개 요
1. 연구개발 개요
구조물의 대형화와 복합화 경향에 따라 경제적이고 합리적인 최적 설계방안에 대한 요구가 증가하면서 신뢰성 분석을 기반으로 하는 한계상태설계법이 세계적인 추세가 되어가고 있다. 이는 경험적 연구를 통해 구축된 데이터베이스에 대한 신뢰성 분석을 통해 파괴확률 및 대응 신뢰도지수(reliability index)를 산정하고 이를 이용하여 구조물의 안전도를 정량적으로 평가함으로써 일관되고 경제적이며 효율적인 설계가 가능하기 때문이다. 이를 바탕으로 생성된 하중계수 및 저항계수를 적용하여 구조물의 지지력 및 침하량 등을 산정할 수 있으며, 도로교 설계기준에 제시된 타입말뚝과 현장타설말뚝 산정 기준을 바탕으로 통계적 신뢰도간 상호조합을 포함하는 확률론적 LRFD개념을 하부구조에 적용하여 말뚝지지력을 산정하고 검토할 수 있는 프로그램을 개발한다.
2. 연구개발 목표
본 연구에서는 도로교 설계기준(2015. 2. 1시행)에 따른 통계적 신뢰도간 상호조합을 포함하는 확률론적 LRFD개념을 하부구조에 적용하여 대형 해상기초의 LRFD 설계프로그램(2차) – 타입말뚝 및 현장타설말뚝을 개발하고자 한다.
3. 연구개발 내용
도로교 설계기준을 기반으로 통계적 신뢰도간 상호조합을 포함하는 확률론적 LRFD 개념을 하부구조에 적용하고 말뚝지지력을 산정 및 검토하는 기능을 포함한다.
프로그램의 개발은 지지력을 산정하는 라이브러리 부분과 메인프로그램으로 개발하며 라이브러리는 C++을 통해서 개발하고 메인프로그램은 델파이를 이용하여 개발한다. 두 가지 모두 코드의 이해가 쉽고 향후 유지보수가 편리한 객체지향프로그램 개발툴이다.
시뮬레이션을 통해 기초의 하중조합 및 하중계수를 이용하며, 지지력 예측 모델의 불확실성을 고려하여 타입말뚝 및 현장타설말뚝에 대한 공식 코드화 및 LRFD 개념에 근거한 저항계수 적용 및 설계가 가능하게 한다.
주요특징
도로교 설계기준에 기반을 둔 지지력 해석 및 검토는 신뢰성해석을 통한 여러 계수를 사용하여 지지력을 해석할 수 있으며 타입말뚝 및 현장타설말뚝에 적용한 대형 해상기초의 LRFD 설계 프로그램(2차)을 개발하였다. 축방향 하중을 받는 대형 해상기초의 LRFD 설계 프로그램은 다음과 같은 특징을 가지고 있다.
☑ 다층에 대한 지지력을 구할 수 있다.
☑ 축방향 지지력을 일반화된 공식에 따라 계산한다.
☑ 지층과 말뚝을 입력하여 단면도 형태로 표시한다.
☑ 신뢰성해석 결과로 나온 하중계수 및 저항계수를 적용한다.
☑ 기초의 하중조합 및 하중계수와 지지력 예측 모델의 불확실성을 고려한다.
☑ 타입말뚝 및 현장타설말뚝에 대한 설계 공식을 코드화한다.
☑ 시뮬레이션 도중에 중단할 수 있도록 한다.
☑ 객체지향 프로그래밍툴을 사용하여 코드의 이해가 쉽고 향후 유지보수가 편리하다.
☑ 지지력의 결과를 그래프의 형식으로 출력할 수 있다.
☑ 프로젝트를 묶어 관리하여 프로젝트의 재사용 및 관리가 용이하다.
☑ 프로젝트에 대한 추가 수정 삭제 기능이 있어야 하며 프로젝트에 사용하는 해석옵션도 함께 관리가 가능하다.
☑ 입력된 지층의 층상정보를 화면상에서 3D로 표현할 수 있다.
☑ 해석결과를 3D화면으로 출력하여 확인할 수 있다.
주요구성
도로교 설계기준에 기반을 둔 설계법은 허용응력설계법을 보완하고, 비용 대비 효과에 기초한 최적 설계 대안을 결정할 수 있는 장점이 있다. 구조물의 기초설계방법은 LRFD(하중저항계수설계법)이며, 신뢰성 개념에 기초하고 있고 설계변수와 관련된 불확실성을 합리적인 신뢰성이론 체계로써 정량화 한다. 본 연구에서는 대형 해상기초의 LRFD 설계 프로그램(2차)을 개발하고자 한다.
☑ 명령어의 목록으로 프로그램을 보는 것이 아니라 여러 개의 독립된 단위인 객체의 모임으로 파악하는 프로그램 기법의 적용으로 사용자의 프로그램 이해도를 높일 수 있다.
☑ 기초에 작용하는 하중은 축방향 하중과 2방향의 횡하중과 모멘트로 구성된 총 5개의 하중을 고려한다.
☑ 기초는 강성으로 고려하여 무리말뚝에 하중분배를 결정한다.
☑ 말뚝캡은 강성으로 가정하여 변형이 생기지 않으며 말뚝의 강성만으로 무리말뚝의 하중분배와 해석을 실시하여 축방향회전에 대한 강성은 고려하지 않는다
☑ 입력된 지층의 층상정보를 화면상에서 3D로 표현하고, 해석결과를 3D화면으로 출력하여 확인할 수 있도록 한다. 그리고 지지력의 결과는 그래프 및 보고서형식으로 나타내며 출력 가능하게 한다.
☑ 프로젝트를 묶어 관리하여 프로젝트의 재사용 및 관리를 용이하게 하며 프로젝트에 대한 추가 수정 삭제할 수 있는 기능뿐만 아니라 대화상자를 사용하여 프로젝트에 사용하는 해석옵션도 함께 관리 가능하게 한다.
☑ 지층에 별도의 저항계수가 입력될 수 있고, 지지력을 계산하기 위해 필요한 여러 가지 계수들도 같이 입력이 가능하게 하여 사용자로 하여금 데이터를 편리하게 관리할 수 있다
☑ 객체지향언어 등을 이용하여 상대적으로 코드 이해가 쉽고 이를 바탕으로 향후 유지보수가 쉽도록 개발한다.
☑ 현재 Microsoft사에서 제공하는 Visual Studio와 Embacadero사의 델파이를 통해 프로그램을 개발하면 다양한 GUI환경을 이용하여 사용자 친화도가 높고 쉽게 사용가능하다.
주요 기능
1. 지지력 해석
말뚝의 지지력은 주면마찰력과 선단지지력으로 구성되며 정적지지력공식에 의한 해석을 실시한다. 말뚝에 작용하는 하중과 지지력으로 표현되는 저항과의 관계에 신뢰성 해석의 결과인 하중계수와 저항계수를 적용하여 지지력 해석 결과를 시뮬레이션 한다. 말뚝은 다층에 걸쳐서 설치되므로 이를 고려할 수 있도록 다층에 대해서 토질정수를 입력하고 해석하게 하며, 지층의 토질정수는 지지력 계산방법에 따라 종류를 달리 하므로 계산방법에 의해서 입력해야 할 토질정수가 달라진다. 따라서 입력한 여러 가지 지지력해석 정보를 이용하여 주면 및 선단 등의 지지력 해석을 가능하게 한다.
2. 침하량 해석
입력한 토질상태 및 토질정수를 바탕으로 단기간 침하량 및 말뚝의 축방향 압축을 고려하며, 또한 점성토는 단단한 사질토로 가정하며 확대기초의 절차를 이용하여 해석한다. 침하량계산에 필요한 값은 대화상자를 실행하여 설계자로부터 값을 입력받는다.
3. 인발저항력 해석
외말뚝은 주면지지력의 평가방법으로 인발저항력을 평가하고 무리말뚝은 외말뚝의 인발저항력의 합과 블록으로 고려한 무리말뚝의 인발저항력을 비교하여 결정한다. 극한한계상태의 사용하중조합-I을 고려하여 계산한 하중이 인장력일 경우 인발지지력을 고려한다. 말뚝이 인발력을 받는 경우, 인발에 대한 저항력, 그리고 인장에 저항하고 하중을 다른 부재에 전달하는 구조적 성능을 평가하여야 한다.
4. 지층구성
다층에 설치한 무리말뚝에 대한 해석이 가능해야 하며, 각 층에 별도의 저항계수가 입력될 수 있고 지지력을 계산하기 위해서 필요한 계수들도 같이 입력이 되어야 한다.
5. 기초해석
기초는 전역좌표계 기준으로 입력하고 사각형의 형태를 가진다. 말뚝은 지역좌표계를 사용하며 원점은 기초의 중심으로 한다. 무리말뚝 해석을 기본으로 한다. 기초에 작용하는 하중은 축방향 하중과 2방향의 횡하중과 모멘트로 구성된 총 5개의 하중을 고려한다. 기초는 강성으로 고려하여 하중분배를 결정하며, 사용가능한 말뚝은 타입말뚝과 현장타설말뚝으로 제한한다.
6. 무리말뚝 해석
기초는 강성으로 고려하여 탄성법에 의한 하중분배를 수행한다. 따라서 말뚝반력과 변위량은 확대기초를 강체로 보고 확대기초의 변위를 고려한 탄성해석법으로 계산한다.
7. 프로젝트 관리
프로젝트를 묶어 관리하여 프로젝트의 재사용 및 관리를 용이하게 한다. 또한 프로젝트에 대한 추가 수정 삭제 기능이 있어야 하며 프로젝트에 사용하는 해석옵션도 함께 관리가 가능해야 한다.
8. 3차원 가시화
입력된 지층의 층상정보를 화면상에서 3D로 표현한다. 해석결과를 3D화면으로 출력하여 확인할 수 있도록 하며 지지력의 결과는 그래프의 형식으로 출력한다.
참고자료
개발 관련 세부내용은 아래의 문서를 다운로드하여 참고하시기 바랍니다.
