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문제 정의
- 일반적으로 말뚝의 거동을 분석할 때 말뚝의 주면마찰력이 지지력에 큰 영향을 미치기 때문에 접촉면 거동을 모사하는 것이 매우 중요하다. 반면 본 연구에서는 석션파일의 상부슬래브를 3등분 한 후 한쪽 면의 무게중심에 0.3～0.4m 변위를 가하여 석션파일을 회전시키는 것을 목적으로 하고 있다(2.4절 참조). 따라서 접촉면의 거동보다는 석션파일 하부 전면에 존재하는 지반의 압축거동에 의해 영향을 많이 받게되고 두 접촉면 정의에 의한 수치해석 결과 차이는 크지 않을 것으로 예상된다.
- 본 연구에서는 Monopod 타입 석션파일의 수직도 제어에 대해 수치해석을 통해 알아보았다. 석션파일의 내부를 3개의 격실로 분리한 후 특정한 격실에 석션압을 가함으로써 수직도를 조절하고자 했다.
가설 설정
- 점성토와 사질토 지반의 탄성계수 중 가장 큰 차이는 점성토에서는 동일한 탄성계수를 사용한 반면, 사질토에서는 깊이에 따라 탄성계수가 증가하는 것을 모사하였다는 것이다. 사질토의 탄성계수는 101.3kPa 구속압에서 30MPa로 가정하였으며, Eq. (1)을 이용하여 깊이에 따라 증가하는 것을 모사할 수 있었다.
제안 방법
- 4m의 변위 이내에서 상부슬래브의 수평이 달성되는 것을 알 수 있었으며, 그에 따라 강제변위를 결정하였다. 강제변위에 의해 석션파일이 회전하여 연직방향으로 원위치 시키기 위해 발생한 하중지점에서의 반발력(reaction force)과 변위(displacement)를 이용하여 석션압과 경사도(tilting angle)를 계산하였다. 석션압은 하중점(Fig.
- 격벽의 두께와 길이를 변수로 설정하여 총 10가지 경우의 수치해석을 수행하였다. 석션파일 내부에 있는 격벽은 총 3개로 이루어져 있으며, 길이는 2.
- 2). 경계면 조건은 석션파일의 크기에 따라 크기를 결정해야 하며, 본 연구에서는 수평 방향으로 말뚝직경 17m의 5배인 85m, 중력방향으로 석션파일의 길이 14m의 5배인 70m 크기의 지반모델을 생성하여 경계면을 설정하였다. 수치해석 결과로부터 사용된 변위와 하중 안에서는 경계면까지 아무런 영향이 미치지 않는 것으로 나타났다.
- 다양한 변수의 길이와 두께의 격벽으로 이루어진 석션파일을 1° 회전시킨 후 지반에 관입한 상태로 모사하였다(Fig. 2).
- 석션파일에 발생한 응력은 콘크리트 스커트에서의 최대/최소 주응력과 강재 내부격벽에서의 Mises 응력으로 표시하였다. 또한, 석션파일에 발생한 변형률을 구하였다. 수치해석 결과를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 본 절에서는 각각 점성토와 사질토 지반에서 석션파일을 콘크리트 스커트 부분과 강재 내부격벽 부분으로 구분하여 최대 응력 값을 도출하였다. 또한, 수직도 제어를 위해 필요한 소요 석션압을 석션파일 경사도에 따라 제시하였다.
- 본 절에서는 각각 점성토와 사질토 지반에서 석션파일을 콘크리트 스커트 부분과 강재 내부격벽 부분으로 구분하여 최대 응력 값을 도출하였다. 또한, 수직도 제어를 위해 필요한 소요 석션압을 석션파일 경사도에 따라 제시하였다.
- 격벽의 두께와 길이를 변수로 설정하여 총 10가지 경우의 수치해석을 수행하였다. 석션파일 내부에 있는 격벽은 총 3개로 이루어져 있으며, 길이는 2.8, 5.6, 8.4m로 총 3개에 대해서, 그리고 두께는 20, 40, 60mm로 총 3개에 대해서 수치해석을 수행하였다. 지반은 점성토와 사질토에 대해서 검토를 하였기 때문에 총 10가지 경우에 대해서 수치해석을 수행하였다.
- 석션파일은 지반에 관입되어 1° 기울어진 상태로 모델링 하였으며, 석션파일의 3개의 격실 중 한 곳에 석션압을 가해서 기울기를 조절하는 것을 모사하기 위해 격실 무게중심 지점에 연직방향으로 변위를 제어하였다.
- 석션파일은 지반에 관입되어 1° 기울어진 상태로 모델링 하였으며, 석션파일의 3개의 격실 중 한 곳에 석션압을 가해서 기울기를 조절하는 것을 모사하기 위해 격실 무게중심 지점에 연직방향으로 변위를 제어하였다. 석션파일을 원위치 시키기 위해 필요한 소요 석션압을 산정하였으며, 원위치 시 석션파일에 발생한 응력을 구하였다. 석션파일에 발생한 응력은 콘크리트 스커트에서의 최대/최소 주응력과 강재 내부격벽에서의 Mises 응력으로 표시하였다.
- 본 연구에서는 Monopod 타입 석션파일의 수직도 제어에 대해 수치해석을 통해 알아보았다. 석션파일의 내부를 3개의 격실로 분리한 후 특정한 격실에 석션압을 가함으로써 수직도를 조절하고자 했다. 수치해석을 위해 ABAQUS/Standard(Simulia DS, 2012)를 활용하였으며, 석션 내부에 설치된 격벽의 길이와 두께, 그리고 지반의 종류를 달리하여 변수연구를 수행하였다.
- 수치해석을 위해 ABAQUS/Standard(Simulia DS, 2012)를 활용하였으며, 석션 내부에 설치된 격벽의 길이와 두께, 그리고 지반의 종류를 달리하여 변수연구를 수행하였다. 수치해석 결과로부터 석션파일의 외부 스커트와 내부격벽에 발생하는 응력을 검토하고, 석션파일의 수직도를 제어하는 데 필요한 석션압을 산정하여 제시하였다.
- 하얀색 테두리로 나타내는 부분은 격벽이 위치한 것을 의미하며, 하중재하지점은 우측 격벽 한쌍으로 이루어진 부채꼴의 무게중심을 나타낸다. 연직방향 하중은 부채꼴의 무게중심에 재하 되었으며, 상부슬래브가 평행할 때까지 강제변위를 시킴으로써 모사하였다. 예비 수치해석을 통해 점성토에서는 0.
- 유한요소 프로그램인 ABAQUS/Standard를 이용하여 점성토와 사질토 지반에서의 석션파일 수직도 제어를 해석하였다. 석션파일은 지반에 관입되어 1° 기울어진 상태로 모델링 하였으며, 석션파일의 3개의 격실 중 한 곳에 석션압을 가해서 기울기를 조절하는 것을 모사하기 위해 격실 무게중심 지점에 연직방향으로 변위를 제어하였다.
- 4m로 총 3개에 대해서, 그리고 두께는 20, 40, 60mm로 총 3개에 대해서 수치해석을 수행하였다. 지반은 점성토와 사질토에 대해서 검토를 하였기 때문에 총 10가지 경우에 대해서 수치해석을 수행하였다. Table 2는 조건에 따른 격벽의 길이와 두께를 표시한 표이다.
대상 데이터
- ABAQUS는 요소 종류를 다양하게 설정할 수 있다. 본 연구에서는 콘크리트 석션파일과 강재 내부격벽을 보다 효과적으로 해석하기 위해 석션파일의 경우 solid element인 20절점 6면체 요소(C3D20R)를 사용했으며, 내부격벽에는 shell element인 8절점 요소(S8R)를 사용했다. 석션파일과 내부격벽의 응력 및 변형률 계산은 저감적분법을 채택하였다.
- 1은 수치해석에 사용된 석션파일의 재료와 제원을 보여주고 있다. 수치해석에 사용된 석션파일은 콘크리트 상부슬래브와 스커트로 이루어져 있으며 길이는 14m, 외경은 17m, 내경은 16m이다. 석션파일의 상부슬래브와 스커트 두께는 각각 1.
- 석션파일과 내부격벽의 응력 및 변형률 계산은 저감적분법을 채택하였다. 지반요소는 8절점 6면체 요소(C3D8R)를 사용하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 콘크리트 석션파일과 강재 내부격벽을 보다 효과적으로 해석하기 위해 석션파일의 경우 solid element인 20절점 6면체 요소(C3D20R)를 사용했으며, 내부격벽에는 shell element인 8절점 요소(S8R)를 사용했다. 석션파일과 내부격벽의 응력 및 변형률 계산은 저감적분법을 채택하였다. 지반요소는 8절점 6면체 요소(C3D8R)를 사용하였다.
- 석션파일의 내부를 3개의 격실로 분리한 후 특정한 격실에 석션압을 가함으로써 수직도를 조절하고자 했다. 수치해석을 위해 ABAQUS/Standard(Simulia DS, 2012)를 활용하였으며, 석션 내부에 설치된 격벽의 길이와 두께, 그리고 지반의 종류를 달리하여 변수연구를 수행하였다. 수치해석 결과로부터 석션파일의 외부 스커트와 내부격벽에 발생하는 응력을 검토하고, 석션파일의 수직도를 제어하는 데 필요한 석션압을 산정하여 제시하였다.
- 점성토지반 및 사질토 지반을 모사하기 위하여 ABAQUS에서 제공하고 있는 Mohr-Coulomb 모델을 사용하였다. Mohr-Coulomb 모델은 반복하중이 아닌 단방향 하중이 재하 되는 지반에 적합한 모델로 하중재하 속도에 대한 영향을 고려하지 못하는 특성이 있다.
성능/효과
- (1) 석션파일의 콘크리트 스커트에 발생하는 최대/최소 주응력은 스커트 외부와 내부에서 각각 발생하였으며, 강재 내부격벽의 길이와 두께가 증가함에 따라 주응력의 크기가 감소하는 것으로 나타났다. 점성토에 관입된 콘크리트의 최소 주응력은 -27.
- (2) 석션파일의 강재 내부격벽에 발생하는 최대 Mises 응력은 격벽의 길이와 두께가 증가함에 따라 감소하는 것으로 나타났다. 최대 Mises 응력은 두께가 20mm이고 길이가 5.
- (3) 연직방향으로부터 1° 기울어진 석션파일을 수직도 제어하는데 필요한 소요 석션압은 점성토에서 약 410kPa, 사질토에서 약 1,800kPa로 도출되었다.
- 1° 기울어진 석션파일이 원위치로 돌아가기 위해 필요한 소요 석션압은 격벽의 제원에 큰 영향을 받지 않는 것으로 나타났으며, 완전한 수평 상태로 만드는 데 필요한 석션압은 약 410kPa로 예측되었다.
- 6m)에 대해 격벽 두께를 20, 40, 60mm로 증가할 때 발생하는 응력도 변한다. 격벽의 두께가 증가함에 따라 최대 주응력의 크기는 15.1MPa에서 13.1MPa로 감소하고, 최소 주응력의 크기는 -26.2MPa에서 -23.4MPa로 감소하는 것을 알 수 있었다. 또한, 내부격벽에서는 220MPa 에서 125MPa로 Mises 응력이 절반 정도 감소하는 것으로 나타났다.
- 3MPa 정도 크게 감소하였다. 격벽의 두께는 20mm에서 60mm로 증가할 때 최대 응력 값이 832.8MPa에서 355.6MPa로 감소하는 것으로 나타났다. 수치해석을 통해 도출된 값을 고려할 때 강재의 항복강도를 검토할 필요가 있는 것으로 판단된다.
- 점성토 지반에서의 결과값과 비교했을 때 사질토 지반 조건에서의 응력이 더 크게 측정되었다. 동일한 격벽 두께에 대해 격벽 길이에 따라 응력은 달라지는데, 격벽 길이가 증가할수록 콘크리트 스커트의 최대 주응력은 감소하였고, 감소 값은 약 12MPa정도였다. 또한, 최소 주응력의 크기는 -124.
- 6 MPa로 약 17MPa 감소하는 것으로 나타났다. 동일한 격벽길이에 대해 격벽 두께가 증가함에 따라 스커트의 최대 주응력은 69.3MPa에서 58.3MPa로 감소하였으며, 최소 주응력의 크기는 -122.6MPa에서 -107.1MPa로 감소하였다. 콘크리트의 일축압축강도가 35～45MPa임을 고려할 때 압축응력과 인장 응력 모두 강도를 초과하는 것으로 판단된다.
- 4-T40 총 5가지 경우의 콘크리트 스커트의 최대/최소 주응력 값과 강재 내부격벽의 최대/최소 Mises 응력 값을 정리하였다. 동일한 내부격벽 두께에 대해 격벽 길이에 따라 발생하는 응력이 변하는 것으로 나타났는데, 격벽 길이가 2.8m에서 8.4m로 증가함에 따라 최대 주응력의 크기는 16.1MPa에서 12.8MPa로 감소하였다. 유사하게 최소 주응력의 크기는 -27.
- 6-T40에 해당되는 석션파일의 1° 경사를 원위치시켰을 때 지반에 발생하는 응력을 Mises 응력의 contour를 보여주고 있다. 동일한 수직도 제어에 대해 사질토의 최대 Mises 응력 값은 점성토의 값에 비해 약 20배 이상 큰 것으로 나타났다. 또한, 점성토의 경우 석션파일이 위치한 지반 주변에 큰 Mises 응력이 발생하였고, 그 영향 범위는 석션파일 하부와 오른쪽까지 영향을 미친 것을 확인할 수 있었다.
- 7MPa이 증가하였다. 따라서 격벽의 길이가 증가함에 따라 스커트의 응력은 감소하며 내부격벽의 응력은 증가하는 거동을 예측할 수 있었다. 석션파일의 콘크리트 일축압축강도는 35～45MPa이며, 내부 격벽 강재의 항복강도는 두께에 따라 다른데 SS400을 기준으로 두께 16mm 이하에서는 250MPa, 16～40mm에서는 240MPa, 40mm 이상에서는 220MPa 이상의 강도가 요구된다.
- 4MPa로 감소하는 것을 알 수 있었다. 또한, 내부격벽에서는 220MPa 에서 125MPa로 Mises 응력이 절반 정도 감소하는 것으로 나타났다. 격벽의 두께는 스커트의 응력보다는 내부격벽의 응력에 많은 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
- 총 5가지 경우를 보여주고 있으나 각 사례별 큰 차이는 없는 것으로 나타났으며, 소요 석션압은 약 1,800kPa로 점성토 지반에서보다 4배 이상 필요한 것으로 예측되었다. 또한, 점성토에서의 석션압은 일정한 경사를 지남에 따라 소성을 나타낸 반면, 사질토에서는 소요 석션압이 선형으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 모든 깊이에서 동일한 비배수전단 강도와 탄성계수를 갖는 점성토 지반과 달리, 깊이에 따라 탄성계수와 전단강도가 증가하였기 때문에 경사진 석션파일이 수평 위치가 되기 위해서는 더 큰 석션압이 요구되는 것으로 판단된다.
- 동일한 수직도 제어에 대해 사질토의 최대 Mises 응력 값은 점성토의 값에 비해 약 20배 이상 큰 것으로 나타났다. 또한, 점성토의 경우 석션파일이 위치한 지반 주변에 큰 Mises 응력이 발생하였고, 그 영향 범위는 석션파일 하부와 오른쪽까지 영향을 미친 것을 확인할 수 있었다. 반면에 사질토의 경우에는 석션파일의 선단 부분에서만 큰 Mises 응력이 발생하였다.
- 동일한 격벽 두께에 대해 격벽 길이에 따라 응력은 달라지는데, 격벽 길이가 증가할수록 콘크리트 스커트의 최대 주응력은 감소하였고, 감소 값은 약 12MPa정도였다. 또한, 최소 주응력의 크기는 -124.1MPa에서 -107.6 MPa로 약 17MPa 감소하는 것으로 나타났다. 동일한 격벽길이에 대해 격벽 두께가 증가함에 따라 스커트의 최대 주응력은 69.
- 모든 깊이에서 동일한 비배수전단 강도와 탄성계수를 갖는 점성토 지반과 달리, 깊이에 따라 탄성계수와 전단강도가 증가하였기 때문에 경사진 석션파일이 수평 위치가 되기 위해서는 더 큰 석션압이 요구되는 것으로 판단된다. 사질토 지반에서의 석션파일의 수직도 제어 시 점성토 지반 보다 상대적으로 큰 석션압이 요구되는 것으로 나타났으며, 관입 시 교란된 지반이 안정화 된 이후에는 석션압을 이용한 수직도 제어를 위해서는 이를 제어하기 위한 특수한 펌프가 필요할 것으로 판단된다.
- 경계면 조건은 석션파일의 크기에 따라 크기를 결정해야 하며, 본 연구에서는 수평 방향으로 말뚝직경 17m의 5배인 85m, 중력방향으로 석션파일의 길이 14m의 5배인 70m 크기의 지반모델을 생성하여 경계면을 설정하였다. 수치해석 결과로부터 사용된 변위와 하중 안에서는 경계면까지 아무런 영향이 미치지 않는 것으로 나타났다.
- 연직방향 하중은 부채꼴의 무게중심에 재하 되었으며, 상부슬래브가 평행할 때까지 강제변위를 시킴으로써 모사하였다. 예비 수치해석을 통해 점성토에서는 0.3m의 변위 이내에서, 사질토에서는 0.4m의 변위 이내에서 상부슬래브의 수평이 달성되는 것을 알 수 있었으며, 그에 따라 강제변위를 결정하였다. 강제변위에 의해 석션파일이 회전하여 연직방향으로 원위치 시키기 위해 발생한 하중지점에서의 반발력(reaction force)과 변위(displacement)를 이용하여 석션압과 경사도(tilting angle)를 계산하였다.
- 석션파일을 관입하기 위해 필요한 석션압은 지반조건에 의해 결정되나 가용한 석션압은 석션 펌프의 성능에 따라 결정이 된다. 일반적인 펌프의 흡입압은 최대 100kPa 내외로 알려져 있으며, 본 수치해석 결과를 바탕으로 판단하였을 때 석션파일 관입 후 교란된 주변 지반이 재압밀되고 간극수압이 평형을 이룬 경우에는 석션압에 의한 수직도제어는 실용적이지 않을 수 있는 것으로 판단된다.
- (1) 석션파일의 콘크리트 스커트에 발생하는 최대/최소 주응력은 스커트 외부와 내부에서 각각 발생하였으며, 강재 내부격벽의 길이와 두께가 증가함에 따라 주응력의 크기가 감소하는 것으로 나타났다. 점성토에 관입된 콘크리트의 최소 주응력은 -27.6MPa와 -23.3MPa 사이로 발생하였으나, 사질토에서는 -124.1MPa에서 -107.1MPa 사이의 값으로 발생하여 사질토에서의 응력이 훨씬 큰 것으로 나타났다.
- 9는 석션파일 수직도 제어를 위해 사질토 지반에서 필요한 소요 석션압을 경사각에 따라 보여주고 있다. 총 5가지 경우를 보여주고 있으나 각 사례별 큰 차이는 없는 것으로 나타났으며, 소요 석션압은 약 1,800kPa로 점성토 지반에서보다 4배 이상 필요한 것으로 예측되었다. 또한, 점성토에서의 석션압은 일정한 경사를 지남에 따라 소성을 나타낸 반면, 사질토에서는 소요 석션압이 선형으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
- (2) 석션파일의 강재 내부격벽에 발생하는 최대 Mises 응력은 격벽의 길이와 두께가 증가함에 따라 감소하는 것으로 나타났다. 최대 Mises 응력은 두께가 20mm이고 길이가 5.6m인 격벽에 대해서 나타났으며, 그 값은 점성토에서는 220.1MPa, 사질토에서는 832.8MPa로 나타났다.
후속연구
- (3) 연직방향으로부터 1° 기울어진 석션파일을 수직도 제어하는데 필요한 소요 석션압은 점성토에서 약 410kPa, 사질토에서 약 1,800kPa로 도출되었다. 석션파일이 관입되면서 교란된 지반이 재압밀되어 평형상태로 복귀하고, 원지반의 물성값을 갖게 되면 수직도 제어를 위해 큰 석션압이 소요될 것으로 예상되며, 현실적으로 석션파일을 관입하는데 약 100kPa의 석션압이 필요한 것을 고려했을 때 특별한 자세제어 기술이 필요할 것으로 판단된다. 강재 내부격벽의 길이와 두께에 따른 소요 석션압의 크기는 차이가 없었으며, 이는 수직도 제어에 대한 대부분의 저항이 콘크리트 스커트에 의해 발생하기 때문으로 판단된다.
- 6MPa로 감소하는 것으로 나타났다. 수치해석을 통해 도출된 값을 고려할 때 강재의 항복강도를 검토할 필요가 있는 것으로 판단된다.
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