동파력을 고려한 콘크리트 유공케이슨의 피로 안전성 해석 = Fatigue Analysis of Concrete Slit-caisson with a Consideration of Dynamic wave force

국문 초록 (Abstract)

최근 항만 기술의 발전, 급격한 글로벌화의 진전으로 인한 제조 및 물류활동의 증가로 허브항의 필요성이 증가되고 있다. 우리나라는 삼면이 바다로 둘러싸여있는 지정학적으로 반도 국가이기 때문에 물류중심의 허브로 각광받으면서 현재 많은 항만들이 건설 중이거나 계획 중에 있다. 항만구조물은 중요한 사회간접시설물이며 그 중요성이 날로 증가하는 구조물로써 태풍, 지진 등의 이상기후로 인하여 발생한 반복적인 파랑 하중으로 인해 항만 구조물의 피로에 대한 문제가 제기되고 있다.
공학 구조물에서 발생하는 파괴의 80% 이상이 피로에 의한 것이므로 피로 해석은 모든 공학 구조물의 설계에 필수적인 항목으로 간주되고 있다. 따라서 항만구조물은 예상되는 최대하중에 따라 설계할 뿐만 아니라 예상 가동기간 중 반복적으로 가해지는 하중에 의한 피로파괴(Fatigue Failure)로부터 안전하게 설계되어야한다.
항만구조물 중에서도 방파제는 바다의 파랑을 막아 항내 정온도를 확보하는 구조물이다. 이러한 방파제 구조물은 해상상태에 직접 노출되어있어 파압의 작용으로 인해 파괴에 직접적인 요소로 작용하기 때문에 파압의 분포를 정확히 산정하는 것은 중요한 일이다. 그러나 항만구조물의 경우 파력산출시 기존의 실험식에 의존하여 파력을 산출하므로 피로해석을 수행하기에는 어려움이 따른다.
이를 위해 수치파동수로 CADMAS-SURF 프로그램을 이용하여 방파제구조물에 작용하는 동파압을 산정하였다. 이것은 자유수면에 대해 VOF(Volume of Fluid) 방법을 적용하고, 난류모델과 Porous model 등을 적용하고 있기 때문에 지금까지 수치 계산으로는 재현하기 어려웠던 쇄파상황이나 쇄파이후의 재생파랑, 월파 등의 재현이 가능하고 경사방파제나 소파블록 등과 같이 공극을 갖는 구조체 내부에서의 수리특성도 나타낼 수 있다.
따라서 본 연구는 항만구조물에 작용하는 동파력을 CADMAS-SURF 프로그램을 이용하여 산정하여 동적하중으로 재하하여 ANSYS/Workbench를 이용하여 유한요소해석을 수행한 후 콘크리트 유공케이슨 구조물의 동접응답(응력)으로부터 구조 안전성 및 피로 안전성에 대해 비교·분석하는데 그 목적이 있다.

목차 (Table of Contents)

• 차 례
• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구의 배경 및 목적 1
• 1.2 연구의 내용과 범위 2
• 제 2 장 피로해석의 방법 및 기준 4
• 2.1 피로해석 방법 4
• 2.1.1 Stress-Life 피로해석 4
• 2.1.1.1 S-N선도 5
• 2.1.1.2 평균 응력(Mean Stress Effect) 5
• 2.1.2 Strain-Life 피로해석 6
• 2.1.2.1 S-N선도 6
• 2.1.2.2 평균 응력(Mean Stress Effect) 6
• 2.2 피로성능기준 7
• 2.2.1 국내기준 7
• 2.2.1.1 콘크리트구조 설계기준(한국콘크리트학회, 2007) 7
• 2.2.1.2 철도설계기준(대한토목학회, 2004) 8
• 2.2.1.3 고속철도설계기준(한국철도시설공단, 2007) 9
• 2.2.2 해외기준 11
• 2.2.2.1 미국 기준 11
• 2.2.2.2 일본 기준 11
• 2.2.2.3 유럽 기준 12
• 제 3 장 동파력에 의한 구조물의 안전성 해석 18
• 3.1 케이슨의 안전성 해석 18
• 3.1.1 케이슨의 유한요소모형 19
• 3.1.2 케이슨의 물성치 22
• 3.1.3 수치파동수로 CADMAS-SURF 22
• 3.1.4 해석시 고려사항 27
• 3.2 케이슨의 안전성 해석 결과 27
• 3.2.1 케이슨의 구조안전성 해석 결과 28
• 3.2.2 케이슨의 피로안전성 해석 결과 31
• 제 4 장 결론 43
• 참고문헌 45
• 표 차 례
• 표 2.1 충격을 포함한 사용 활하중에 의한 철근 및 긴장재의 응력범위 8
• 표 2.2 콘크리트 구조물 피로해석 code 17
• 표 3.1 케이슨 안전성 및 피로해석 흐름도 19
• 표 3.2 콘크리트의 물성치 22
• 표 3.3 철근의 물성치 22
• 표 3.4 실험파랑 제원 24
• 표 3.5 각 구역별 최대 압축 응력 30
• 표 3.6 최대압축응력 39
• 표 3.7 케이슨의 각 구역별 피로 수명 40
• 표 3.8 최대인장응력 41
• 표 3.9 식 2.5에 의한 계산 결과 42
• 그 림 차 례
• 그림 3.1 콘크리트 케이슨의 표준단면도 20
• 그림 3.2 콘크리트 케이슨의 유한요소 모형 20
• 그림 3.3 케이슨 내부 형상 21
• 그림 3.4 케이슨의 하부의 내부 형상 21
• 그림 3.5 수치파동수로 해석 25
• 그림 3.6 파압측정위치 25
• 그림 3.7 50년 빈도 설계파, 규칙파 26
• 그림 3.8 케이슨의 해석 결과 검토부 28
• 그림 3.9 Normal stress in the x-direction 29
• 그림 3.10 Normal stress in the y-direction 29
• 그림 3.11 Normal stress in the z-direction 29
• 그림 3.12 Total deformation 30
• 그림 3.13 x방향 각 부분의 최대압축응력(파고 5.5m) 31
• 그림 3.14 y방향 각 부분의 최대압축응력(파고 5.5m) 32
• 그림 3.15 z방향 각 부분의 최대압축응력(파고 5.5m) 32
• 그림 3.16 x방향 각 부분의 최대압축응력(파고 7.5m) 33
• 그림 3.17 y방향 각 부분의 최대압축응력(파고 7.5m) 34
• 그림 3.18 z방향 각 부분의 최대압축응력(파고 7.5m) 34
• 그림 3.19 x방향 각 부분의 최대압축응력(파고 9.5m) 35
• 그림 3.20 y방향 각 부분의 최대압축응력(파고 9.5m) 36
• 그림 3.21 z방향 각 부분의 최대압축응력(파고 9.5m) 36
• 그림 3.22 x방향 각 부분의 최대압축응력(파고 11.5m) 37
• 그림 3.23 y방향 각 부분의 최대압축응력(파고 11.5m) 38
• 그림 3.24 z방향 각 부분의 최대압축응력(파고 11.5m) 38
• 그림 3.25 DNV code S-N곡선 및 해석 결과 40