[논문]비선형 지반-구조물 상호작용 해석 방법

김재민; 이은행

비선형 지반-구조물 상호작용 해석 방법
Nonlinear Soil-Structure Interaction (NLSSI) Analysis Methodologies 원문보기

전산 구조 공학 = Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea, v.31 no.3, 2018년, pp.13 - 22

김재민 (전남대학교 토목공학과) , 이은행 (전남대학교)

초록이 없습니다.

AI 본문요약
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문제 정의

또한, 시간영역 NLSSI 해석은 설계기준 초과사건에 대한 해석, 취약도 해석 및 면진구조 해석 수행 시 유용할 수 있다(Bolisetti, 2015). 이 기사에서는 그림 1과 같이 지진하중이 작용되는 3차원 지반-구조물 시스템의 동적 NLSSI 해석 기술에 관한 국내외 연구 현황에 대해 간략하게 소개하고자 한다.
이 기사에서는 최근 성능기반 내진설계와 설계초과지진에 대한 국가 기간시설물의 내진안전성 평가에 활용될 수 있는 시간영역 3차원 비선형 지반-구조물 상호작용(NLSSI) 문제의 해석 기술에 대해 간략하게 소개하였다. 시간영역NLSSI 해석법을 직접법과 부구조법으로 구분하고 각 방법의 핵심적인 개념에 대해 간략하게 설명하였으며, 해석 방법별 응용 사례에 대한 문헌조사 결과를 제시하였다.
이 절에서는 부구조법을 이용한 선형/비선형 SSI 해석사례에 대한 문헌조사 자료를 간략하게 기술하였다. 부구조법의 대표적인 방법은 DRM을 적용하여 유효지진력을 계산하는 기법이다.

제안 방법

이 기사에서는 최근 성능기반 내진설계와 설계초과지진에 대한 국가 기간시설물의 내진안전성 평가에 활용될 수 있는 시간영역 3차원 비선형 지반-구조물 상호작용(NLSSI) 문제의 해석 기술에 대해 간략하게 소개하였다. 시간영역NLSSI 해석법을 직접법과 부구조법으로 구분하고 각 방법의 핵심적인 개념에 대해 간략하게 설명하였으며, 해석 방법별 응용 사례에 대한 문헌조사 결과를 제시하였다.
그림 3(b)는 직접법의 표준에 가깝게 구현한 사례이다. 이 방법에서는 측면에 지반기둥요소(soil column element)를 이용하여 자유장지반(free-field site)에서 수직으로 입사하는 P-파,SV-파, SH-파의 수직분포 특성을 모사하고, 바닥면에는 VB를 사용하여 기반암의 동적특성을 모사하였으며, 바닥면에 설치된 점성경계(viscous boundary, VB)에서 유한요소와 연결되지 않은 절점에 기반암 노두의 입력운동을 작용한다(Kim et al., 2018).
)에서 수행한 해석 사례로서, 이 연구에서는 측면 지반 모델의 경계의 경계조건으로 “Repeating Boundary Condition” 또는 “Periodic Boundary Condition”을 적용하였다. 즉,지반 유한요소모델의 외부 경계에서 높이가 동일한 절점의 변위가 동일하게 되도록 구속조건을 적용하였다. 그림 3(b)는 직접법의 표준에 가깝게 구현한 사례이다.

대상 데이터

그림 11은 ANSYS를 이용하고 그림 3(b)의 방법론을 적용하여 시간영역 NLSSI 해석을 수행한 사례로서, 해석 대상은 국내 OO원전이다. 그리고 그림 12는 일본 가시와자키-가리와 원전 격납건물의 선형 SSI해석을 직접법을 적용하여 해석한 사례로서 수평방향 지반의 모델링 범위는 구조물 기초 크기의 7배이다
그림 17은 BRM을 LS-DYNA(Livermore, 2012)를 이용하여 구현하고 해석한 사례이다. 이 해석에서는 LS-DYNA에 내장되어 있는 Basu(2009)의 PML을 ABC로 적용하였다. v 그림 18은 BRM을 적용하여 면진 원전의 시간영역 NLSSI해석을 수행한 사례로서, 유효지진력을 계산하기 위해 KIESSI-3D를 사용하고 ABC로서 Viscoelastic 경계(Kellezi, 2000)를 적용하였으며 ANSYS를 사용하여 시간영역 비선형해석을 수행한 결과이다.

이론/모형

(a)는 INL(Idaho National Lab.)에서 수행한 해석 사례로서, 이 연구에서는 측면 지반 모델의 경계의 경계조건으로 “Repeating Boundary Condition” 또는 “Periodic Boundary Condition”을 적용하였다.

후속연구

시간영역 NLSSI 해석 기술은 구조공학 기술자와 지반공학 기술자뿐만 아니라 전산역학 전문가의 역할도 매우 크므로, 향후 이 분야의 국내기술 발전을 위해 학제적인 연구가 활발히 진행될 수 있기를 기대합니다. 그리고 이 기사에서는 유한차분법에 기반한 FLAC-3D 등과 같은 유효응력해석 SW에 대해서는 필자 지식의 한계로 다루지 않았음을 밝힙니다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지반-구조물 상호작용은 무엇인가?	지반-구조물 상호작용(Soil-Structure Interaction, SSI)은 정적하중 또는 동적하중에 대해 구조물과 지반이 연계되어 거동하는 현상으로 정의할 수 있다. 일반적으로 SSI 문제를 해석하기 위해서는 구조물의 선형/비선형 거동, 지반의 선형/비선형 거동, 구조물과 지반 사이 접촉면에서 비선형 거동, 넓은 층상지반 영역에서 나타나는 진동수 종속적인 파동전달 현상 등이 고려되어야 한다.
	최근 비선형 SSI(NLSSI) 해석기술에 대한 관심이 증가하고 있는 이유는 무엇인가?	최근에는 성능기반 내진설계가 중요 관심사항이 되고, 강진에 의한 구조물과 지반의 비선형 거동에 대한 관심이 커짐에 따라 비선형 SSI(NLSSI) 해석기술에 대한 관심이 증가하고 있다(Bebamzadeh et al., 2014, Stefanidou et al.
	일반적으로 지반-구조물 상호작용 문제를 해석하기 위해서는 무엇을 고려해야 하는가?	지반-구조물 상호작용(Soil-Structure Interaction, SSI)은 정적하중 또는 동적하중에 대해 구조물과 지반이 연계되어 거동하는 현상으로 정의할 수 있다. 일반적으로 SSI 문제를 해석하기 위해서는 구조물의 선형/비선형 거동, 지반의 선형/비선형 거동, 구조물과 지반 사이 접촉면에서 비선형 거동, 넓은 층상지반 영역에서 나타나는 진동수 종속적인 파동전달 현상 등이 고려되어야 한다. SSI 해석은 특히 원자력발전 시설물의 내진설계에 필수적인 고려사항으로 요구되어, 원전 내진설계 분야에서 기술개발이 활발하게 이루어져 왔다.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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