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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 보호성능이 우수한 유연 콘크리트 매트리스(Flexible concrete mattress, FCM) 보호공의 앵커 충돌해석에 대한 수치모델링과 충돌환경에 대한 손상거동 평가의 기초자료를 제시하고자 한다. 이를 위해 FCM 보호공의 손상분포에 철근의 모델링이 미치는 영향을 분석하고, 수중 낙하환경에 따라 변화할 수 있는 앵커의 충돌각도에 따른 보호공의 손상영향을 산정하고자 한다.
가설 설정
- 철근의 직경은 16mm로 가정하였고, 역학적 성질은 철근콘크리트 봉강의 산업규격(KS D3503)을 사용하였으며, 피복두께는 콘크리트 구조기준에 제시한 수중 콘크리트 규정을 적용하였다. 철근은 보요소를 사용했고 콘크리트와 완벽하게 부착된 것으로 가정하였다. 철근의 배치형상은 Fig.
- 수치 모델을 구성함에 있어 철근의 모델링이 충돌해석 결과에 미치는 영향을 계산하였다. 철근의 직경은 16mm로 가정하였고, 역학적 성질은 철근콘크리트 봉강의 산업규격(KS D3503)을 사용하였으며, 피복두께는 콘크리트 구조기준에 제시한 수중 콘크리트 규정을 적용하였다. 철근은 보요소를 사용했고 콘크리트와 완벽하게 부착된 것으로 가정하였다.
제안 방법
- FCM 보호공을 상부블록과 하부블록으로 명칭하고, 전체구조물의 손상과 두 부분에 대한 손상을 구분하여 비교하였다. 초기 충돌부는 상부블록의 윗부분이지만, 충돌부에서 하부블록으로의 손상의 전달정도를 알아보기 위해 두 부분으로 구분하여 결과를 나타내었다.
- 앵커의 충돌각도는 -5°, 0°, 5°를 고려하였다. FCM을 초기 충돌부인 상부블록과 케이블 보호부인 하부블록으로 구분하여 충돌해석 결과를 분석하였고, 수치해석결과를 요약하면 다음과 같다.
- 유한요소모델을 구성함에 있어 철근의 모델여부가 충돌 해석결과에 미치는 영향을 두 가지 낙하 높이에 대해 분석하였다. 또한 해류나 조류 및 초기 낙하조건 등의 영향으로 발생하는 충돌각도의 변화에 대해 보호공의 충돌거동도 해석하였다. 앵커의 충돌각도는 -5°, 0°, 5°를 고려하였다.
- 본 논문에서는 해저케이블 보호구조물의 하나인 FCM에 선박용 앵커가 충돌하는 것에 대한 거동해석을 수치해석을 이용하여 수행하였다. 충돌해석 위해 유한요소해석 프로그램을 사용하였고 비선형 동적해석을 수행하였다.
- 5의 안전율을 고려한 9m는 비교적 합리적인 값이라고 생각된다. 실제 낙하높이를 수치해석으로 직접 구현할 경우에는 해석시간이 과도해지므로 콘크리트 보호공에서 50mm 떨어진 위치에서의 낙하속도로 모델링 하였다. 이를 위해 앵커의 운동에너지와 위치에너지의 총량이 보존된다는 조건으로 낙하속도를 계산하여 적용하였다(Ryu et al.
- 또한 해류나 조류 및 초기 낙하조건 등의 영향으로 발생하는 충돌각도의 변화에 대해 보호공의 충돌거동도 해석하였다. 앵커의 충돌각도는 -5°, 0°, 5°를 고려하였다. FCM을 초기 충돌부인 상부블록과 케이블 보호부인 하부블록으로 구분하여 충돌해석 결과를 분석하였고, 수치해석결과를 요약하면 다음과 같다.
- 충돌체인 앵커는 한국표준협회의 규격치수를 사용하여 강체로 모델링 하였고, 피충돌체인 FCM의 콘크리트 재료모델에는 RHT모델을 사용하였다. 유한요소모델을 구성함에 있어 철근의 모델여부가 충돌 해석결과에 미치는 영향을 두 가지 낙하 높이에 대해 분석하였다. 또한 해류나 조류 및 초기 낙하조건 등의 영향으로 발생하는 충돌각도의 변화에 대해 보호공의 충돌거동도 해석하였다.
- 따라서 본 논문에서는 보호성능이 우수한 유연 콘크리트 매트리스(Flexible concrete mattress, FCM) 보호공의 앵커 충돌해석에 대한 수치모델링과 충돌환경에 대한 손상거동 평가의 기초자료를 제시하고자 한다. 이를 위해 FCM 보호공의 손상분포에 철근의 모델링이 미치는 영향을 분석하고, 수중 낙하환경에 따라 변화할 수 있는 앵커의 충돌각도에 따른 보호공의 손상영향을 산정하고자 한다. 충돌해석에 사용된 프로그램은 ANSYS explicit dynamics이고 비선형 동적해석을 수행한다.
대상 데이터
- 4와 같다. 6m와 9m의 두 가지 낙하높이에 대해 각각 철근 모델링을 한 경우와 하지 않은 경우를 고려하여 4가지의 유한 요소모델을 구성하여 해석을 수행하였다. 즉, 철근을 고려하지 않은 모델은 무근콘크리트로, 철근을 배근한 구조물은 철근콘크리트로 모델링 하였다.
- AS-FCM은 케이블을 직접 보호하는 역할을 하는 중앙블록과 좌우의 날개 매트리스로 이루어져 있으며 중앙블록의 하부 홈에 케이블이 위치하고, 날개 매트리스 부분은 앵커 등의 끌림에 저항을 갖기 위해 배치된 것이다(New Technology of Electric Power, 2007). FCM 중앙블록 전체의 폭, 길이, 높이는 1,000mm, 1,005mm, 700mm이다.
- 본 연구에서 대상으로 한 유연 매트리스 공법은 AS-FCM (Anchor resistant steel forced-FCM)으로 케이블 보호부분을 블록으로 보강한 형상이다(Fig. 1).
- 6m와 9m의 두 가지 낙하높이에 대해 각각 철근 모델링을 한 경우와 하지 않은 경우를 고려하여 4가지의 유한 요소모델을 구성하여 해석을 수행하였다. 즉, 철근을 고려하지 않은 모델은 무근콘크리트로, 철근을 배근한 구조물은 철근콘크리트로 모델링 하였다.
- 콘크리트 구조물의 충돌해석에 대한 대부분의 연구는 고속 접근하는 충돌체에 대한 것이고, 이와 관련하여 다양한 콘크리트 재료모델이 개발되었으나, 본 연구의 대상은 저속 충돌체에 대해 피충돌체의 안정성을 평가하는 것이다. Ryu et al.
데이터처리
- 일반적으로 FCM은 철근 콘크리트 구조물로 제작된다. 수치 모델을 구성함에 있어 철근의 모델링이 충돌해석 결과에 미치는 영향을 계산하였다. 철근의 직경은 16mm로 가정하였고, 역학적 성질은 철근콘크리트 봉강의 산업규격(KS D3503)을 사용하였으며, 피복두께는 콘크리트 구조기준에 제시한 수중 콘크리트 규정을 적용하였다.
- 본 논문에서는 해저케이블 보호구조물의 하나인 FCM에 선박용 앵커가 충돌하는 것에 대한 거동해석을 수치해석을 이용하여 수행하였다. 충돌해석 위해 유한요소해석 프로그램을 사용하였고 비선형 동적해석을 수행하였다. 충돌체인 앵커는 한국표준협회의 규격치수를 사용하여 강체로 모델링 하였고, 피충돌체인 FCM의 콘크리트 재료모델에는 RHT모델을 사용하였다.
- 이를 위해 FCM 보호공의 손상분포에 철근의 모델링이 미치는 영향을 분석하고, 수중 낙하환경에 따라 변화할 수 있는 앵커의 충돌각도에 따른 보호공의 손상영향을 산정하고자 한다. 충돌해석에 사용된 프로그램은 ANSYS explicit dynamics이고 비선형 동적해석을 수행한다.
이론/모형
- 충돌체는 선박용 앵커 중 하나인 스톡앵커(2.16ton)를 고려하였고, 한국표준협회(Korean Standards Association, KSA)의 규격을 바탕으로 유한요소 모델링을 수행하였다. 요소는 절점당 3개의 자유도를 가지는 4절점 사면체로 구성하였다.
- 충돌해석 위해 유한요소해석 프로그램을 사용하였고 비선형 동적해석을 수행하였다. 충돌체인 앵커는 한국표준협회의 규격치수를 사용하여 강체로 모델링 하였고, 피충돌체인 FCM의 콘크리트 재료모델에는 RHT모델을 사용하였다. 유한요소모델을 구성함에 있어 철근의 모델여부가 충돌 해석결과에 미치는 영향을 두 가지 낙하 높이에 대해 분석하였다.
- (2015)은 자유 낙하하는 앵커와 유연 매트리스 보호공의 해석에 있어서 콘크리트 재료를 탄성-완전소성, Drucker-Prager, RHT(Riedel-Hiermaier-Thoma)의 세 가지 모델로 해석을 수행하여 비교하였다. 해석결과 Riedel et al.(1999)과 Riedel et al.(2009)에 의해 개발된 RHT 모델이 콘크리트 케이블 보호공의 해석에서도 가장 적합하다고 나타났으며, 본 연구에서도 동일한 재료모델을 사용한다. RHT 콘크리트 모델에 사용되는 계수는 주로 정적재하 실험, 관통 실험, 폭발하중 실험 등의 다양한 실험에 의해 결정되는데 기존의 연구결과(Ryu et al.
성능/효과
- (1) 낙하 높이가 클수록 충돌부위에 발생하는 크레이터는 크게 나타나며 손상면적도 증가하는 것이 확인되었다.
- (2) 철근 콘크리트로 모델링한 경우가 무근 콘크리트로 한 경우보다 콘크리트 표면의 충돌 손상부위가 전반적으로 감소되었고, 상⋅하부 블록의 손상 패턴도 다르게 나타났다.
- (3) 철근을 모델링할 경우에 상부블록에서는 손상정도가 작은 절점은 증가하였고, 낙하높이가 큰 9m인 경우에 하부블록에서는 손상절점이 전반적 증가하였다. 충돌 에너지가 큰 경우일수록 철근의 모델링이 필요하다는 것으로 판단된다.
- (4) 앵커의 충돌각도에 대해 충돌부의 크레이터와 손상면적은 다르게 발생하였는데, 상부블록의 초기 충돌부에서는 크레이터가 충돌각도가 5°인 경우에 가장 크게 나타났고, 다음이 0°, -5°순이었다.
- (5) 상부블록의 경우 완전 손상된 절점의 수가 충돌각도가 5°경우에 가장 많이 발생했으나, 세 가지 모두 유사하게 계산되었다. 하부블록은 충돌각도가 0°인 경우에 손상정도가 높은 절점이 가장 많이 발생했다.
- 특히 케이블 보호부위인 하부 블록의 보호성능 평가에는 더 많은 영향을 미쳤다. 앵커충돌 각도는 FCM의 손상분포에 영향을 미쳤는데, 경사 낙하할 경우에 전반적인 손상부위는 증가하였지만, 구조물의 전체에서의 유의할 만한 손상과 하부블록에서의 완전손상을 고려한다면 수직 낙하하는 것이 보호성능에 가장 큰 영향을 미치는 경우라는 결론을 얻었다. 충돌해석에 대한 손상 분포특성과 손상 정도를 종합해 보면 보호구조물의 특성상 콘크리트 표면의 손상정도 보다는 보호대상 구조물의 보호성능에 초점을 맞추는 것이 필요하다고 생각된다.
- FCM의 수치해석을 위한 유한요소 모델에는 배근된 철근의 모델링이 필요함이 확인되었다. 특히 케이블 보호부위인 하부 블록의 보호성능 평가에는 더 많은 영향을 미쳤다. 앵커충돌 각도는 FCM의 손상분포에 영향을 미쳤는데, 경사 낙하할 경우에 전반적인 손상부위는 증가하였지만, 구조물의 전체에서의 유의할 만한 손상과 하부블록에서의 완전손상을 고려한다면 수직 낙하하는 것이 보호성능에 가장 큰 영향을 미치는 경우라는 결론을 얻었다.
- (5) 상부블록의 경우 완전 손상된 절점의 수가 충돌각도가 5°경우에 가장 많이 발생했으나, 세 가지 모두 유사하게 계산되었다. 하부블록은 충돌각도가 0°인 경우에 손상정도가 높은 절점이 가장 많이 발생했다.
- 철근 모델링에 대한 결과를 보면 상부블록은 손상정도가 낮은 경우에는 철근을 모델링함에 따라 손상절점의 수가 증가 하였고, 손상정도가 높은 경우에는 전반적으로 손상 절점의 수가 감소하였다. 해석결과를 보면 유한요소 모델링 시에 철근을 고려함에 따라 FCM 보호공의 손상거동은 차이가 발생하며, 정밀한 충돌 해석을 위해서는 철근콘크리트 모델링이 필요하다고 판단된다.
- 하부 블록의 경우에는 충돌각도 5°에서는 완전손상된 절점이 계산되지 않았고, 충돌각도 0°인 경우에서 가장 많이 발생하였다. 해석결과를 종합해 보면 보호공 전체의 충돌손상은 경사낙하 하는 것이 가장 크게 발생하나 케이블위에 위치한 하부블록의 보호성능을 고려하면 낙하각도가 없이 수직낙하 하는 경우가 가장 치명적임을 나타냈다.
후속연구
- FCM의 수치해석을 위한 유한요소 모델에는 배근된 철근의 모델링이 필요함이 확인되었다. 특히 케이블 보호부위인 하부 블록의 보호성능 평가에는 더 많은 영향을 미쳤다.
- (3) 철근을 모델링할 경우에 상부블록에서는 손상정도가 작은 절점은 증가하였고, 낙하높이가 큰 9m인 경우에 하부블록에서는 손상절점이 전반적 증가하였다. 충돌 에너지가 큰 경우일수록 철근의 모델링이 필요하다는 것으로 판단된다.
- 앵커충돌 각도는 FCM의 손상분포에 영향을 미쳤는데, 경사 낙하할 경우에 전반적인 손상부위는 증가하였지만, 구조물의 전체에서의 유의할 만한 손상과 하부블록에서의 완전손상을 고려한다면 수직 낙하하는 것이 보호성능에 가장 큰 영향을 미치는 경우라는 결론을 얻었다. 충돌해석에 대한 손상 분포특성과 손상 정도를 종합해 보면 보호구조물의 특성상 콘크리트 표면의 손상정도 보다는 보호대상 구조물의 보호성능에 초점을 맞추는 것이 필요하다고 생각된다.
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