[논문]유한요소 해석을 통한 형상 및 크기에 따른 가물막이 특성 검토

김현주; 최진오; 권윤호

doi:10.7843/kgs.2020.36.1.29

유한요소 해석을 통한 형상 및 크기에 따른 가물막이 특성 검토
The Structural Characteristics of the Temporary Cofferdam in Accordance with the Shape and Size Obtained from Numerical Analysis 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.36 no.1, 2020년, pp.29 - 38

김현주 ((주)이피에스엔지니어링) , 최진오 ((주)이피에스엔지니어링) , 권윤호 ((주)이피에스엔지니어링)

초록
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최근 환기구, 비상탈출용 수직구, 취수탑 가시설 등 지중 가물막이 또는 차수벽체로 원형 가물막이가 많이 적용되고 있다. 원형단면의 경우 벽체에 작용하는 토압이 원형가물막이 형상에 따라 아칭효과(arching effect)로 인하여 작용토압에 대한 구조체의 부재력이 감소하는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 원형 가물막이에 대한 2D 유한요소해석(FEM)을 활용하여 원형띠장(ring beam) 강성을 산출 후 탄소성해석에 적용하여 부재의 단면력을 검토하였다. 더불어 3D 유한요소해석(FEM)을 통하여 원형단면의 가물막이가 다각형 형태의 가물막이보다 전단력, 휨모멘트, 그리고 발생변위가 최소값을 갖는 것으로 나타났으며, 이로써 원형단면 가물막이가 구조적으로 보다 효율적인 단면 형태임을 확인하였다

Abstract ▼ AI-Helper

These days the circular cross section cofferdam has been frequently used for the earth retaining structures or cut off wall such as ventilating opening, intake tower in cofferdam, shaft for emergency. By the arching effect, the circular cross section type cofferdam has more advantage than a polygon cofferdam in terms of the structural forces and moment. This paper shows the proper approach to analyze the circular cross section cofferdam using 2D Finite Element Method (FEM) for the circular stiffener (ring beam) evaluation. Besides, the various shapes of cofferdam indluding circular cross section have modeled the 3D Finite Element Mothod (FEM). The circular cross section cofferdam shows the minimum reaction force compared with the other shapes of cofferdam.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Arching effect by circular cavity (Fara and Wright, 1963)
그림 Fig. 2. Basic structure model of elasto-plastic retaining wall
그림 Fig. 3. Spring constant calculation by displacement review
표 Table 1. Soil properties
그림 Fig. 4. Elasto-plastic analysis of Midas XD
표 Table 2. Material properties of steel (SS400)
그림 Fig. 5. 3D Analysis Section
표 Table 3. Result of Elasto-plastic analysis (Midas XD)
그림 Fig. 6. 3D analysis modeling
그림 Fig. 7. Result of displacement by case
그림 Fig. 8. Graph of analysis result value (Displacement)
표 Table 4. Result of displacement by case
표 Table 5. Result of shear force by case
그림 Fig. 9. Result of shear force by case (Horizontal Reinforcement)
그림 Fig. 10. Graph of analysis result value (Shear Force)
그림 Fig. 11. Result of bending moment by case (Horizontal Reinforcement)
그림 Fig. 12. Graph of analysis result value (Bending Moment)
표 Table 6. Result of bending moment by case

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 대형 가물막이의 단면 형상과 크기에 따른 구조적 특성을 파악하고자 하였다.
본 연구에서는 원형벽체에 대한 2차원 탄소성해석 적용시 원형단면에 대한 구조적인 특성을 정확히 반영하지 못하여 구조단면에 대한 검토 결과가 과대하게 산출되는 점을 보완하기 위하여 원형단면에 대해 탄소성해석시 기존에 관용적으로 검토해왔던 방법과 2차원 유한 요소해석을 통한 반단면 변위검토(Axial-Symmetry) 조건을 적용하여 지반반력계수(스프링상수, k)를 산정하여 탄소성 해석에 적용하여 검토 결과를 비교하였다.
2절 참조)과 비교하여 흙막이 벽체(원형가물막이)의 원형보강재에 대해 평면 변형률 조건의 2차원 유한요소해석을 적용하여 원형보강재의 반단면 변위검토를 수행하여 지반반력계수(k)를 직접 산정하였고, 이를 탄소성해석 에 적용하여 부재력을 검토하였다. 추가적으로 3차원 유한요소해석을 수행하여 가물막이의 형상 및 크기에 따른 역학적 특성을 확인하고자 형상(원형, 정사각형, 그리고 팔각형) 및 크기(직경 5m, 10m, 15m) 차이에 따른 거동 특성을 확인하고자 하였다.

가설 설정

5)하여 검토하였다. 원형가물막이의 보강재(ring beam)는 두께(t) 16mm, 폭(width) 20cm 적용으로 가정하였다.
해석에 적용된 검토조건은 새만금 내항의 특정 지역의 지반조사 결과에서 도출된 강도정수(Table 1)를 적용하였다. 지층조건은 지표면 위 5m 수위가 존재하며, 사질토(5m), 점토(13m), 그리고 자갈층 순으로 분포하며 지층근입 10m 조건을 가정하여 검토하였다. 강재는 SS400 강재로 수직벽체 두께 25mm의 단일강관을 조건을 적용, 원형보강재(ring beam, 두께 16mm, 폭 20cm)를 보강하는 조건으로 검토하였다.

제안 방법

3차원 유한요소 해석의 지반 및 강재 조건은 탄소성 해석과 동일하며, 단면 형상은 원형, 팔각형, 그리고 정사각형으로 직경은 5, 10, 15m로 구분(Fig. 5)하여 검토하였다. 원형가물막이의 보강재(ring beam)는 두께(t) 16mm, 폭(width) 20cm 적용으로 가정하였다.
강재 제원은 Table 2와 같다. 단면 형상은 원형가물막이 형태의 직경 10m, 수평보강재 수평간격 3m 조건을 적용하여 해석을 수행하였다.
더불어 3차원 유한요소해석(FEM)을 통하여 대형 가물막이의 단면 형상과 크기에 따른 전단력, 휨모멘트, 그리고 발생변위를 확인하여 그 특성을 비교분석 하였다.
반단면 변위 검토(Axial-Symmetry)의 유한요소해석에 서 두 절점 중 한 곳은 변위 및 회전에 대해 모두 구속 (T_x, T_y, T_z, R_x, R_y, R_z)을 하였고, 다른 한 절점은 T_y, T_z, R_y를 구속하여 원형보강재의 지반반력계수(스프링 상 수, k)를 산출(Fig. 3)하였다. 지반반력계수(k)는 5,000.
본 연구에서는 2.2절에서 밝힌 응력-변형률의 관계를 통한 상관 관계식이 아니라 보다 합리적인 구조 검토 수행을 위하여 Fig. 3과 같이 2차원 유한요소해석을 통한 Axial-Symmetry 조건의 반단면 변위 검토 수행하여 탄소성 해석에 지반반력계수(k)를 적용하도록 하였다. 즉, 절점에 단위 하중을 적용하여 원형띠장(ring beam)의 발생 변위 값(δ)을 산출하고, 하중과 변위 값을 통하여 지반반력계수(스프링상수, k=p/δ)를 도출한 뒤 탄소성 해석에 적용하여 관용적인 방법에 의한 탄소성해석의 결과를 비교하였다.
이에 본 연구에서는 일반적으로 원형가물막이의 안정성 검토를 위해 탄소성해석 적용시 원형보강재(ring beam)의 경우 지간을 직경 제곱에 비례하는 관용적인 방법(재료역학의 응력-변형률 관계에서 도출, 2.2절 참조)과 비교하여 흙막이 벽체(원형가물막이)의 원형보강재에 대해 평면 변형률 조건의 2차원 유한요소해석을 적용하여 원형보강재의 반단면 변위검토를 수행하여 지반반력계수(k)를 직접 산정하였고, 이를 탄소성해석 에 적용하여 부재력을 검토하였다. 추가적으로 3차원 유한요소해석을 수행하여 가물막이의 형상 및 크기에 따른 역학적 특성을 확인하고자 형상(원형, 정사각형, 그리고 팔각형) 및 크기(직경 5m, 10m, 15m) 차이에 따른 거동 특성을 확인하고자 하였다.
즉, 절점에 단위 하중을 적용하여 원형띠장(ring beam)의 발생 변위 값(δ)을 산출하고, 하중과 변위 값을 통하여 지반반력계수(스프링상수, k=p/δ)를 도출한 뒤 탄소성 해석에 적용하여 관용적인 방법에 의한 탄소성해석의 결과를 비교하였다.
해석에 적용된 검토조건은 새만금 내항의 특정 지역의 지반조사 결과에서 도출된 강도정수(Table 1)를 적용하였다. 지층조건은 지표면 위 5m 수위가 존재하며, 사질토(5m), 점토(13m), 그리고 자갈층 순으로 분포하며 지층근입 10m 조건을 가정하여 검토하였다.

대상 데이터

지층조건은 지표면 위 5m 수위가 존재하며, 사질토(5m), 점토(13m), 그리고 자갈층 순으로 분포하며 지층근입 10m 조건을 가정하여 검토하였다. 강재는 SS400 강재로 수직벽체 두께 25mm의 단일강관을 조건을 적용, 원형보강재(ring beam, 두께 16mm, 폭 20cm)를 보강하는 조건으로 검토하였다. 강재 제원은 Table 2와 같다.
지반반력계수(k)는 5,000.9 N/mm(k=P/δ=1,000N/0.199mm)으로 탄소성 해석에 적용된 지간은 관용적 방법(L=D2 )에 의해 도출한 지간의 길이는 100.0m이며, 반단면 검토에 의해 도출된 지간 길이는 L=67.2m를 적용하여 가물막이 탄소성 해석에 적용하였다.

데이터처리

본 검토에서 유한요소해석(FEM) 프로그램인 Midas GTS NX를 이용하여 3차원 해석을 수행하였으며, 모델 링 단면은 Fig. 6과 같다.

성능/효과

(1) 원형가물막이에 대한 탄소성 해석시 원형보강재(ring beam)에 대한 반단면 변위 검토(Axial-Symmetry)를 통하여 지반반력계수(스프링상수, k)를 도출하여 적 용한 해석 결과가 기존에 일반적으로 사용해온 관 용적 검토 방법보다 발생변위는 약 24%, 전단력은 10%, 그리고 휨응력은 12% 정도 적게 발생하는 것으로 검토되었다. 원형가물막이에 대한 경제적인 설계를 위하여서는 탄소성해석 적용시 반단면 변위 검토(Axial-Symmetry)를 이용한 2D 유한요소해석을 병행한 탄소성해석이 필요할 것으로 판단된다.
(3) 3차원 유한요소해석을 통한 가물막이의 형상과 크기에 따른 구조적 특성을 비교검토한 결과 원형단 면이 발생변위나 부재력에서 효과적인 것으로 검토되었다. 즉, 현장에서 가물막이 적용시 시공성과 경제성만 확보된다면 원형가물막이 형태의 단면 적용으로 구조적인 안정성을 보다 효과적으로 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
원형의 형상에서 발생 변위가 크기별로 가장 작게 발생되었으며, 구조물의 단 면 크기가 커질수록(D=5m에서 10m, D=10m에서 15m 증가 시) 단면 형상별 발생 변위는 원형 타입의 변위 증 가량 67%, 20%, 팔각형 타입 76%, 40%, 그리고 정사각형 타입 75%, 50%으로 증가하는 것으로 검토되었다. 2차원 반단면 변위 검토를 통한 탄소성 해석시 최대 발생 변위는 29.8mm로 3차원 유한요소해석 결과 2.24mm보다 10배 이상 차이가 나는 것으로 검토(Table 3과 Table 4 참조)되었다.
① 발생 변위 검토 결과 원형의 형상에서 발생 변위가 크기별로 가장 작게 발생되었으며, 단면 직경이 커질수록 발생변위는 크기 증가에 따른 원형 (직경 5m와 직경 10m 변위 증가량 67%, 직경 10m 와 직경 15m 변위 증가량 20%)보다 증가폭이 단 면 크기 증가별로 팔각형 타입(직경 5m와 직경 10m 변위 증가량 76%, 40%), 정사각형 타입(직경 5m 와 직경 10m 변위 증가량 75%, 50%)에서 크게 증가하는 것으로 검토되었다.
② 조건별 발생 전단력은 수직 3m 간격으로 설치된 수평보강재가 받는 전단력보다 강관벽체가 받는 전단력이 지배적으로 큰 것으로 검토되었으며, 변위 검토 결과와 동일하게 원형 형상의 구조물이 크기에 관계없이 전단력이 아주 작게 발생하는 것으로 검토되었다.
③ 휨모멘트의 경우 원형 타입에서 수평보강재가 팔각형이나 정사각형 형상보다 최소 21%에서 최대 77% 작게 받는 것으로 검토되었으며, 강관벽체에 서도 원형 타입에서 다른 형상보다 현저하게 작은 휨모멘트가 발생하는 것으로 검토되었다.
4 및 Table 3과 같다. 반단면 변위 검토(Axial-Symmetry) 해석을 통해 지반반력계수를 산정한 방법이 기존 관용적으로 적용하던 방법보다 탄소성해석 결과 발생변위는 약 24%, 전단력은 10%, 그리고 휨응력은 12% 정도 적게 발생하는 것으로 검토되었다.
7~8과 같다. 원형의 형상에서 발생 변위가 크기별로 가장 작게 발생되었으며, 구조물의 단 면 크기가 커질수록(D=5m에서 10m, D=10m에서 15m 증가 시) 단면 형상별 발생 변위는 원형 타입의 변위 증 가량 67%, 20%, 팔각형 타입 76%, 40%, 그리고 정사각형 타입 75%, 50%으로 증가하는 것으로 검토되었다. 2차원 반단면 변위 검토를 통한 탄소성 해석시 최대 발생 변위는 29.
9~10과 같다. 전단력의 경우 수직 3m 간격으로 설치된 수평보강재가 받는 전단력보다 강관벽체가 받는 전단력이 지배적으로 큰 것으로 검토되었으며, 변위 검토 결과와 동일하게 원형구조물이 단면 크기에 관계없이 전단력을 아주 작게 받는 것으로 검토되었다.

후속연구

(3) 3차원 유한요소해석을 통한 가물막이의 형상과 크기에 따른 구조적 특성을 비교검토한 결과 원형단 면이 발생변위나 부재력에서 효과적인 것으로 검토되었다. 즉, 현장에서 가물막이 적용시 시공성과 경제성만 확보된다면 원형가물막이 형태의 단면 적용으로 구조적인 안정성을 보다 효과적으로 확보할 수 있을 것으로 판단된다.

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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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