Numerical Simulation of Dynamic Soil-Pile-Structure Interactive Behavior Observed in Centrifuge Tests
많은 토목구조물의 기초로써 사용되는 말뚝 기초의 동적 거동을 예측하는 것은 매우 중요한데, 이는 말뚝 기초의 동적 거동이 그 자체의 거동뿐 아니라 구조물 전체의거동에 커다란 영향을 미치기 때문이다. 이러한 말뚝 기초의 동적 거동을 평가하기위한 방법은 크게 현장 조사, 실내 모형시험, 수치 모델링의 세 가지로 나누어볼 수있다. 이 중 현장 조사는 지진에 의한 피해가 일어난 후에 수행되는 소극적 형태의 접근법이며, 최근 들어 실내 모형시험의 절차적, 경제적, 시간적인 한계점들로 인하여수치 모델링 기법의 효율성이 더욱 중요시되고 있는 상황이다. 수치 모델링 기법을 적용하여 말뚝 기초의 동적 거동을 예측하고자 한 선행 연구들은 대부분 단순화 접근법을 이용하였다. 단순화 접근법은 절차가 비교적 간단하고 해석이 간편하다는 장점이 있으나 단순화 과정에서 발생하는 여러 가지 가정조건들로인하여 정확하고 신뢰성 있는 결과를 기대하기 힘들다는 한계점을 가진다. 이에 대해2차원 혹은 3차원 연속체 모델링은 계산 과정이 복잡하고 해석 시간이 오래 걸린다는단점에도 불구하고 가장 직접적인 접근법이며, 적절한 모델링이 수행된다면 가장 정확하고 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있다. 따라서 본 연구에서는 3차원 연속체 모델링기법을 사용하여 지진 시 지반-말뚝-구조물 동적 상호작용을 평가하고자 하였다. 원심모형시험 (Yoo, 2013) 에서 관측된 건조토 조건에서의 지반-말뚝-구조물 동적 상호작용을 모사하기 위하여 유한 차분법에 기초한 3차원 동적 수치 모델링이 수행되었다. 제안된 3차원 모델은 지반의 비선형 거동을 적절히 모사하기 위해 상용 유한 차분 프로그램인 FLAC3D를 이용하여 시간 영역에서 해석이 수행되었다. 모델링방법론으로써 지반 구성 모델은 Mohr-Coulomb 모델을 적용하였으며 이력 감쇠 모델을 적용하여 지반의 비선형 거동을 모사하고자 하였다. 진동 중 지반과 말뚝 간의미끄러짐 및 분리 현상을 모사할 수 있는 인터페이스 모델을 적용하였으며 인터페이스 강성은 탄성이론에 기초하여 결정되어, 내장 함수인 FISH를 통해 깊이 별로 입력되었다. 경계 조건의 경우에는 지반-말뚝 상호작용의 영향을 받는 근역 지반만 메쉬를 생성하고 근역 지반의 경계부에 원역 지반의 가속도-시간 이력을 입력하는 방식인 단순화 연속체 모델링 기법 (Kim, 2011)을 적용함으로써 해석 시간을 감소시키고자 하였다. 수치 해석의 오차를 최소화하고 결과의 신뢰성을 확보하기 위해, 원심모형시험 결과와 수치 해석 결과와의 비교를 통한 제안된 기법의 캘리브레이션이 수행되었다.제안된 수치 모델로부터 계산된 말뚝 최대 휨 모멘트와 횡 방향 말뚝 최대 변위의 깊이 별 분포가 다양한 입력 하중 조건에서 실험 결과와 잘 일치하는 것을 확인하였다.제안된 수치 모델의 적용성 평가를 위해 다른 실험 케이스의 결과와 수치 해석 결과와의 추가적인 비교가 수행되었다. 수치 해석으로부터 계산된 다양한 말뚝의 동적응답이 다양한 입력 하중 조건에서 실험 결과를 적절히 모사하고 있는 것으로 나타났다. 이를 통하여 다양한 조건에서 제안된 수치 모델링 기법의 적용성이 검증되었다고 판단하였다. 제안된 수치 해석 기법의 적용성 평가를 토대로 다양한 조건에서의말뚝 동적 거동을 조사하기 위하여 제안된 수치 모델을 이용한 매개변수 연구를 수행하였다. 이를 통하여 건조토 지반에 근입된 말뚝 기초의 동적 거동에 미치는 다양한변수들의 영향을 평가하였으며, 기존의 연구결과와 매개변수 연구 결과를 비교함으로써 제안된 수치 모델링 기법의 적용성 및 신뢰성을 확인하였다. 원심모형시험 (Wilson, 1998) 에서 관측된 액상화 가능한 지반 조건에서의 지반-말뚝-구조물 동적 상호작용을 모사하기 위해 3차원 수치 모델링이 수행되었다. 액상화 시, 지반의 전단 변형으로 인해 야기되는 간극 수압의 발달을 모사하기 위해Finn 모델을 적용하였다. Finn 모델은 유효응력 해석법을 이용한 액상화 모델의 하나로써 임의의 지점에서의 다양한 액상화 거동을 실시간으로 파악할 수 있다. Finn모델은 건조토 조건에서 사용된 기존의 구성 모델에 결합되어 해석이 수행되었다.건조토 조건에서와 마찬가지로 실험 결과와 수치 해석 결과와의 비교를 통한 제안된 기법의 캘리브레이션이 수행되었다. 수치 모델로부터 계산된 과잉 간극수압 비,말뚝 휨 모멘트, 말뚝 두부 변위의 시간 이력이 실험 결과를 적절히 모사하고 있는 것으로 나타났다. 제안된 수치 모델의 적용성 평가를 위해 다른 실험 케이스와의 추가적인 비교를 수행한 결과, 수치 해석으로부터 계산된 다양한 말뚝의 동적 응답이 실험 결과를 대체로 잘 모사하고 있는 것으로 나타났다. 이를 통하여 제안된 수치 모델링 기법의 적용성이 검증되었다고 판단하였다. 다양한 조건에서의 말뚝의 동적 거동을 조사하기 위하여 제안된 기법을 이용한 매개변수 연구를 수행하였다. 이를 통하여액상화 지반에 근입된 말뚝의 동적 거동에 미치는 여러 변수들의 영향을 평가하였으며 기존의 연구결과와 매개변수 연구 결과를 비교함으로써 제안된
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