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LS-DYNA를 이용한 비탈면에 설치된 가드레일 지주의 동적거동
Analysis of the Dynamic Behavior of Guardrail Posts in Sloping Ground using LS-DYNA 원문보기

한국도로학회논문집 = International journal of highway engineering, v.19 no.1 = no.81, 2017년, pp.21 - 28  

이동우 (수형산업개발(주) 기술연구소) ,  우광성 (영남대학교)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

PURPOSES : This paper presents a finite element model to accurately represent the soil-post interaction of single guardrail posts in sloping ground. In this study, the maximum lateral resistance of a guardrail post has been investigated under static and dynamic loadings, with respect given to severa...

주제어

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문제 정의

  • 또한, 지반은 크게 모래(sand), 점토(clay), 실트(silt), 자갈(gravel) 등 다양한 골재로 구성되어 있고, 배수(drained) 상태나 비배수(undrained) 상태에 따라 점착력과 마찰각이 달라지므로 흙의 역학적 계수(mechanical property)를 결정하기가 매우 어려운 재료이다. 그러므로 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 Lewis(1997)가 미국연방도로청(FHWA; Federal Highway Administration)의 과제로 수행된 결과를 통해 제시한 지반모델을 적용하고자 한다. 이 모델은 미국 내 도로지반, 특히 가드레일 설치장소에서의 평균개념의 토질상수를 의미한다.
  • 이 경우 지반공학분야의 말뚝기초이론과 이에 따른 말뚝-지반(pile-soil) 모델을 적용할 수 밖에 없다. 말뚝의 수평거동은 수평재하시험, 극한 평형법, 탄성지반 반력법, 탄성론적인 해석법 등이 있으나 본 연구에서는 유한요소 모델링에 주안점을 두고 있기 때문에 이와 관련된 지반모델링에 초점을 두고자 한다. 말뚝의 수평거동에 대한 연구들을 살펴보면 수평하중의 증가로 인하여 말뚝 주변의 흙이 지표면에서 항복하기 시작하여 소성영역이 순차적으로 말뚝선단 방향으로 확대되어 간다.
  • 본 연구에서는 Fig. 1과 같이 비탈면(sloping ground)에 설치된 가드레일시스템의 차량충돌시뮬레이션의 정확도를 높이기 위해 가드레일 시스템을 구성하는 주요부재인 지주(guardrail post)의 지반-지주상호작용(soil- structure interaction)을 고려할 수 있는 수치해석 모델을 제시하고 비탈경사 시작점(BP; break point)으로 부터의 지주매입 위치와 지주매입 깊이에 따라 지반지지력의 변화를 평지부와 비교하여 분석하고자 한다. 이를 위해 펜들럼시험(pendulum test)을 수치적으로 모사하였고 차량, 지주와 3차원 지반 등의 유한요소망 생성을 위해 CATIA 및 Hyper-MESH 프로그램이 사용되었으며, 동적비선형 해석을 위해 LS-DYNA 프로그램이 적용되었다.
  • 수평하중을 가했을 때 지주의 하중-변의 곡선으로부터 지주의 극한지지력(ultimate lateral load)을 산정하였으며, 이를 지반의 수평지지력(passive resistance)으로 간주하였다. 이와 같은 방법으로 평지상태 및 비탈면(성토부)의 정적 비선형 해석을 통하여 지주의 극한내하력 분석을 통한 지주-지반 모델의 적정성을 평가해 보고자 한다. 지주의 극한내하력을 분석하기 위한 유한요소 모델을 Fig.

가설 설정

  • 4에 나타내었다. 지주 내부에는 지반면(ground level)에서 지주의 급격한 꺾임 현상을 방지하기 위한 지주와 동일한 두께의 보조 지주가 삽입되었으며 지주와 겹침 길이(overlap length)는 500mm로 가정하였고 지주 매입깊이의 경우 1,500mm로 고정되었다. 지반과 지주의 상호 침투현상을 방지하기 위해 사용되는 CONTACT OPTION의 경우 지주의 뽑힘 현상이 발생할 수 있기 때문에 지반과 지주 사이에는 마찰계수가 0.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
미국연방도로청(FHWA; Federal Highway Administration)의 과제로 수행된 결과를 통해 제시한 지반모델은 무엇을 의미하는가? 그러므로 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 Lewis(1997)가 미국연방도로청(FHWA; Federal Highway Administration)의 과제로 수행된 결과를 통해 제시한 지반모델을 적용하고자 한다. 이 모델은 미국 내 도로지반, 특히 가드레일 설치장소에서의 평균개념의 토질상수를 의미한다. 흙의 항복응력은 MohrCoulomb의 파괴포락선에 따르며, MAT 147로 *MAT_FHWA_SOIL 재료카드(Reid 2004)로 불린다.
노측용 가드레일에 대한 수치해석적 연구에서 가장 어려운 부분은 무엇인가? 노측용 가드레일에 대한 수치해석적 연구에서 가장 어려운 부분은 지주와 지반의 상호작용(interaction)을 고려할 수 있는 해석모델이다. 다시 말하면, 평지부(horizontal ground)의 지반모델에 사용되었던 Winkler의 탄성스프링모델(Winkler, 1867)이나, 지반 깊이에 따라 지반지지력(p)에 대한 횡방향 변위(y)에 대한 비선형 곡선을 구하여 스프링계수를 찾아내는 p-y 곡선법(Matlock 1970; O’Neill 1983; Reese 1984)을 비탈면에 바로 적용할 수 없기 때문이다.
지반은 어떠한 골재들로 구성되어 있는가? 국내외를 막론하고 비탈면에 대한 지지력 시험을 통한 데이터가 많이 없기 때문에 실험결과로 부터 스프링계수를 찾아내기가 어려운 실정이다. 또한, 지반은 크게 모래(sand), 점토(clay), 실트(silt), 자갈(gravel) 등 다양한 골재로 구성되어 있고, 배수(drained) 상태나 비배수(undrained) 상태에 따라 점착력과 마찰각이 달라지므로 흙의 역학적 계수(mechanical property)를 결정하기가 매우 어려운 재료이다. 그러므로 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 Lewis(1997)가 미국연방도로청(FHWA; Federal Highway Administration)의 과제로 수행된 결과를 통해 제시한 지반모델을 적용하고자 한다.
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참고문헌 (13)

  1. HYPERMESH 11.0 (2000) Altair Engineering, Troy, MI, USA. 

  2. Kandil, K.S., Nemir, M.T., Ellobody, E.A., Shahin, R.I. (2014) Implicit and explicit analysis of the response of blast loaded reinforced concrete slabs. World Journal of Engineering and Technology, 2, 211-221. 

  3. Kotelko, M. (2010) Influence of strain rate on crushing behaviour of thin-walled members. Mechanics & Mechanical Engineering, 14(2) 257-268, Technical University of Lodz, Poland. 

  4. Kwon, Y.M. (2014) Soil-post interaction analysis of guardrail systems considering sloping ground, MS Thesis, Yeungnam University. 

  5. Lewis, B.A. (1997) Manual for LS-DYNA soil material model 147: FHWA(Federal Highway Administration), pp.1-68. 

  6. LS-DYNA 971 (2012) Livermore Software Technology Corporation(LSTC). 

  7. Matlock, H. (1970) Correlation for Design of Laterally Loaded Piles in Soft Clays. Proceeding of the 2nd Annual OTC(Offfshore Technical Conference) pp. 577-594, Dallas, Texas. 

  8. MOLIT (2014) Standard and Guideline for Road Safety Structures- Road Restraint System for Bridge, Ministry of Land, Infrastructure and Transport of KOREA (MOLIT). 

  9. O'Neill, M. and Murchison, J. (1983) An Evaluation of p-y relationships in sands, University of Houston, Texas. 

  10. Reese, L.C. (1984) Handbook on design of piles and drilled shafts under internal loads. U.S. DOT, FHWA, Washington D.C. 

  11. Reid, J.D. (2004) Evaluation of LS-DYNA Soil Material Model 147: FHWA (Federal Highway Administration) FHWA-HRT-04-094. 

  12. Winkler, E. (1867) Theory of Elasticity and Strength, Dominicus Prague, Czechoslavakia. 

  13. Yoshida, Y., Motonori, I. and Kokusho, T. (1998) Empirical formulas of SPT blow-counts for gravelly soils, Proceedings of the 1st International Symposiumon Penetration Testing (ISOPT '98), pp.381-387. 

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