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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.7 No.4 pp.24-29
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2016.7.4.024

Prediction for Seismic Damage of Intake Tower through Advanced Finite Element Analysis

Jong-Wan Hu1, Young-chan Kim2, Young-Wook Cha3, Jin-Sun Lim4
1Professor, Department of Civil and Environment Engineering, Incheon National University, Incheon, Korea
2PhD. Student, Department of Civil and Environment Engineering, Incheon National University, Incheon, Korea
3MS. Student, Department of Civil and Environment Engineering, Incheon National University, Incheon, Korea
4PhD. Senior Researcher, SAMWOO IMC Technical Laboratory, Seoul, Korea
Corresponding author: Hu, Jong-Wan, Department of Civil and Environment Engineering, Incheon National University, 119 Academy-ro, Yeonsu-gu, Incheon, Korea. +82-32-835-8463, +82-32-835-0775, jongp24@incheon.ac.kr
September 21, 2016 November 3, 2016 November 5, 2016

Abstract

This study mainly evaluate the aseismic performance of the existing intake tower structure, which is one of the national important infra structures, on the basis of the refined finite element (FE) analysis results. The realistic evaluation for structural damage was conducted by using the nonlinear material model that takes tension and compression strength of deteriorate concrete into consideration during FE modeling. In addition, not only tension crack but also compression crushing was analyzed by utilizing field contour functions provided in the program during nonlinear dynamic analyses when peak ground acceleration (PGA) occurred. After observing FE analysis results, it can be shown that the damage of the intake tower is the most likely to occur at the water level and the base support.


고등적인 유한요소해석을 통한 콘크리트 취수탑의 지진 파괴 예측

허 종완1, 김 영찬2, 차 영욱3, 임 진선4
1인천대학교 건설환경공학부 교수
2인천대학교 건설환경공학부 박사과정
3인천대학교 건설환경공학부 석사과정
4(주)삼우아이엠씨 기술연구소 선임연구원

초록


    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    15TBIP-C093001-01

    1.서 론

    본 연구는 국가 주요 시설물 중에서 콘크리트 합성 취수탑의 내진 성능을 비선형 유한요소해석으로 평가 하고 최대 지반 가속도의 발생 시와 지진 하중의 종 료 시에 발생하는 압축 파쇄와 인장 균열을 확인하고 자 한다. 취수탑과 같은 국내 대부분의 수리구조물은 내진 설계가 적용되기 시작한 80년대 이전에 주로 건 설되어 있으며 오랜 기간 동안에 물과 접촉하여 부식 으로 인한 콘크리트의 강도저하 현상이 상당히 진행 되어 왔다 (Bae et al., 2009). 이러한 현상 때문에 사 용성(Serviceability) 증진을 위한 유지 보수뿐만 아니라 지진 발생시 손상을 최소화하기 위한 내진 보강이 요 구된다. Fig. 1은 국내에서 사용되고 있는 전형적인 취수탑(Intake Tower)의 모습을 보여주고 있다. 취수탑 의 원형 몸통이 지진에 취약한 조적식 구조로 되어 있고 물과 접해있는 특수한 환경을 고려할 때 오랜 기간 동안 보수 보강 없이 사용되어 지진 발생시 상 당한 손상이 발생될 것으로 판단된다. 이러한 위험성 에도 불구하고 댐을 포함한 취수탑에 대한 내진 안전 성 해석의 평가와 분석은 제대로 이루어지지 않고 있 으며 관련 연구는 타 구조물에 비하여 미진한 실정이 다. 따라서 본 연구에서는 현재 상수원을 공급하는 중요한 국가 시설물인 취수탑에 대한 지진 거동을 재 현하기 위하여 신뢰성 있는 유한요소해석을 수행을 하고 해석 결과를 분석하여 손상과 취약성을 평가하 고자 한다.

    기존의 지진에 대한 구조물 거동 재현은 주로 1차 원 요소들로 구성된 유한요소해석 모델을 사용하였으 며 상대적인 변위가 허용된 범위를 초과하는지 여부 를 판별하여 구조물의 손상을 거시적인 관점에서 판 별하였다 (Chethan et al., 2013). 이는 역학적인 관점 에서 벽면을 포함하여 주요한 구조 부재의 손상과 파 괴 범위를 정확하게 예측하지 못하는 한계점을 가지 고 있다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 3차원 요소와 반복하중에 대한 손상을 고려한 콘크리트의 물성치를 사용하여 정밀한 유한요소해석 모델을 제작하였으며 해석을 통하여 미시적인 관점에 서 벽면이나 구조 부재에 발생하는 인장 균열과 압축 파쇄를 정확하게 예측하고 자 한다. 또한 주변적인 환경을 고려하기 위하여 취수탑의 지반조건과 물의 상호작용을 해석에 반영하고 자 한다. 국내에서 내진 설계에 적용하는 진도 6.5 규모의 지진동을 현재 사 용되고 있는 일반적인 취수탑 구조물에 적용하여 해 석을 수행하고 손상과 균열을 확인하여 주요 시설물 이 지진에 대한 취약함을 제시하고자 한다. 아울러 새로운 유한요소해석 방법과 설계에 사용되는 인공 지진 데이터를 활용한 비선형 동적 해석 후 손상에 대한 미시적인 평가 방법을 본 연구를 통하여 새롭게 제시하고자 한다.

    2.본 론

    2.1.구조상세

    Fig. 2는 1960년도에 준공된 국내의 전형적인 취수탑 도면을 보여주고 있다. 이러한 취수탑은 국내에서 내 진 설계가 도입되기 이전에 건설되었으며 현재까지 50년 동안 상수원을 보급하는 국가 주요 시설물로 활 용되어 왔다. 본 시설은 콘크리트 구조물로써 콘크리 트 강도나 철근 배근 등의 정보가 부족하여 비파괴 검사로 얻어진 현장 실험 데이터를 적용한 유한요소 해석 모델을 제작하였다. 구조물 내에 존재하는 비 구조체 설비들은 취수탑에 등가의 하중을 가하여 상 세적인 모델링을 대신하였으며 수면위아래로 세워져 있는 취수탑의 몸통을 중심으로 구조 상세를 활용하 였다. Fig. 2에서 보는 바와 같이 타원형 몸통의 총 길이는 23.5m이며 몸통 기둥의 하부를 받치는 받침 부분을 포함하면 취수탑의 총 길이는 25.25m로 설계 되었다. 취수탑의 순수한 몸통 두께는 0.6m로 제작되 었다. 타원형 몸통 안에서 물이 채워지는 높이는 수 면보다 낮게 산정을 하여 해석 시 추가의 수압에 견 디도록 가정하였다.

    2.2.유한요소해석 모델

    기존의 취수탑과 같은 수리구조물에 대하여 시간을 고려한 비선형 동적 해석에서는 구조체를 빔요소 모 델링 하고, 유체의 영향을 부가 질량으로 치환하여 간소화한 단순한 모델을 사용해왔다 (Chethan et al., 2013). 이와 더불어 파괴 예측도 최대의 변위가 허용 된 범위를 초과할 때 구조물 전체에서 파괴가 발생한 다는 단순한 가정으로 손상을 평가해왔다. 따라서 본 연구에서는 취수탑 구조물, 구조물 주변의 지반 그리 고 유체인 물의 상호작용을 거시적인 관점에서 구조 적 파괴 예측을 포함하고, 콘크리트 표면에 압축 파 쇄와 인장 균열과 같은 미시적인 관점에서 파괴를 관 측하고자 정밀한 3차원 요소를 가진 유한요소해석 모 델을 제작하고 인공 지진 데이터를 활용하여 비선형 동적 해석을 수행하였다. Fig. 3은 경계조건을 포함하 여 취수탑에 대한 유한요소해석 모델을 보여주고 있 다. 본 연구에서는 범용유한요소해석 프로그램인 Abaqus(2014)를 사용하여 시간 이력을 고려한 Explicit 솔버를 사용하여 비선형 동적 해석을 수행하 였고 Alembagheri(2016) 연구를 참조하였다. 취수탑은 기본적으로 3차원 솔리드 Lagrangian 요소를 사용하 여 모형화하였으며 물과의 상호작용을 고려하기 위하 여 Eulerian 요소로 물을 모델링을 하였다. 물의 상호 작용과 수압의 영향력을 고려하기 위하여 취수탑 안 에는 수면보다 낮은 높이로 물을 채워서 모형화 하였 다. 기존 모델에서는 구조물 하부를 단순하게 고정된 경계조건으로 모형화 하였지만 본 연구에서는 지반과 취수탑의 상호작용을 고려하기 위하여 Lagrangian 요 소를 사용하여 지반을 모형화 하였다. 사방의 물과 지반의 경계면은 무한경계조건(Infinite Boundary Condition)과 무한 요소를 사용하여 실제의 조건과 동 일하게 모형화 하였다. 취수탑 아래 지반에 일축 방 향으로 지반 가속도를 가하여 비선형 동적 해석을 수 행하였다.

    콘크리트 재료의 구성 모델은 손상에 따른 강성 감 소의 고려가 가능한 Concrete Damaged Plasticity Model을 사용하여 콘크리트의 비선형 거동을 재현하 였다. 이 모델은 콘크리트 인장장성과 콘크리트 인장 손상을 콘크리트 재료의 특성을 활용하여 강성감소와 강도저감의 영향을 고려할 수 있다 (Leger et al., 1996). Table 1과 Fig. 4는 취수탑의 콘크리트의 재료 모델을 보여주고 있다. 일반적으로 콘크리트는 취성재 료(Brittle Material)로써 극한의 압축강도는 균열이 발 생하는 인장강도와 비교하여 10배 정도 더 큰 값을 가지고 있다. 따라서 Fig. 4에서 보는 바와 같이 취수 탑에서 콘크리트는 -0.0015 소성 변형률에서 -32MPa 의 극한 압축응력과 3.2MPa의 인장응력으로 재료적 인 성질을 모형화 하였다. 콘크리트의 물성치를 고려 할 때 취수탑은 압축 보다는 인장에 의하여 발생되는 균열 파괴에 대하여 매우 민감함을 살펴볼 수 있다. Fig. 4에서 보는 바와 같이 압축 응력과 압축 변형률 의 관계는 Carreira and Chu (1985), 인장 응력과 인 장 변형률의 관계는 Evans and Marathe (1967), 비탄 성 변형률과 손상과의 관계는 Jankowiak and Łodygowski (2005)의 연구결과를 참조하였다.

    마지막으로 Fig. 5에서는 비선형 동적 해석에 사용 한 인공 지진 데이터의 시간별 가속도 데이터를 보여 주고 있다. 20초 동안 지진 가속도가 지속되는 동안 에 약 7초에서 0.154g인 최대 지반 가속도가 발생을 하며 이는 6.5 규모로 국내에서 내진 설계에 적용되 는 지진 하중과 동일한 규모이다.

    다음 장에서는 비선형 유한요소해석 결과를 분석하 고 최대 지반 가속도에서 발생하는 파괴를 예측하고 자 한다.

    2.3.해석결과 및 평가

    안정적인 변위제어 관점에서 파괴 확률은 콘크리트 재료의 물성치에서 변형률을 기준으로 설정을 하였으 며 해석을 통하여 인공 지진 가속도 데이터에서 최대 지반 가속도 발생시 압축으로 인한 파쇄(DamageC)와 인장으로 인한 균열(DamageT)을 살펴보고 취수탑에 서 발생하는 미시적 규모의 파괴를 평가하고자 한다. 아울러 지진 종료 시점에서 발생하는 최종적인 압축 파쇄와 인장 균열도 조사하였다.

    Figs. 67은 각각 최대 지반 가속도의 발생 시점 과 지진이 종료되는 시점에서 취수탑에서 압축으로 인한 파쇄의 발생 비율을 Contour 형식으로 보여주고 있으며 Figs. 89는 동일한 시점에서의 인장으로 인 한 균열의 발생 비율을 보여주고 있다. 취수탑 표면 에 발생하는 Contour 이외에 취수탑의 축방향(Path 1) 과 원통형(Path 2) 방향으로 파괴 확률을 측정하였다.

    압축 파쇄의 경우 최대 지반 가속도가 발생하는 시점에서는 취수탑과 수면이 접촉하는 부분에 압축 파쇄가 발생할 비율이 가장 높았으며 대략 33%의 파쇄가 발생할 확률을 보여주고 있다. 하지만 지진 이 끝나는 시점에서는 취수탑 전체에 평균적으로 80%의 압축 파쇄의 발생 확률을 보여줌을 Fig. 7에 서 확인할 수 있다. 인장 균열의 경우에는 압축에 강하고 인장에는 약한 콘크리트의 물성치를 해석에 반영하였기 때문에 최대 지반 가속도가 발생하는 시 점에서 취약부인 취수탑 하부와 수면과의 접촉 부분 에 거의 100%에 가까운 확률로 인장 균열이 발생함 을 Fig. 8에서 확인할 수 있다. 아울러 지진이 끝나 는 시점에서는 취수탑 전체에 균열이 발생할 확률이 거의 100%에 도달함을 Fig. 9에서 확인 가능하였다.

    Figs. 1011에서는 일축 방향에 응력과 변형률 을 보여주고 있다. 최대 지반 가속도가 발생하는 시 점에서 취약부에 인장 균열이 발생할 확률은 97%와 동등한 0.003 라디안의 변형률로 보여주고 있다. 인 장 응력도 물성치에서 위의 변형률에 동등한 2MPa 의 응력을 보여주고 있다. 이는 유한요소해석에서 예측하고 있는 파괴 손상이 비교적 실제 파괴현상을 잘 모사하였음을 암시하고 있다. 해석 결과를 토대 로 현재 사용하고 있는 취수탑은 6.5규모의 지진에 서 구조물이 붕괴에 근접함을 결론 내릴 수 있으며, 균열이 예상되는 부위에 대한 추가적인 보강이 필요 할 것으로 사료된다.

    3.결론

    본 연구에서는 국가 주요 시설물인 취수탑에 대하여 정밀한 유한요소해석을 통하여 미시적인 역학적 관점 에서 파괴를 예측하는 방법을 제안하였다. 해석의 정 밀도를 높이기 위하여 고차원적인 요소와 물과 지반 의 상호작용과 경계조건을 고려하여 해석 모델을 제 작하였다. 또한 극한의 압축응력이 균열을 일으키는 인장 응력보다 훨씬 더 큰 콘크리트의 물성치를 고려 한 정밀 해석을 수행하였다. 최대 지반 가속도가 설 계 기준인 6.5 규모에 상응하고자 최대 지반 가속도 를 0.154g에 맞추어 생성한 인공 지진 가속도를 사용 하여 비선형 동적 해석을 수행하였다. 변위제어 개념 을 도입하여 파괴 확률을 콘크리트의 물성치에서 변 형률을 기준으로 설정을 하였으며 해석 후 이를 취수 탑 표면에 Contour로 도식화 하였다. 기존에 사용해왔 던 취수탑은 몸통 하부와 수면과 접하는 부위에 최대 지반 가속도 발생시 상당한 인장 균열이 발생하기 시 작하였으며 지진 종료 후 전체 구조물에 균열이 발생 함을 해석을 통하여 예측할 수 있었다. 따라서 지진 에 대한 피해를 줄이기 위해서는 인장 균열을 방지하 기 위한 보수 및 보강이 필요하다고 판단된다.

    감사의 글

    본 연구는 국토교통부 국토교통기술사업화지원사업의 연구비지원(15TBIP-C093001-01)에 의해 수행되었습니 다. 본 연구 지원에 깊은 감사를 드립니다.

    Figure

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    Typical Intake Tower

    (http://blog.daum.net/dfstone/2622978)

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    Details of the Presented Intake Tower (unit: mm)

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    Finite Element (FE) Models

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    Stress and Strain Curve for Concrete with Damage Ratios

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    Ground Motion Data

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    DamageC at the PGA Time

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    DamageC at the Final Time

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    DamageT at the PGA Time

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    DamageT at the Final Time

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    DamageT at the PGA Time

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    DamageT at the Final Time

    Table

    Parameters of the Concrete Damaged Plasticity Model

    *Ratio of second stress invariant on the tensile meridian to that on compression meridian at the initial yield for any given value of the pressure invariant

    Reference

    1. Abaqus (2014) Abaqus Theory Manual, Version 614 , Dassault Systmes. USA,
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