지반굴착 해석모델에 따른 변위거동에 관한 연구

정지승(Jeeseung Chung),신영완(Youngwan Shin),김만화(Manhwa Kim),국윤모(Yunmo Kook),정규경(Kyukyung Jeong),김필수(Pilsoo Kim),이상환(Sanghwan Lee) 한국지반환경공학회 2018 한국지반환경공학회논문집 Vol.19 No.4

제한된 토지의 효율적인 활용을 위해 과거로부터 지하공간 개발에 따라 수많은 지반굴착 공사가 이루어져 왔다. 지반굴착은 굴착면 주변지반의 응력변화와 변위를 수반함에 따라 굴착면의 안정성에 영향을 미치게 되어 지반거동에 대한 영향을 예측하는 것이 매우 중요한 문제이다. 이러한 영향 예측을 위한 방법으로 수치해석방법이 주로 이용되며, 최근 컴퓨터 성능 향상과 더불어 수치해석 프로그램의 발달로 매우 복잡한 문제도 적용이 가능해졌다. 그러나 일부 특수해석을 제외하고 대부분 해석모델을 산정 및 적용이 간편한 Mohr-Coulomb 해석모델을 적용함에 따라 굴착면 바닥부에서 실제보다 큰 변위가 발생하는 것으로 예측되어 필요 이상의 보강이 이루어지는 문제점이 발생한다. 본 연구에서는 지반굴착 과정을 모사하여 수치해석을 수행하였으며, 해석모델로 Mohr-Coulomb, Modified Mohr-Coulomb, Duncan-Chang, Hardening Soil 해석모델을 적용하여 그 결과를 비교분석하였다. 본 연구는 수치해석을 통한 지반굴착 문제해결 시 다양한 지반굴착 조건별로 적합한 해석모델 선정을 위한 기초자료로 활용될 것으로 기대된다. There were many ground excavation projects from past to present to make effective use of the limited land. And it is very important to predict the ground behavior depending on construction stage for ground excavation. Excavation of the ground involves changes in the stress and displacement of the ground around the excavated surface. Thus it affects the stability of the adjacent structure as well as the excavated surface. Therefore, it is very important to predict the ground behavior and stability of adjacent structure. And nowadays, numerical analysis methods are most often used to predict the effects of ground excavation. Recent, improvements of numerical analysis programs, along with improved computer performance, have helped solve complicated ground problems. However, except some specialized numerical analysis, most numerical analysis often predicts larger excavation floor displacement than field data due to adopt the Mohr-Coulomb analysis model. As a result, it raise the problem that increasing the amount of support on ground and structure. In this study, ground behavior analysis depending on analysis model (Mohr-Coulomb, Duncan-Chang, Modified Mohr-Coulomb and Hardening Soil model) has been carried out through the numerical analysis. When numerical analysis is carried out, this study is expected to be used as a basic data for adopting a suitable analysis model in various ground excavation project.

고전계 응답 공간 전하 거동의 다중 물리 해석 및 수치 안정화 기법

이호영 국제차세대융합기술학회 2021 차세대융합기술학회논문지 Vol.5 No.4

본 연구에서는 단극성 전하 모델에서 전하 주입에 의한 공간 전하 전파 해석을 위해 전계-전하수송장으로 구성된 다중 물리계를 수학적으로 모델링하고, 수치 안정화 기법을 도입하여 양방향 다중물리 연성 수치해석법을 제안하였다. 수치해석은 2차원 평행 평판 전극 사이에 유전체가 존재하는 전기수력학적 모델을 선정하여 진행하였다. 고전계가 인가된 전극으로 전하가 주입되고, 유전체 내 단극성 공간 전하가 드리프트와 확산에 의해 거동하는 다물리 메커니즘을 수치해석으로 분석하였다. 인공 확산항을 도입하여 수치적 불안정성을 극복하였고, 기존 문헌에서 제안한 이론해와 비교하여 수치해석법의 타당성을 검증하였다. 유한요소법 기반의 양방향 다중물리 결합 해석은 기체, 유체, 고체 방전분야에서 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 다양한 공학분야에서 다물리계 해석에서 활용할 수 있는 유용한 수치해석기법이다. In this study, for the analysis of space charge propagation by charge injection in a single charge model, a multi-physical system composed of an electric-charge transport field was mathematically modeled, and a bidirectional multi-physics coupled numerical analysis method was proposed by introducing a numerical stabilization technique. The model for numerical analysis was carried out by selecting an electro-hydrodynamic model in which a dielectric exists between two-dimensional parallel plate electrodes. The multi-physical mechanism in which electric charges are injected into the electrode to which a high electric field is applied and the unipolar space charge in the dielectric behaves by drift and diffusion was analyzed by numerical analysis. The numerical instability was overcome by introducing an artificial diffusion term, and the validity of the numerical analysis method was verified by comparing it with the theoretical solution proposed in the previous literature. The bidirectional multi-physics coupling analysis based on the finite element method is a useful numerical analysis technique that can be applied not only in gas discharge, fluid discharge, and solid discharge fields, but also in multi-physics analysis in various engineering fields.

수소용강의 소형펀치 시험동안 노치 시험편의 수치해석

민은수(Eun-Su Min),조재원(Jae-Won Cho),신형섭(Hyung-Seop Shin),백운봉(Un-Bong Baek) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.06

금속재료의 역학 물성 평가 시, 시험편 형상의 변화에 따른 소재의 거동은 통상 수치해석을 통한 응력장 분포 해석을 기반으로 그 영향을 실제 시험과의 유사성 확인, 결과 검토 등이 이루어지고 있다. 재료 열화 평가 시험의 하나로 최근 주목받고 있는 소형펀치(SP) 시험은 시편에 압축 하중을 가하여 탄소성 굽힘 변형을 가진 후 파괴에 도달하는 관계로 시험 특성상 수치해석을 통해 직접 얻기 어려운 특성화 관련 지점에서의 응력 분포와 변위를 계산하고 있다. 실제로 수치해석을 통해 SP 시험 시 STS316L 강의 하중-변위 선도를 모사하여 그 결과로부터 각 지점에서 계산한 응력과 연신율을 바탕으로 실험 결과와 검토할 수 있었다. 본 연구에서는 노치를 도입한 SP 시험편을 사용하여 소형펀치 시험에 의한 변형 및 파괴 거동을 모사하기 위해 수치해석을 수행하였다. 사용한 S/W는 ANSYS Workbench 2020 R2 버전이다. 10×10×t0.7mm의 시험편에 노치는 U 자형, 노치 깊이 0.2mm, 노치 반경 0.15mm 로 하였다. 노치부는 통상 3 축 응력이 걸리기 때문에 3 차원 해석을 실시하였다. 재질을 STS316L 강으로 하였다. 이 때 강구와 시편 사이에 작용하는 마찰계수는 0.2 로, 강구의 펀치속도 1.0 mm/min으로 하여 변위 2.5mm 도달 시까지 연속적으로 응력 분포를 계산하였다. 또한 노치부에서 걸리는 응력집중계수를 계산하기 위해 펀치속도 0.1 mm/min에서 시험초기 탄성 변형 구간 해당하는 영역에서 해석을 수행하였다. 노치선단에서 소성변형이 발생하면 노치가 무뎌지는 것을 알 수 있었다. 또한 노치 도입의 유무에 따른 시험편 노치부 주변의 응력 분포와 하중-변위 선도를 비교하였다. When evaluating the mechanical properties of a metallic material, the behavior of the material according to the change in the shape of the specimen is usually affected by the analysis of the stress field distribution through numerical analysis, checking the similarity with the actual test, and reviewing the results. As one of the material property evaluation tests, the small punch (SP) test, which has recently received attention, has an elastic-plastic bending deformation by applying a compressive load to the specimen and then reaches the final fracture; The stress distribution and displacement at characterization-related points, that are difficult to obtain directly due to the geometric feature of the SP test, are calculated through numerical analysis. Actually, through numerical analysis, the load-displacement curve of STS316L steel was simulated during the SP test, and the elongation calculated at the fracture point could be compared with the experimental result. Therefore, in this study, numerical analysis was performed to simulate the deformation and fracture behavior of the notched specimen using the SP test. The S/W used is ANSYS Workbench 2020 R2 version. In the specimen of 10×10×t0.7mm, the notch was U-shaped, the notch depth was 0.2 mm, and the notch radius was 0.15 mm. Since the notch portion is usually subjected to triaxial stress state, a three-dimensional analysis was performed. The specimen was made of STS316L steel. At this time, the coefficient of friction between the steel ball and the specimen was 0.2 and the punch velocity was 1.0 mm/min, and the stress distribution was continuously calculated until the displacement reached 2.5 mm. In addition, in order to calculate the stress concentration factor applied to the notch, the analysis was performed in the region corresponding to the elastic deformation during the test at 0.1 mm/min of punch velocity. It can be seen that when plastic deformation occurs at the notch tip, it showed and the notch becomes dull. In addition, the stress distribution around the notched part of the specimen and the load-displacement curve were compared depending on with/without the notch.

터널굴착이 인근의 단독말뚝에 미치는 영향

이철주(Lee Cheol Ju),전상현(Jun Sang Hyun),유남재(Yoo Nam Jae) 대한토목학회 2007 대한토목학회논문집 C Vol.27 No.2

본 연구에서는 단독말뚝 주변에서 실시되는 터널의 굴착에 의해 지반 및 말뚝에 미치는 영향을 3차원 수치해석을 통하여 분석하였다. 수치해석은 국내의 일반적인 지반조건인 풍화토 및 풍화암에 시공된 터널과 말뚝의 상호거동을 대상으로 분석을 실시하였다. 수치해석을 통해 지반, 말뚝의 침하거동 및 말뚝의 축력변화를 분석하였다. 특히, 터널굴착에 의한 말뚝의 겉보기 지지력 변화를 고찰하였다. 수치해석결과에 의하면 잘 알려진 Gaussian 침하분포식으로는 지반침하 경향을 예측하기 어려운 것으로 나타났다. 터널굴착에 의한 말뚝선단 하부지반의 응력감소로 인하여 말뚝에 침하가 발생하고, 이에 의해 말뚝­지반의 경계면에서의 전단응력의 분포가 변하게 된다. 수치해석을 통해서 터널굴착이 말뚝 거동에 미치는 영향을 상세하게 분석하였다. A series of three-dimensional (30) numerical analyses have been conducted to study the effects of tunnelling on the adjacent single pile. In the numerical analyses the interaction between the tunnel and the pile constructed in weathered soil and rock, representing typical ground condition of Korea, has been analysed. The study includes ground settlement trough, pile settlement, axial forces and shear stresses on the pile. In particular, the change of apparent pile capacity related to the tunnel advancement based on the load-settlement relation has been analysed. The numerical modelling results show that the settlement trough might not be represented by the well-known Gaussian distribution. Due to the reductions in vertical stress below the pile tip and settlement of the surrounding ground, pile settlement was induced, thereby changing shear transfer mechanism at the pile-soil interface. Some insights into the pile behaviour under the influence of tunnelling obtained from the numerical analyses will be reported and discussed.

Soil slip을 고려한 터널굴착에 의한 단독말뚝의 거동연구

이철주(Lee Cheol-Ju) 한국지반환경공학회 2009 한국지반환경공학회논문집 Vol.10 No.5

본 연구에서는 단독말뚝의 주변에서 실시되는 터널의 굴착이 지반 및 말뚝에 미치는 영향을 3차원 수치해석을 통하여 분석하였다. 수치해석에서는 말뚝과 주변지반 사이에 경계면요소를 이용하여 소성항복 발생조건을 모델링하였다. 수치해석을 통하여 풍화토 및 풍화암에 시공된 터널과 말뚝의 상호거동에 대한 분석을 실시하였다. 수치해석을 통해 말뚝의 침하, 말뚝과 지반 경계면에서의 상대변위, 전단응력 및 말뚝의 축력변화를 분석하였다. 특히 터널의 굴착과 관련된 전단응력의 전이과정에 대한 심도있는 분석을 실시하였다. 터널굴착에 의한 말뚝-지반 경계면에서 상대변위의 변화로 인하여 말뚝에 작용하는 전단응력 및 축력의 분포가 변하게 된다. 말뚝 본체 대부분에서는 상향의 전단응력이 발생하는 반면(Z/L=0.0-0.8), 말뚝선단부근에서는(Z/L=0.8-1.0) 하향의 전단응력이 발생하여 말뚝에 인장력이 발생된다. 수치해석을 통해서 터널굴착이 말뚝 거동에 미치는 영향을 상세하게 분석하였다. Three-dimensional (3D) numerical analyses have been conducted to study the behaviour of a single pile to tunnelling. The numerical analysis has included soil slip at the pile-soil interface. In the numerical analyses the interaction between the tunnel and the pile constructed in weathered soil and rock has been analysed. The study includes the pile settlement, the relative shear displacement between the pile and the soil and the shear stresses at the interface and the axial force on the pile. In particular, the shear stress transfer mechanism at the pile-soil interface related to the tunnel advancement has been rigorously analysed. Due to changes in the relative shear displacement at the pile-soil interface during the tunnel advancement, the shear stress and the axial force distributions along the pile have been changed. Upward shear stress developed at most part of the pile (Z/L=0.0-0.8), while downward shear stress is mobilised near the pile tip (Z/L=0.8-1.0) resulting in tensile force on the pile, where Z is the pile location and L is the pile length. Some insights into the pile behaviour to tunnelling obtained from the numerical analyses will be reported and discussed.

역해석기법을 이용한 앵커지지 흙막이벽체의 수치해석

우제일,정대석 한국재난정보학회 2020 한국재난정보학회 논문집 Vol.16 No.1

연구목적: 본 연구에서는 수치해석을 통한 역해석기법을 이용 현장변위예측관리기법을 보완하는 안전 관리 방안에 대한 연구를 수행하였다. 연구방법: 역해석기법을 이용하여 유한요소해석 기반인 MIDAS GTS/NX 프로그램을 이용 해석을 수행하였다. 붕괴현장의 계측데이터와 변위 경향을 가능한 근접시킨 뒤, 붕괴원인을 추정 후 붕괴방지 공법을 적용하였다. 연구결과: 역해석을 수행하여 얻은 결과물중 하 나인 지반정수로 붕괴원인을 추정한 결과 앵커의 자유장 길이 불충분으로 확인 되었고, 붕괴방지 공법 으로 앵커의 자유장 길이를 변화시켰으며, 변위가 현저히 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 결론: 역해 석기법을 현장관리에 참고, 붕괴원인을 추정하고 합리적인 붕괴방지 대책을 제시할 경우 붕괴 사고를 줄이는데 도움이 될 것이다. Purpose: In this study, the safety management method supplementing the field displacement prediction management technique was performed using the numerical analysis. Method: The analysis was performed using MIDAS GTS / NX program based on the finite element method (FEM). Approximating the displacement data and displacement trend as close as possible to the collapse site, the collapse prevention method was applied after estimating the cause of collapse. Result: The cause of the collapse was estimated by soil parametar, one of the results obtained by performing the Back-analysis. As a result, it was confirmed that the free length of the anchor was insufficient, and the free length of the anchor was changed by the collapse prevention method, and the displacement was significantly reduced. Conclusion: If Back-analysis technique is used in field management, estimating the cause of collapse and suggesting a reasonable collapse prevention measure will help to reduce collase.

수압파쇄 균열폐쇄압력 산정을 위한 수치해석 연구

최성웅(Sung O. Choi) 한국암반공학회 2011 터널과지하공간 Vol.21 No.2

수직 시추공에 대한 일반적인 수압파쇄시험으로부터 구해지는 균열폐쇄압력은 암반의 최소수평주응력을 직접 나타내기 때문에 현지암반의 응력분포양상을 해석하는데 있어서 매우 중요한 요소이다. 그러나 수압파쇄균열의 거동과 현지암반의 응력분포양상의 관계로 인하여 대부분의 경우 이 균열폐쇄압력은 수압파쇄 압력이력곡선 상에서 애매모호한 값으로 나타난다. 본 연구에서는 수압파쇄시험으로부터 균열폐쇄압력을 산정하기 위하여 여러 연구자들에 의해 제안된 기법들의 특성을 비교해 보고자 수치해석을 실시하였다. 즉, 유체의 가압에 의한 암반 내 균열의 발생이라는 수압파쇄의 특성을 모사하기 위하여 H-M couple 해석을 적용하였으며, 또한 수치해석 모델의 형상학적 특성에 따른 균열의 전파양상을 검토하기 위해 4가지 서로 다른 형태의 요소망을 구축하여 해석을 실시하였다. 각각의 요소망에 대한 수치해석 결과, 그래픽 방법이 통계적 방법에 비해 상대적으로 낮은 수준의 균열폐쇄압력을 보였으며, 따라서 시험공 주변에서의 응력 이상대의 존재 및 복잡한 메커니즘을 수반하는 수압파쇄균열의 발생양상을 감안할 때 수압파쇄시험에 의한 균열폐쇄압력의 산정시 특별한 주의가 요구된다. The shut-in pressure calculated in common hydrofracturing test for vertical borehole equals generally to the minimum horizontal principal stress, so it should be considered as an essential parameter for determining the in-situ stress regime around the rock mass. It shows usually an ambiguous value in pressure-time history curves, however, because of the relationship between the behavior of hydraulic fractures and the condition of remote stress regime. In this study, a series of numerical analyses have been carried out to compare several methods for determining the shut-in pressure during hydrofracturing. The hydraulic-mechanical coupling has been applied to numerical analysis for simulating the fracture propagation by hydraulic pressure, and the different discontinuity geometry has been considered in numerical models to examine the effect of numerical element shape on fracture propagation pattern. From the numerical simulations with the four different discontinuity geometries, it was revealed that the shut-in pressure obtained from graphical methods rather than statistical method was relatively small. Consequently a care should be taken in selecting a method for determining the shut-in pressure when a stress anomaly around borehole and a fracture propagation with complicate mechanism are considered.

실규모의 실험용 대공간에서 연기제어에 대한 수치해석적 분석

김정엽,김지석 한국방재학회 2014 한국방재학회논문집 Vol.14 No.5

Because of higher floor height in a large space where a large volume of smoke reaching to hundreds of thousands CMH(m3/h) is generatedin the event of fire, coupled with difficulties with compartmentation which is important concept in smoke control design, damageto the people by smoke is inevitably increased and thus, the countermeasure to deal with it is a must. This study is intended toevaluate Murcia Atrium Fire Tests performed in Spain and numerical analysis of smoke flow in a real-scale large space was carriedout with same object. As a result of comparing the test and numerical analysis, the numerical analysis approach adopted in this studydemonstrated effective application to smoke flow analysis in a large space. Moreover, numerical analysis was further carried out whilechanging the location of smoke vents and the exhaust flow rate, and consequently smoke concentration appeared to be more dependenton exhaust flow rate than smoke vent location and smoke layer height was determined according to N% rule. 대공간은 화재발생시 높은 층고로 인하여 수십만 CMH(m3/h) 규모의 연기가 발생하고 연기제어 설계의 중요한 개념인 국한화가 곤란하기 때문에 연기로 인한 인명피해의 위험도가 증가하므로 이에 대한 대응책의 제시가 필요하다. 본 논문에서는 스페인에서 수행된Murcia Atrium Fire Tests의 실험내용을 분석하였으며, 동일한 해석대상에 대하여 실규모 대공간의 연기유동에 대한 수치해석을 수행하였다. 실험과 수치해석 결과에 대한 비교를 통해서 본 연구에서 채택한 수치해석 방안이 대공간의 연기유동 해석에 효과적으로 적용될 수 있다고 판단하였다. 그리고 동일한 해석대상에 대하여 연기제어의 인자 중 일부인 배연구 위치와 배연량을 변화시켜 가면서 수치해석을 수행하고 그 결과를 분석하였다. 분석결과 해석대상에서는 배연량이 배연구 위치보다 대공간의 연기농도 형성에 더 큰 영향을 미치고 있으며, N% 규칙에 의해서 연기높이를 정량적으로 산출하였다.

주조공정에서의 효율적인 열응력 해석을 위한 이종해석기법의 연계

곽시영(Si Young Kwak),임채호(Chae Ho Lim) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集A Vol.34 No.8

본 논문에서 유한차분법(FDM)과 유한요소법(FEM)을 연계하여 주조공정 해석을 수행하는 이종해석기법을 제안하였다. 수치해석기법으로는 FDM, FEM, BEM 등 다양한 기법이 있으며, 대부분의 공학문제는 각각의 현상에 적합한 수치해석기법을 사용하여 해석을 수행하고 있다. 일반적으로, FDM 또는 FVM 은 유동 및 열전달 해석에, FEM 은 열응력 해석에 많이 적용되고 있지만 복합적인 공학 문제를 해결하기 위해서 각각 수치해석기법을 연동한 해석의 필요성이 점점 증가하고 있다. 따라서, 본 논문에서는 3 차원 공간에서 FDM 을 사용하여 응고 및 열 전달 해석을 수행하고, 계산된 온도 데이터를 FEM 해석장에 적합하게 변환하여 열응력 해석을 수행하는 FDM/FEM연계해석 방법을 제시하였다. 그리고 제시한 해석방법을 주조 공정 해석에 적용한 결과, 요소생성 등의 해석작업과 해석속도 면에서 효율적으로 해석을 수행할 수 있었다. This paper proposes a method that involves a combination of FDM and FEM for analyzing casting process. At present, many numerical analysis methods such as FDM, FEM, and BEM are used for solving engineering problems. For a given problem, a specific method that is suited to the problem is adopted; in general, FDM or FVM is favored for problems related to fluid flow or heat transfer, and FEM is adopted in stress analysis. However, there is an increasing need for using a combined method for complex and coupled phenomena analysis. Hence, we proposed a method in which FDM and FEM are coupled in three-dimensional space, and we applied this method to analyze casting process. In the proposed method, solidification and heat transfer was analyzed by using FDM. The field data such as temperature distribution were converted into a format suitable for FEM analysis that was used for calculating thermal stress distribution. Using the proposed method, we efficiently analyzed the analysis process from the viewpoints of work and time.

혼성방파제의 케이슨에 작용하는 파압과 선단 주변에서 파랑특성에 관한 3차원수치시뮬레이션

최군호,전재형,이광호,김도삼 한국해안,해양공학회 2020 한국해안해양공학회 논문집 Vol.32 No.3

It has been widely known that the effect of diffracted waves at the tip of composite breakwater with finite length causes the change of standing wave height along the length of breakwater, the spatial change of wave pressure on caisson, and the occurrence of meandering damage on the different sliding distance in sequence. It is hard to deal with the spatial change of wave force on trunk of breakwater through the two-dimensional experiment and/or numerical analysis. In this study, two and three-dimensional numerical techniques with olaFlow model are used to approach the spatial change of wave force including the impulsive breaking wave pressure applied to trunk of breakwater, the effect of rear region, and the occurrence of diffracted waves at the tip of caisson located on the high crested rubble mound. In addition, it is thoroughly studied the mean wave height, mean horizontal velocity, and mean turbulent kinetic energy through the numerical analysis. In conclusion, it is confirmed that the larger wave pressure occurs at the front wall of caisson around the still water level than the original design conditions when it generates the shock-crushing wave pressure checked by not two-dimensional analysis, but three-dimensional analysis through the change of wave pressure applied to the caisson along the length of breakwater. 유한길이의 혼성방파제 선단에서 발생되는 회절파의 영향으로 방파제 길이를 따라 중복파고가 변동하고, 이로 인하여 케이슨에 작용하는 파압이 공간적으로 변동하며, 또한 케이슨의 활동거리가 상이한 사행피해가 발생한다는 것은 잘 알려져 있다. 제체에 작용파력의 공간적인 변동은 2차원적인 실험이나 수치해석으로서는 접근될 수 없는 문제이다. 본 연구는 olaFlow 모델을 적용하여 고천단의 사석마운드 상에 놓인 케이슨의 선단 주변에서 회절파의발생과 배후역으로의 영향 및 제체에 작용하는 충격쇄파압을 포함한 파압의 공간적인 변동 등을 2차원 및 3차원수치기법으로 접근한다. 또한, 수치해석에서는 혼성방파제 주변에서 평균파고, 평균수평유속 및 평균난류운동에너지의변동특성을 면밀히 분석·검토한다. 이로부터 동일한 입사파랑에 대해 케이슨에 작용하는 파압분포가 방파제의 길이에 따라 크게 변동하며, 2차원수치해석에서는 발생되지 않았든 충격쇄파압이 3차원수치해석에서는 발생되는 경우가나타나고, 충격쇄파압의 발생 시 경우에 따라 기존의 설계조건보다 매우 큰 파압이 정수면 근방의 케이슨 전면 벽체에 작용되는 등의 중요한 결과를 확인할 수 있었다.