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문제 정의
- 본 연구에서는 대심도 터널에서의 폭발하중에 의한 지상 구조물의 영향을 평가하기 위해 지표 변위에 대해 수치해석적 분석을 수행하였다. 지표 변위 발생에 따른 지상 구조물의 침하량이 산정되며, 이에 대한 구조물의 안전성을 평가하였다.
- 본 연구에서는 암반등급에 따른 터널에서 발생하는 폭발하중에 의한 지표 변위의 검토를 통해 지상 구조물의 영향을 평가할 수 있을 것으로 판단된다.
제안 방법
- 그중 복잡한 내부 구조와 충분하지 않은 출입구, 공간에 대한 낮은 인지율로 인해 테러 발생 시 피난 상의 문제점을 지적하였다. 테러리스트들은 많은 폭약과 높은 성공률 그리고 구조물에 심각한 파괴를 야기할 수 있는 차량 폭탄 테러를 주로 사용하고 있다.
- 상태로 설정해야 한다. 따라서 K0 조건을 고려하고, 발생되는 변위/변형률을 초기화하는 선행해석으로 자중을 고려한 원지반 해석인 비선형 정적해석을 수행하였다. 시간스텝은 폭발 압력에 따라 정압부와 부압부의 지속시간이 다르기 때문에 각각 시간스템을달리하였으며, 전체 폭발 압력 지속시간이 완료된 후 0.
- Liu(2012)는 유한요소 코드인 ABAQUS를 이용하여 지하철 터널 내에 폭발하중을 가하고 동적 비선형 해석을 수행하여 라이닝의 손상 여부에 대해 평가하였다. 라이닝의 손상은 주로 인장 후프 응력에 의해 발생하였으며, 주변 토양의 압착이 터널의 손상에 상당히 영향을 미치는 것으로 평가하였다. Feldgun et al.
- 본 연구에서는 ATF에서 제시한 운반용 차량에 대한 폭약량 227kg, 455kg, 1818kg, 4545kg, 13636kg, 27273kg를 국내 터널 설계에서 제시하는 지보패턴에따른 1등급암, 2등급암, 3등급암에 굴착된 심도 50m 의 원형 터널의 내부에 폭발하중을 가하여 폭발 하중과 지반 특성을 매개변수한 지표 변위를 검토하여 지상 구조물에 대한 영향을 평가하였다.
- 본 연구에서는 심도 50m에 굴착된 원형 터널을 모델링한 후, 터널의 내부에 폭발하중을 가하였다. 비정상 폭발하중은 ATF(Bureau of Alcohol, Tobacco, and Firearms)에서 제시하는 6종류의 운반용 차량에 대한 최대 폭약량의 폭발하중을 산정하였으며, 원형 터널 주변 지반은 국내 터널 설계에서 제시하는 지보패턴에 따른 3종류의 암반등급을 선정하였다.
- 본 해석에서는 지반에 원형 터널의 굴착이 완료된상태로써, 자중에 의해 구해지는 응력상태를 초기응력 상태로 설정해야 한다. 따라서 K0 조건을 고려하고, 발생되는 변위/변형률을 초기화하는 선행해석으로 자중을 고려한 원지반 해석인 비선형 정적해석을 수행하였다.
- 비정상 폭발하중은 ATF(Bureau of Alcohol, Tobacco, and Firearms)에서 제시하는 6종류의 운반용 차량에 대한 최대 폭약량의 폭발하중을 산정하였으며, 원형 터널 주변 지반은 국내 터널 설계에서 제시하는 지보패턴에 따른 3종류의 암반등급을 선정하였다. 비선형 동적 해석을 수행하여 비정상 폭발하중과 지반 특성을 매개변수로 지표 변위를 검토하여 지상 구조물의 영향에 대해 분석하였다.
- 점성 경계요소는 해석 프로그램 내에서 자동으로 생성하였다. 숏크리트와 라이닝, 숏크리트와 지반 사이의 경계면은 인터페이스 요소를 생성하여 해석하였다. 수치해석 프로그램은 비선형 동적해석 프로그램인 Midas GTS NX를 이용하였다.
- 따라서 K0 조건을 고려하고, 발생되는 변위/변형률을 초기화하는 선행해석으로 자중을 고려한 원지반 해석인 비선형 정적해석을 수행하였다. 시간스텝은 폭발 압력에 따라 정압부와 부압부의 지속시간이 다르기 때문에 각각 시간스템을달리하였으며, 전체 폭발 압력 지속시간이 완료된 후 0.5초의 추가 잔류 시간을 설정하였다. 감쇠는 모드 감쇠에서 계산된 주기를 사용하였으며, 감쇠비는 0.
- 차량의 종류에 따라 6 가지로 구분하였으며, 각 차량의 최대 폭약량을 기준으로 정상적인 반사를 가정한 표면 폭발에 대해 UFC 3-340-02(2008)에서 서술한 절차를 기반으로 폭발 매개변수와 시간에 따른 폭발 압력 파형을 계산하였다 (Table 9). 압력 파형은 정압부와 부압부로 계산되며, 이를 다시 해석프로그램의 시간이력하중 함수로 입력하기 위해 정압부와 부압부에 각각 100개의 폭발압력 값을 동일한 시간간격으로 산정하였다(Fig. 2).
- 수치해석적 분석을 수행하였다. 지표 변위 발생에 따른 지상 구조물의 침하량이 산정되며, 이에 대한 구조물의 안전성을 평가하였다. 본 연구에서는 지상 구조물의 자중에 대해서는 고려하지 않았다.
- 산정하였다(Table 8). 차량의 종류에 따라 6 가지로 구분하였으며, 각 차량의 최대 폭약량을 기준으로 정상적인 반사를 가정한 표면 폭발에 대해 UFC 3-340-02(2008)에서 서술한 절차를 기반으로 폭발 매개변수와 시간에 따른 폭발 압력 파형을 계산하였다 (Table 9). 압력 파형은 정압부와 부압부로 계산되며, 이를 다시 해석프로그램의 시간이력하중 함수로 입력하기 위해 정압부와 부압부에 각각 100개의 폭발압력 값을 동일한 시간간격으로 산정하였다(Fig.
- 폭발하중은 차량 폭탄 안전 도표에서 사용하는 폭약량으로 산정하였다(Table 8). 차량의 종류에 따라 6 가지로 구분하였으며, 각 차량의 최대 폭약량을 기준으로 정상적인 반사를 가정한 표면 폭발에 대해 UFC 3-340-02(2008)에서 서술한 절차를 기반으로 폭발 매개변수와 시간에 따른 폭발 압력 파형을 계산하였다 (Table 9).
- 해석모델에 사용된 지반은 3종류로 PD1(1등급암, 극경암), PD2(2등급암, 경암), PD3(3등급암, 보통암)으로, 원형 터널의 숏크리트와 라이닝은 콘크리트로 각각 2차원 평면변형률로 모델링하였다. 또한 록 볼트의 경우에는 1차원 트러스 요소로 모델링하였다.
대상 데이터
- 수치해석 프로그램은 비선형 동적해석 프로그램인 Midas GTS NX를 이용하였다. Fig. 1은 본 해석에서 사용된 PD3 해석모델을 나타낸 것이고, 지표에 표시된 거리에서 자료를 획득하였다. Table 4는 본 해석에 사용된 원형 터널의 지보패턴을 나타낸 것이다.
- 비정상 폭발하중은 ATF(Bureau of Alcohol, Tobacco, and Firearms)에서 제시하는 6종류의 운반용 차량에 대한 최대 폭약량의 폭발하중을 산정하였으며, 원형 터널 주변 지반은 국내 터널 설계에서 제시하는 지보패턴에 따른 3종류의 암반등급을 선정하였다. 비선형 동적 해석을 수행하여 비정상 폭발하중과 지반 특성을 매개변수로 지표 변위를 검토하여 지상 구조물의 영향에 대해 분석하였다.
- 해석모델은 X방향으로 200m, Y방향으로 150m의 2 차원 평면모델이고, 본 해석에서는 반경 5.0m의 원형 터널 1개가 지하 50m에 굴착되어 있는 것으로 모델링하였다.
- 해석에 사용된 재료로는 지반(극경암, 경암, 보통암) 3종류와 숏크리트(일반, 강섬유) 2종류, 라이닝(무근콘크리트) 1종류, 록볼트(SD350, D25) 1종류이다. 지반은 Mohr-Coulomb 재료 모델로 특성은 Table 5와 같으며, 국내 터널 설계에 적용한 설계지반 정수의 대표값들을 참고로 산정하였다(한국도로공사,2016).
데이터처리
- 숏크리트와 라이닝, 숏크리트와 지반 사이의 경계면은 인터페이스 요소를 생성하여 해석하였다. 수치해석 프로그램은 비선형 동적해석 프로그램인 Midas GTS NX를 이용하였다. Fig.
이론/모형
- 1종류이다. 지반은 Mohr-Coulomb 재료 모델로 특성은 Table 5와 같으며, 국내 터널 설계에 적용한 설계지반 정수의 대표값들을 참고로 산정하였다(한국도로공사,2016). Table 6은 지보재의 특성을 나타내며, 숏크리트와 라이닝에 사용되는 콘크리트는 Mohr-Coulomb 재료 모델로 탄소성 거동을 가진다.
- Table 6은 지보재의 특성을 나타내며, 숏크리트와 라이닝에 사용되는 콘크리트는 Mohr-Coulomb 재료 모델로 탄소성 거동을 가진다. 콘크리트의 인장강도, 점착력, 내부마찰각 등의 설계값은 스페인의 구조용 콘크리트 지침(EHE-98)에서 제시한 공식을 사용하여 계산하였다(Ardiace, 2009; Comisión Permanente del Hormigón, 1998). 콘크리트 인장강도는 식 (1) 과같으며, 점착력, 내부마찰각은 각각 식(2) 및 식(3)으로부터 산정하였다.
성능/효과
- 1) PD1(1등급암)에서는 모든 해석 모델에서 허용 침하량을 초과하지 않으므로 뼈대 구조물의 부 13636kg과등침하가않지만,발생하지는27273kg에서 지반의 융기에 대해 지상 구조물의 영향에 대해 고려해야 할 것이다.
- 3) PD1(1등급암)의 13636kg 이상의 폭약량에 대해 지반이 융기되는 경우가 발생하기 때문에 폭발압력에 따른 지표 변위에 대한 침하량 평가는 각변위 만으로는 판단할 수 없으며, 지하 기초구조물에 대한 영향을 고려해야 할 것이다.
- 4) 전체적인 지표 변위는 PD3(3등급암), PD2(2등급암), PD1(1등급암) 순으로 더 크게 발생하였으며, 탄성계수에 의한 영향이 주요인인 것으로 판단된다.
- 최대 폭발하중은 중앙벽체의 최대 변위값에 비례하여 급격하게 증가하였으며, 폭발 지속시간은 한계값을 넘으면 더 이상 증가하지 않았다. 부재의 두께가 증가할수록 최대 변위값은 급격히 감소하였으며, 가스 폭발하중에 의해 발생되는 터널에서의 천정 부재의 변위는 토피고 증가에 영향을 받는다.
- 전체 해석 모델 결과에서 각변위(δ/L)를 검토한 결과, PD3의 직상부를 제외한 침하에 예민한 기계 기초의 작업곤란 한계인 각변위 1/750를 초과하지 않았다. PD3의 직상부의 경우, PD3-227kg에서 PD3-4545kg의각변위는 각각 1/455, 1/461, 1/487, 1/496으로 균열을 허용할 수 없는 건물에 대한 안전 한계인 1/500의 이하였다.
- 6과 같다. 전체적인 지표 변위는 PD3(3등급암), PD2(2등급암), PD1(1등급암) 순으로 더 크게 발생하였다. 해석에 사용된 지반의 입력 매개 변수인 탄성계수에 의한 영향이 주요인인 것으로 판단된다(류창하 외, 2015).
- 최대 폭발하중은 중앙벽체의 최대 변위값에 비례하여 급격하게 증가하였으며, 폭발 지속시간은 한계값을 넘으면 더 이상 증가하지 않았다. 부재의 두께가 증가할수록 최대 변위값은 급격히 감소하였으며, 가스 폭발하중에 의해 발생되는 터널에서의 천정 부재의 변위는 토피고 증가에 영향을 받는다.
- (2017)은 ANSYS/LS-DYNA를 사용하여 지표 폭발에 의한 박스형 터널 구조물의 손상 레벨을 평가하였다. 폭약량, 터널 라이닝의 두께, 터널의 설치 깊이에 대해 평가한 결과, 라이닝의 두께가 750mm인 경우, 해석에 사용한 터널의 설치 깊이에 대해 소형 트럭(폭약량 1814kg) 또는 컨테이너(폭약량 4536kg)의 폭발에도 높은 저항성을 보였으며, 깊이 8m의 터널에서 가장 높은 저항성을 나타내었다. 지하 구조물에 직접적인 영향을 미치는 내부 폭발 해석은 직접 압력을 받는 라이닝과 주변 지하 구조물의 영향에 대해 주로 수행되었다.
- 해석 모델들의 비선형 동적해석 결과, PD2- 27273kg 모델, PD3-13636kg 모델, PD3-27273kg 모델의 경우에는 수렴하지 못하였다. PD2-27273kg 모델은부압부의 압력이 가해지는 상태에서 수렴하지 못하였고, PD3-13636kg 모델과 PD3-27273kg 모델은 정압부의 압력이 가해지는 상태에서 수렴하지 못하였다.
후속연구
- 2) PD2(2등급암)에서는 10m 이내에서는 뼈대 구조물의 부등침하가 발생하며, PD3(3등급암)의 경우에는 전체 폭약량에 대해 뼈대구조물의 부등침하 발생 가능성이 있으며, 직상부에서는 철골 뼈대구조(연속)의 부등침하가 발생할 것이므로, 이에 대한 지상 구조물의 영향을 고려해야 할 것이다.
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