최근 급증하는 도로 교통량을 원활히 처리할 수 있는 대안으로 복층터널과 같은 지하구조물의 건설이 증가하고 있다. 복층터널은 내부에 상부와 하부를 분리하는 중간슬래브가 존재한다. 중간슬래브는 차량이 주행할 때 발생하는 차량의 동적하중으로 인하여 동적거동을 하게 되며, 그 동적거동을 정확히 파악하여 설계 및 해석에 이용하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 복층터널 중간슬래브의 구조형식, 설계속도, 주행차량 및 노면조도 등을 고려한 해석모델을 작성하고 노면에 차량이 일정속도로 주행하는 경우에 대해 3차원 동적해석을 수행하여 복층터널 중간슬래브의 동적거동을 분석하였다. 그 결과, 중간슬래브의 동적영향을 대표하는 동적확대계수는 탄성받침 지지조건 및 보통의 노면조도 조건에서 가장 크게 증폭되는 경향을 보였고, 양호한 노면조도와 강결연결 조건에 의해 동적영향을 작게 할 수 있음을 확인하였다.
최근 급증하는 도로 교통량을 원활히 처리할 수 있는 대안으로 복층터널과 같은 지하구조물의 건설이 증가하고 있다. 복층터널은 내부에 상부와 하부를 분리하는 중간슬래브가 존재한다. 중간슬래브는 차량이 주행할 때 발생하는 차량의 동적하중으로 인하여 동적거동을 하게 되며, 그 동적거동을 정확히 파악하여 설계 및 해석에 이용하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 복층터널 중간슬래브의 구조형식, 설계속도, 주행차량 및 노면조도 등을 고려한 해석모델을 작성하고 노면에 차량이 일정속도로 주행하는 경우에 대해 3차원 동적해석을 수행하여 복층터널 중간슬래브의 동적거동을 분석하였다. 그 결과, 중간슬래브의 동적영향을 대표하는 동적확대계수는 탄성받침 지지조건 및 보통의 노면조도 조건에서 가장 크게 증폭되는 경향을 보였고, 양호한 노면조도와 강결연결 조건에 의해 동적영향을 작게 할 수 있음을 확인하였다.
Recently, the construction of underground structure such as a double-deck tunnel is increasing to manage rapid growth of roadway traffic volume. Double-deck tunnel includes middle slab to separate upper and lower road inside, and various sources affect the dynamic behaviour of middle slab due to dyn...
Recently, the construction of underground structure such as a double-deck tunnel is increasing to manage rapid growth of roadway traffic volume. Double-deck tunnel includes middle slab to separate upper and lower road inside, and various sources affect the dynamic behaviour of middle slab due to dynamic loading of vehicle. Therefore, it is important to investigate the dynamic response of middle slab precisely to apply it to design and analysis of double-deck tunnel. In this study, dynamic analysis model of middle slab considering structural type, design velocity, vehicle load, and surface roughness, etc. is built. 3-dimensional dynamic analysis is performed to assess dynamic response of middle slab. Consequently, Dynamic Magnification Factor which represents dynamic response of middle slab shows maximum in case of elastomeric bearings (EB) and average roughness (Grade C). It is also expected that dynamic response can be reduced under the condition of good roughness (Grade B) and fixed bearings (FB).
Recently, the construction of underground structure such as a double-deck tunnel is increasing to manage rapid growth of roadway traffic volume. Double-deck tunnel includes middle slab to separate upper and lower road inside, and various sources affect the dynamic behaviour of middle slab due to dynamic loading of vehicle. Therefore, it is important to investigate the dynamic response of middle slab precisely to apply it to design and analysis of double-deck tunnel. In this study, dynamic analysis model of middle slab considering structural type, design velocity, vehicle load, and surface roughness, etc. is built. 3-dimensional dynamic analysis is performed to assess dynamic response of middle slab. Consequently, Dynamic Magnification Factor which represents dynamic response of middle slab shows maximum in case of elastomeric bearings (EB) and average roughness (Grade C). It is also expected that dynamic response can be reduced under the condition of good roughness (Grade B) and fixed bearings (FB).
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문제 정의
그러나 복층터널의 경우 중간슬래브가 라이닝에 거치되는 교량 형식으로 기존의 일반적인 도로교와는 그 형식이 다르며 차량 주행에 의한 동적 거동에 대한 연구가 거의 이루어지지 않고 있다. 따라서 본 연구에서는 복층터널 중간슬래브의 구조형식, 설계속도, 주행차량 및 노면조도 등을 고려한 해석모델을 작성하고 노면에 차량이 일정속도로 주행하는 경우에 대해 3차원 동적해석을 수행하여 복층터널 중간슬래브의 동적거동을 분석하도록 한다.
이러한 동하중에 의한 효과를 도로교 설계기준에서는 충격계수를 적용하여 설계에 반영하고 있으나 복층터널의 중간슬래브는 교량과 상이한 지지형태를 가지고 있어 별도의 검토가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 주행차량에 의해 복층터널 중간슬래브에서 유발되는 실질적인 동하중 효과를 수치해석적으로 평가하기 위해 차량 주행에 의한 시간이력해석을 수행하였다. 중간슬래브 단면에 대하여 3차원 유한요소해석 요소망을 작성하고 노면조도, 주행속도 및 터널 라이닝과의 연결방법 등을 변화시켜가며 동적해석을 실시하고 동하중 효과를 분석하였다.
가설 설정
6 m를 갖는 길이 88 m의 판형태로 모형화하였다. 주행방향의 양 측면에 위치하는 라이닝과의 연결부는 강결연결(Fixed bearings, FB) 조건과 진동에 대해 상대적으로 우수한 특성을 가지는 탄성받침(Elastomeric bearings, EB) 지지 조건의 적용을 가정하였다. 강결연결의 경우 중간슬래브 측면 단부의 방향별 자유도를 모두 구속하도록 경계조건을 설정하였으며, 탄성받침은 수직과 수평방향으로 강성과 감쇠를 갖도록 spring과 dash-pot 요소로 모형화 하였다.
제안 방법
그리고 동적해석과 정적해석에 의한 응답을 이용하여 동적확대계수를 산정하고 해석변수에 따른 변화를 분석·검토하였다.
일반적으로 주행속도의 변화에 따른 교량에서의 응답은 반드시 속도에 비례하여 증가하지는 않는 것으로 알려져 있으므로 설계속도에서 뿐만 아니라 설계속도 이하에서의 검토도 필요하다. 따라서, 80 km/hr를 설계속도로 가정하여 최저 30 km/hr 에서 최고 90 km/hr 까지 10 km/hr 간격으로 동적해석을 수행하고 중간슬래브를 종방향으로 중앙부와 종점부에서 동적응답을 분석하였다.
중간슬래브를 3차원 유한요소망으로 구성하고 지지형태에 따른 중간슬래브의 모드형상과 고유진동수 등의 확인을 위하여 모드해석을 수행하였다. 또한 노면조도와 차량에 대해 모형화하고 중간슬래브의 해석모델과 결합하여 직접적분법에 의한 주행속도별 동적해석을 수행하였다. 그리고 동적해석과 정적해석에 의한 응답을 이용하여 동적확대계수를 산정하고 해석변수에 따른 변화를 분석·검토하였다.
중간슬래브 구조, 지지형태, 노면조도, 차량의 동적특성 및 주행속도 등을 고려하여 3차원 유한요소해석 모델을 작성하여 모드 해석 및 차량과 중간슬래브 간 상호작용을 고려한 동적해석을 수행하고 해석결과를 분석하여 얻은 결론은 다음과 같다.
중간슬래브 구조물과 차량모델로 구성된 유한요소 해석모델을 바탕으로 지지형태, 노면조도 및 차량의 주행속도 등을 변화시켜가며 동적해석을 수행하였다. 일반적으로 주행속도의 변화에 따른 교량에서의 응답은 반드시 속도에 비례하여 증가하지는 않는 것으로 알려져 있으므로 설계속도에서 뿐만 아니라 설계속도 이하에서의 검토도 필요하다.
따라서 본 연구에서는 주행차량에 의해 복층터널 중간슬래브에서 유발되는 실질적인 동하중 효과를 수치해석적으로 평가하기 위해 차량 주행에 의한 시간이력해석을 수행하였다. 중간슬래브 단면에 대하여 3차원 유한요소해석 요소망을 작성하고 노면조도, 주행속도 및 터널 라이닝과의 연결방법 등을 변화시켜가며 동적해석을 실시하고 동하중 효과를 분석하였다.
중간슬래브를 3차원 유한요소망으로 구성하고 지지형태에 따른 중간슬래브의 모드형상과 고유진동수 등의 확인을 위하여 모드해석을 수행하였다. 또한 노면조도와 차량에 대해 모형화하고 중간슬래브의 해석모델과 결합하여 직접적분법에 의한 주행속도별 동적해석을 수행하였다.
대상 데이터
중간슬래브는 주행차량에 의한 거동을 입체적으로 파악하기 위해 4절점 Shell 요소를 사용하여 폭 12.6 m를 갖는 길이 88 m의 판형태로 모형화하였다. 주행방향의 양 측면에 위치하는 라이닝과의 연결부는 강결연결(Fixed bearings, FB) 조건과 진동에 대해 상대적으로 우수한 특성을 가지는 탄성받침(Elastomeric bearings, EB) 지지 조건의 적용을 가정하였다.
이론/모형
(1959)가 일정한 속도, 하중 및 질량을 교량에 적용하면서 최근에 이르기까지 많이 사용되고 있다. 2자유도 주행질량 모형의 경우 Honda et al. (1982)에 의해 단순교와 연속교에 적용하였으며, 주행하중 모형의 경우 Wu와 Dai (1987)는 연속교에 적용하였으며 Inbanathan와 Martin (1989)는 상자형 단면의 단순교에 적용하였다.
또한, 이 방법은 노면조도의 PSD를 사용하여 인공적으로 노면조도를 생성시킬 수 있는 장점이 있다. 따라서 본 연구에서는 불규칙 변동인 노면조도를 재현하는데는 PSD 함수를 사용하였으며 식으로 표현하면 아래와 같다.
스프링 상질량 모형(spring-mass model)은 실제 여러 축을 가진 차량을 한 개의 축으로 모형화하여 동적 해석에 적용하며 차량의 축간거리보다 중간슬래브의 길이가 훨씬 긴 경우에 대해 유효하며 일반적인 경우 이에 해당한다. 본 연구에서는 스프링 상질량 모형(spring-mass model)을 사용하였으며 차량의 주행속도를 30 km/hr 에서 90 km/hr 까지 10 km/hr 씩 증가시켜가며 해석을 수행하였다. 또한 차량모델의 제원은 다음 Table 2와 같다.
주행차량모형을 적용한 경우로는 Huang et al. (1995)이 4자유도 차량 모형을 3경간 연속교에 적용하여 동적 응답을 구하였다. Frÿba (1999)는 2자유도와 4자유도의 차량모형을 단순교에 적용하였으며 Gupta (1980)와 Trail-Nash와 Gupta (1980)는 4자유도의 차량모형을 단순교에 적용하였다.
성능/효과
1. 탄성받침 지지조건과 강결연결 조건에 대해 종방향으로 유사한 형태의 모드형상에 대해 고유진동수를 비교한 결과 강결연결 조건에서 최대 134.2% 증가하였다.
2. 동적영향을 대표하는 동적확대계수는 중간슬래브 중앙부에서 탄성받침 지지조건 주행속도 60 km/h 이고 노면조도 보통(Grade C)인 경우에 최대 1.25, 종점부에서는 탄성받침 지지조건, 주행속도 80 km/h 이고 노면조도 보통인 경우(Grade C)에 최대 1.53의 값을 보여 탄성받침 지지조건 및 보통의 노면조도 조건에서 동적응답이 가장 크게 증폭되는 경향을 보였다. 추후 설계적용시 조면노도에 따른 다양한 해석을 수행하여 설계시 동적 응답치에 대한 보수적인 값을 적용하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
3. 중앙부의 동적영향은 탄성받침 지지조건에 비해 강결 지지조건에서 작게 나타났으며, 탄성받침 지지조건의 경우 노면조도가 양호한 경우에 비해 보통인 경우가 크게 나타났다. 종점부에서의 동적영향은 노면상태에 의해 크게 영향을 받았으며 보통의 노면상태에서 탄성받침 지지조건 경우가 강결연결 조건인 경우에 비해 약 10% 큰 53% 로 나타났다.
4. 종점부의 동적처짐 검토결과 노면조도가 양호한 경우(Grade B) 최대 처짐량이 탄성받침 지지조건 시 5.2%, 강결연결 조건 시 3.9% 증가함으로써 처짐량 증폭의 기여도가 낮은 반면, 보통의 노면조도(Grade C)에서는 최대처짐량이 탄성받침 지지조건 51.5%, 강결연결 조건 시 40.3% 증가함으로써 처짐량 증폭의 기여도가 상대적으로 크게 나타났다.
5. 중간슬래브의 동적영향은 양호한 노면조도와 강결연결 조건에서 작게 관측됨을 확인하였다.
노면상태가 보통의 상태(Grade C)이고 지지조건이 탄성지지인 경우 주행속도 60 km/hr 에서 동적영향이 25%(DMF=1.25)로 가장 크게 나타났으며, 노면조도를 양호한 상태(Grade B)로 유지할 경우 그 영향은 17% 로 감소함을 알 수 있다. 또한 속도의 변화에 따른 동적응답의 변화 양상은 주로 노면조도에 의해 영향을 받으며 지지형식은 동적응답 크기에 영향을 미치는 것으로 파악되었다.
최대동적응답은 주행속도 60 km/hr 에서 발생하였으며 양호한 노면조도에 비해 보통의 노면조도(Grade C)에서 크게 발생하는 경향을 보인다. 노면상태가 양호한 경우 속도의 변화에 따른 응답의 특성을 살펴보면 저속에서 60 km/hr 까지 주행속도가 높아짐에 따라 증가하다가 이후 다시 감소하는 경향을 보인 반면, 노면상태가 보통인 경우에는 주행속도에 따라 동적응답이 불규칙하게 나타났다.
중앙부에서의 응답에서도 확인한 바와 같이 탄성받침 지지조건 시 응답이 강결연결 조건 시 응답에 비해 지배적인 주파수대역이 상대적으로 저주파수이며, 이는 강결연결 조건 시 중간슬래브의 고유진동수가 높아지기 때문에 발생하는 현상이다. 노면상태가 양호한 경우(Grade B) 최대 처짐량이 탄성받침 지지조건 시 5.2%, 강결 연결조건 시 3.9% 증가함으로써 처짐량 증폭의 기여도가 낮은 반면, 보통의 노면상태(Grade C)에서는 최대 처짐량이 탄성받침 지지 조건 시 51.5%, 강결 연결조건 시 40.3% 증가함으로써 처짐량 증폭의 기여도가 상대적으로 크게 나타났다. 보통의 노면상태에서 주행속도가 70 km/hr 일 때 종점부에서의 정적처짐과 동적처짐의 최대치를 비교한 결과는 Fig.
노면상태가 양호한 경우의 최대동적응답은 주행속도 70 km/hr에서 5% 이내로 나타났으며 속도에 따른 변화량은 크지 않고 정적응답에 가까운 처짐량을 보였고, 주행속도 40 km/hr, 70 km/hr(탄성지지, Grade B)에서는 정적응답에 비해 동적응답이 오히려 작게 산정되었다. 노면상태가 보통인 경우 주행속도 40 km/hr에서 동적영향이 최소로 나타났으며 이후 주행속도 80 km/hr까지 속도가 증가함에 따라 동적영향도 증가하고 처짐량의 변화폭도 크게 나타났다.
25)로 가장 크게 나타났으며, 노면조도를 양호한 상태(Grade B)로 유지할 경우 그 영향은 17% 로 감소함을 알 수 있다. 또한 속도의 변화에 따른 동적응답의 변화 양상은 주로 노면조도에 의해 영향을 받으며 지지형식은 동적응답 크기에 영향을 미치는 것으로 파악되었다.
즉 차량이 중앙부에 접근함에 따라 응답의 진폭이 증가하는 경향이 나타나며 이러한 특성은 양호한 노면상태에 비해 보통의 노면상태에서 보다 뚜렷해지면서 최대동적응답값이 더 커진다. 조면노도에 따른 동적 처짐은 슬래브 중앙부에서 크게 발생하는 특성을 나타내었으며 그 최대값의 차이는 노면조도의 차이(Grade B, C)보다는 동일한 노면조도 조건일 때 차량속도차이에 더 크게 의존하는 경향을 보였다. 또한 주행속도가 높아지면서 중앙부의 최대처짐이 발생하는 시점과 종점부를 통과하는 시점이 빨라지며 속도의 변화에 따른 응답의 변화가 보통의 노면상태에서 더 크고 복잡하게 나타난다.
지지조건에 따른 응답을 살펴보면 노면상태가 양호한 경우에는 차이가 거의 없으며 노면상태가 보통인 경우에 탄성받침 지지조건의 경우가 강결연결 조건인 경우에 비해 크게 나타났다. 동적영향은 강결의 경우 주행속도 80km/hr에서 약42% 로 나타났으며 탄성받침 지지의 경우 동일 속도에서 53% 로 최대값을 나타내었다.
차량이 중간슬래브에 진입하는 초기에서는 주행속도가 변화하더라도 종점부 수직처짐은 유사하게 산정되며 차량이 종점부로 접근하면서 점차로 응답의 차이가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 최대 처짐량이 발생하는 시점은 차량속도에 반비례하며 차량이 중간슬래브를 벗어난 이후 자유진동하면서 서서히 응답이 감소하는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
53의 값을 보여 탄성받침 지지조건 및 보통의 노면조도 조건에서 동적응답이 가장 크게 증폭되는 경향을 보였다. 추후 설계적용시 조면노도에 따른 다양한 해석을 수행하여 설계시 동적 응답치에 대한 보수적인 값을 적용하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
중간슬래브의 동적거동에 영향을 주는 요소에는 무엇이 있는가?
중간슬래브의 동적거동은 차량하중의 크기, 노면조도, 중간슬래브 구조물의 구조적 특성(강도, 질량, 형상, 감쇠비 등) 뿐만 아니라 차량하중의 이동속도와 차량의 급제동 및 급출발 시 발생하는 면내하중의 크기 등에 의해 영향을 받는다. 특히, 노면의 파손, 시공의 불량 및 진입부의 침하 등으로 생기는 노면조도 및 단차 등은 주행하는 차량의 동적하중을 증가시키는 중요한 요인이 되고 있다.
복층터널 내부에 상부와 하부를 분리하는 중간슬래브의 동적거동 분석이 중요한 이유는 무엇인가?
복층터널은 내부에 상부와 하부를 분리하는 중간슬래브가 존재한다. 중간슬래브는 차량이 주행할 때 발생하는 차량의 동적하중으로 인하여 동적거동을 하게 되며, 그 동적거동을 정확히 파악하여 설계 및 해석에 이용하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 복층터널 중간슬래브의 구조형식, 설계속도, 주행차량 및 노면조도 등을 고려한 해석모델을 작성하고 노면에 차량이 일정속도로 주행하는 경우에 대해 3차원 동적해석을 수행하여 복층터널 중간슬래브의 동적거동을 분석하였다.
복층터널의 구조적 특징은 무엇인가?
최근 급속한 경제발전에 따른 도시 확장과 생활수준의 향상에 따라 도로 교통량이 급속히 증가하고 있으며 한정된 면적으로 증가한 교통량을 효율적으로 처리하기 위하여 복층터널과 같은 지하구조물의 건설이 해외를 중심으로 늘어나고 있다. 복층터널은 일반터널과 달리 터널 내부에 상부와 하부를 분리하는 중간슬래브가 존재하며 중간슬래브는 터널 라이닝 양 끝단에 브라켓을 지지점으로 설치하여 그 위에 설치하므로 단면 형상이 교량과 유사한 형태를 띠게 된다(Fig. 1 참조).
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