대륙 및 섬을 연결하는 교통 시설로써 지금까지 해상에 놓이는 교량과 해저 지반에 건설되는 해저 터널 그리고 내륙에서 건설하여 해저지반 위에 안착시킨 침매 터널이 사용되어 왔다. 해중 터널 구조물은 계류선을 이용하여 터널 본체를 특정 깊이 내로 잠수시킨 시설로써 아직 실제 건설 사례는 없지만, 해저 터널에 비해 건설 기간이 짧고 비용이 적게 든다는 장점이 있다. 해중 터널 본체 및 계류선의 합리적인 설계를 위해서는 무엇보다도 해중 터널 구조물의 합리적인 구조 해석이 선행되어야 한다. 일반적인 육상 교통 시설물과 달리 해중 터널은 변동성이 큰 환경 하중에 큰 영향을 받을 뿐 만 아니라 물 안에 잠수식으로 떠있다는 구조적인 특징이 있어서 그 해석이 까다로울 수 있다. 본 연구는 해중 터널 시스템의 합리적인 전체계 동적 구조 해석 기법의 제안을 목표로 한다. 이를 위하여 일반적인 구조물 해석에 널리 쓰이는 ABAQUS를 이용하여 KIOST (2013)에서 연구한 터널 모델을 각 환경 조건에 대한 동적 거동을 분석하였고, 이를 실험 결과와 비교하여 해석 기법의 타당성을 분석하였다. 또한 이 연구에서는 계류선의 배치형식, 터널의 흘수가 해중 터널 동적 거동에 미치는 영향을 분석하였고, 불규칙 파랑에 대한 특성 역시 분석하였다.
대륙 및 섬을 연결하는 교통 시설로써 지금까지 해상에 놓이는 교량과 해저 지반에 건설되는 해저 터널 그리고 내륙에서 건설하여 해저지반 위에 안착시킨 침매 터널이 사용되어 왔다. 해중 터널 구조물은 계류선을 이용하여 터널 본체를 특정 깊이 내로 잠수시킨 시설로써 아직 실제 건설 사례는 없지만, 해저 터널에 비해 건설 기간이 짧고 비용이 적게 든다는 장점이 있다. 해중 터널 본체 및 계류선의 합리적인 설계를 위해서는 무엇보다도 해중 터널 구조물의 합리적인 구조 해석이 선행되어야 한다. 일반적인 육상 교통 시설물과 달리 해중 터널은 변동성이 큰 환경 하중에 큰 영향을 받을 뿐 만 아니라 물 안에 잠수식으로 떠있다는 구조적인 특징이 있어서 그 해석이 까다로울 수 있다. 본 연구는 해중 터널 시스템의 합리적인 전체계 동적 구조 해석 기법의 제안을 목표로 한다. 이를 위하여 일반적인 구조물 해석에 널리 쓰이는 ABAQUS를 이용하여 KIOST (2013)에서 연구한 터널 모델을 각 환경 조건에 대한 동적 거동을 분석하였고, 이를 실험 결과와 비교하여 해석 기법의 타당성을 분석하였다. 또한 이 연구에서는 계류선의 배치형식, 터널의 흘수가 해중 터널 동적 거동에 미치는 영향을 분석하였고, 불규칙 파랑에 대한 특성 역시 분석하였다.
As transportation systems for connecting lands and islands, oversea long-span bridges, underwater tunnels, and immersed tunnels have been mainly used so far. Submerged floating tunnels (SFTs) moored under specific water depth are one of the newest oversea transportation system. Compared to other exi...
As transportation systems for connecting lands and islands, oversea long-span bridges, underwater tunnels, and immersed tunnels have been mainly used so far. Submerged floating tunnels (SFTs) moored under specific water depth are one of the newest oversea transportation system. Compared to other existing systems, the new system requires relatively less construction cost and time. But, there is still no construction example. For reasonable design of the tunnel and mooring lines the rational structural analysis should be firstly performed. Unlike common transportation structures, the submerged tunnels are mainly affected by the wave, vary irregular excitation component. So, the analysis scheme might be difficult because of the characteristics of the submerged structures. This study aims to suggest the rational global performance analysis methodology for the submerged tunnels. Using ABAQUS the dynamic response of the experimental models studied by KIOST (2013) was investigated considering regular waves. By comparing the simulation results with the experimental results, the feasibility of the numerical simulation was verified. Using the suggested method, the effects of initial inclination of the tethers and draft of the tunnel on the dynamic behavior were studied. In addition, dynamic response of a SFT under the irregular wave was examined.
As transportation systems for connecting lands and islands, oversea long-span bridges, underwater tunnels, and immersed tunnels have been mainly used so far. Submerged floating tunnels (SFTs) moored under specific water depth are one of the newest oversea transportation system. Compared to other existing systems, the new system requires relatively less construction cost and time. But, there is still no construction example. For reasonable design of the tunnel and mooring lines the rational structural analysis should be firstly performed. Unlike common transportation structures, the submerged tunnels are mainly affected by the wave, vary irregular excitation component. So, the analysis scheme might be difficult because of the characteristics of the submerged structures. This study aims to suggest the rational global performance analysis methodology for the submerged tunnels. Using ABAQUS the dynamic response of the experimental models studied by KIOST (2013) was investigated considering regular waves. By comparing the simulation results with the experimental results, the feasibility of the numerical simulation was verified. Using the suggested method, the effects of initial inclination of the tethers and draft of the tunnel on the dynamic behavior were studied. In addition, dynamic response of a SFT under the irregular wave was examined.
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문제 정의
해중터널의 운동에 큰 영향을 미치는 구조는 계류선의 형식 그리고 함체의 흘수(draft)이다. 따라서 본 절에서는 계류선의 배치 각도 및 흘수에 대한 터널의 주요 거동에 대해 분석한다. 또한 규칙 파랑이 아닌 불규칙 파랑이 작용할 때의 거동에 대해서도 간단히 분석한다.
본 논문은 유한요소해석을 통한 해중터널의 파랑에 대한 유체동역학 해석 기법의 적용성에 대해 검토하였다. 제안기법은 실험결과와의 비교를 통해 그 수치적 신뢰도가 입증되었으며 제안기법을 활용한 매개변수 연구를 통해 해중 터널의 주요 거동 양상에 대해 분석하였다.
본 연구에서는 불규칙 파랑에 대한 해석 기법도 소개하였다. 일반적인 부유식 해양구조물의 설계에서는 실제 해상조건을 고려하여 불규칙 파랑에 대한 동적 해석을 수행하여 보다 합리적인 설계를 유도하는 바, 해중 터널의 엔지니어링 역시 불규칙 파랑에 대한 해석을 수행해야 한다.
해중 터널의 실질적인 설계를 위해서는 터널 본체 및 계류선의 실제 형상 및 다양하게 작용하는 환경 하중을 보다 자유롭게 고려할 수 있는 합리적인 구조 해석이 필수적이다. 본 연구에서는 유체동역학을 기본 이론으로 개발된 부유식 구조물의 시간 이력 구조 동해석 기법을 활용하여 해중 터널의 합리적인 유체 동역학 해석 기법을 제안한다. 이를 위해 다양한 구조물의 해석에 널리 사용되는 유한요소프로그램인 ABAQUS를 이용하여 해중터널 구조물의 유체동역학해석 기법을 선행 진행된 실험연구와의 비교를 통해 해석법의 적용성을 검증한다.
, 2013). 이는 1/100 상시 비율을 적용하여 단순한 형태의 해중 터널 모델을 제작하고 규칙 파랑(regular wave)이 작용할 때 나타나는 터널의 운동 및 계류선 장력 변화 특성을 연구하였다. 또한 Cifuentes et al.
가설 설정
함체는 원형 단면을 갖는 철근 콘크리트 구조로 가정하였고, 단면 2차 모멘트 및 단위 길이당 무게를 Table 2와 같이 가정하였다. 계류선의 경우 4장의 예와 같이 원형단면을 갖는 강선으로 가정하였다. 계류선은 해저지반에서 힌지조건으로 구속되어 있고, 함체와는 MPC 옵션에 의해 함체와 계류선 간 상대거리를 유지한 채 연결되어있다.
6으로 가정하였다. 이에 따라 터널의 직경을 고려하여 부력을 산정하고 고정된 부력-중력 비율에 따라 터널의 중량을 가정하였다. 또한 계류선의 경우 원형단면(Solid circular section)을 갖는 강선으로 고려하였다.
터널(함체)의 직경과 길이 그리고 부력-중량 비율을 2.6으로 가정하였다. 이에 따라 터널의 직경을 고려하여 부력을 산정하고 고정된 부력-중력 비율에 따라 터널의 중량을 가정하였다.
9와 같고 제원정보는 Table 2와 같다. 함체는 원형 단면을 갖는 철근 콘크리트 구조로 가정하였고, 단면 2차 모멘트 및 단위 길이당 무게를 Table 2와 같이 가정하였다. 계류선의 경우 4장의 예와 같이 원형단면을 갖는 강선으로 가정하였다.
제안 방법
5(a)와 같이 KIOST의 실험에서 고려된 해중 터널 실험모델은 터널 본체에 작용하는 부력과 무게, 그리고 계류선(tether)의 장력이 힘의 정적 평형을 이루고 있는 형식이다. KIOST의 실험 연구에서는 수조에 단일 주기를 갖는 규칙 파랑을 일으켜 터널 본체면에 작용하는 파력과 터널의 운동 그리고 계류선 장력을 도출하였다.
13의 JONSWAP 스펙트럼으로 정의되는 불규칙 파랑과 동일한 전체 에너지를 갖도록 하는 100개의 독립된 Airy 파랑 성분을 생성하여 중첩시켜 해석에 적용하였다. 각 선형 파랑 성분들의 각주파수(angular frequency) 범위는 0.02 및 1.98 rad/sec를 cut-off 주파수로 갖는 범위로 설정하였고, 100개의 주파수를 갖는 개별 파랑 성분의 스펙트럼 에너지를 고려하여 각 규칙 파랑의 파고를 결정하였으며, 불규칙 파랑의 물리적 특성을 반영하기 위해 임의의 위상(random phase)을 생성하여 각 개별 파랑을 정의, 이를 모두 중첩하여 ABAQUS-AQUA에서 파랑에 의한 환경 하중을 정의하였다. Fig.
15에서는 불규칙 파랑에 의해 계류선 장력이 압축력으로 작용하는 결과를 보였는데, 이는 계류선의 좌굴 강도를 크게 상회하므로 이러한 경우, 계류선은 압축력을 받지 못하는 요소로 고려하는 것이 더 타당하다. 따라서 동일한 해석 모델에 대해 계류선을 압축력을 못 받는 요소로 수정하여 재해석을 수행하였고 결과는 Figs. 18~20과 같다.
이에 따라 터널의 직경을 고려하여 부력을 산정하고 고정된 부력-중력 비율에 따라 터널의 중량을 가정하였다. 또한 계류선의 경우 원형단면(Solid circular section)을 갖는 강선으로 고려하였다.
따라서 본 절에서는 계류선의 배치 각도 및 흘수에 대한 터널의 주요 거동에 대해 분석한다. 또한 규칙 파랑이 아닌 불규칙 파랑이 작용할 때의 거동에 대해서도 간단히 분석한다. 본 해석 연구에 검토한 해중 터널 형상은 Fig.
이를 위해 다양한 구조물의 해석에 널리 사용되는 유한요소프로그램인 ABAQUS를 이용하여 해중터널 구조물의 유체동역학해석 기법을 선행 진행된 실험연구와의 비교를 통해 해석법의 적용성을 검증한다. 또한 제안된 해석기법을 활용하여 해중 터널의 파랑에 대한 기본적인 동적 특성을 분석한다.
7은 파랑의 주기 및 파고 변화에 따른 해중터널 모델의 수평운동의 비교를 나타낸다. 보요소 및 트러스요소를 적용한 시간이력 유체동역학 해석결과에서 최대값 및 최소값을 실험결과와 함께 도시하였다. 본 그림에서 잘 나타나듯이 본 해석결과는 실험결과와 매우 잘 일치하는 것을 나타낸다.
본 해석 연구에서는 ABAQUS-AQUA를 통한 불규칙 파랑의 시간영역 해석을 위해서 Fig. 13의 JONSWAP 스펙트럼으로 정의되는 불규칙 파랑과 동일한 전체 에너지를 갖도록 하는 100개의 독립된 Airy 파랑 성분을 생성하여 중첩시켜 해석에 적용하였다. 각 선형 파랑 성분들의 각주파수(angular frequency) 범위는 0.
본 연구에서는 유체동역학을 기본 이론으로 개발된 부유식 구조물의 시간 이력 구조 동해석 기법을 활용하여 해중 터널의 합리적인 유체 동역학 해석 기법을 제안한다. 이를 위해 다양한 구조물의 해석에 널리 사용되는 유한요소프로그램인 ABAQUS를 이용하여 해중터널 구조물의 유체동역학해석 기법을 선행 진행된 실험연구와의 비교를 통해 해석법의 적용성을 검증한다. 또한 제안된 해석기법을 활용하여 해중 터널의 파랑에 대한 기본적인 동적 특성을 분석한다.
터널 본체와 계류선을 보요소(B31) 및 트러스(T3D2) 요소를 사용하여 모델링 하였고, 각 계류선과 터널 본체는 Multi-point constraint (MPC) 옵션을 적용하여 터널 본체와 계류선의 접점 간 상대거리를 고려하였다. 전체 구조물의 경계조건에 대해서는 계류선의 하단의 3자유도를 모두 구속하였고 함체의 양단에 대해서는 비틂 자유도만을 구속하였다. 만약 해저지반이나 앵커의 등가 강성(수직/수평)을 고려하고자 한다면 선형 또는 비선형 스프링 요소를 이용하여 계류선의 해저지반에서의 경계조건을 대신 할 수 있다.
본 논문은 유한요소해석을 통한 해중터널의 파랑에 대한 유체동역학 해석 기법의 적용성에 대해 검토하였다. 제안기법은 실험결과와의 비교를 통해 그 수치적 신뢰도가 입증되었으며 제안기법을 활용한 매개변수 연구를 통해 해중 터널의 주요 거동 양상에 대해 분석하였다. 계류선의 초기 장력에 의해 수직 및 수평 운동이 제어되는 해중 터널 시스템에서는 계류선의 기울임각, 강성, 그리고 해중 터널의 흘수는 파랑에 대한 동적 거동에 큰 영향을 미친다.
12를 통한 시간이력 동적 해석기법(time-series dynamic analysis, Implicit)을 적용하였다. 터널 본체와 계류선을 보요소(B31) 및 트러스(T3D2) 요소를 사용하여 모델링 하였고, 각 계류선과 터널 본체는 Multi-point constraint (MPC) 옵션을 적용하여 터널 본체와 계류선의 접점 간 상대거리를 고려하였다. 전체 구조물의 경계조건에 대해서는 계류선의 하단의 3자유도를 모두 구속하였고 함체의 양단에 대해서는 비틂 자유도만을 구속하였다.
만약 해저지반이나 앵커의 등가 강성(수직/수평)을 고려하고자 한다면 선형 또는 비선형 스프링 요소를 이용하여 계류선의 해저지반에서의 경계조건을 대신 할 수 있다. 환경조건에 대해서는 해저지반과 수심의 위치, 실험에서 적용한 규칙 파랑을 정의하여 각 부재가 받는 유체력을 동적하중에 적용하였다.
대상 데이터
유한요소해석을 이용한 해중 터널에 대한 시간이력 동적 해석 기법의 타당성을 검증하기 위해 적용한 수중 터널 모델은 Fig. 4와 같고, 이는 길이 98.0 m, 직경 23.0 m의 실린더 형 구조물이다(Oh et al., 2013).
그러나 이러한 하중을 해중 터널이 받을 때 해중 터널의 운동 및 단면력, 계류선의 축력 변화 등 구조물의 반응까지 면밀히 분석하지는 못하였다. 한국해양과학기술원(Korea Institute of Ocean Science and Technology, KIOST)에서 해중 터널의 합리적인 계류 방식의 제안을 위한 실험 연구를 수행하였다(Oh et al., 2013). 이는 1/100 상시 비율을 적용하여 단순한 형태의 해중 터널 모델을 제작하고 규칙 파랑(regular wave)이 작용할 때 나타나는 터널의 운동 및 계류선 장력 변화 특성을 연구하였다.
데이터처리
실험 시 적용된 상사율은 1:100이고, 해석은 prototype 스케일에 대해 수행하였다. 즉, 상사율을 고려하여 실험결과를 보정한 후 해석결과와 비교하였다.
이론/모형
불규칙 파랑에 대한 해석은 먼저 불규칙 파랑에 대한 파 스펙트럼의 정의부터 시작한다. 본 절에서는 부유식 해양플랜트 설계에 주로 적용하는 JONSWAP파 스펙트럼을 적용하여 해중 터널의 동적 해석에 적용한다. JONSWAP파 스펙트럼은 Eq.
실린더 형 선 부재의 유체 동역학적 거동은 Garrett (1982)의 slender rod 이론을 통해 해석이 가능하다.
실험과의 비교를 위한 본 해석 연구에서는 ABAQUS V6.12를 통한 시간이력 동적 해석기법(time-series dynamic analysis, Implicit)을 적용하였다. 터널 본체와 계류선을 보요소(B31) 및 트러스(T3D2) 요소를 사용하여 모델링 하였고, 각 계류선과 터널 본체는 Multi-point constraint (MPC) 옵션을 적용하여 터널 본체와 계류선의 접점 간 상대거리를 고려하였다.
성능/효과
19(a) 및 (b)에 나타난 대로 해중터널이 동적 불안정 거동을 보이다가 약 1,120초 이후부터 터널 함체의 축방향 운동이 Fig. 18(c)와 같이 가진되면서 극심한 동적 불안정 운동은 모든 방향에 대해 나타나며 터널에 작용하는 축력이 급격히 증가한다. 이는 구조물의 사용성 측면을 배제하더라도 구조물의 강도설계 및 피로설계에 매우 큰 부담을 가중시킨다.
). 따라서 터널의 운동을 제어하기 위한 두 번째 방안으로, 해중 터널의 흘수를 깊게 고려하면 터널의 수직, 수평방향 운동 및 계류선 장력 역시 줄일 수 있다. 물론, 흘수가 깊어짐에 따라 터널 본체가 받는 수압이 커짐으로 터널 본체 벽면 설계 시 수압에 의한 원주방향 및 길이방향 응력의 증가 그리고 이에 따른 해중터널 벽면의 국부적인 보강에 대해서도 고려하면서 적정 흘수를 결정할 필요가 있다.
10은 계류선의 초기 기울임각에 따른 규칙 파랑 작용 시해중터널의 운동 및 계류선 장력 변화를 비교한다. 먼저, 계류선을 기울일수록 계류선의 강성의 수평성분이 증가하여 해중터널의 수평 운동을 크게 감소시킬 수 있다. 그러나 이와 함께 동일 단면적을 갖는 계류선의 수직방향 강성은 감소하여 오히려 함체의 수직 운동은 증가하게 된다.
해석 결과는 앞서 비교한 운동결과비교와 마찬가지로 매우 잘 맞는 것을 알 수 있다. 본 비교 결과는 본 연구에서 제시하는 해석법이 파랑에 대한 해중 터널의 동적 거동 분석에 매우 효과적으로 적용이 가능한 것을 증명한다. 이러한 해석법을 통해 특정 파랑에 대한 터널의 변위, 속도, 가속도 등의 운동 특성 뿐 만 아니라, 터널 및 계류선 구조물의 단면에서 발생하는 내력 역시 직접적으로 계산이 가능하여, 강도 및 피로에 대한 설계시에도 바로 적용이 가능하다.
즉, 동일한 크기의 압축 및 인장응력이 휨모멘트에 의해 함체 단면에 유발된다. 본 연구에서 고려한 구조형태와 계류선에 의한 지지조건 그리고 작용하중 형태 하에서 축력 및 휨모멘트는 터널의 중앙부보다는 계류선 연결부에서 크게 발생하였다. 이는 계류선이 분포하중을 받는 함체의 중간 지지점 역할을 하므로 이 지점을 중심으로 터널의 변형이 발생하기 때문이다.
일반적인 부유식 해양구조물의 설계에서는 실제 해상조건을 고려하여 불규칙 파랑에 대한 동적 해석을 수행하여 보다 합리적인 설계를 유도하는 바, 해중 터널의 엔지니어링 역시 불규칙 파랑에 대한 해석을 수행해야 한다. 본 유한요소해석기법은 이러한 불규칙 파랑에 대한 터널의 운동 특성, 주요 부재의 시간 이력 응력 성분 및 앵커부 반력을 모두 직접적으로 계산이 가능하므로 결과적으로 해중 터널의 구조 및 기초 설계에 직접적으로 활용이 가능하다.
후속연구
19와 20에서 나타난 바와 같이 계류선이 압축력을 받아 함체의 운동 제어 능력을 상실하는 경우 극심한 동적 불안정 거동을 보인다. 따라서 해중 터널의 계류선 설계 및 흘수 결정에 있어서 이와 같은 불규칙 환경 하중에 대한 해중 터널의 전체계 해석을 통해 함체의 운동특성 및 주요 부재의 응력 발생 추이 그리고 계류선 장력의 변화 특성을 함께 면밀히 분석하여야 해중 터널의 정/동적 안정성을 모두 확보한 설계가 가능할 것이다.
이를 위해서는 무엇보다도 실제 해중 터널이 수중에서 환경 하중 및 차량 하중 등의 변동 하중을 받을 때 나타나는 정/동적 거동을 합리적으로 분석할 수 있어야 한다. 합리적인 해석 및 실험을 통해 터널 단면 및 계류선이 받는 내력과 응력, 터널 단면의 운동 및 고유 진동 특성, 계류선의 좌굴 가능성 및 피로 성능, 해저지반 앵커지점에서의 반력 등을 분석할 수 있어야 비로소 실질적인 설계 및 시공이 가능할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해중 터널의 장점은?
해중 터널 구조물은 좁고 깊은 해협이나 호수, 강 등으로 구분된 육지 또는 섬을 연결하기 위해 제안된 새로운 교통 수단 중 하나로, 특정 계류시스템에 의해 수중 안정성이 확보되는 형식을 갖는다(Pilato, 2008). 해중 터널은 해저 기초공사가 매우 어려운 해상교량이나 해저 지반 굴착이 어려운 해저 지반 터널 등 기존의 해상 교통 시설에 비해 건설이 비교적 용이하다는 장점을 갖고 있다.
해중 터널이란 무엇인가?
Fig. 1과 같이 해중 터널이라 함은, 터널 본체가 수면 하 일정한 흘수에 계류되어 있는 구조 형식을 의미한다. 해중 터널 본체가 받는 정적 하중으로는 크게 터널 자중, 부력, 조류력을 들 수 있고, 이 중 수직력 성분인 자중과 부력의 양상에 따라 수직방향의 계류 형식이 구분된다.
해중 터널의 자중과 부력의 양상에 따라 수직방향의 계류 형식은 어떻게 구분되는가?
해중 터널 본체가 받는 정적 하중으로는 크게 터널 자중, 부력, 조류력을 들 수 있고, 이 중 수직력 성분인 자중과 부력의 양상에 따라 수직방향의 계류 형식이 구분된다. 터널의 부력이 자중보다 클 경우, Fig. 1(a)과 같이 하부의 계류선이 터널의 부상을 제어해야 하고, 반대로 자중이 부력보다 큰 경우, Fig. 1(b)와 같이 수면의 부이(buoy)를 이용한 터널의 침몰을 제어하는 형식이 적용 가능하다. Fig.
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