[논문]비선형거동과 구조물유체상호작용을 고려한 취수탑 내진모델의 보수성평가

이계희; 이명규; 홍관영

doi:10.11112/jksmi.2020.24.6.17

비선형거동과 구조물유체상호작용을 고려한 취수탑 내진모델의 보수성평가
Conservation for the Seismic Models of Intake Tower with Nonlinear Behaviors and Fluid Structure Interaction 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.24 no.6, 2020년, pp.17 - 24

이계희 (목포해양대학교 해양건설학과) , 이명규 (전주대학교 토목환경공학과) , 홍관영 ((주)세일종합기술공사 구조부)

초록
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본 연구에서는 물로 둘러싸인 철근콘크리트 취수탑에 대한 비선형내진해석을 수행하였다. 구조물 주변의 유체를 고려하기 위하여 부가질량 및 CEL을 이용한 유체구조물 상호작용 모델을 구성하였다. 이 때 부가질량모델은 음해법을 사용하였고 유체구조물 상호작용 모델은 양해법을 사용하였다. 입력운동은 동일한 인공지진을 재현주기에 따라 500년, 1000년, 2400년에 해당하도록 크기를 조절하였다. 유체를 고려한 모델의 보수성을 평가하기 위하여 유체를 고려하지 않은 모델을 구성하여 참조해로 삼았다. 콘크리트와 철근의 재료모델은 항복후의 비선형 거동을 고려할 수 있도록 선정하였고 ABAQUS를 이용하여 해석을 수행하였다. 해석결과 얻어진 구조물의 가속도응답스펙트럼을 비교한 결과 주변 유체의 영향은 구조물의 기본 진동수에 해당하는 첨두의 진동수와 첨두값의 크기를 감소시키는 것으로 나타났다. 하지만 부가 질량 모델에서는 고차 진동수에 해당하는 첨두값에는 영향을 미치지 못하였다. 유체의 영향을 고려한 단면모멘트는 부가질량모델의 경우 참조 모델의 응답에 비하여 크게 증가하였다. 특히 선형거동이 지배적인 작은 크기의 지진응답에 대해서 이러한 증폭이 크게 발생하였다. 유체구조물 상호작용 모델의 경우 낮은 진동수성분을 가진 단면모멘트는 참조모델의 응답에 비하여 증폭이 발생하나, 높은 진동수 성분을 단면 모멘트는 증폭이 발생하지 않았다. 이러한 결과를 종합하여 볼 때 부가질량모델의 보수성이 유체구조물상호작용 모델이 비해 큰 것으로 평가되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, series of nonlinear seismic analysis were performed on a reinforced concrete intake tower surrounded by water. To consider the fluid effect around the structure, analysis models were composed using an added mass and CEL approach. At this time, the implicit method was used for the added mass model, and the explicit method was used for the fluid structure interaction model. The input motions were scaled to correspond to 500, 1000, and 2400 years return period of the same artificial earthquake. To estimate the counteractivity of the fluid coupled model, models without fluid effect were constructed and used as a reference. The material models of concrete and reinforcement were selected to consider the nonlinear behavior after yielding, and analysis were performed by ABAQUS. As results, in the acceleration response spectrum of the structure, it was found that the influence of the surrounding fluid reducing the peak frequency and magnitude corresponding to the fundamental frequency of the structure. However, the added mass model did not affect the peak value corresponding to the higher mode. The sectional moments were increased significantly in the case of the added mass model than those of the reference model. Especially, this amplification occurred largely for a small-sized earthquake response in which linear behavior is dominant. In the fluid structure interaction model, the sectional moment with a low frequency component amplifies compared to that of the reference model, but the sectional moment with a high requency component was not amplified. Based in these results, it was evaluated that the counteractivity of the additive mass model was greater than that of the fluid structure interaction model.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1 Dimensions of Intake Tower(unit: mm)
그림 Fig. 2 Finite Element(FE) Model for Intake Tower
그림 Fig. 3 Stress Strain Relationship of Concrete
그림 Fig. 4 Comparison of Added Hydrodynamic Masses
그림 Fig. 5 Added Hydrodynamic Mass of FE model
표 Table 1 Material Properties in Structural Model
그림 Fig. 6 Analysis Mode of CEL Approach
그림 Fig. 7 Acceleration Time History of Artificial Input Motion
표 Table 2 Analysis Cases
그림 Fig. 8 Deformation of Section and Damage of Ex3
그림 Fig. 9 Sloshing of Water Surface(Ex3)
그림 Fig. 10 Response Spectrum of Top of Tower(w/o Fluid Effect)
그림 Fig. 11 Response Spectrum of Top of Tower(w/ Fluid Effect)
표 Table 3 Comparison of 1st Peak Values of Response Spectrum
그림 Fig. 12 Moment Time History(w/o Fluid Effect)
그림 Fig. 13 Moment Time History(w/ Fluid Effect)
표 Table 4 Comparison of Means 10 Peak Values of Base Moments

AI 본문요약
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문제 정의

삼았다. Eulerian영역의 구역크기는 구조물의 주변부에서 조밀하게 설정(0.25m)하고 구조물로부터 멀어질수록 단계적으로 최대 2.0m까지 증가하도록 하여 해석의 효율성을 확보하고자 하였다. 수직방향으로도 자유수면 근처의 구역크기를 상대적으로 작게(0.
본 연구에서는 물에 둘러싸인 콘크리트 취수탑구조물에 대한 비선형 동적해석을 부가질량 모델 및 CEL방법을 이용한 유체구조물 상호작용모델에 대해서 수행하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 이러한 연구들의 연장선상에서 부가질량법에 의한 취수탑의 해석모델과 유체를 직접 모델링한 해석모델을 구성하고 이에 대한 비선형 내진해석을 수행하여 구조물의 비선형 거동을 고려한 내진해석모델의 보수성을 해석방법에 따라 비교하고자 한다. 이러한 연구의 결과는 취수탑 구조물의 내진안전성, 특히 내진해석이 일반화되지 않았던 시기에 설계된 취수탑에 대한 내진안정성 검토 및 보강시 경제적인 보강방안을 수립하는데 유용할 것으로 판단된다.

가설 설정

Alembagheri는 유사하게 취수탑과 댐 및 지반은 Eulerian-Lagrangian 방법으로 모델링하고 각각의 상호작용의 영향을 평가하였다.(Alembagheri, M., 2016) 이 연구에서 인접한 댐과 취수탑 내부의 유체가 취수탑의 내진거동에 영향을 미치는 것으로 나타났으나 이 연구에서 구조물은 선형탄성체로 가정되었고 진동수에 기반한 응답을 산정하였다.
Eulerian영역의 수평방향의 경계는 수평변위는 고정으로 가정하였고 유체영역의 하부에는 강체 평면을 모델링하여 중력방향의 경계조건으로 삼았다. Eulerian영역의 구역크기는 구조물의 주변부에서 조밀하게 설정(0.
국내의 상수원에 설치된 취수탑 중 타원단면을 갖는 철근콘크리트 경우가 다수이므로 본 연구에서는 이를 고려하여 Fig. 1과 같이 취수탑의 제원을 가정하였다. 이 취수탑은 높이 25m의 철근콘크리트 구조물로서 단면의 형상은 내측 장축길이 6.
7)으로 설계응답스펙트럼에 기반을 두고 산정하였다. 이때 고려된 지진구역은 I이고 지반은 단단한 암반조건인 S1을 가정하였다.
이러한 성능을 담보하는 내진설계에서 설계지반운동은 부지 정지작업이 완료된 면에서 정의되고, 설계지반운동은 수평 2축방향 성분으로 정의되며 그 세기는 동일한 것으로 가정하며, 수직방향의 영향이 댐 안전에 영향을 주는 경우에는 수직 방향의 지진력을 고려한다.

제안 방법

기준으로 하여 산정하였다. 각각 재현주기 500년, 1000년, 2400년을 기준으로 하여 지진의 크기를 각각, 1.0, 1.4, 2.0배로 증가시켜 해석경우를 구성하였다. Fig.
구조물의 동적응답특성을 검토하기 위하여 구조물의 상부에서 얻어진 가속도에 대해서 감쇠비 5%의 응답스펙트럼을작성하였다. 다만 양해법을 사용한 모델에서는 매우 작은 시간간격을 이용하기 때문에 순간적으로 국부적인 큰 가속도가발생하는 현상이 발생한다.
5에서와 같이 취수탑의 수중 부를 8등분하여 외측·내측 면을 구분하여 적용하였다. 그리고 종방향·횡방향 동수압 부가질량을 구분하기 위해 절점 질량을 방향별로 다르게 부가질량을 적용하였다.
영역은 Eulerian 해석기법이 적용되는 부분으로 일반적인 유한요소와는 다른 해석기법이 적용되기때문에 요소망의 중첩이나 변형이 해석결과에 영향을 미치지않는다. 본 연구에서는 이러한 CEL기법의 특성을 이용하여 취수탑의 주변과 내부의 유체를 Eulerian영역으로 모델링하고 취수탑은 Lagrangian영역, 즉 일반적인 유한요소로 모델링하였다. 해석모델의 형상은 Fig.
수행하였다. 이 연구에서는 취수탑을 비선형을 고려한 콘크리트로 모델링하고, 유체와 Eulerian영역 및 무한요소로 모델링하여 해석을 수행하고 구조물의 파손상태를 평가하였다. 하지만 이 해석에서 대상구조물의 철근모델링에 대한 언급이 없고, 유체와 구조물, 지반의 상호작용과 비선형성을 고려한 파손의 평가에 한정되었다.
2와 같이 8, 408개의 8절 점 고체요소로 모델링된 콘크리트부와 23, 152개의 2절점 보 요소로 모델링된 철근부로 구성되어 있다. 이 해석모델에서 콘크리트 내의 철근과 상호작용을 위해 Embedded region을 적용하였다.
다만 양해법을 사용한 모델에서는 매우 작은 시간간격을 이용하기 때문에 순간적으로 국부적인 큰 가속도가발생하는 현상이 발생한다. 이러한 응답의 부정확성을 극복하기 위하여 본 해석에서는 절점에서 얻어진 속도를 미분하여 가속도 값을 얻고 이 가속도에 대하여 응답스펙트럼을 작성하였다. 작성된 가속도응답스펙트럼에서 구조물의 기본진동수에 해당하는 첫 번째 첨두값의 크기와 발생 진동수를 Table 3에 정리하여 비교하였다.
이러한 해석모델과 입력지진을 고려하여 Table 2와 같이 해석 경우를 정하고 각 해석의 보수성을 비교하였다. 이 표에서 부가질량이나 유체를 고려하지 않은 해석모델들은 두 모델링 방법에 대한 교차검증과 유체의 고려에 따른 영향을 평가하는 참조값으로 사용될 것이다.
취수탑 구조물 하부의 경계조건은 기반암을 고려하여 수직 (Z)방향 병진변위와 각 방향 회전변위를 구속하였다.
해석에 사용된 입력지진은 가속도 시간이력(Fig. 7)으로 설계응답스펙트럼에 기반을 두고 산정하였다. 이때 고려된 지진구역은 I이고 지반은 단단한 암반조건인 S1을 가정하였다.

대상 데이터

1과 같이 취수탑의 제원을 가정하였다. 이 취수탑은 높이 25m의 철근콘크리트 구조물로서 단면의 형상은 내측 장축길이 6.5m, 단축길이 3.5m의 제원를 갖는 타원형이고, 하단의 벽두께 0.6m에서 상단의 벽두께 0.4m인 변단면의 특성을 가지고 있다. 여기서, 수면에서 취수탑 바닥면까지 수심깊이는 22.
콘크리트 재료모델은 Concrete Damaged Plasticity Model 을 사용하여 압축강도 21MPa, 인장강도 2.887MPa을 갖는 콘크리트의 비선형 거동을 Fig. 3과 같이 고려하였다. 철근의 재료모델은 소성거동모델을 사용하여 항복강도 300MPa인 철근의 비선형 거동을 적용하였다.
구현하였다. 해석모델은 Fig. 2와 같이 8, 408개의 8절 점 고체요소로 모델링된 콘크리트부와 23, 152개의 2절점 보 요소로 모델링된 철근부로 구성되어 있다. 이 해석모델에서 콘크리트 내의 철근과 상호작용을 위해 Embedded region을 적용하였다.

데이터처리

해석에 사용된 입력지진의 절대적인 크기는 지진의 평균재현주기를 기준으로 하여 산정하였다. 각각 재현주기 500년, 1000년, 2400년을 기준으로 하여 지진의 크기를 각각, 1.

이론/모형

하지만 이 해석에서 대상구조물의 철근모델링에 대한 언급이 없고, 유체와 구조물, 지반의 상호작용과 비선형성을 고려한 파손의 평가에 한정되었다. Alembagheri는 유사하게 취수탑과 댐 및 지반은 Eulerian-Lagrangian 방법으로 모델링하고 각각의 상호작용의 영향을 평가하였다.(Alembagheri, M.
본 연구에서는 취수탑 구조물과 유체의 상호작용을 고려하기 위해서 ABAQUS(Simulia, 2011)를 이용하여 3차원 해석모델을 구현하였다. 해석모델은 Fig.
CEL방법을 이용한유체의 모델링은 일반적인 유한요소와는 달리 해당영역을 일반적인 고체 요소와 같은 형상의 구역으로 나누고 각각의 구역에포함된 재료의 비율을 지정하는 방법으로 수행한다. 본 연구에서사용된 해석프로그램인 ABAQUS는 이를 Eulerian Volume Fraction(EVF)로 나타낸다. 영역은 Eulerian 해석기법이 적용되는 부분으로 일반적인 유한요소와는 다른 해석기법이 적용되기때문에 요소망의 중첩이나 변형이 해석결과에 영향을 미치지않는다.
유체구조물 상호작용의 해석은 CEL(coupled Eulerian Largrangian)방법을 사용하여 수행하였다. CEL방법을 이용한유체의 모델링은 일반적인 유한요소와는 달리 해당영역을 일반적인 고체 요소와 같은 형상의 구역으로 나누고 각각의 구역에포함된 재료의 비율을 지정하는 방법으로 수행한다.
이 모델은 음해법(implicit method)를 이용하여 해석을 수행하였다.
이 해석모델은 양해법(explicit method)를 이용하여 해석을 수행하였다.
고리로 여겨진다. 이의 내진설계는 최근에 개정된 댐내진설계기준(KDS 54 17 00, 2019)에 따라 설계하고 기존 댐시설물의 내진 성능 평가는 개정된 시설물(댐)의 내진성능 평가요령(KISTEC, 2019)에 따라 수행한다. 이러한 설계 및 평가과정에 있어서의 내진성능수준은 기능수행수준과 붕괴방지수준으로 볼 수 있다(KDS 54 17 00, 2019).
3과 같이 고려하였다. 철근의 재료모델은 소성거동모델을 사용하여 항복강도 300MPa인 철근의 비선형 거동을 적용하였다. 이와 같이 모델링에 사용된재료의 특성값은 Table 1에 정리하였다.

성능/효과

1) 부가질량이나 FSI와 같이 유체를 고려한 모델링은 구조물 응답의 진동수를 낮추고 구조물의 가속도응답도 낮추는 효과가 있다. 다만 부가질량 모델은 첫 번째 진동수영역에 대해서만 영향이 집중된다.
2) 부가질량 모델은 유체를 고려하지 않은 모델에 비하여 단면의 모멘트를 증가시킨다. 이러한 경향은 상대적으로 선형거동이 지배적인 저강도의 입력지진에서 크게 나타난다.
3) 유체구조물 상호작용모델은 유체의 효과를 고려하지 않은 경우에 비하여 단면력증폭 여부가 진동수에 의해서결정된다. 고진동수의 응답이 지배적인 구조물에서는증폭이 발생하지 않는 경우도 발생한다.
양방향의 응답은 지진입력의 크기에 따라 첨두값의 크기는 달라지지만 발생진동수는 거의 일치하는 거동을 보인다. 따라서 구조물의 모델링 방법인 양해법과 음해법에 대한 상호정확성은 타당한 것으로 판단하였다.
하지만 유체구조물 상호작용을 이용한 해석모델에서는 진동수 특성이 다른 두 방향에서 서로 다른 경향을 보였다. 상대적은 낮은 진동수 특성을 가진 x방향의 단면모멘트는 참조해에 비하여 증가된 응답을 보였으나 상대적으로 높은 진동수 특성을 가진 y방향의 단면모멘트는 참조해보다 낮은 응답을 보였다. 이는 취수탑과 같이 유체에 둘러싸인 구조물의 검토는 구조물의 동역학적인 특성에 민감하다는 것을 보여준다.
실제 단면검토의 측면에서 보면 부가질량을 고려한 모델이모든 경우에 큰 단면력을 보여주어 상대적으로 보수성이 큰 검토결과를 주는 것을 알 수 있었다. 이러한 경향은 작은 크기의입력지진에 대해서 더욱 크게 나타났다.
유체를 고려한 해석모델들에서 얻어진 단면모멘트는 부가질량을 이용한 모델들의 경우에는 낮은 수준의 지진 응답에 대해서 크게 증가하는 것을 알 수 있었다. 하지만 유체구조물 상호작용을 이용한 해석모델에서는 진동수 특성이 다른 두 방향에서 서로 다른 경향을 보였다.
이연구에서 potential-based fluid element를 기본으로 하고 두 가지 부가질량 모델에 대한 선형, 비선형 해석을 수행하여 Chopra의 부가질량 모델이 선형과 비선형 모델을 가리지 않고 효율이 높은 해석법임을 보였다. 이는 Song 등의 연구와 동일한 결론이다.
11와 같다. 전체적으로 기본진동수에 해당하는 진동수 값이 낮아지고 첨두값의 크기 또한 낮아졌다. 진동수는 유체의 영향을 고려한 경우에 고려하지 않은 경우에 비해서 일치도가 낮아지지만 대표값을 기준으로 산정하면 x 방향의 진동수는 7.
전체적으로 유체구조물 상호작용을 이용한 해석모델의 응답에 비하여 부가질량을 사용한 해석모델의 응답에서 큰 보수성을 보인다.
얻어졌다. 전체적으로 지진입력이 작용하는 동안 구조물의 안정성에는이상이 없었으나 FSI해석을 수행한 2400년의 평균재현주기의 지진에 대한 해석에서는 약 7초후에 구조물이 붕괴하는 결과를 나타냈다. 부가질량이나 FSI를 고려한 해석의 경우 500, 1000년의 평균재현주기의 입력지진에 대해서도 해석의 종반부에 소성변형이 발생하였고 단면에서 철근이나 콘크리트의변형이 발생한다.

후속연구

따라 비교하고자 한다. 이러한 연구의 결과는 취수탑 구조물의 내진안전성, 특히 내진해석이 일반화되지 않았던 시기에 설계된 취수탑에 대한 내진안정성 검토 및 보강시 경제적인 보강방안을 수립하는데 유용할 것으로 판단된다.
이러한 경향은 작은 크기의입력지진에 대해서 더욱 크게 나타났다. 하지만 현재 이러한 진동수 성분에 따른 유체구조물 해석모델의 단면력 변화는 다양한 조건에 따른 추가적인 검토가 필요한 것으로 보인다.

참고문헌 (10)

Mohammad Alembagher (2016), Dynamics of submerged intake towers including interaction with dam and foundation, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 84, 108-119.

상세보기
Zhang, ., Wei, K., Pang, Y., Zhang, M. and Qin, S. (2019), Numerical Investigation into Hydrodynamic Effects on the Seismic Response of Complex Hollow Bridge Pier Submerged in Reservoir: Case Study, Journal of Bridge Engineering, ASCE,, 24(2), 05018016.

상세보기
Hu, J.W., Kim, Y.C., Cha, Y.W. and Lim, J.S. ( 2016), Prediction for Seismic Damage of Intake Tower through Advanced Finite Element Analysis, Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures, 7(4), 24-29.

상세보기
Song, S.G., Min, K.U., Bea, J. and Lee, J. (2018), Application of Hydrodynamic Pressure for Three-dimensional Earthquake Safety Analysis of Dam Intake Towers, Journal of Earthquake Engineering, EESK, 22(3), 139-147.
Bae, J., Kim, Y. Lee, J. and Han, S.H. (2009), Seismic Safety Analysis of Intake Tower with Hollow Inside Section, Journal of the Korean Society of Safety, 24(2), 55-61.
Abaqus/CAE (2011), ABAQUS 6.12 User manual, Dassault Systems Simulia Corp.
Alok Goyal, Anil K. Chopra (1989), Earthquake analysis and response of intake-outlet tower, National Science Foundation, UCB/EERC-89/04, 189-240.
Xangjian Xiao, Zengshun Chen, Jianting Zhou, Yanling Leng and Runchuan Xia (2017), Concrete plastic-damage factor for finite element analysis: Concept, simulation, and experiment, Advances in Mechanical Engineering, SAGE, 9(9), 1-10.
KDS 54 17 00 (2019), Dam Seismic Design, Ministry of Environment, Korea.
KISTEC (2019), Estimation Method for Seismic Performance of Existing Infra-structure(Dam), Korea Infrastructure Safety Corporation.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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