 이용하여 5분 단위로 측정하였으며, 축 방향 변형률은 변형률 측정 장치를 이용하여 24시간 간격으로 측정하였다. 현장시험은 총 30일간 진행됐으며, 15일간 에너지파일에 냉난방 부하를 주입하여 시간에 따른 열응력을 측정한 후, 15일간 휴식시킴으로써 파일의 회복거동을 관찰하였다(Fig.
- 에너지파일의 두부는 구속되지 않은 자유단으로 설정하였고 지반 하부와 측면 경계는 고정 경계면으로 적용하였다. 지반은 현장 지반조건을 반영하여 2개의 층으로 나눠 상부는 사질토, 하부는 암반층으로 구분하였다. 콘크리트, 사질토, 암반층 의 물성 값은 Table 4에 나타냈으며, 개발된 2차원 축대칭 열응력 수치모델의 모식도와, 유한요소 격자는 Fig.
- 해석시간의 단축과 컴퓨터 메모리 사용량을 줄이기 위해 열역학적 해석은 2차원으로 수행되었다. 기존 U형 열교환 파이프를 직선 형태의 등가 경계조건으로 변환하고, 3차원 전산유체해석을 통해 얻은 시간에 따른 파일표면 온도를 경계온도 조건으로 적용하였다.
- 현장 열응력 시험은 파일두부를 구속하지 않은 상태에서 열교환에 의한 열응력 변화를 관찰하는 방법으로 수행되었다. 건물의 냉난방 가동에 따른 에너지파일 내부 온도변화와 그 확산범위를 측정하기 위하여 철근망 2m, 5m, 8m, 11m, 14m 지점에 열전대를 설치하였으며, 온도변화에 따른 파일의 변형률을 측정하기 위해 철근망 3.
- 현장시험 시 측정한 깊이별 지중온도 및 대기온도를 초기·경계조건으로 적용하였고, 현장실험에서 측정한 유입수 온도를 열교환 파이프의 유입 경계 조건으로 적용하였다.
- 지반, 에너지파일, 유입수 및 유출수 온도와 순환수의 유량은 전력공급 타이머와 데이터수집장치(Data logger)를 이용하여 5분 단위로 측정하였으며, 축 방향 변형률은 변형률 측정 장치를 이용하여 24시간 간격으로 측정하였다. 현장시험은 총 30일간 진행됐으며, 15일간 에너지파일에 냉난방 부하를 주입하여 시간에 따른 열응력을 측정한 후, 15일간 휴식시킴으로써 파일의 회복거동을 관찰하였다(Fig. 2). 현장시험 중 계측된 유입수와 유출수 온도는 Fig.
대상 데이터
- 에너지파일 현장 열응력 시험은 경기도 용인시 기흥구에 위치한 부지에서 병렬 U형의 고밀도 폴리에틸렌 파이프(HDPE)가 5쌍이 삽입된 에너지파일 1본을 대상으로 수행되었다. 파일의 직경은 1.
- 먼저 3차원 CFD 수치해석을 통해 현장 타설 에너지파일의 열전달 거동을 모사하였다. 지반은 원기둥 형태로, 직경 8m, 깊이는 20m로 모델링하였다. 열교환 파이프는 ‘Non-isothermal pipe flow 모듈’을 이용하여 선으로 모사하고 가상의 직경을 적용하는 방법을 사용하였으며, 파일 표면에서 0.
- 지질조건을 파악하기 위해 시공 부지에서 약 20m 떨어진 위치에 30m 깊이의 시추조사를 수행하였으며 Table 1에 현장부지 시추조사 결과를 나타냈다. 시추조사 결과 지반은 사질토 지반으로 깊이가 깊어질수록 상대밀도가 높아지며, 8.
- 에너지파일 현장 열응력 시험은 경기도 용인시 기흥구에 위치한 부지에서 병렬 U형의 고밀도 폴리에틸렌 파이프(HDPE)가 5쌍이 삽입된 에너지파일 1본을 대상으로 수행되었다. 파일의 직경은 1.5m, 길이는 14m이며 Fig. 1에 현장타설 에너지파일의 자세한 형상을 나타냈다.
데이터처리
- 건물의 냉난방 가동에 따른 에너지파일의 열역학적 거동을 수치해석을 통해 모사하기 위해 유한요소 상용 프로그램인 COMSOL Multiphysics (Ver. 4.4)를 사용하였다. 에너지파일의 열응력을 모사하기 위해서 유체의 흐름, 유체 및 고체에서의 열전달, 열전달로 인한 파일 및 지반의 역학적 거동, 파일과 지반사이의 Contact U형 열교환 파이프 5쌍을 모델링할 경우, 해석 시 열교환 파이프 부분에서의 온도변화가 급격하게 일어나게 되며, 열교환기의 형상이 전체 수치해석 모델의 형상에 비해 길고 가늘기 때문에 아주 미세하고 정교한 격자가 요구된다.
이론/모형
- 열응력 수치해석에서 에너지파일과 지반 사이의 경계면 조건은 아주 중요한 요소이다. 본 연구에서는 파일과 지반 사이의 Contact Interface를 고려한 비선형 해석을 위하여 Augmented lagrangian method를 사용하였다.
성능/효과
- 1. 보름간의 냉난방 가동으로 에너지파일에 발생되는 최대 열응력은 2.6 MPa로, 현장 타설 콘크리트 설계 압축강도의 약 10%에 해당한다[5]. 이는 파일 하부에 암반층이 존재할 경우 열응력이 에너지파일의 열역학적 거동에 무시할 수 없는 영향을 준다는 것을 의미한다.
- 2. 에너지파일의 열역학적 거동은 주변 지반의 물성이 다를 경우 물성에 따라 상이한 거동을 보였으며, 이는 파일과 주변 지반 사이의 경계면 조건이 에너지파일의 열역학적 거동에 매우 큰 영향을 준다는 것을 의미한다. 또한, Augmented lagrangian method를 활용하여 에너지파일의 열역학적 거동을 모사한 수치해석에서도 파일과 지반사이의 Contact interface 조건의 설정이 중요한 요소로 작용하였다.
- 4. 3차원 전산유체해석 모델과 2차원 열응력 수치 해석 모델은 에너지파일 현장 열응력 시험을 최대 오차 11%로, 높은 정확도로 모사하였다.
- 4(a), (c)는 가동기의 그래프로, 냉난방 부하가 주입되어 파일 및 주변 지반의 온도변화가 커질수록 응력이 증가하는 경향을 나타낸다. 또한 현장 지반은 하부에 편마암이 존재하고 상부 사질토 역시 깊이가 깊어질수록 상대밀도, 탄성계수, 내부마찰각이 증가하는데, 이러한 지반의 깊이별 특성이 반영되어 깊이가 깊어질수록 열응력이 크게 발생하는 경향을 보였다. 이는 선단지지력의 영향으로 냉방시험에서 더욱 두드러지게 나타난다.
- 5m 깊이에서 11%로 발생하였다. 모델에서 전체적으로 높은 정확도로 두 개의 층으로 나누어진 현장 지반에서의 열응력 시험을 모사하였으며, 개발된 해석모델이 현장 타설 에너지파일의 열역학적 거동을 모사하는데 적합하다고 판단된다.
- 지질조건을 파악하기 위해 시공 부지에서 약 20m 떨어진 위치에 30m 깊이의 시추조사를 수행하였으며 Table 1에 현장부지 시추조사 결과를 나타냈다. 시추조사 결과 지반은 사질토 지반으로 깊이가 깊어질수록 상대밀도가 높아지며, 8.5m 부터는 암반 층이 발견되었다.
- 현장시험 결과와 수치해석 결과와의 비교 결과, 발생한 최대 오차는 냉방 모사 시 3.5m 깊이에서 11%로 발생하였다.
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