Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.7 No.4 pp.68-73
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2016.7.4.068

Investigation on the Seismic Damage of the Concrete Water Purification Plant through Finite Element (FE) Analyses

Han-Min Cho1, Jong-Wan Hu2 , Dong-Soon Park3
1Ph.D. Candidate, Department of Civil and Environment Engineering, Incheon National University, Incheon, Korea
2Associate Professor, Department of Civil and Environment Engineering, Incheon National University, Incheon, Korea
3Senior Researcher, K-water Research Institute
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
October 27, 2016 November 15, 2016 November 29, 2016

Abstract

In this study, refined finite element (FE) analyses intended to evaluate the capacity of the existing water purification plant structures against seismic force are conducted with an aim to predict possibility generating tension crack and compression crushing. The FE models for three types of main plant structures were constructed to take ground condition, boundary condition, and water interaction into consideration for advanced simulation. The nonlinear dynamic analyses were performed by using ground motion data which have been used for seismic design. Both compression crushing and tention crack, which are distributed over concrete plant structures during peak ground acceleration (PGA), are investigated by analyzing failure possibility controlled with the strain limits. After observing FE analysis results, it is possible to predict tenstion cracking which can be found at some parts of the main structure.


유한요소해석을 통한 콘크리트 정수장 구조물의 지진 취약성 분석

조 한민1, 허 종완2 , 박 동순3
1인천대학교 건설환경공학부 박사과정
2인천대학교 건설환경공학부 부교수
3Kwater 연구원 책임연구원

초록


    Korea Water Resources Corporation

    1.서 론

    전 세계적으로 자연재해 중에서 지진이 가장 큰 인명 과 재산 피해를 발생시키며 21세기에 접어들면서 한 국도 지진의 발생 빈도가 이전에 발생 수준과 비교하 여 급격하게 증가하고 있다. 2016년 9월 12일에 규모 5.8의 지진이 경주 지역에 발생하면서 그 여파로 많 은 재산과 인명 피해를 발생시키고 수백 건의 여진을 동반하여 한국도 더 이상 지진으로부터 안전하지 않 는다는 인식이 널리 퍼지기 시작하였다. 국내에서는 90년대 중반에 들어서 토목 구조물에 내진 설계의 개 념이 도입되었으며 이전에 세워진 국가 주요 시설물 들은 이러한 개념이 부재하므로 지진에 대한 저항성 이 낮고 취약하므로 지진 발생 시 큰 손상이 발생할 가능성이 매우 높은 편이다.

    본 연구에서는 경주 지역 인근에 위치한 포항권 상 수도 시설물 중 하나인 정수장의 주요 시설물들에 대 한 내진성능을 정밀한 비선형 유한요소 해석을 통하 여 평가하고자 한다. Fig. 1에서 보는 바와 같이 정수 장은 경상북도 포항시에 위치하고 있으며 일 취수 용 량은 619,000m3으로 운영되고 있는 철근 콘크리트 구 조물이다. 정수장의 주요 시설물들의 내진성능을 평가 하고자 Fig. 2에서 보는 바와 같이 침전지, 정수지, 농 축조 등의 구조물을 선택하여 유한요소 해석 모델을 제작하였다.

    구조물의 내진 성능을 평가하기 위하여 실제의 지진 동 데이터를 활용하여 비선형 동적 해석을 수행하였 다. 하지만 기존에 연구에서는 구조물의 전체적인 거 동을 측정하여 허용 범위 이상의 변위를 초과할 때 파괴가 발생한다고 판별하였다(Chethan et al., 2013). 전체적인 구조물의 손상은 해석을 통하여 판별 가능 하지만 국부적인 손상과 균열에 대하여는 해석 모델 이 단순한 1차원적인 요소로 구성되어 있기 때문에 거의 불가능 하였다. 하지만 본 연구에서는 해석시 경계조건을 포함하여 외적 요소들과의 상호작용을 고 려할 뿐만 아니라 정밀한 3차원 솔리드 요소를 사용 하여 해석 모델을 제작하였다. 따라서 비선형 동적 해석에서 구조물의 국부적인 손상을 정밀하게 판별할 수 있게 되었다. 본 연구에서는 Fig. 2에서 제시한 정 수장의 주요 시설물들은 유한요소 해석 모델로 제작 을 하고 설계 규모의 지진동을 활용하여 비선형 동적 해석을 수행하고 최대지반가속도(Peak Ground Acceleration, 이하 PGA)에서 발생하는 콘크리트의 압 축 파쇄와 인장 균열을 측정하여 국부적인 손상을 예 측하고자 한다.

    2.본 론

    2.1.구조상세

    Fig. 3은 본 연구에서 제시한 유한요소 해석 모델의 대상이 되는 구조물들의 평면도와 측면도 상의 치수 를 보여주고 있다. 침전지와 농축조는 천정이 개방된 형태이며 정수지는 천정이 폐쇄된 형태로 제작이 되 었다. 침전지는 가로와 세로의 길이가 각각 24m, 49m이며 깊이가 5.5m인 직육면체 형태로 건설되었 다. 정수지의 경우에는 가로 및 세로가 23m인 정사각 형 구조이며 깊이가 7.3m인 직육면체 형태로 건설되 었다. 농축조의 경우에는 원기둥 형태로써 직경이 13.4m이고 깊이가 4m로 제작되었다. 침전지와 정수 지의 경우에는 벽체의 두께가 모두 0.5m로 제작되었 으나 농축조는 이보다 두꺼운 0.7m로 제작되었다. 3 개의 모델 모두 철근 콘크리트 구조물이며 해석 모델 의 제작 시 철근의 모델링은 생략하고 대신에 압축과 인장강도가 다른 형태의 비선형 재료 모델을 사용하 여 해석을 수행하였다. 철근 배치에 대한 정확한 정 보의 부재도 있지만 철근 콘크리트 표면의 균열과 파 쇄는 철근의 영향력이 적고 콘크리트의 물성치에 영 향력이 크기 때문에 해석에 소요되는 시간과 비용을 절약하기 위하여 철근의 모델링을 제외하였다. 일일 정수 용량을 고려하여 물은 만수위를 기점으로 설계 를 하였다.

    2.2.유한요소해석 모델

    기존의 수리 구조물에 대하여 시간을 적용한 비선형 동적 해석에서는 단순한 1차원 요소로 구조체를 모형 화하고 유체의 영향력을 고려하지 않은 단순한 모델 로 제작하여 해석을 수행하였다(Chethan et al., 2013). 이러한 유한요소 해석 모델의 한계로 인하여 단순히 변위가 허용치를 벗어날 경우 구조물 전반의 파괴가 발생하는 단순한 방식으로 구조물 전체의 손상을 평 가해왔다. 본 연구에서는 기존의 연구에서 제시된 해 석 모델의 한계를 극복하기 위하여 콘크리트 정수장 구조물, 구조물 주변의 지반 그리고 유체의 상호작용 을 고려하여 유한요소 해석 모델을 제작하고 비선형 동적 해석을 통하여 거시적인 관점에서의 파괴를 예 측할 뿐만 아니라 콘크리트 표면의 인장 균열과 압축 파쇄 등을 검토하여 미시적인 역학적 파괴 예측도 동 시에 수행하고자 한다.

    Fig. 4은 지반의 경제조건을 포함하여 정수장의 주 요 시설물(침전지와 농축조)에 대한 유한요소 해석 모델을 보여주고 있다. 비선형 동적 해석을 수행하고 자 본 연구에서는 범용 해석 프로그램인 Abaqus를 사용하여 시간 이력을 고려한 Explicit 솔버를 사용하 였다(Alembagheri, 2016). 정수장 구조물은 8절점의 3 차원 솔리드 요소를 사용하여 모형화 하였으며 물과 의 상호작용을 고려하기 위하여 Eulerian 요소를 사용 하여 유체를 모형화 하였다. 물과의 상호작용과 수압 등을 고려하기 위하여 만수위로 유체를 채워서 모형 화 하였다. 지반과 취수탑과의 상호작용을 고려하기 위하여 Lagrangian 요소를 사용하여 지반을 모형화 하였고 탄성재료를 사용하였다. 구조물과 지반의 경계 면은 무한경계조건과 무한 요소를 사용하여 실제의 조건과 동일하게 모형화 하였으며 Fig. 4에서 보는바 와 같이 지반에 일축 방향으로 지반 가속도를 가하여 비선형 동적 해석을 수행하였다.

    일반적인 콘크리트의 인장강도는 극한 압축강도와 비교하여 상당히 취약하고 연성이 부족하여 취약한 재료로 취급이 된다. 일반적으로 순수한 콘크리트 재 료의 경우 극한 압축강도는 균열을 발생시키는 인장 강도와 비교하여 약 10배 정도 더 큰 값을 가지고 있 다. 이러한 재료적 성질을 해석에 반영하고자 인장 균열로 인한 강성의 감소를 고려하기 위하여 Abaqus 프로그램에서 제공하는 Concrete Damage Plasticity 재료 모델을 사용하여 콘크리트의 비선형 거동을 재 현하였다.

    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. 5는 정수장 구조물에서 콘크리 트의 재료 모델을 보여주고 있다. 극한강도를 제외하 고 재료 모델에 요구하는 기본적인 파라미터 값은 프 로그램에서 제공하는 기본값을 사용하여 재료의 거동 을 재현하였다(Abaqus, 2014). 본 연구에서 사용한 콘 크리트의 응력-변형률 물성치는 노후화를 고려하여 –0.0015 소성 변형률에서 –32Mpa의 극한 압축응력 과 3.2MPa에서 인장 균열을 발생하여 급격한 강도 손실을 발생시키는 현상을 고려한 재료적 성질을 반 영하여 모형화 하였다. 압축 파쇄와 인장 균열에 의 한 파괴 확률은 Jankowiak and Lodygowski (2005) 연 구에서 제시한 비탄성 변형률과 손상과의 관계를 활 용하여 변형률로 제어하여 정의하였다. 각 변형률 구 간별 파괴확률은 Fig. 5에서 보여주고 있다. 마지막으 로 Fig. 6에서는 비선형 동적 해석에서 사용한 인공 지진 데이터의 시간별 가소도 선도를 보여주고 있다. 20초 동안 지진 가속도를 지속하는 동안에 약 4.5초 에서 0.154인 최대 지반 가속도가 발생하며 이는 국 내에서 내진설계에 적용되는 규모 6.5의 지진하중을 사용하였다.

    2.3.해석결과 및 평가

    응력이 아닌 안정적인 변위제어 관점에서 파괴 확률 은 콘크리트의 물성치에서 소성 변형률을 기준으로 설정 하였으며 비선형 동적해석에서 Fig. 6에서 제시 된 인공 지진 가속도 데이터에서 최대 지반 가속도가 발생될 때 압축으로 인한 파쇄(DamageC)와 인장으로 인한 균열 손상(DamageT)을 파괴 확률로 측정하여 정수장 구조물에 발생하는 미시적인 역학적 규모에서 의 파괴를 예측하고자 한다.

    Fig.7에서는 최대 지반 가속도 발생시 밀폐식 정수 장 구조물의 압축 파쇄와 인장 균열이 발생할 확률을 3차원 컨투어로 보여주고 있다. 정수장 내부에는 물 이 만수위로 채워놓고 해석을 수행하였다. 압축 파쇄 와 인장 균열은 최대 지반 가속도 발생시 주로 정수 장 구조물 하부에 모서리 부분과 격벽과 연결된 부분 에 발생될 확률이 다른 부분들과 비교하여 높은 편이 며 인장 균열의 경우 취약한 부분에 인장 균열이 발 생할 확률이 거의 90%에 육박함을 그림에서 살펴볼 수 있다. 압축 파쇄와 비교하여 인장 균열이 발생 확 률이 비교적 높음을 확인할 수 있다.

    이는 구조물 내부의 유체와의 상호 작용과 지반과 의 경계조건으로 인하여 상부보다는 하부에 더 많은 지진 전단 하중이 발생함을 보여주고 있다. 따라서 파괴 확률을 정확히 분석하기 위하여 하부의 벽면에 취약부의 경로를 설정하고 그 경로를 따라서 파괴 확 률을 측정한다.

    Fig. 8에서 10은 취약부의 경로를 따라서 측정한 파괴 확률과 해당 컨투어의 분포를 침전지, 정수장, 농축조 구조물 순으로 정리하여 보여주고 있다.

    Fig. 8에서 보는바와 같이 침전지는 하부에 모서리 부분과 바닥판과 격벽이 만나는 중앙부위에 상대적으 로 지진 하중에 취약함을 보여주고 있다. 침전지는 상부가 개방된 구조물로써 밀폐된 정수장 비교하여 같은 정육면체 구조체이지만 파괴 확률이 상대적으로 낮음을 보여주고 있다. 압축 파쇄의 경우에는 최대 4%의 발생 확률을 보여주고 있지만 인장 균열의 경 우에는 취약부 경로를 따라서 평균 50-60%의 파괴 확률을 보여주고 있다. 정중앙부의 경우에는 인장 균 열의 발생 확률이 80%에 육박함을 보여주고 있다.

    Fig. 9에서 보는바와 같이 정수장 구조물인 경우에 는 압축 파쇄의 경우에는 최대 2.5%의 파괴 확률이 발생하였지만 인장 균열의 경우에는 모서리와 중앙부 격벽의 경로에 따라서 평균 60-80%의 파괴 확률을 보여주고 있으며 일부 취약부는 90%의 육박하는 파 괴 확률을 보여주고 있다. 원형의 농축조는 상대적으 로 적은 규모의 구조물로써 침전지와 정수장에 비하 여 중요한 시설물이 아니지만 지진에 대하여 상당히 취약함을 보여주고 있다. 바닥의 판은 최대 지반 가 속도 발생시 거의 100%에 가까운 압축 파쇄와 인장 균열이 발생함을 Fig. 10에서 확인해 볼 수 있다.

    본 연구를 통하여 살펴본 정수장의 중요 구조물 은 침전지와 정수장에서는 구조물 일부분에 파괴가 발생하고 원형의 농축조 구조물의 바닥판에서 전체적 인 파괴가 발생함을 비선형 동적 해석에서 확인할 수 있었다. 이는 미시적 규모에서 역학적 관점을 통하여 콘크리트 구조물의 파괴를 새롭게 예측 하였으며 정 확도를 높이고 안정적으로 실무에서 적용할 수 있는 평가 방법을 제시하는데 큰 의미를 지니고 있다.

    3.결론

    3.1.분석

    본 연구에서는 국가 주요 시설물인 침전지, 정수지, 농축조 등에 대하여 정밀한 유한요소해석을 통하여 미시적인 역학적 관점에서 파괴를 예측하는 방법을 제안하였다. 해석의 정밀도를 높이기 위하여 고차원적 인 요소와 물과 지반의 상호작용과 경계조건을 고려 하여 해석 모델을 제작하였다. 또한 극한의 압축응력 이 균열을 일으키는 인장 응력보다 훨씬 더 큰 콘크 리트의 물성치를 고려한 정밀 해석을 수행하였다. 최 대 지반 가속도가 설계 기준인 6.5 규모에 상응하고 자 최대 지반 가속도를 0.154g에 맞추어 생성한 인공 지진 가속도를 사용하여 비선형 동적 해석을 수행하 였다. 변위제어 개념을 도입하여 파괴 확률을 콘크리 트의 물성치에서 변형률을 기준으로 설정을 하였으며 해석 후 이를 침전지, 정수지, 농축조 표면에 Contour 로 도식화 하였다. 기존에 사용해왔던 침전지, 정수지, 농축조는 몸통 하부와 수면과 접하는 부위에 최대 지 반 가속도 발생시 상당한 인장 균열이 발생하기 시작 하였으며 지진 종료 후 전체 구조물에 균열이 발생함 을 해석을 통하여 예측할 수 있었다.

    3.2.고찰

    분석 결과 침전지, 정수지, 농축조 구조물은 지진 발 생시 접하부에 균열이 발생하는 것으로 판단할 수 있 다. 따라서 지진에 대한 피해를 줄이기 위해서는 인 장 균열을 방지하기 위한 보수 및 보강이 필요하다고 판단된다.

    감사의 글

    본 연구는 한국 수자원 공사에서 지원한 “포항권 상 수도 시설 내진 성능 평가 및 향상 대책 마련”이라 는 학술 용역에 지원을 받아서 수행되었습니다. 지 원에 깊은 감사를 드립니다.

    Figure

    KOSACS-7-4-68_F1.gif

    Location of the Water Purification Plant

    KOSACS-7-4-68_F2.gif

    Pictures for Major Plant Structures

    KOSACS-7-4-68_F3.gif

    Details of Individual Plant Structures (unit: mm)

    KOSACS-7-4-68_F4.gif

    Finite Element (FE) Models

    KOSACS-7-4-68_F5.gif

    Stress and Strain Curve for Concrete with Damage Ratios

    KOSACS-7-4-68_F6.gif

    Ground Motion Data for Nonlinear Dynamic Analyses

    KOSACS-7-4-68_F7.gif

    FE Analysis Results for Structural Damage Measured at the PGA Point (Clean Water Reservoir)

    KOSACS-7-4-68_F8.gif

    Damage State for the Setting Basin at the PGA Time of the Ground Motion

    KOSACS-7-4-68_F9.gif

    Damage State for the Clean Water Reservoir at the PGA Time of the Ground Motion

    KOSACS-7-4-68_F10.gif

    Damage State for the Water Treatment Facility at the PGA Time of the Ground Motion

    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 6.14 , Dassault Systems. USA,
    2. Alembagheri M (2016) “Dynamics of Submerged Intake Towers Including Interaction with Dam and Foundation” , Soil Dynamics and Earthquake Engineering, Vol.84 ; pp.108-119
    3. Carreira DJ , Chu KH (1985) “Stress-Strain Relationship for Plain Concrete in Compression” , ACI Journal Proc, Vol.82 (6) ; pp.797-804
    4. Chethan KB , Suresh MR , Ravikumar HS , Sivakumara BS (2013) “Evaluation of Performance of Intake Tower Dam for Recent Earthquake in India” , International Journal of Research in Engineering and Technology, ; pp.41-45
    5. Evans RH , Marathe MS (2013) “Microcracking and Stress-Strain Curves for Concrete in Tension” , Materials and Structures, Vol.1 (1) ; pp.61-64
    6. Jankowiak T , Lodygowski T (2005) “Identification of Parameters of Concrete Damage Plasticity Constitutive Model” , Foundations of Civil and Environmental Engineering, Vol.6 ; pp.53-69
    7. Leger P , Leclerc M (1996) “Evaluation of Earthquake Ground Motions to Predict Cracking Response of Gravity Dams” , Engineering Structures, Vol.18 ; pp.97-200