개 요
XPile은 Windows 용 횡 방향 및 연직 방향에 대한 비선형 (p-y curve) 말뚝해석 프로그램 입니다.
본 프로그램은 모멘트, 수평하중, 축하중을 받고 있는 말뚝을 해석하는데 아주 유용한 프로그램입니다.
지반을 Winkler 스프링 모델로 치환하여 말뚝의 변위, 전단력, 휨모멘트, 지반반력등을 계산한다.
프로그램에 사용되는 입력데이터형식은 전자문서의 표준인 XML형식을 따르고 있으며, 결과를 한글화일로 출력하고 수치해석결과를 그래프를 사용하여 시각적으로 보여줌으로써 사용자 편의를 극대화하였다.
본 프로그램은 강관 말뚝을 포함하여 모든 말뚝타입을 처리할 수 있습니다.
XPILE PLUS 프로그램 하나로 단독말뚝과 군말뚝해석을 따로 따로 하실 필요가 없습니다. 두가지 해석을 하나의 프로그램으로 끝낼수있습니다.
주요 특징
1. 외말뚝과 무리말뚝의 해석기능 통합(2 in 1)
XPILE은 외말뚝과 무리말뚝해석을 하나의 프로그램으로 가능하다. 기존에는 단독말뚝과 무리말뚝의 경우에 해석을 하기 위해서 몇 가지 프로그램을 사용해야 하므로 기술자들에게는 2배 이상의 노력이 필요하다.
2. 비선형 또는 선형해석 가능
XPILE은 말뚝해석에 있어서 가장 중요한 부분인 말뚝과 지반과의 관계를 선형또는 비선형으로 해석할수가 있습니다.
3. 데이타작성단계에서 마법사 기능 제공
XPILE은 사용자가 프로그램을 사용하는데 있어서 좀더 편리하고 능률적인 작업을 할 수 있도록 특수기능을 제공한다. 본 프로그램은 3차원을 기본으로 하기 때문에 데이타의 입력을 쉽게 할수있도록 마법사를 사용하여 더욱더 편리하게 데이타를 작성할 수 있다.
4. 국내해석법(도로교시방서) 제공
XPILE은 우리나라에서 적용하고 있는 도로교시방서의 해석법을 제공한다. 기존 해석프로그램은 국내의 설계기준에 대한 배려가 없으므로 국내기준에 대한 해석을 위해서 별도의 방법으로 해석함으로 인해 이중으로 투자와 노력을 하여야한다.
5. 하중전이 특성을 다양하게 적용가능
XPILE은 수평하중및 축하중에 대한 여러가지 하중전이함수를 제공하여 설계자가 최적의 설계를 할수있도록 도와준다. 수평하중과 변위(p-y)는 11 종류, 주면하중과 변위(t-z)는 7 종류, 선단하중과 변위(q-z)는 5 종류를 제공한다. 또한 앞으로 계속 추가될 예정이다.
6. 3차원으로 실제모양 완벽히 모델링가능
XPILE은 3차원을 기본으로 하여 개발되었으므로 실제 지반과 말뚝의 배열모양을 완벽히 모델링가능하다.
7. 데이타베이스 채택으로 편리한 데이타입력
XPILE은 XPILE에서는 사용자가 프로그램을 사용하는데 있어서 좀더 편리하고 능률적인 작업을 할 수 있도록 특수기능을 제공한다. 이러한 기능으로 데이터베이스기능을 들 수 있다. 지반에 설치된 말뚝을 해석할 때 종종 자주 사용하는 말뚝과 지반이 있다. 그런데 이러한 내용을 매번 해석할 때마다 새롭게 입력을 한다는 것은 매우 비능률적이고 실수를 할 가능성이 있다. 따라서 이러한 불편한 점을 보완하기 위해서 데이터베이스를 이용하여 입력을 한다.
8. 기존 프로그램의 해석결과와 완전일치
XPILE은 기존 프로그램에 대한 테스트결과 결과값이 거의 완벽하게 일치한다.
주요 기능
1. 해석법의 종류
XPILE PULS은 다음과 같이 다양한 해석법을 제공한다.
| 해석법 | Chang | Hetenyi | p-y | 변위법(도로교) | 비고 |
|---|---|---|---|---|---|
|
단독말뚝 |
○ |
○ |
○ |
– |
다양한 p-y 곡선 |
|
무리말뚝 |
○ |
○ |
○ |
○ |
단독말뚝 거동에 따라 |
2. 주요 기능
XPILE PLUS은 해석에 도움을 줄 수 있는 다음과 같은 기능을 제공합니다.
2.1 데이터베이스
2.2 선형, 비선형 해석법
2.3 하중전이
2.4 데이터 유효성검사
2.5 향상된 그래픽 성능
2.6 HTML/XML 데이터입력방식
2.7 마법사의 사용
2.8 그래픽적인 결과 출력
2.9 다양한 비선형 해석법
2.10 국내해석법 적용
2.11 보고서 출력
2.12 다양한 해석법의 동시 해석
3. 기타 프로그램과의 비교
XPILE PLUS은 개발 당시 출시된 타사의 프로그램과 비교한 결과를 정리하면 다음과 같습니다.
| 종류 | PGROUP/PC-GROUP | Piglet/PC-MPILE | DEFPIG | FB_Pier | GROUP | Repute | XPILE |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
최근버전 |
3.0(1981) |
1.5(2000) |
1.6(1990) |
3.0(2002) |
5.0(2000) |
1.0(2002) |
2.0(2003) |
|
해석방법 |
BEM |
– |
BEM |
Winkler Spring |
Winkler Spring |
BEM |
Winkler Spring |
|
최대말뚝수 |
200 |
300/100 |
36 |
2500 |
100 |
100 |
No Limit |
|
다층여부 |
2 only |
○ |
○ |
○ |
○ |
○ |
○ |
|
3D |
× |
○ |
× |
○ |
○ |
○ |
○ |
|
비선형해석 |
× |
× |
× |
p-y |
p-y |
hyperbolic |
p-y |
|
선형해석 |
○ |
○ |
○ |
× |
× |
× |
○ |
|
대칭형말뚝배열 |
× |
○ |
× |
○ |
○ |
○ |
○ |
|
말뚝길이 변화 |
○ |
× |
× |
○ |
○ |
○ |
○ |
|
기초자체변위 |
× |
○ |
○ |
○ |
× |
× |
× |
|
말뚝두부조건
(힌지/구속) |
×/○ |
○/○ |
○/○ |
○/○ |
○/○ |
○/○ |
○/○ |
|
지원운영체제 |
DOS |
DOS |
DOS |
Windows |
Windows |
Windows 9x/NT4/2000/XP |
Windows 9x/NT4/2000/XP |
|
유저인터페이스 |
Command |
Text |
Command |
GUI |
GUI |
Notebook |
Notebook/GUI |
|
데이타유효검사 |
× |
○ |
× |
○ |
○ |
○ |
○ |
|
결과표현 |
Text |
Text |
Text |
Text |
Graph |
Graph |
Text/Graph |
|
HTML/XML |
× |
× |
× |
× |
× |
○ |
○ |
|
하중전이(t-z/q-z) |
×/× |
×/× |
×/× |
○/× |
○/× |
×/× |
○/○ |
해석방법
1. XPILE PLUS 이론적 배경
1.1 수평하중을 받는 말뚝
수평하중을 받는 말뚝은 말뚝과 지반 중 어느 것이 움직이는 주체인가에 따라 주동말뚝(active pile)과 수동말뚝(passive pile)의 두 종류로 대별할 수 있다.
1.2 주동말뚝 이란?
주동말뚝은 말뚝이 지표면상에 기지의 수평하중이나 모멘트 등의 외력을 받는 경우이다. 그 결과로 말뚝이 변형함에 따라 말뚝주변지반이 저항하게 되고 이 저항으로 하중이 지반에 전달된다. 이 경우에 있어서는 말뚝이 움직이는 주체가 되어 먼저 움직이게 되고 말뚝의 변위가 주변지반의 변형을 유발시키게 된다. 주동말뚝은 말뚝의 극한수평저항력보다 훨씬 적은 수평하중상태하에서 말뚝의 수평변위가 구조물의 안정상 위험한 한계치에 도달하게 되는 경우가 많다. 따라서 이러한 경우의 주동말뚝에 대해서는 주어진 하중에 관한 말뚝의 거동을 해석하여 보아야만 할 것이다.
1.3 주동말뚝 종류
주동말뚝의 구체적인 예를 열거하면 다음과 같다.
(1) 교대기초말뚝
(2) 해양구조물기초말뚝
(3) 항만구조물기초말뚝
(4) 지진시의 구조물기초말뚝
(5) 기타주동말뚝
1.4 주동말뚝의 해석법
(1) 지반반력해석법(Subgrade reaction approach)
(2) 비선형해석(p-y 곡선)
(3) 탄성해석법(Elastic approach)
2. 말뚝해석에 사용한 방법
2.1 지반 반력해석법
(1) Chang의 방법
수평지반반력계수가 일정한 단일층에 사용
B.E.M(Bounddary Element Method) :=> Bowel의 방법
(2) Hetenyi의 방법
축하중을 고려가능
(3) 유한차분해석
미분방정식을 유한차분의 형식을 사용하여 해석수행, 따라서 지반계수가 변화하는 다층에 적용가능하다.
2.2 비선형 탄성해석법(p-y곡선)
수평하중을 받는 말뚝의 지반거동은 p-y 곡선을 적용하였으며, 여기에 적용된 p-y 곡선의 형태는 다음과 같다.
① Softclay – Reese
② Stiffclay – Reese
③ 사질토 – Reese
④ c-Φ지반 – Reese
⑤ Oneal
⑥ Kondner
3. 기본이론
3.1 개요
기초에 설치된 말뚝은 수평하중과 축하중을 동시에 받는 구조가 되는데 이 경우 기초에 설치된 말뚝을 해석할 때 말뚝은 기초에 설치된 스프링으로 보고 해석한다. 즉, 각각의 말뚝에 작용하는 수평하중과 축방향하중에 의해 발생하는 변위와의 비를 이용하여 스프링을 구성한다. 일반적으로 스프링은 탄성으로 해석하는데 본 해석프로그램에서는 수평하중과 축방향 하중에 의해 발생하는 변위가 비선형거동을 하기 때문에 이에 대한 고려를 하기 위해서 하중전이해석을 도입하였다.
3.2 수평방향 하중을 받는 말뚝의 해석방법
단독말뚝과 무리말뚝의 해석에 대한 이론은 이미 오래 전부터 사용이 되어왔으며 컴퓨터의 발달과 함께 성장하여 왔다. 수평하중을 받는 주동말뚝의 대표적인 해석법으로는 지반반력법과 탄성해석법이 사용된다. 특히, 이러한 형태의 말뚝구조물 해석은 지반과 말뚝사이의 상호작용과 매우 깊은 관련이 있으며 지반과 말뚝의 상호작용을 어떻게 보느냐에 따라서 비선형해석과 선형해석으로 나누어 진다. 선형탄성해석법으로는 Chang이 제안한 방법이 있으며 대표적인 비선형해석법으로는 p-y해석법이 있다. p-y법의 특징은 지반과 말뚝의 관계에 따라서 지반반력과 수평변위의 관계를 나타내는 p-y곡선을 구하여 그 하중전이 특성을 파악할 수 있다.
3.3 축방향 하중을 받는 말뚝의 해석방법
수직하중을 받는 경우에는 수평방향 하중을 받는 말뚝에서 사용한 p-y곡선처럼 주면마찰력과 수직변위의 관계를 나타내는 t-z곡선과 선단지지력과 선단변위의 관계를 나타내는 q-z곡선으로 하중전이특성을 파악할 수 있다. 이러한 말뚝거동을 나타내는 곡선을 하중전이함수라고 한다.
3.4 무리말뚝의 해석방법
가. 기본가정
1. 말뚝캡은 강성으로 변형이 생기지 않는다.
2. 말뚝을 해석함에 있어서 횡방향 하중에 대한 해석과 축방향 하중에 의한 해석은 서로 독립적으로 생각을 한다.
나. 무리말뚝의 해석흐름도
1. 기초의 변위(δ)를 가정한다.
2. 기초의 변위로부터 말뚝좌표계에서의 개개 말뚝의 변위(ε)를 결정한다.
3. 각 말뚝의 변위를 경계조건으로 해서 단독말뚝의 두부에 작용하는 수평력과 모멘트를 구한다.
4. 전 단계에서 구한 개개 단독말뚝의 수평력과 축력 모멘트의 합(P’)을 구한다.
5. 무리말뚝에 실제로 작용한 하중과 전단계에서 구한 힘과의 차이(ΔP)를 구한다.
6. 강성매트릭스(S)를 구한다.
7. 강성매트릭스 역행렬(S-1)과 ΔP를 곱해서 Δδ를 구한다.
8. δ = δ + Δδ로 새로운 무리말뚝변위를 가정한다.
9. Δδ가 허용범위안에 들어 올 때까지 반복하여 계산한다.
3.5 다양한 하중전이함수
수평하중을 받는 말뚝기초의 거동을 분석하기 위해서 지반반력과 수평변위의 관계를 나타내는 p-y곡선을 구하여 그 하중전이 특성을 파악할 수 있다. 또한 수직하중을 받는 경우에는 주면마찰력과 수직변위의 관계를 나타내는 t-z곡선과 선단지지력과 선단변위의 관계를 나타내는 q-z곡선으로 하중전이특성을 파악할 수 있다. 이러한 말뚝거동을 나타내는 곡선을 하중전이함수라고 한다. 아래는 프로그램에서 제공하는 다양한 하중전이 함수를 나타낸 것이다.
고객지원
XPile Plus Ver 2.0 For Windows! : 말뚝 횡방향 단독말뚝/군말뚝 수평변위, 하중전이해석 프로그램의 고객지원은 개발사 홈페이지[ 건설엔지니어링그룹 : http://www.ceg4u.com ]를 통하여 다양한 형식의 고객지원을 수행한다. 단순한 말뚝해석 데이타 고객지원을 하는 체계가 아닌 이 해석 데이타를 이용하여 이루어지는 각종 공학적인 문제를 해결할 수 있는 고객지원이 될 수 있도록 되어 있다.
사용환경
① 개발언어 : Delphi 2007, XE2
② 개발운영체제 : Windows 7
③ 개발 그래픽 해상도 : 1280 X 1024
④ 사용가능 운영체제 : Windows 호환운영체제(XP, Vista, 7, 8)
⑤ 사용가능 그래픽 해상도 : 최소 1280 X 1024 이상, 권장 1280 X 1024
참고자료
제품에 대해 더 자세한 사용방법을 알고 싶은 분은 아래의 자료을 다운받아 사용하시기 바랍니다.
XPile Plus Ver 2.0 For Windows! : Group Pile