개 요
1. 연구의 배경 및 목적
▪ 기존의 흙막이 해석 프로그램은 2차원 해석을 주로 이용하였으나 실제 흙막이 공법에서 지반의 변위를 억제하기 위하여 설치하는 구조물은 3차원 공간상에 놓이므로, 2차원 해석과는 달리 구조물의 방향과 경계조건 등이 해석의 결과에 많은 영향을 준다.
▪ 굴착 코너부에 설치하는 스트러트는 굴착면에 수직방향으로 설치되는 스트러트와는 다르게 해석이 되어야 한다.
▪ 지반해석과 구조해석을 동시에 고려할 수 있고 기존 해석 내용을 손쉽게 검토할 수 있는 기능을 제공한다.
2. 연구개발 범위
▪ 흙막이 구조물을 해석함에 있어 굴착상태에 따라서 앵커와 말뚝 그리고 스트러트를 자동으로 2차원 프레임 형태로 모델링하고 해석을 할 수 있도록 한다.
▪ 현재 흙막이 구조물의 해석을 위해서는 토압산정과 구조물의 해석이 서로 별개의 프로세스형태로 운영이 된다. 즉 흙막이 토압을 계산하는 과정과 구조물의 안정성을 평가하는 구조해석이 별도의 과정으로 구분되어있다. 따라서 해석을 위해서는 두 가지 과정을 별도로 실행한 후 검토단계를 거쳐야 한다.
▪ 본 연구에서는 지반굴착시 Corner Strut의 안정성을 판단하기 위해서 흙막이 벽체에 발생하는 토압산출과정과 구조해석과정을 통합하여 해석과 검토과정을 반복하는 복합 프로세스형태로 프로그램을 개발한다.
가. 굴착단계별로 구조모델링을 실시
나. 각 단계에서 발생하는 토압을 탄소성해석법을 이용하여 계산
다. 앞서 구한 토압을 구조해석의 경계조건으로 사용
라. 유한요소해석
마. 구조해석에 의한 변위와 토압의 검토
바. 검토결과의 신뢰성 분석
주요사항
1. 지반과 구조물 자동모델링
지반굴착을 수치적으로 검토하기 위해서는 먼저 구조물과 지반정보를 모델링작업이 선행되어야 한다. 일반적으로 유한요소의 형태로 작성하기 위해서는 절점을 구성하고 절점과 절점을 연결하는 연결요소를 작성한다. 본 프로그램에서는 절점과 연결요소를 자동으로 작성하는 기능을 제공하여 요소를 작성하는데 필요한 시간과 노력을 절감한다.
2. 패턴마법사
일반적으로 사용하는 굴착단면은 몇 가지의 정형화된 패턴을 가지고 있다. 이에 착안하여 프로그램에 미리 저장되어 있는 패턴을 제공한다. 물론 임의의 형태를 가지는 모양도 가능하다. 또한 편의를 위해서 패턴의 형태로 제공하는 데이터를 수정 편집하여 다른 형태의 굴착단면도 생성이 가능하다.
3. 탄소성해석
흙막이 벽체에 작용하는 토압을 산정하기 위해서 실제 굴착시의 거동을 보다 정확하게 모사할 수 있는 탄소성해석법을 적용하여 벽체에 작용하는 토압을 산정하였다.
4. 지반과 구조물의 마찰
배면에 작용하는 토압에 의해 배면지반과 흙막이 벽체에 상대적인 변위가 발생하며, 이와 같은 현상은 배면지반과 말뚝에 마찰력을 발생시키는데 말뚝의 주면마찰력과 변위량의 관계를 나타내는 주면 하중전이함수를 적용하여 마찰력을 고려하도록 하였다.
5. 유한요소해석
자동모델링을 통해서 절점과 연결요소가 3차원 프레임 형태로 작성이 되고 나면 매트릭스 해석 엔진을 통해서 해석을 실시한다.
6. 해석결과 및 요소의 3차원 가시화
요소를 3차원 프레임 형태로 구성을 하면 요소를 3차원 형식으로 화면에 가시화한다. 가시화 기능에서는 지층의 형상을 3차원으로 볼 수 있으며 말뚝, 띠장, 앵커 그리고 스트러트의 모습을 3차원 형식으로 표현한다. 해석 후 말뚝과 보강재들로 구성된 절점과 연결요소의 변위 혹은 응력 등의 속성값을 그라데이션을 사용하여 색상으로 표시한다.
7. 외부데이타 가져오기
현재 실무자들이 굴착단면에 대한 해석프로그램으로 사용하고 있는 SUNEX 프로그램의 입력데이타에서 흙막이 벽의 재질정보와 띠장의 위치와 물성정보, 앵커의 위치와 물성정보등을 가져와서 재사용이 가능하도록 하였다.
수행방법
가. 해석프로그램은 크게 입력부분, 지반해석모듈, 구조해석모듈 그리고 해석결과를 3차원으로 표현하는 후처리모듈로 구성한다.
나. 입력모듈에서는 해석에 필요한 데이터를 입력받는다.
다. 지반해석모듈에서는 굴착과정에서 흙막이를 포함하는 구조물에서 발생하는 변위와 그에 따른 토압을 산정한다.
라. 구조해석모듈은 Corner를 포함한 흙막이 벽체와 버팀구조물을 3D 프레임 형식으로 모델링하여 매트릭스 해석을 실시한다.
연구성과
흙막이 벽체에 대한 지반해석과 구조해석을 동시에 할 수 있도록 흙막이 구조안정성 해석프로그램인 CoSTA(Corner STrut Analysis)를 개발하였다.
1. 자동모델링
흙막이 가설구조를 3차원으로 가시화를 수행하기 위해서는 먼저 시추공 정보가 필요하다. 시추공정보를 통해서 지층을 구성하고 말뚝과 띠장이 교차하는 곳과 앵커가 설치되는 곳 그리고 말뚝과 스트러트가 만나는 위치에서는 절점을 생성하고 말뚝이 위치하는 곳에 생성된 절점을 연결하여 말뚝에 해당하는 연결요소를 작성한다. 다음으로 스트러트가 위치하는 곳에서는 일정간격마다 절점을 추가로 생성하고 앞뒤의 절점을 연결하여 연결요소를 생성한다.
(1) 절점번호 자동알고리즘
(2) 앵커와 스트러트의 자동배치
2. 패턴마법사를 이용한 데이터입력
입력데이타를 생성하는 과정을 하나의 마법사 형식으로 묶어서 각 단계별로 입력을 완료하면 하나의 흙막이 해석용 입력데이타를 만들 수 있도록 구성하였다. 또한 이미 입력된 패턴으로부터 흙막이 벽체라인을 자동으로 생성할 수도 있다.
흙막이 벽체에서 자주 사용되는 형상을 미리 입력해 놓고 선택에 따라서 데이터를 새로 작성하는 기능으로 흙막이 벽체의 모양에 따라서 앵커와 스트러트의 배치가 달라진다.
3. 흙막이벽체의 마찰력
배면에 작용하는 토압에 의해 배면지반과 흙막이 벽체에 상대적인 변위가 발생하며, 이와 같은 현상은 배면지반과 말뚝에 마찰력을 발생시킨다.
4. 흙막이벽체의 탄소성해석
흙막이 벽은 흙막이 구조물을 구성하는데 편의상 강성벽체와 연성벽체로 크게 구분되며, 강성벽체는 토압에 의해 변형이 일어나지 않을 만큼 강성이 크다고 가정하여 한계평형상태로 Rankine 또는 Coulomb 토압이론을 적용하여 해석한다. 하지만 실제 굴착현장에서는 흙막이 구조물을 연성벽체로 가정하여 굴착에 따른 벽체의 변위와 토압의 변화를 고려하는 탄소성해석법이 신뢰성이 높은 결과를 보여준다.
(1) 탄소성해석법
탄소성해석법은 외부의 하중에 저항하는 지보재와 굴착면 이하의 저항측압을 효과적으로 구하는 방법이며 지반을 수평지반반력계수를 지닌 스프링모델로 가정하는 방법이다. 탄소성해석은 굴착측의 저항측압은 Hook의 법칙과 같이 변위와 수평지반반력계수로 표현되며 저항측압은 극한 수동측압을 초과하지 않는다.
(2) 탄소성모델링
탄소성보법에서 흙막이 벽체는 탄성보, 지보재는 탄성스프링, 그리고 지반은 탄소성 스프링으로 모델링하여 탄성보에 초기토압을 가하여 발생하는 변위를 계산하고 그 변위에 상응하는 지반의 탄소성 상태를 판단한 후 토압을 보정하여 다시 변위를 계산하는 반복과정을 통하여 흙막이 벽체의 변위, 응력 및 지보재의 반력을 계산하는 해석법이다. 배면측과 굴착전면측의 토압의 차이를 하중으로, 벽체를 보로 보고 강성도 행렬법에 의한 해석을 한다.
(3) 해석흐름도
5. 유한요소해석
(1) 해석방법의 개요
유한 요소법은 연속체를 절점으로 연결된 작은 하나의 요소로 분할하여 복잡한 구조물을 해석하는 기법이다. 각 요소에 대하여, 요소간의 절점력과 절점 변위의 관계에서 근사 강성도 방정식이 유도되고, 연속보에서 절점에 대하여 처짐 방정식을 풀 수 있듯이 컴퓨터를 이용하여 절점력과 절점 변위의 다원 연립 방정식을 풀 수 있다. 구조물을 간단한 요소로 분할할 수 있다는 기본원리는 모든 형태 또는 복잡한 구조물에 적용할 수 있기 때문에 적당한 컴퓨터 프로그램이 있다면 해석 가능한 구조물의 형태에 대한 논리적 제한은 없다. 결과적으로 유한 요소는 현재 사용할 수 있는 가장 적용성이 좋은 방법이고, 특정 구조물에 대해 단하나의 유용한 방법이다.
(2) 프레임요소
부재가 공간적으로 결합해서 구성되어 있는 것으로 그림과 같은 일반적인 구조물이 이에 해당한다.
(3) 해석흐름도
CoSTA의 주요기능
1. 초기화면
CoSTA 프로그램(Coner STrut Analysis)은 흙막이 벽체 및 구조물을 3차원으로 표현하기 위해서 입력된 벽체 및 구조물의 제원 데이터로부터 3차원 형태의 프레임형식으로 자동 모델링하여 구조해석을 실시한다. 굴착작업을 실행함에 있어 지반의 탄소성 상태를 파악하여 토압을 보정할 수 있도록 하였다. 해석결과 또한 그래픽을 이용한 3차원 형식으로 표현이 가능하도록 개발되었다.
화면은 정보트리, 화면(뷰), 메뉴, 제어판으로 구성되어 있다. 세부적인 화면구성은 다음과 같다.
2. 데이터베이스
말뚝, 띠장, 스트러트의 재질과 단면정보를 데이터베이스의 형태로 제공하며 새로운 단면에 대한 추가 및 수정작업을 실행할 수 있다.
3. 탄소성해석 및 구조해석
패턴 마법사를 이용해서 생성된 지반과 구조물 정보 등을 이용해서 생성된 유한요소모델링 정보와 굴착정보를 이용해서 굴착된 흙막이 벽체에 대한 탄소성해석을 실행한다. 해석결과토압을 유한요소의 외력으로 작용시켜 구조해석을 실시한다.
4. 패턴마법사
현재의 프로젝트에 적용할 패턴을 선택하여 데이터를 입력할 수 있도록 한다.
5. 3D 화면
데이터를 3차원으로 볼 수 있는 화면으로 앵커와 절점요소 그리고 링크요소를 표현할 수 있다. 링크의 경우는 사용 부재의 모양에 맞게 실제의 모습과 같이 표현이 가능하다. 굴착깊이를 설정하여 지반의 굴착상태를 표현할 수 있다. 3D 화면 우상단에는 나침반이 있어서 현재 3D 화면에서의 방위나 기준축에 대한 회전량을 표시해준다. 도넛모양의 띠의 좌우상하에는 방위를 나타내는 N, W, S, E 가 표시되어 있고, 타원모양의 가운데에는 지반모델링을 의미하는 정육면체가 있으며 각 면에는 TOP, BOTTOM, LEFT, RIGHT, BACK, FRONT가 표시되어 있어 확대나 축소하여 보는 경우 현재 보고 있는 시선의 방향을 쉽게 파악할 수 있다.
참고자료
개발 관련 세부내용은 아래의 문서를 다운로드하여 참고하시기 바랍니다.
