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액상화 가능한 지반에 근입된 지반-말뚝-구조물 동적 상호작용의 수치 모델링
Numerical Simulation of Dynamic Soil-pile-structure Interaction in Liquefiable Sand 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.34 no.7, 2018년, pp.29 - 38  

권선용 (한국환경정책.평가연구원) ,  유민택 (한국철도기술연구원) ,  김석중 (한국건설기술연구원 지반연구소)

초록
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액상화 시 지반-말뚝 시스템의 동적 거동을 정확히 예측하기 위해 상용 유한 차분 프로그램인 FLAC3D를 이용하여 시간영역에서 3차원 수치 모델링을 수행하였다. 지반의 전단변형에 따른 간극수압의 발달을 직접적으로 모사하기 위해 유효응력 해석법을 이용한 액상화 모델인 Finn model을 적용하였으며 Mohr-Coulomb 탄소성 모델에 접목되어 해석이 수행되었다. 이력감쇠모델을 적용하여 지반 비선형 거동을 고려하였으며 지반과 말뚝 간의 분리현상, 미끄러짐 현상을 모사하는 인터페이스 모델을 적용하였다. 경계조건으로써 단순화 연속체 모델링 기법을 도입하여 반사파의 생성을 막고 해석 효율을 증가시켰으며 적절한 최대지반탄성계수와 항복 깊이의 설정으로 비선형 거동을 정확히 모사하고자 하였다. Wilson(1998)이 수행한 원심모형시험 케이스 중 상부지반 상대밀도가 55%인 모델을 이용하여 제안된 모델링 기법의 캘리브레이션을 수행한 결과, 수치해석으로부터 도출된 깊이 별 과잉간극수압 비-시간 이력, 휨모멘트-시간이력, 말뚝 두부 변위-시간이력이 실험 결과를 잘 모사하였다. 상부지반 상대밀도가 30%인 모델의 결과를 이용하여 제안된 모델링 기법의 적용성 평가를 수행한 결과, 수치해석으로부터 도출된 지반 및 말뚝 응답이 실험 결과를 잘 모사하였으며 제안된 모델링 기법이 지반-말뚝 시스템의 액상화 거동을 적절히 모사한다고 판단되었다.

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Three-dimensional continuum modeling of dynamic soil-pile-structure interaction embedded in a liquefiable sand was carried out. Finn model which can model liquefaction behavior using effective stress method was adopted to simulate development of pore water pressure according to shear deformation of ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 한편, 실제 현장의 반무한 경계를 모사하기 위해 지반 요소를 무한정 많이 생성하면 해석 시간이 급격히 증가하여 다양한 조건에 대한 수치 해석이 어려워지고 해석 효율이 크게 감소한다. 따라서 본 연구에서는 단순화 연속체 모델링 기법(Kim et al., 2012)을 적용하여 효율적이면서도 정확한 해석을 수행하고자 하였다. 단순화 연속체 모델링에서는 해석 시간을 줄이기 위해원역 지반의 요소를 생성하지 않고 원역 지반의 가속도시간 이력을 원역 지반과 근역 지반의 경계부에 깊이에 따라 입력한다.
  • 강한 지진이 발생하면 지반에 큰 변형이 발생하면서 지반조건에 따라 비선형 거동을 보일 수 있다. 따라서내진 해석 시 이러한 지반의 비선형특성을 적절히 모사하는 것이 정확한 결과를 얻는 데에 매우 중요한데, 본연구에서는 이력감쇠모델을 적용하여 지반의 비선형거동을 모사하는 한편 에너지 소산을 고려하고자 하였다. 이력감쇠모델은 식 (5)와 같이 G/Gmax-r곡선에서의 접선탄성계수를 전단변형률에 대한 함수로 나타내며(ItascaConsulting Group, 2006), L1, L2는 G/Gmax-r곡선에서 각각 G/Gmax-r값의 감소율과 감소시작점을 결정하는 계수이다.
  • 본 연구에서는 액상화 가능한 지반에 근입된 말뚝 기초의 동적 거동을 예측하기 위한 수치 모델링 기법을 제안하였다. 원심모형시험 결과와 수치해석 결과를 비교함으로써 제안된 모델링 기법을 캘리브레이션 하였으며 추가적인 적용성 평가를 통하여 본 연구에서 제안된 수치모델이 액상화 시 지반-말뚝-구조물 시스템의 동적 거동을 적절히 모사함을 확인하였다.
  • 본 연구에서는 유한차분법을 적용한 상용 프로그램인 FLAC3D를 이용하여 액상화 시 말뚝 기초의 지진 거동을 모사하였다. 액상화 시 지반-말뚝-구조물 동적 상호작용을 적절히 모사하기 위해 유효응력 해석법의 하나로써 지반변형과 과잉간극수압의 발달 간의 관계를 직접적으로 모사할 수 있는 Finn모델을 적용하였다.
  • 따라서 이 방법은 지진 시 대상 지반의 액상화 거동을 정확히 구현할 수 있는 액상화 모델을 필요로 한다. 본 연구에서는 해석방법이 비교적 복잡하지만 정확하고 직접적인 해석이라고 할 수 있는 유효응력 해석법을 적용하였으며 액상화 모델로써 FLAC3D 내 Built-In 액상화 모델인 Finn모델을 사용하여 액상화 시 지반-말뚝-구조물 시스템의 동적 거동을 평가하고자 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
액상화 현상이 말뚝 기초 피해의 주요 원인으로 보고된 지진은 무엇인가? 일반적으로 느슨한 사질토 지반에서 주로 발생하는 액상화 현상은 지진 시 시설 구조물들에 피해를 입히는 가장 큰 원인 중 하나이다. 이것은 1964년 알래스카,1989년 로마 프리에타, 1995년 효고켄 남부, 2011 동일본 대지진과 같은 주요 지진에서 발생한 말뚝 기초 피해의 주요 원인으로 보고되었다. 특히, 2017년 11월 발생한 규모 5.
액상화 현상이 주로 발생하는 지반은 무엇인가? 일반적으로 느슨한 사질토 지반에서 주로 발생하는 액상화 현상은 지진 시 시설 구조물들에 피해를 입히는 가장 큰 원인 중 하나이다. 이것은 1964년 알래스카,1989년 로마 프리에타, 1995년 효고켄 남부, 2011 동일본 대지진과 같은 주요 지진에서 발생한 말뚝 기초 피해의 주요 원인으로 보고되었다.
유효응력 해석법의 장단점은 무엇인가? 유효응력 해석법은 전응력 해석법의 세 단계를 하나로 통합하여 원하는 지점에서의 액상화 거동을 실시간으로 파악할 수 있는 해석법이다. 유효응력 해석법에서는 해석 시 사용되는 수식 및 계산이 전응력 해석법에 비해 훨씬 복잡하고 시간이 많이 소요되나, 더욱 직접적이고 정확한 해석법으로써 적절한 모델을 사용할 경우신뢰성 높은 결과를 기대할 수 있다. 따라서 이 방법은 지진 시 대상 지반의 액상화 거동을 정확히 구현할 수 있는 액상화 모델을 필요로 한다.
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참고문헌 (22)

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  20. Wilson, D. W. (1998), "Soil-pile-superstructure Interaction in Liquefying Sand and Soft Clay", Ph.D. dissertation, University of California, Davis. USA. 

  21. Yang, E. K. (2009), "Evaluation of Dynamic p-y Curves for a Pile in Sand from 1g Shaking Table Tests", Ph. D. Dissertation, Seoul National University. South Korea. 

  22. Yao S., and Nogami T. (1994), "Lateral Cyclic Response of Piles in Viscoelastic Winkler Subgrade", J Eng Mech, 120(4): 758-75. 

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