실무 터널설계 가이드(연속체 해석) - 실전편

1. 연속체 해석 실전으로 들어가기

터널설계를 위한 실무 터널해석 가이드 연속체 해석의 마무리를 이제 시작하려고 한다.

앞서 입문편, 기초편-1, 기초편-2를 통하여 연속체 해석을 시작하기 전에 필요한 사항에 대해서 이야기 했고, 지금은 실전 해석할 때 유용한 TIP에 대해서 이야기해 보려고 한다. 여기서 언급한 TIP이 실무에서 도움이 조금이나마 되었으면 한다.

하지만 개인에 차이가 있기에 불필요한 TIP일수도 있기에 판단은 각자가 해야 할 것 같다.

연속체 해석은 보통 2차원 및 3차원 해석으로 나누어 볼 수 있는데 여기서는 2차원 해석에 대해서 언급해 보자. 해석 프로그램은 많이들 사용하는 GTS NX로 한다.

여기서는 시공단계별 해석하는 프로그램을 모델링하는 방식을 이야기 하는 것이 아니라 2차원 해석 수행할 때 알고 있으면 도움되는 내용 위주로 이야기를 서술한다.

(터널 시공단계별 해석은 따라하기를 참고하시면 된다.)

2차원 연속체 해석은 보통 표준지보패턴별 해석으로, 지반조사 결과 작성된 지질개요도(지질 및 지보패턴 적용도, 암반등급도 등 용어는 다양할 것이다.)를 기반으로 수행한다.

지질개요도에는 터널구간에 적용된 표준지보패턴이 있으며 표준지보패턴의 표기는 일반 도로터널에서는 P-1, P-2~P-6 등으로, 고속도로 터널은 A, B-1, B-2~P-6-2, W-1 등으로, 철도 및 지하철 관련 터널은 PD-1, PD-2-1, PD-2-2~PD-6-3 등으로 표기한다.

그리고 보통 표준지보패턴의 숫자가 높을수록 지반이 나쁜 구간에 적용하지만 지하철은 반대로 패턴의 숫자가 낮을수록 지반이 나쁜 경우이다.

터널해석의 2차원 연속체 해석은 2차원 구조계산과 함께 터널해석보고서를 이루는 쌍두마차라 할 수 있다. 특히 실시설계 터널해석보고서에는 연속체 해석과 구조계산만으로 마무리 할수 있기 때문이다.

다음은 도로터널(국도)의 지질개요도 사례를 가져왔다.

보통 2차원 연속체 해석은 시공단계별 해석으로 굴착-Soft SC+RB-Hard SC순으로 해석순서를 따라 수행한다. 대부분의 터널은 전단면 굴착 혹은 상·하반단면 굴착으로 시공되므로 위의 해석순서가 반복되는 개념인 것이다.

경우에 따라서 상반과 하반이 다분할 되는 경우도 있는데, 다분할 될수록 굴착-Soft SC+RB-Hard SC순은 분할 굴착 만큼 반복 수행하면 된다.

  이제부터 GTS NX로 연속체 해석 수행시 알아두면 좋을 거 같은 TIP을 정리해 보자.

2. TIP.1 : 해석단면 선정리 및 최적화

GTS NX로 2차원 연속체 해석시 보통 CAD를 이용하여 작업 후 불러와서 모델링 작업을 수행한다.

불러오는 캐드파일 형식은 DXF 혹은 DWG 인데 불러오기 전에 미리 불필요한 레이어를 정리하고 불러오는 것이 작업하기 수월할 것이다. 그리고 DXF형식보다는 DWG형식이 GTS NX로 불러왔을 때 안정적일 것이다.

다음은 해석 CAD파일을 해석프로그램(GTS NX)으로 불러올 때 해석단면에서 터널형태가 하나의 선으로 결합될 경우 아래의 같은 현상이 발생한다.(이런 경우 결함된 선을 Explode 후 불러오면 해결되기는 함)

해석단면 작업시 CAD의 불필요한 선을 삭제하고 선을 단순화하고 Purge 기능으로 필요한 레이어만 불러 올 수 있게 선 작업을 하는 것이 나름 좋을 거 같다.

3. TIP.2: 지층선 단순화

해석위치 선정후 해석단면 작업을 보통 CAD에서 수행후 불러올 것이다. 이때 지층선 단순화 작업이 필요하다.

대부분 해석위치가 선정되면 계획부서로 부터 횡단면을 지원 받거나 Dream(LISP) 기능을 이용하여 직접 횡단작업을 수행한다. 계획부서에서 지원받는 횡단은 보통 R.P(Road Projector) 같은 프로그램에서 추출한 횡단면일 것이다.(간혹 프로그램에서 추출된 횡단면을 지반조사에서 지층을 보정해서 배포하기도 된다)

이렇게 작업한 횡단면들은 지층선들이 보통 작은 선으로 묶여져 있거나, 지층의 굴곡(?)이 그대로 표현되어 있는 경우가 있어 해석을 하는 엔지니어가 횡단을 확인하고 해석에 영향을 미치지 않는 범위에서 단순화 작업을 수행하는 것이 좋다.

아래의 같은 굴곡은 간혹 해석시 응력 집중의 원인이 되기도 한다. 또한 작은 선으로 끊어져 있는 지층 때문에 메쉬를 짤 때 균일한 메쉬 형성이 어려울 수도 있으니 번거롭지만 지층선을 따라 새로운 선을 만들어서 작업하는 것이 좋을 것이다.

다음은 지층 단순화를 설명하기 한 예시이다. 

4. TIP.3 : 록볼트 모델링 방식

연속체 해석을 수행하기 전 이번 해석을 통해서 얻고자 하는 결과가 무엇인지 생각하는 것은 중요한 단계라고 생각한다.

예를 들면 가시설 시공단계 해석을 통해서 가시설 부재의 축력, 모멘트, 전단력 결과를 확인하기 위하여 보통 빔(Beam) 요소로 모델링한다.

터널에서는 연속체해석을 통하여 지보재 역할을 하는 숏크리트의 휨압축응력과 록볼트의 축력을 확인해야 하는데, 보통 숏크리트는 빔(Beam) 요소, 록볼트는 트러스(Truss) 요소로 모델링한다.

연속체 해석 모델링시 빔요소와 트러스 요소로 모델링하면 절점이 공유된 형태의 모델링이 되어야 한다.

필자가 서두에서 말한 것처럼 해석시 어떤 결과를 뽑을지 생각해 보았다면 록볼트는 축력만 확인하는 모델링만으로도 가능하기 때문에 임베디드 트러스를 사용해 보는 방법을 제안하는 것이다.

임베디드 트러스는 절점 공유가 필요 없으며 단지 지반에 속해 있는 형태의 모델링이 되지만 축력결과를 확인할 수 있다.

(3차원 해석시 록볼트 모델링도 같은 방식이다)

이렇게 모델링을 수행하면 연속체 해석 모델링시 록볼트와 지층선이 겹처서 분리되어 복잡해지는 모델을 조금 단순화할 수 있어 나름 효과적인 TIP이 될 것이다.

5. 연속체 터널해석을 마무리하며

이제까지 터널해석 실무를 하면서 나름 필요한 것이라고 생각한 내용을 입문-기초-실전이라는 이름으로 이야기 했다.

해석실무는 경험치가 중요하다고 생각한다. 레벨업 하듯 자신의 해석 능력을 키우기 바란다.

다양한 CASE별 해석과 프로젝트를 통하여 경험치가 올라간다면 어떤 프로젝트에서라도 해석을 수행할 수 있을 것이다.

내가 남긴 이 내용이 터널해석을 처음 시작하는 동료들에게 작은 도움이 되었으면 한다.

연속체 해석을 시작으로 불연속체 해석, 구조계산, 침투해석, 내진해석 등으로 1단계씩 성장해 나아가길 바라며 더 좋은 주제로 만나기를 기원한다.

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Tunnel2023

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