개별요소법(Discrete Element Method, DEM)은 다수의 작은 입자들의 운동 및 상호영향을 계산하여 시스템의 거동을 해석하는 수치해석법으로써, 실제 화학공학, 약학, 토목공학, 재료과학, 식품공학 등 다양한 산업현장에서 적용되고 있다. 본 연구에서는 DEM 기법에 근거한 입자 역학 전용 해석 상용 소프트웨어를 사용하여 스포크타입 토압식 쉴드TBM 굴착성능을 평가하기 위한 예비 해석을 수행하였다. TBM에 대한 해석은 커터헤드의 회전속가 다른 2가지 조건에 대해 수행되었다. 해석을 진행하는 동안 커터헤드면에 작용하는 저항 토크, 커터헤드면과 쉴드면에 작용하는 압축력, 스크루오거를 통해 배출되는 토사의 양을 검토하였다. 해석을 통해 DEM 해석을 이용한 TBM 장비 모델링의 적용성을 검토하였다.
개별요소법(Discrete Element Method, DEM)은 다수의 작은 입자들의 운동 및 상호영향을 계산하여 시스템의 거동을 해석하는 수치해석법으로써, 실제 화학공학, 약학, 토목공학, 재료과학, 식품공학 등 다양한 산업현장에서 적용되고 있다. 본 연구에서는 DEM 기법에 근거한 입자 역학 전용 해석 상용 소프트웨어를 사용하여 스포크타입 토압식 쉴드TBM 굴착성능을 평가하기 위한 예비 해석을 수행하였다. TBM에 대한 해석은 커터헤드의 회전속가 다른 2가지 조건에 대해 수행되었다. 해석을 진행하는 동안 커터헤드면에 작용하는 저항 토크, 커터헤드면과 쉴드면에 작용하는 압축력, 스크루 오거를 통해 배출되는 토사의 양을 검토하였다. 해석을 통해 DEM 해석을 이용한 TBM 장비 모델링의 적용성을 검토하였다.
The Discrete Element Method (DEM) is one of the useful numerical methods to analyze the behavior of the ground formation by computing the motion and interaction using particles. The DEM has not been applied in civil engineering but also a wide range of industrial fields, such as chemical engineering...
The Discrete Element Method (DEM) is one of the useful numerical methods to analyze the behavior of the ground formation by computing the motion and interaction using particles. The DEM has not been applied in civil engineering but also a wide range of industrial fields, such as chemical engineering, pharmacy, material science, food engineering, etc. In this study, to review a performance of the spoke-type earth pressure balance (EPB) shield TBM (Tunnel Boring Machine), the commercial software based on the DEM technology was used. An analysis of the TBM during excavation was conducted according to two pre-defined excavation conditions with the different rotation speed of a cutterhead. During the analysis, the resistant torque at the face of the cutterhead, the compressive force at the cutterhead and shield surface, the muck discharge at the screw auger were measured and compared. Upon the two kinds of excavation conditions, the applicability of the DEM analysis was reviewed as a modelling method for the TBM.
The Discrete Element Method (DEM) is one of the useful numerical methods to analyze the behavior of the ground formation by computing the motion and interaction using particles. The DEM has not been applied in civil engineering but also a wide range of industrial fields, such as chemical engineering, pharmacy, material science, food engineering, etc. In this study, to review a performance of the spoke-type earth pressure balance (EPB) shield TBM (Tunnel Boring Machine), the commercial software based on the DEM technology was used. An analysis of the TBM during excavation was conducted according to two pre-defined excavation conditions with the different rotation speed of a cutterhead. During the analysis, the resistant torque at the face of the cutterhead, the compressive force at the cutterhead and shield surface, the muck discharge at the screw auger were measured and compared. Upon the two kinds of excavation conditions, the applicability of the DEM analysis was reviewed as a modelling method for the TBM.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 특정 지반 조건이 아닌 일반적인 토사지반을 단순하게 고려하고 계산시간과 해석의 편의를 위해 모델링에 사용된 모든 입자의 형상을 단일 구형으로 근사하여 모델링하였다. 다만, 직접 굴착이 일어나는 부분의 입자의 지름을 상대적으로 작게 모델링하여 해석 효율을 높이고, 반면 굴착에 직접적인 영향을 주지 않는 부분에 대한 불필요한 계산을 방지하고자 하였다. 입자의 크기를 작게 모델링하면 상대적으로 해석의 정확도를 높일 수 있으나, 계산에 소요되는 시간이 과도하게 증가한다.
가설 설정
즉, 커터헤드가 주어진 분당 회전수(rpm)로 회전하면서 터널의 길이방향(x axis)으로 수평하게 전진하는 것을 모사하기 위함이다. 본 연구에서 고려한 쉴드TBM의 굴진 거리는 커터헤드 1회전 당 10 mm/rev으로 가정하였다. 쉴드 부분은 장비와 일체화된 굴진을 위해 회전하지 않고 커터헤드의 전진속도와 같도록 모델링 하였다.
해석에 사용된 입자는 두 종류로 구성되어 있으며, 상대적으로 직경이 작은 ‘Soil 1’ 입자는 굴착이 실제로 진행되는 영역, ‘Soil 2’ 입자는 비굴착 영역의 모델링을 위해 사용되었다. 지반은 자갈(gravel)이 포함된 지반으로 이루어졌다고 가정하였으며, 자갈이 포함된 지반의 물성은 EDEM이 문헌연구와 해석경험을 통해 자체적으로 보유하고 있는 GEMM (Generic EDEM Material Model) 데이터베이스(EDEM, 2017)를 활용하였다.
제안 방법
TBM 굴착과정 시 지반의 변형과 이로 인해 커터헤드에서 발생하는 각종 균열 및 피로의 발생 가능성을 검토하기 위해, 본 연구에서는 유한요소 해석 프로그램과의 연계와 확장이 가능한 DEM 기반의 입자역학 해석 프로그램을 적용하였다. 특히, 본 연구에서는 이를 위한 선행연구로서 DEM 기반으로 굴착 지반을 모사하고 TBM 장비를 강체(rigid body)로 모사하여 TBM 커터헤드에 가해지는 응력과 토크를 검토하였다.
6). 굴착 해석을 진행하면서 커터헤드와 쉴드에 작용하는 힘과 스크루 오거를 통해 배출되는 입자의 양을 검토하였다. 입자에 의해 커터헤드면에 작용하는 힘은 커터헤드면에 작용하는 힘과 커터헤드가 회전할 때 반작용으로 발생하는 회전력(torque)을 분리하여 검토하였다.
특히, 본 연구에서는 이를 위한 선행연구로서 DEM 기반으로 굴착 지반을 모사하고 TBM 장비를 강체(rigid body)로 모사하여 TBM 커터헤드에 가해지는 응력과 토크를 검토하였다. 또한, TBM 굴착 장비에 배토 시스템을 모사하여 주어진 배토 조건에서 굴착 중 적절한 배토량을 검토하는 방안을 제시하였다.
6. 본 연구에서는 DEM 해석을 적용하여 쉴드TBM의 굴진을 모사하고 커터헤드, 쉴드 및 스크루 오거를 중심으로 쉴드TBM의 해석적인 검토 방안을 고려하였다. 향후 유한요소 연계 해석 연구 등을 통해, 실제 현장과 유사한 지반 모사와 세부적인 커터헤드 설계 검토를 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 DEM 해석을 통해 토사 지반을 모델링하고 스포크 형태의 커터헤드가 포함된 토압식 쉴드TBM의 굴착 과정을 모사하였다. 굴착에 진행됨에 따라 커터헤드와 쉴드에 작용하는 반력을 정량적으로 계산할 수 있었으며, 스크루 오거의 모델링을 통해 배토 과정에서 발생하는 단위 시간당 배출량을 검토할 수 있었다.
하지만 해석 대상 영역이 크고 복잡한 경우, 해석 시간이 급증하게 되고 수렴이 힘들어지는 문제를 갖기 때문에 해석에 적합한 입자 형상을 먼저 고려해야 한다. 본 연구에서는 특정 지반 조건이 아닌 일반적인 토사지반을 단순하게 고려하고 계산시간과 해석의 편의를 위해 모델링에 사용된 모든 입자의 형상을 단일 구형으로 근사하여 모델링하였다. 다만, 직접 굴착이 일어나는 부분의 입자의 지름을 상대적으로 작게 모델링하여 해석 효율을 높이고, 반면 굴착에 직접적인 영향을 주지 않는 부분에 대한 불필요한 계산을 방지하고자 하였다.
5와 같다. 쉴드TBM의 모델은 해석 결과의 처리를 위해 크게 커터헤드와 쉴드 부분, 스크루 오거 시스템의 세 부분으로 나누어 모델링하였다. 직경은 대상 모델과 같은 6.
TBM 굴착과정 시 지반의 변형과 이로 인해 커터헤드에서 발생하는 각종 균열 및 피로의 발생 가능성을 검토하기 위해, 본 연구에서는 유한요소 해석 프로그램과의 연계와 확장이 가능한 DEM 기반의 입자역학 해석 프로그램을 적용하였다. 특히, 본 연구에서는 이를 위한 선행연구로서 DEM 기반으로 굴착 지반을 모사하고 TBM 장비를 강체(rigid body)로 모사하여 TBM 커터헤드에 가해지는 응력과 토크를 검토하였다. 또한, TBM 굴착 장비에 배토 시스템을 모사하여 주어진 배토 조건에서 굴착 중 적절한 배토량을 검토하는 방안을 제시하였다.
대상 데이터
1. 본 연구에서는 토사 지반을 모사하기 위해 직경이 다른 두 종류의 입자를 사용하였다. 이런 경우, 입자간 공극 차이로 인해 상대적으로 작은 입자가 큰 입자 사이로 침투하는 현상이 발생하기 때문에 지반의 안정화 해석 과정이 필요하다.
이론/모형
본 연구에서 사용된 Hertz-Mindlin 접촉 모델에서 법선 방향의 탄성력(F8n)과 수직 강성(Kn)은 Hertz (1882)의 제안에 의해 각각 다음 식 (1)과 (2)로 정의된다.
EDEM에서 사용하는 입자간 접촉 모델(contact model)은 기존 DEM 해석에서 사용되는 입자와 요소들간의 접촉 모델을 포함한 다양한 접촉 모델의 적용이 가능하다. 본 연구에서는 제어된 입자간 겹침을 고려하여 입자간 접촉력을 산정하는 Hertz-Mindlin 모델(Cundall and Strack, 1979; Sakaguchi et al., 1993; Tsuji et al., 1992)을 기본 접촉 모델로 고려하였다.
후속연구
본 연구에서 수행된 이상과 같은 굴착 해석 방법을 통해 커터헤드면에 작용하는 저항 토크를 함께 검토하여 배출량, 토압 및 토크를 상호 연계하여 비교할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 향후에는 본 연구에서 적용한 방법을 사용하여 스크루 오거의 직경이나 설치 각도 등의 조건들을 해석에 적용하고, 지반조건별로 TBM의 운전 방식에 적합한 스크루 오거의 설계 검토를 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
이를 통해 적절한 스크루 오거의 회전수에 대한 검토를 수행할 수 있을 것으로 판단되며, 커터헤드면에 작용하는 압축력이나 저항 토크를 상호 비교하는 해석을 통해 커터헤드면에 작용하는 토압을 비교 검토할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서 수행된 이상과 같은 굴착 해석 방법을 통해 커터헤드면에 작용하는 저항 토크를 함께 검토하여 배출량, 토압 및 토크를 상호 연계하여 비교할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 향후에는 본 연구에서 적용한 방법을 사용하여 스크루 오거의 직경이나 설치 각도 등의 조건들을 해석에 적용하고, 지반조건별로 TBM의 운전 방식에 적합한 스크루 오거의 설계 검토를 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
이를 통해, 적절한 스크루 오거의 회전수에 대한 검토를 수행할 수 있을 것으로 판단되며 커터헤드면에 작용하는 압축력과 상호 비교하는 해석을 통해 커터헤드면에 작용하는 토압을 비교 검토할 수 있을 것으로 판단된다. 이러한 굴착 해석 방법을 통해 커터헤드면에 작용하는 저항 토크를 함께 검토하여 배출량, 토압 및 토크를 연계하여 비교할 수 있을 것으로 판단된다.
앞선 커터헤드면에 작용하는 압축력의 분석 결과에서 언급하였듯이, 커터헤드면에 작용하는 압축력은 커터헤드면으로 유입된 입자의 양과 관련이 높으므로 배출량이 일정하게 유지된 경우, 커터헤드면의 압축력이나 저항토크도 일정하게 유지된다. 이를 통해 적절한 스크루 오거의 회전수에 대한 검토를 수행할 수 있을 것으로 판단되며, 커터헤드면에 작용하는 압축력이나 저항 토크를 상호 비교하는 해석을 통해 커터헤드면에 작용하는 토압을 비교 검토할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서 수행된 이상과 같은 굴착 해석 방법을 통해 커터헤드면에 작용하는 저항 토크를 함께 검토하여 배출량, 토압 및 토크를 상호 연계하여 비교할 수 있을 것으로 판단된다.
커터헤드면에 작용하는 압축력은 커터헤드면으로 유입된 입자의 양과 관련이 높기 때문에, 배출량이 일정하게 유지된 경우에는 압축력도 일정하게 유지되는 것을 알 수 있다. 이를 통해, 적절한 스크루 오거의 회전수에 대한 검토를 수행할 수 있을 것으로 판단되며 커터헤드면에 작용하는 압축력과 상호 비교하는 해석을 통해 커터헤드면에 작용하는 토압을 비교 검토할 수 있을 것으로 판단된다. 이러한 굴착 해석 방법을 통해 커터헤드면에 작용하는 저항 토크를 함께 검토하여 배출량, 토압 및 토크를 연계하여 비교할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 DEM 해석을 적용하여 쉴드TBM의 굴진을 모사하고 커터헤드, 쉴드 및 스크루 오거를 중심으로 쉴드TBM의 해석적인 검토 방안을 고려하였다. 향후 유한요소 연계 해석 연구 등을 통해, 실제 현장과 유사한 지반 모사와 세부적인 커터헤드 설계 검토를 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
PFC의 한계는?
PFC는 개발된 이후 많은 보완과 수정을 거쳐 왔고 비교적 간단하게 모델링이 가능하기 때문에 해석이 매우 빠르면서도 정확하다는 장점을 갖고 있지만 다양한 CAE (Computer Aided Engineering) 소프트웨어와의 연동 해석(coupling)이 어렵다는 단점이 있다. 이러한 점은 TBM과 같이 지반과 장비의 거동이 모두 중요한 분야의 경우, 지반의 변형을 고려하면서 장비에 가해지는 힘을 지반과 연동하여 해석하기가 어렵기 때문에 TBM 장비의 거동을 간접적으로 파악할 수밖에 없다는 한계를 가진다.
개별요소법이란?
개별요소법(Discrete Element Method, DEM)은 다수의 작은 입자들의 운동 및 상호영향을 계산하여 시스템의 거동을 해석하는 수치해석법으로써, 실제 화학공학, 약학, 토목공학, 재료과학, 식품공학 등 다양한 산업현장에서 적용되고 있다. 본 연구에서는 DEM 기법에 근거한 입자 역학 전용 해석 상용 소프트웨어를 사용하여 스포크타입 토압식 쉴드TBM 굴착성능을 평가하기 위한 예비 해석을 수행하였다.
개별요소법이 적용되고 있는 분야는?
개별요소법(Discrete Element Method, DEM)은 다수의 작은 입자들의 운동 및 상호영향을 계산하여 시스템의 거동을 해석하는 수치해석법으로써, 실제 화학공학, 약학, 토목공학, 재료과학, 식품공학 등 다양한 산업현장에서 적용되고 있다. 본 연구에서는 DEM 기법에 근거한 입자 역학 전용 해석 상용 소프트웨어를 사용하여 스포크타입 토압식 쉴드TBM 굴착성능을 평가하기 위한 예비 해석을 수행하였다.
참고문헌 (33)
Avunduk, E., Copur, H. (2018), "Empirical modeling for predicting excavation performance of EPB TBM based on soil properties", Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 71, January 2018, pp. 340-353.
Bilgin, N., Copur, H., Balci, C. (2012), "Effect of replacing disc cutters with chisel tools on performance of a TBM in difficult ground conditions", Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 27, No. 1, pp. 41-51.
Burger, W. (2006), "Hard rock cutterhead design", Proceedings of the North American Tunneling 2006 Conference, Chicago, pp. 257-263.
Copur, H., Aydin, H., Bilgin, N., Balci, C., Tumac, D., Dayanc, C. (2014), "Predicting performance of EPB TBMs by using a stochastic model implemented into a deterministic model. Tunnelling and Underground Space Technology", Vol. 42, May 2014, pp. 1-14.
Di Maio, F.P., Di Renzo, A. (2005), "Modelling particle contacts in distinct element simulations: linear and non-linear approach", Chemical Engineering Research and Design, Vol. 83, No. 11, pp. 1287-1297.
Di Renzo, A., Di Maio, F.P. (2004), "Comparison of contact-force models for the simulation of collisions in DEM-based granular flow codes", Chemical Engineering Science, Vol. 59, No. 3, pp. 525-541.
Di Renzo, A., Di Maio, F.P. (2005), "An improved integral non-linear model for the contact of particles in distinct element simulations", Chemical Engineering Science, Vol. 60, No. 5, pp. 1303-1312.
EDEM (2017), EDEM User's Manual, DEM solution, Edinburgh.
Gehring, K. (2009), "The influence of TBM design and machine features on performance and tool wear in rock. Der Einfluss von TBM-Konstruktion und Maschineneigenschaften auf Leistung und Werkzeugverbrauch in Gestein", Geomechanics and Tunnelling, Vol. 2, No. 2, pp.140-155.
Gong, Q.M., Jiao, Y.Y., Zhao, J. (2006), "Numerical modelling of the effects of joint spacing on rock fragmentation by TBM cutters", Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 21, No. 1, pp. 46-55.
Gong, Q.M., Zhao, J., Jiao, Y.Y. (2005), "Numerical modeling of the effects of joint orientation on rock fragmentation by TBM cutters", Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 20, No. 2, pp. 183-191.
Hertz, H. (1882), "Uber die Beruhrung fester elastischer Korper", Journal fur die reine und angewandte Mathematik, Vol. 92, pp. 156-172.
KICT (2015), Development of optimized TBM cutterhead design method and high-performance disc cutter, ISBN 979-11-954377-2-6, Korea Agency for Infrastructure Technology Advancement, pp. 7-9.
Labra, C., Rojek, J., Onate, E. (2017), "Discrete/finite element modelling of rock cutting with a TBM disc cutter", Rock Mechanics and Rock Engineering, Vol. 50, No. 3, pp. 621-638.
Li, X., Yuan, D., Huang, Q. (2017), "Cutterhead and cutting tools configurations in coarse grain soils", The Open Construction and Building Technology Journal, Vol. 11, No. 1, pp. 182-199.
Liu, J., Cao, P., Du, C.H., Jiang, Z., Liu, J.S. (2015), "Effects of discontinuities on penetration of TBM cutters", Journal of Central South University, Vol. 22, No. 9, pp. 3624-3632.
Maidl, U., Comulada, M. (2011), "Prediction of EPB shield performance in soils", Proc. of the In Rapid Excavation and Tunneling Conference, January 2011, pp. 1083-1091.
Maynar, M.J., Rodriguez, L.E. (2005), "Discrete numerical model for analysis of earth pressure balance tunnel excavation", Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 131, No. 10, pp. 1234-1242.
Mindlin, R.D. (1949), "Compliance of elastic bodies in contact", Journal of Applied Mechanics, Vol. 16, pp. 259-268.
Moon, T., Oh, J. (2012), "A study of optimal rock-cutting conditions for hard rock TBM using the discrete element method", Rock mechanics and rock engineering, Vol. 45, No. 5, pp. 837-849.
Onate E., Owen R. (2011), Particle-Based Methods. Computational Methods in Applied Sciences, Vol. 25, Springer, Dordrecht, pp. 247-267.
Peng, B. (2014), Discrete element method (DEM) contact models applied to pavement simulation, Ph.D. Thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University, pp. 19-23.
Rostami, J., Ozdemir, L. (1993), "A new model for performance prediction of hard rock TBMs", Proc. of the Rapid Excavation and Tunneling Conference, Society for Mining, Metallurgy & Exploration, INC, pp. 793-793.
Sakaguchi, H., Ozaki, E., Igarashi, T. (1993), "Plugging of the flow of granular materials during the discharge from a silo", International Journal of Modern Physics B, Vol. 7, No. 09n10, pp. 1949-1963.
Tarkoy, P.J. (2009), "Simple and practical TBM performance prediction. Einfache und praxistaugliche Voraussage von TBM-Leistungen", Geomechanics and Tunnelling, Vol. 2, No. 2, pp. 128-139.
Tsuji, Y., Tanaka, T., Ishida, T. (1992), "Lagrangian numerical simulation of plug flow of cohesionless particles in a horizontal pipe", Powder Technology, Vol. 71, No. 3, pp. 239-250.
Ucgul, M., Fielke, J.M., Saunders, C. (2014), "Three-dimensional discrete element modelling of tillage: Determination of a suitable contact model and parameters for a cohesionless soil", Biosystems Engineering, Vol. 121, May 2014, pp. 105-117.
Wu, L., Guan, T., Lei, L. (2013), "Discrete element model for performance analysis of cutterhead excavation system of EPB machine", Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 37, August 2013, pp. 37-44.
Wu, L., Liu, C. (2014), "Modeling of shield machine tunneling experiment by discrete element method", Applied Mechanics and Materials, Vols. 556-562, pp. 1200-1204.
Yagiz, S., Karahan, H. (2015), "Application of various optimization techniques and comparison of their performances for predicting TBM penetration rate in rock mass", International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Vol. 80, December 2015, pp. 308-315.
Yazdani-Chamzini, A., Yakhchali, S.H. (2012), "Tunnel Boring Machine (TBM) selection using fuzzy multicriteria decision making methods", Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 30, July 2012, pp. 194-204.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.