다공성 보도 블록은 이미 많이 사용되지만, 큰 침투성으로 인해 블록의 강도를 감소시키고, 균열 및 침전의 문제를 만든다. 본 연구에서는 최소 주응력의 결정된 위치를 설계하고 검증하기 위하여, 이동하는 체중하중에 대한 보행로 블록에서의 최소 주응력의 위치를 결정함으로써, 주어진 문제에 대한 최적해를 제시하였다. 최소 주응력의 결정된 위치에 대한 검증 예를, 내부에 빗물을 저장하기위한 통행보도의 탄성 기초상의 2 차원 블록 부재에 대하여 제시하였다. 전단력의 합력에 대한 최소값은 ${\times}1$이 58.58 mm(전체 스팬의 30%, 200 mm)일 때, 최소 변형은 ${\times}2=80mm$(전체 스팬의 70%, 200 mm)에 있다. 수정 된 모델에서, 이동하는 경계 조건(보도 보행 하중)이 ${\times}1$(= 0 mm)에 있을 때, 168 mm (스팬의 84%, 200 mm)에서 최소 주응력의 위치가 발견되었으며, 스프링으로 모델링 된 기초의 응답에 대하여 모델링하였다. 결과적으로, 중립 축(${\times}2=167mm$)에서의 빗물저장을 위한 보도블럭의 "0"변형 위치가 3 차원FEM 분석 검증을 통하여 결정되었다.
다공성 보도 블록은 이미 많이 사용되지만, 큰 침투성으로 인해 블록의 강도를 감소시키고, 균열 및 침전의 문제를 만든다. 본 연구에서는 최소 주응력의 결정된 위치를 설계하고 검증하기 위하여, 이동하는 체중하중에 대한 보행로 블록에서의 최소 주응력의 위치를 결정함으로써, 주어진 문제에 대한 최적해를 제시하였다. 최소 주응력의 결정된 위치에 대한 검증 예를, 내부에 빗물을 저장하기위한 통행보도의 탄성 기초상의 2 차원 블록 부재에 대하여 제시하였다. 전단력의 합력에 대한 최소값은 ${\times}1$이 58.58 mm(전체 스팬의 30%, 200 mm)일 때, 최소 변형은 ${\times}2=80mm$(전체 스팬의 70%, 200 mm)에 있다. 수정 된 모델에서, 이동하는 경계 조건(보도 보행 하중)이 ${\times}1$(= 0 mm)에 있을 때, 168 mm (스팬의 84%, 200 mm)에서 최소 주응력의 위치가 발견되었으며, 스프링으로 모델링 된 기초의 응답에 대하여 모델링하였다. 결과적으로, 중립 축(${\times}2=167mm$)에서의 빗물저장을 위한 보도블럭의 "0"변형 위치가 3 차원 FEM 분석 검증을 통하여 결정되었다.
Porous walkway blocks are constructed for the purpose already, but reserved water is easily consumed due to the bigger permeability than necessary. Furthermore, porous structure reduces the strength of blocks, which resulting cracking and settlements in walkways. In this study, we suggested a soluti...
Porous walkway blocks are constructed for the purpose already, but reserved water is easily consumed due to the bigger permeability than necessary. Furthermore, porous structure reduces the strength of blocks, which resulting cracking and settlements in walkways. In this study, we suggested a solution for given problems by determination for the location of minimum principal stress in walkway blocks against moving foot loads in order to design and verifying the determined location of minimum principal stress. An optimum design with a verification example for determined location of minimum principal stress have been presented in a two dimensional Block member on elastic foundation for pedestrian walkway for reserving water inside. The minimum value for sum of shear forces is found when ${\times}1$ is 58.58 mm(30% of total span, 200mm), while the minimum deformation is located at ${\times}2=80mm$(70% of total span, 200 mm). In a modified model, When moving boundary condition(walkway foot loads) is located at ${\times}1$(=0 mm), the location of minimum principal stresses is found at 168 mm( 84% of span, 200 mm), in which the stress concentration due to the foot load is modeled as two layers of distributed loads(reactions of foundation modeled as springs). Consequently, zero deformed reservoirs for rainwater on the neutral axis (${\times}2=167mm$) has been determined in the modified model with three dimensional FEM analysis verifications.
Porous walkway blocks are constructed for the purpose already, but reserved water is easily consumed due to the bigger permeability than necessary. Furthermore, porous structure reduces the strength of blocks, which resulting cracking and settlements in walkways. In this study, we suggested a solution for given problems by determination for the location of minimum principal stress in walkway blocks against moving foot loads in order to design and verifying the determined location of minimum principal stress. An optimum design with a verification example for determined location of minimum principal stress have been presented in a two dimensional Block member on elastic foundation for pedestrian walkway for reserving water inside. The minimum value for sum of shear forces is found when ${\times}1$ is 58.58 mm(30% of total span, 200mm), while the minimum deformation is located at ${\times}2=80mm$(70% of total span, 200 mm). In a modified model, When moving boundary condition(walkway foot loads) is located at ${\times}1$(=0 mm), the location of minimum principal stresses is found at 168 mm( 84% of span, 200 mm), in which the stress concentration due to the foot load is modeled as two layers of distributed loads(reactions of foundation modeled as springs). Consequently, zero deformed reservoirs for rainwater on the neutral axis (${\times}2=167mm$) has been determined in the modified model with three dimensional FEM analysis verifications.
본 연구에서는 빗물의 저장과 활용을 위한 투수성 블록에 빗물이 저장될 수 있는 저류 공간을 최적 설계하여, 기존의 투수성 블럭과 비교하여 저류 공간이 형성됨에 따라 투수성 블록의 강성저하와 균열발생 등의 문제점을 해결하고자 한다. 지반경계조건과 이동하중을 서로 바꾸어 근사모델링하고, 위치 탐색을 위한 설계는 단위폭을 가지는 2차원 평면구조에 대한 최적설계를 3차원 유한요소해석방법을 사용하여 검증하였다.
가설 설정
2) 재료는 선형 탄성거동하는 것으로 가정,
그러므로 2차원 근사구조해석을 위하여 전체좌표계를 수평축에 대하여 180도 회전시켜서, Fig. 2와 같이 지반반력을 등분포하중으로 가정하고, 이동하중의 위치에서의 하중을 이동 경계조건에서의 반력으로 모델링하였다. 또한, 이동하중에 의한 응력집중에 의한 지반반력의 부등분포의 경우를 고려하는 경우에 대하여는 Fig.
빗물저류용 보도블럭은 Fig. 1에 보이는 바와 같이 탄성지반위에 위치하며, 주변 블록과의 접촉은 연직방향 자유도를 가지는 롤러(힌지)경계조건을 가정하였다. 탄성지반에 의한 반력을 모두 구하기 위한 정확한 해석은 고차 부정정 문제가 된다.
제안 방법
본 연구에서는 보행자의 랜덤한 하중 작용위치를 결정하는 문제를 해결하기 위하여 적용한 방법은 주응력의 최소화를 위한 최적화 문제의 해결과, 정해진 결과를 위한 하중작용위치의 고정을 위한 돌출된 보도블럭의 제작을 제안하였다.
본 연구에서는 빗물의 저장과 활용을 위한 투수성 블록에 빗물이 저장될 수 있는 저류 공간을 최적 설계하여, 기존의 투수성 블럭과 비교하여 저류 공간이 형성됨에 따라 투수성 블록의 강성저하와 균열발생 등의 문제점을 해결하고자 한다. 지반경계조건과 이동하중을 서로 바꾸어 근사모델링하고, 위치 탐색을 위한 설계는 단위폭을 가지는 2차원 평면구조에 대한 최적설계를 3차원 유한요소해석방법을 사용하여 검증하였다.
대상 데이터
100 mm×100 mm×200 mm의 크기를 가지는 가정된 보도블럭을 5 mm의 정방형 솔리드 20×20×40=16,000개의 요소로 분할하고, 설계시 사용한 하중과 물성갑을 입력하였다. 스프링과 측면 롤러경계조건은 폭(두께)방향의 양단 끝에 Fig.
이론/모형
4) 설계결과에 대한 검증은 3차원 유한요소해석방법을 사용한다.
최적화 기법은 Microsoft 사의 Excel Spread sheet프로그램에서 제공하는 GRG(Generalized Reduced Gradient Method, Waren et al., 1987)방법을 적용하였다. 설계 최적화는 GRG방법 에 의해 일반화 된 감소된 차원 구배 방법이 적용된다.
성능/효과
균일한 지반반력을 모델링한 등분포하중 CASE I모델해석에서는 휨응력의 최소화는 이동하중의 위치가 200 mm 길이의 30% 지점일 경우에 발생하여서, 최소의 주응력 발생을 위한 최적설계결과에서는 폭 200 mm의 29.29% 위치로 결정되었다. 이동위치별 전단응력과 휨응력 및 주응력에 대한 포스트 프로세싱을 통하여 정확한 최소주응력에 연직방향은 휨모멘트가 최소값인 중립축과 일치하였다.
설계결과에서 제시한 x1=54.68 위치까지 압력하중을 재하하였고, 2차원모델에서 가정된 힌지경계조건과 3차원모델에서의 측면블럭과의 접촉면을 하부높이 1/2지점까지로 가정하여 롤러경계조건의 차이로 인하여 3.7%의 오차가 발생하였으며, 선형탄성해석에 의한 결과이므로 취성재료인 보도블럭의 소성변형과 균열발생시의 거동은 예측이 어렵지만, 균열의 발생과 더불어 손상영역에서는 탄성계수가 급격한 감소를 하므로, 빗물저류공간의 확보를 위한 본 연구의 최적설계 결과는 실제의 보도블럭에서도 적용이 가능할 것으로 판단된다.
응력집중에 의한 불균일한 지반반력을 모델링한 등분포하중 CASE II모델의 해석에서는 휨응력의 최소화는 이동하중의 위치가 폭 200 mm의 27.34% 위치일 경우에 x2는 69% 위치에서 최소 주응력이 발생하였으며, 3차원 유한요소해석결과와 매우 근접한 결과를 보였다. 추가적인 실험검증과 형상 최적화를 통하여 결정된 최소주응력 위치에 빗물저류공간을 설계하여, 도심지 환경문제의 해결에 적용하고자 한다.
후속연구
34% 위치일 경우에 x2는 69% 위치에서 최소 주응력이 발생하였으며, 3차원 유한요소해석결과와 매우 근접한 결과를 보였다. 추가적인 실험검증과 형상 최적화를 통하여 결정된 최소주응력 위치에 빗물저류공간을 설계하여, 도심지 환경문제의 해결에 적용하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
다공성 보도 블록의 단점은?
다공성 보도 블록은 이미 많이 사용되지만, 큰 침투성으로 인해 블록의 강도를 감소시키고, 균열 및 침전의 문제를 만든다. 본 연구에서는 최소 주응력의 결정된 위치를 설계하고 검증하기 위하여, 이동하는 체중하중에 대한 보행로 블록에서의 최소 주응력의 위치를 결정함으로써, 주어진 문제에 대한 최적해를 제시하였다.
도시에서의 자연적인 우수(雨水) 순환시스템이 파괴됨에 따라 발생한 문제를 해결하기 위해 근래 사용하는 것은?
위와 같은 문제를 해결하기 위하여 근래에는 다공성 공극이 형성된 투수성 블록을 바닥포장재로 사용하여 빗물이 지반으로 용이하게 유입되도록 하고 있다(Cho et al., 2016; Choi et al.
투수성 블록에 저류 공간이 형성됨에 따른 문제점은?
, 2013 ). 투수성 블록에 빗물이 저장될 수 있는 저류 공간을 마련하여 장마철이나 가뭄 시에 지반으로 유입되는 빗물의 유출량을 제어하도록 하였으나, 저류 공간이 형성됨에 따라 투수성 블록의 지지력이 저하되어 결국 보도 표면이 침하되거나 깨지는 문제점이 발생하였다(Cho et al., 2016).
참고문헌 (8)
Cho, T. J. (2016), Rain water harvesting walkway block(Submitted patent: 10-2016-0108893), 2016, Korean Intellectual Property Office.
Choi, K.-J., Pavings specially adapted for footpaths, sidewalks or cycle tracks, 1012311770000, Korean Intellectual Property Office.
Polak, E. (1971), Computational Methods in Optimization, A Unified Approach, Academic Press.
Seoul City (2014), The status and plan for rainwater harvesting facilities, 2014.07.
Soe, Y.-S. (2013), Development of manufacture technology of lightweight pavement block using incineration ash, Final Report 1500000712, Korea Agency for Infrastructure Technology Advancement, 2013.
Tu, J. and Choi, K. K. (1999), A new study on reliability-based design optimization, J. Mech Des, ASME,121(4), 57-64.
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