KR102206445B1 - Method of Numerical Analysis for the design of Submerged Floating Tunnel - Google Patents

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KR102206445B1
KR102206445B1 KR1020200098606A KR20200098606A KR102206445B1 KR 102206445 B1 KR102206445 B1 KR 102206445B1 KR 1020200098606 A KR1020200098606 A KR 1020200098606A KR 20200098606 A KR20200098606 A KR 20200098606A KR 102206445 B1 KR102206445 B1 KR 102206445B1
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곽효경
김규진
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한국과학기술원
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Abstract

The present invention provides a numerical analysis method for the design of an underwater tunnel, and more particularly, to a numerical analysis method for the cross-section design of a single circular underwater tunnel. According to an aspect of the present invention, the numerical analysis method for the design of an underwater tunnel comprises: a prior analysis step of determining a wave theory of a candidate site where the underwater tunnel is to be located, and determining a hydrodynamic related equation representing the relationship between the wave of the candidate site and the underwater tunnel; and a guideline generation step of generating a wave pressure distribution using the determined wave theory, the hydrodynamic related equation, and a wave load parameter at a specific time, and applying the generated wave pressure distribution to the detailed structure of the underwater tunnel to generate a guideline.

Description

수중 터널의 설계를 위한 수치해석 방법{Method of Numerical Analysis for the design of Submerged Floating Tunnel}Method of Numerical Analysis for the design of Submerged Floating Tunnel

본 발명은 수중 터널의 설계를 위한 수치해석 방법으로서, 좀 더 구체적으로는 단일 원형 수중 터널의 단면 설계를 위한 수치해석 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a numerical analysis method for designing an underwater tunnel, and more specifically, to a numerical analysis method for designing a cross section of a single circular underwater tunnel.

수중 터널(Submerged Floating Tunnel, SFT)은 1886년 개념적으로만 소개된 기반시설물이며, 해상 및 해저 터널의 과다한 토목공사비용을 획기적으로 절감할 수 있는 구조이다.Submerged Floating Tunnel (SFT) is an infrastructure that was only introduced conceptually in 1886, and is a structure that can significantly reduce the excessive civil engineering costs of offshore and submarine tunnels.

그러나 구조물의 안전성 및 안정성에 대한 신뢰성이 없고, 매우 높은 공사난이도로 인하여 약 140년이 넘는 시간동안 이론적으로 존재하던 해당 구조물이 건설기술의 발전과 해양 자원, 영토 개발의 필요성이 대두됨에 따라 최근 들어 세계 여러 나라(일본, 중국, 노르웨이 등)에서 선도 연구센터가 설치되고, 관련 연구가 활발하게 진행되고 있다.However, there is no reliability in the safety and stability of the structure, and the structure that has existed theoretically for more than 140 years due to the very high construction difficulty has recently emerged as the need for development of construction technology and marine resources and territorial development has emerged. Leading research centers have been established in many countries around the world (Japan, China, Norway, etc.), and related research is actively being conducted.

SFT 구조물 자체의 실현 사례가 전무하므로, 이와 관련된 특허 역시 거의 존재하지 않는 상황인데, 지상과 달리 하중의 크기와 방향이 수시로 바뀌고, 구조물과 상호작용이 매우 큰 해중 구조물의 특성상 단면 설계를 위하여 수치 해석에 대한 새로운 접근이 필요하다.Since there are no cases of realization of the SFT structure itself, there are almost no patents related to this, but unlike the ground, the magnitude and direction of the load changes from time to time, and due to the nature of the underwater structure, which interacts with the structure very large, numerical analysis for cross-sectional design We need a new approach to

수중에 설치되는 특수 구조물의 설계 및 해석 사례는 현재까지 수상(해상 풍력 발전, Tension Leg Platform 등) 및 해저(해저터널, 광통신망 등)에 집중되어있으며, 수중(바다 가운데)에 위치한 구조물은 이들과 다른 특성을 갖는다.The design and analysis cases of special structures installed in the water have been concentrated on the water (offshore wind power generation, tension leg platform, etc.) and the seabed (submarine tunnel, optical communication network, etc.), and structures located underwater (middle of the sea) are these. And have different characteristics.

수치 해석을 통한 구조물의 설계는 주로 동적해석(Dynamic analysis)과 정적해석(Static analysis)으로 나뉘어진다.Structure design through numerical analysis is mainly divided into dynamic analysis and static analysis.

동적해석의 경우 매우 간단한 요소, 예를 들어 보 요소(beam element), 트러스 요소(truss element) 등을 사용하여 시간에 따른 효과를 보기 위한 것으로, 시간에 따른 하중의 크기 및 분포의 변화, 이에 따른 구조물과의 상호작용, 공진(resonance) 효과 등을 확인할 수가 있다.In the case of dynamic analysis, a very simple element, for example, a beam element, a truss element, etc., is used to see the effect over time, and the change in the magnitude and distribution of the load over time, You can check the interaction with the structure and the effect of resonance.

정적해석의 경우 높은 자유도를 갖는 요소, 예를 들어 솔리드 요소(solid element)를 사용하여 고정된 하중을 적용, 3차원의 구조물 응답과 이에 따른 단면 상세 설계, 그리고 내부 구조의 변화 등 쉬운 매개변수 연구가 가능하다는 장점이 있다.In the case of static analysis, an element with high degrees of freedom, for example, a solid element, is used to apply a fixed load, a three-dimensional structure response and a detailed cross-sectional design accordingly, and an easy parameter study such as changes in the internal structure. There is an advantage that it is possible.

입력 하중의 특성이 중시되는 해상 구조물의 경우, 주로 동적해석을 기반으로 해석 및 설계를 진행하고 있는데, 동적해석의 경우 하중에 따른 구조물의 응답이 도 1에서의 X 방향인, 종방향(longitudinal)으로만 나타나고, 단면 내에서 위치를 알 수 없으므로 종방향 부재를 전체적으로 동일하게 배치하고, 횡방향 역시 동일하게 배치하거나 더 높은 하중계수를 적용하여 비효율적인 설계가 될 수 있다는 단점이 있다.In the case of offshore structures in which the characteristics of the input load are important, analysis and design are mainly conducted based on dynamic analysis.In the case of dynamic analysis, the response of the structure according to the load is the longitudinal direction, which is the X direction in FIG. Since it appears only as and the position within the cross section is not known, there is a disadvantage in that the longitudinal members are arranged in the same manner as a whole, and the transverse direction is also arranged in the same manner, or a higher load factor is applied, resulting in an inefficient design.

정적해석의 경우, 동적해석에서 중시되는 하중의 변화하는 크기 및 분포를 적용할 수 없고, 구조물과의 상호작용과 공진 특성을 확인할 수 없다는 단점이 있다. In the case of static analysis, there is a disadvantage in that it is not possible to apply the varying size and distribution of loads, which are important in dynamic analysis, and that interaction with structures and resonance characteristics cannot be confirmed.

또한, 정적해석에서 사용되는 솔리드 요소(solid element)를 통해 규모가 큰 구조물을 모델링하는 경우, 수 십만~수 백만 개의 요소가 필요하게 되고, 이를 유동해석(CFD) 또는 동적해석하는 경우 10초의 구조물 응답을 보기 위하여 일반적인 해석용 워크스테이션으로 약 일주일의 해석이 필요하게되어 그 효율과 비용이 매우 부정적인 측면이 있다.In addition, when modeling a large-scale structure through solid elements used in static analysis, hundreds of thousands to millions of elements are required, and in the case of flow analysis (CFD) or dynamic analysis, the structure takes 10 seconds. In order to see the response, a general analysis workstation requires about a week of analysis, and the efficiency and cost are very negative.

종래의 특허문헌 1(KR10-1529091 B1)은 해중터널 및 그의 시공방법에 관한 것으로, 해중터널의 시공에 대한 일반적인 방법론을 기술한 것으로, 수치해석보다는 시공기술 측면에 가깝다. 또한, 일반적인 해상 교량과 관련된 특허(도크 형성 후 물막이 공법, 교각 설치 등)와 매우 유사한 측면이 있으므로 본 발명과 구별된다. 또한, 특허문헌 1은 단면에 대한 상세한 서술이 전무하다.Conventional Patent Document 1 (KR10-1529091 B1) relates to an underwater tunnel and its construction method, and describes a general methodology for the construction of an underwater tunnel, and is closer to a construction technology aspect than a numerical analysis. In addition, it is distinguished from the present invention because it has very similar aspects to the patents related to general offshore bridges (dock formation method, pier installation, etc.). In addition, Patent Document 1 has no detailed description of a cross section.

종래의 비특허문헌 1(Design of Offshore Concrete Structure Based on Postprocessing of Results from Finiete Element Analysis (FEA): Methods, Limitations and Accuracy, Proceedings of the Fourth (1994) International Offshore and Polar Engineering Conference, 1994)은 solid element를 사용하여 정적해석(Finite element analysis)을 진행하고 있으나, 그 대상 구조물이 해상 구조물(Tension leg platform 등)에 국한되어있으며, 'Postprocessing', 다시 말해 비교적 복잡한 후처리 과정을 거쳐야만 구조물의 평가가 가능한 단점이 있다.Conventional Non-Patent Document 1 (Design of Offshore Concrete Structure Based on Postprocessing of Results from Finiete Element Analysis (FEA): Methods, Limitations and Accuracy, Proceedings of the Fourth (1994) International Offshore and Polar Engineering Conference, 1994) is a solid element Although static analysis (finite element analysis) is in progress, the target structure is limited to offshore structures (Tension leg platform, etc.), and evaluation of the structure is possible only through'Postprocessing', that is, a relatively complex post-processing process. There are drawbacks.

또한, 비특허문헌 1은 1994년의 논문으로, 이후 수치해석 기법이 크게 발전됨에 따라 기존에 비해 구조물 설계시 활용도가 높아졌음을 알 수 있다. 따라서 본 발명에서 제안하고 있는 해석 방법의 적용을 통해 기존에 비해 획기적으로 진보된 구조물의 단면 설계 및 의사결정이 가능할 것으로 생각된다. 또한, SFT라는 새로운 구조물에 대한 설계방법은 극히 드문 실정이므로 본 발명은 기존의 연구 결과와는 차별성을 갖는다.In addition, Non-Patent Literature 1 is a paper in 1994, and it can be seen that as the numerical analysis technique has been greatly developed since then, its utilization in structure design has increased compared to the previous one. Therefore, it is considered that the cross-sectional design and decision-making of structures that are remarkably advanced compared to the existing ones can be made through the application of the analysis method proposed in the present invention. In addition, since the design method for a new structure called SFT is extremely rare, the present invention is differentiated from the existing research results.

SFT와 같은 기존의 사회기반시설물의 설계 사례가 그래왔듯, 해상 교량, 고속도로 등의 건설은 그 비용이 조(兆) 단위를 넘어가는 사업이다. 이러한 사업의 설계를 진행함에 있어 가장 우선시 되는 것은 설계의 안전성과 그 결과의 신뢰성이 요구된다. 그리고, 시행착오(trial error)를 줄여 SFT와 같은 사회기반시설물의 설계에 접근이 용이하게 하는 것이 요구된다.As has been the case for the design of existing infrastructure such as SFT, construction of offshore bridges and highways is a project in which the cost exceeds trillions. The safety of the design and reliability of the result are the most prioritized in designing such a project. In addition, it is required to facilitate access to the design of infrastructure such as SFT by reducing trial and error.

KRKR 10-152909110-1529091 B1B1

Design of Offshore Concrete Structure Based on Postprocessing of Results from Finiete Element Analysis (FEA): Methods, Limitations and Accuracy, Proceedings of the Fourth (1994) International Offshore and Polar Engineering Conference, 1994 Design of Offshore Concrete Structure Based on Postprocessing of Results from Finiete Element Analysis (FEA): Methods, Limitations and Accuracy, Proceedings of the Fourth (1994) International Offshore and Polar Engineering Conference, 1994

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 수중 터널의 설계 가이드라인을 제공할 수 있는, 수중 터널의 설계를 위한 수치해석 방법을 제공한다.The problem to be solved by the present invention is to provide a numerical analysis method for designing an underwater tunnel, which can provide a design guideline for an underwater tunnel.

또한, SFT 건설 시 기존의 높은 설계비를 절감하고 효율적인 의사 결정을 유도할 수 있는, 수중 터널의 설계를 위한 수치해석 방법을 제공한다.In addition, it provides a numerical analysis method for the design of an underwater tunnel that can reduce the existing high design cost and induce efficient decision making during SFT construction.

또한, SFT 설계의 안전성과 그 결과의 신뢰성을 갖춘, 수중 터널의 설계를 위한 수치해석 방법을 제공한다.In addition, it provides a numerical analysis method for the design of an underwater tunnel with the safety of SFT design and the reliability of the result.

또한, SFT의 설계 상의 시행착오(trial error)를 줄여 SFT 설계에 접근이 용이하게 할 수 있는, 수중 터널의 설계를 위한 수치해석 방법을 제공한다.In addition, it provides a numerical analysis method for the design of an underwater tunnel that can facilitate access to the SFT design by reducing trial and error in the design of the SFT.

본 발명의 실시 형태에 따른 수중 터널의 설계를 위한 수치해석 방법은, 수중 터널의 설계를 위한 수치해석 장치에서 수행되는 수치해석 방법으로서, 선행 분석부가 수중 터널이 위치할 후보지의 파랑 이론을 판정하고, 상기 후보지의 파랑과 상기 수중 터널의 관련성을 나타내는 유체역학 관련 방정식을 판정하는, 선행 분석 단계; 및 가이드라인 생성부가 상기 선행 분석 단계에서 판정된 상기 파랑 이론과 상기 유체역학 관련 방정식, 및 특정 시점에서의 파랑 하중 파라미터를 이용하여 정적 파랑 압력 분포를 생성하고, 생성된 상기 정적 파랑 압력 분포를 상기 수중 터널의 상세 구조에 적용하여 가이드라인을 생성하는, 가이드라인 생성 단계;를 포함하고, 상기 특정 시점은 상기 후보지에서 과거의 어떤 기간 동안에 파랑이 가장 높았던 시점이고, 상기 가이드라인 생성 단계에 있어서, 상기 정적 파랑 압력 분포는 등가 정적 하중 개념을 이용하여 생성하고, 상기 등가 정적 하중 개념은, 판정된 상기 파랑 이론과 상기 유체역학 관련 방정식을 기반으로, 결정된 상기 파랑 하중 파라미터를 소정의 해석 툴을 이용하여 상기 정적 파랑 압력 값으로 변환한다.A numerical analysis method for designing an underwater tunnel according to an embodiment of the present invention is a numerical analysis method performed in a numerical analysis device for designing an underwater tunnel, wherein the preceding analysis unit determines the wave theory of a candidate site for the underwater tunnel. , Determining an equation related to hydrodynamics indicating a relationship between the wave of the candidate site and the underwater tunnel; And a guideline generator generating a static wave pressure distribution using the wave theory determined in the preceding analysis step, the fluid mechanics-related equation, and a wave load parameter at a specific point in time, and the generated static wave pressure distribution. A guideline generation step of generating a guideline by applying to the detailed structure of the underwater tunnel; wherein the specific time point is a time point at which the blue was highest during a certain period in the past at the candidate site, and in the guideline generation step, The static wave pressure distribution is generated using an equivalent static load concept, and the equivalent static load concept is based on the determined wave theory and the fluid mechanics-related equation, using a predetermined analysis tool And converted into the static wave pressure value.

여기서, 상기 선행 분석 단계는, 상기 후보지의 후보지 파라미터가 선택되는, 후보지 파라미터 선택 단계; 상기 수중 터널의 설계를 위한 주요 파라미터가 사전 선택되는, 수중 터널의 주요 파라미터 사전 선택 단계; 파랑 이론 결정 그래프에서 상대 수심(Relative depth) 값과 파랑 기울기(Wave steepness) 값에 대응하는 파랑 이론을 결정하는, 파랑 이론 판정 단계; 및 유체역학 관련 방정식 결정 그래프에서 크리건 카펜터 수(Keulegan-Carpenter number)와 파장 대 직경 비율(Dimension by wavelength) 값에 대응되는 유체역학 관련 방정식을 결정하는, 유체역학 관련 방정식 판정 단계;를 포함할 수 있다.Here, the preceding analysis step includes: a candidate site parameter selection step in which a candidate site parameter of the candidate site is selected; A preselection step of the main parameters of the underwater tunnel in which the main parameters for the design of the underwater tunnel are preselected; Determining a wave theory corresponding to a relative depth value and a wave steepness value in the wave theory determination graph; And determining an equation related to fluid mechanics corresponding to a Keulegan-Carpenter number and a dimension by wavelength value in the fluid mechanics related equation determination graph. I can.

여기서, 상기 후보지 파라미터는, 유의파고(Significant Wave Height), 유의파 주기(Significant Wave Period), 평균 수심(Mean Water Depth) 및 파랑의 파장을 포함할 수 있다.Here, the candidate site parameter may include a Significant Wave Height, a Significant Wave Period, a Mean Water Depth, and a wavelength of a blue wave.

여기서, 상기 주요 파라미터는, 상기 수중 터널의 외경(Outer Diameter), 상기 수중 터널의 외부 두께(Outer Thickness) 및 상기 수중 터널의 경간 길이(Span Length)를 포함할 수 있다.Here, the main parameters may include an outer diameter of the underwater tunnel, an outer thickness of the underwater tunnel, and a span length of the underwater tunnel.

여기서, 상기 유체역학 관련 방정식은 모리슨 방정식일 수 있다.Here, the fluid mechanics-related equation may be a Morrison equation.

여기서, 상기 파랑 하중 파라미터는, 상기 특정 시점에서의 유의파고(Significant Wave Height), 유의파 주기(Significant Wave Period) 및 상기 수중 터널의 침수 깊이를 포함할 수 있다.Here, the wave load parameter may include a Significant Wave Height, a Significant Wave Period, and an immersion depth of the underwater tunnel at the specific time point.

여기서, 상기 수중 터널의 상세 구조는, 상기 수중 터널의 상세 파라미터인 외경(Outer Diameter, D)과 외부 두께(Outer Thickness, t) 및 D/t를 포함할 수 있다.Here, the detailed structure of the underwater tunnel may include an outer diameter (D), an outer thickness (t) and D/t, which are detailed parameters of the underwater tunnel.

여기서, 상기 가이드라인은 상기 파랑 하중 파라미터와 상기 수중 터널의 상세 파라미터 별로 상기 수중 터널에 미치는 응력 값을 포함할 수 있다.Here, the guideline may include a stress value applied to the underwater tunnel for each of the wave load parameter and the detailed parameter of the underwater tunnel.

여기서, 소정의 툴은 Hydrogen 해석 툴일 수 있다.Here, the predetermined tool may be a Hydrogen analysis tool.

본 발명의 다른 실시 형태에 따른 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체는 앞서 상술한 수중 터널의 설계를 위한 수치해석 방법을 수행하기 위한 것이다.A computer-readable recording medium having a computer program recorded thereon according to another embodiment of the present invention is for performing a numerical analysis method for designing an underwater tunnel described above.

본 발명의 실시 형태에 따른 수중 터널의 설계를 위한 수치해석 방법을 사용하면, 수중 터널의 설계 가이드라인을 제공할 수 있는 이점이 있다.When the numerical analysis method for designing an underwater tunnel according to an embodiment of the present invention is used, there is an advantage of providing a design guideline for an underwater tunnel.

또한, SFT 건설 시 기존의 높은 설계비를 절감하고 효율적인 의사 결정을 유도할 수 있는 이점이 있다.In addition, there is an advantage of reducing the existing high design cost and inducing efficient decision-making during SFT construction.

또한, SFT 설계의 안전성과 그 결과의 신뢰성을 갖출 수 있는 이점이 있다.In addition, there is an advantage of having the safety of the SFT design and the reliability of the result.

또한, SFT의 설계 상의 시행착오(trial error)를 줄여 SFT 설계에 접근이 용이하게 할 수 있는 이점이 있다.In addition, there is an advantage in that the SFT design can be easily accessed by reducing trial and error in the design of the SFT.

도 1은 종래의 동적해석을 사용하여 SFT를 전체계 해석(Global Analysis)한 시뮬레이션 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태에 따른 수중 터널 설계를 위한 수치해석 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시 형태에 따른 수중 터널 설계를 위한 수치해석 방법의 선행 분석 단계(S100)를 상세히 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 도 3에 도시된 파랑 이론 판정 단계(S330)를 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 선형 파랑 이론을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 3에 도시된 유체역학 관련 방정식 판정 단계(S140)를 설명하기 위한 그래프이다.
도 7은 도 2에 도시된 가이드라인 생성 단계(S300)를 상세하게 설명하기 위한 순서도이다.
도 8은 파랑 압력 분포도의 일 예를 보여주는 도면이다.
도 9의 (a)는 SFT의 상세 구조의 일 예를 보여주는 도면이고, 도 9의 (b)는 BWR을 설명하기 위한 표이다.
도 10의 (a) 및 (b)는 가이드라인의 일 예를 설명하기 위한 그래프들이다.
1 is a simulation diagram obtained by performing a global analysis of SFT using a conventional dynamic analysis.
2 is a flowchart illustrating a numerical analysis method for designing an underwater tunnel according to an embodiment of the present invention.
3 is a flow chart for explaining in detail the preceding analysis step (S100) of the numerical analysis method for designing an underwater tunnel according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 2.
FIG. 4 is a graph for explaining the wave theory determination step S330 shown in FIG. 3.
5 is a diagram for explaining the linear wave theory.
6 is a graph for explaining the determination step (S140) related to the fluid mechanics equation shown in FIG.
FIG. 7 is a flow chart for explaining in detail the step of creating a guideline (S300) shown in FIG. 2.
8 is a diagram showing an example of a wave pressure distribution map.
FIG. 9A is a diagram showing an example of a detailed structure of an SFT, and FIG. 9B is a table for explaining a BWR.
10A and 10B are graphs for explaining an example of a guideline.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시 형태를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시 형태는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시형태는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시형태에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시형태로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시 형태 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정될 수 있다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭할 수 있다. For detailed description of the present invention to be described later, reference is made to the accompanying drawings, which illustrate specific embodiments in which the present invention may be practiced as an example. These embodiments are described in detail enough to enable those skilled in the art to practice the present invention. It is to be understood that the various embodiments of the present invention are different from each other but need not be mutually exclusive. For example, certain shapes, structures, and characteristics described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the present invention with respect to one embodiment. In addition, it should be understood that the location or arrangement of individual components within each disclosed embodiment may be changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Accordingly, the detailed description to be described below is not intended to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention, if properly described, may be limited only by the appended claims, along with all scopes equivalent to those claimed by the claims. Like reference numerals in the drawings may refer to the same or similar functions over several aspects.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in order to enable those of ordinary skill in the art to easily implement the present invention.

도 2는 본 발명의 실시 형태에 따른 수중 터널 설계를 위한 수치해석 방법을 설명하기 위한 순서도이다.2 is a flowchart illustrating a numerical analysis method for designing an underwater tunnel according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 형태에 따른 수중 터널의 설계를 위한 수치해석 방법은, 수치해석 수행을 위한 선행 분석 단계(S100) 및 가이드라인 생성 단계(S300)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, a numerical analysis method for designing an underwater tunnel according to an embodiment of the present invention may include a preceding analysis step (S100) and a guideline generation step (S300) for performing numerical analysis.

수치해석 수행을 위한 선행 분석 단계(S100)는, 선행 분석부가 SFT가 위치할 후보지의 파랑 이론(또는 파랑 방정식)을 판정하고, 상기 후보지의 파랑과 SFT와의 관련성을 나타내는 유체역학 관련 방정식을 판정한다.In the preceding analysis step (S100) for performing numerical analysis, the preceding analysis unit determines the wave theory (or wave equation) of the candidate site where the SFT is to be located, and determines a fluid mechanics-related equation indicating the relationship between the wave of the candidate site and the SFT. .

가이드라인 생성 단계(S300)는, 선행 분석 단계(S100)에서 판정된 파랑 이론과 유체역학 관련 방정식, 및 특정 시점에서의 파랑 하중 파라미터를 이용하여 가이드라인 생성부가 파랑 압력 분포를 생성하고, 생성된 파랑 압력 분포를 SFT의 상세 구조에 적용하여 가이드라인을 생성한다.In the guideline generation step (S300), the guideline generator generates a wave pressure distribution by using the wave theory and the fluid mechanics-related equation determined in the preceding analysis step (S100), and the wave load parameter at a specific point in time. A guideline is created by applying the wave pressure distribution to the detailed structure of the SFT.

이하, 선행 분석 단계(S100)와 가이드라인 생성 단계(S300)을 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the preceding analysis step (S100) and the guideline generation step (S300) will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시 형태에 따른 수중 터널 설계를 위한 수치해석 방법의 선행 분석 단계(S100)를 상세히 설명하기 위한 순서도이다.3 is a flow chart for explaining in detail the preceding analysis step (S100) of the numerical analysis method for designing an underwater tunnel according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 2.

도 3을 참조하면, 도 2에 도시된 선행 분석 단계(S100)는, 후보지 파라미터 선택 단계(S110), SFT 주요 파라미터 사전 선택 단계(S120), 파랑 이론(wave theory) 판정 단계(S130), 및 유체역학 관련 방정식(Hydrodynamic-related Equation) 판정 단계(S140)을 포함한다.Referring to Figure 3, the preceding analysis step (S100) shown in Figure 2, the candidate site parameter selection step (S110), SFT main parameter preselection step (S120), wave theory (wave theory) determination step (S130), and And determining a hydrodynamic-related equation (S140).

후보지 파라미터 선택 단계(S110)는, 수중 터널(SFT)이 위치할 후보지(Candidate region)의 후보지 파라미터가 선택 또는 결정되는 단계이다. 상기 후보지 파라미터는 HS, TP, h 및 λ를 포함할 수 있다. 여기서, HS는 유의파고(Significant Wave Height)이고, TP는 유의파 주기(Significant Wave Period)이고, h는 평균 수심(Mean Water Depth)이고, λ는 파랑의 파장이다. 상기 후보지 파라미터는 후보지마다 다르다. 따라서, 후보지가 결정되면, 상기 후보지 파라미터는 결정된다.The candidate site parameter selection step (S110) is a step in which a candidate site parameter of a candidate site in which an underwater tunnel (SFT) is located is selected or determined. The candidate site parameter may include H S , T P , h and λ. Here, H S is the Significant Wave Height, T P is the Significant Wave Period, h is the Mean Water Depth, and λ is the wavelength of the wave. The candidate site parameters are different for each candidate site. Thus, when the candidate site is determined, the candidate site parameter is determined.

SFT 주요 파라미터 사전 선택 단계(S120)는, SFT의 설계를 위한 주요 파라미터가 사전 선택되는 단계이다. SFT 주요 파라미터는 D, t 및 L을 포함할 수 있다. 여기서, D는 수중 터널(SFT)의 외경(Outer Diameter)이고, t는 SFT의 외부 두께(Outer Thickness)이고, L은 SFT의 경간 길이(Span Length)이다. 상기 SFT 주요 파라미터는 설계자로부터 제공받는 값이다.The SFT main parameter preselection step (S120) is a step in which the main parameters for SFT design are preselected. SFT main parameters may include D, t and L. Here, D is the outer diameter of the underwater tunnel (SFT), t is the outer thickness of the SFT, and L is the span length of the SFT. The main parameter of the SFT is a value provided by the designer.

파랑 이론(wave theory) 판정 단계(S330)는, 후보지에 적용되는 파랑 이론을 판정하는 단계이다. 도 4를 참조하여 설명한다.A wave theory determination step S330 is a step of determining a wave theory applied to a candidate site. This will be described with reference to FIG. 4.

도 4는 도 3에 도시된 파랑 이론 판정 단계(S330)를 설명하기 위한 그래프이다. FIG. 4 is a graph for explaining the wave theory determination step S330 shown in FIG. 3.

도 4의 파랑 이론 결정 그래프는 가로축의 값과 세로축의 값에 의해 파랑 이론이 결정되는 것을 보여준다. 도 4의 그래프에서 가로축은 상대 수심(Relative depth)로서, 'h/gTp 2'으로 결정된다. 세로축은 파랑 기울기(Wave steepness)로서, 'Hs/gTp 2'으로 결정된다. 여기서, g는 중력가속도이다. The wave theory determination graph of FIG. 4 shows that the wave theory is determined by the values of the horizontal axis and the vertical axis. In the graph of FIG. 4, the horizontal axis represents the relative depth and is determined as'h/gT p 2 '. The vertical axis is Wave steepness, which is determined as'H s /gT p 2 '. Where g is the acceleration due to gravity.

도 3의 S110 단계에서, HS, TP 및 h 값이 결정되므로, 상기 상대 수심 값과 상기 파랑 기울기 값이 결정된다. 판정되는 파랑 이론은, 도 4의 그래프에서 결정된 상대 수심 값과 결정된 파랑 기울기 값이 매핑되는 위치에 대응되는 파랑 이론에 따른다. In step S110 of FIG. 3, since H S , T P and h values are determined, the relative depth value and the wave slope value are determined. The determined wave theory is based on a wave theory corresponding to a position to which the determined relative depth value and the determined wave slope value are mapped in the graph of FIG. 4.

예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, Hs가 11.7(m), TP가 13(s), h가 100(m)이면, 상대 수심 값은 대략 0.05가 되고, 파랑 기울기 값은 대략 0.0002가 되므로, 판정되는 파랑 이론은 선형 파랑 이론(linear wave theory)이 된다.For example, as shown in FIG. 3, if H s is 11.7 (m), T P is 13 (s), and h is 100 (m), the relative depth value is approximately 0.05, and the blue slope value is approximately Since it is 0.0002, the wave theory to be judged becomes linear wave theory.

나아가, 선형 파랑 이론에는 여러가지가 존재한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 선형 파랑 이론은 파랑의 모양에 따라, 에어리 파랑 이론(Airy Wave Theory), 스토크 파랑 이론(Stokes Wave Theory), 크노이드 파랑 이론(Cnoidal Wave Theory) 및 솔리터리 파랑 이론(Solitary Wave Theory)를 포함한다. 선형 파랑 이론에서 에어리 파랑 이론이 대표적이다. Furthermore, there are many things in the linear wave theory. As shown in Figure 5, linear wave theory according to the shape of the wave, Airy Wave Theory (Airy Wave Theory), Stokes Wave Theory (Stokes Wave Theory), Knoidal Wave Theory (Cnoidal Wave Theory), and Solitaire Wave Theory. (Solitary Wave Theory). Airy's wave theory is representative of the linear wave theory.

다시, 도 3을 참조하면, 유체역학 관련 방정식(Hydrodynamic-related Equation) 판정 단계(S140)는 다수의 유체역학 관련 방정식들 중에서 하나의 유체역학 관련 방정식을 결정하는 단계이다. 도 6을 참조하여 설명한다.Again, referring to FIG. 3, the determining step S140 of a hydrodynamic-related equation is a step of determining one hydrodynamic-related equation from among a plurality of hydrodynamic-related equations. This will be described with reference to FIG. 6.

도 6은 도 3에 도시된 유체역학 관련 방정식 판정 단계(S140)를 설명하기 위한 그래프이다.6 is a graph for explaining the determination step (S140) related to the fluid mechanics equation shown in FIG.

도 6의 유체역학 관련 방정식 결정 그래프는 가로축의 값과 세로축의 값에 의해 유체역학 관련 방정식이 결정되는 것을 보여준다. 도 6의 그래프에서 가로축은 'KC=π*Hs/D'이고, 세로축은 'D/λ'이다. 여기서, KC는 크리건 카펜터 수(Keulegan-Carpenter number), 이고, D/λ는 파장 대 직경 비율(Dimension by wavelength)이고, H

Figure 112020082748476-pat00001
HS/3 이다. The fluid mechanics-related equation determination graph of FIG. 6 shows that the fluid mechanics-related equation is determined by the values of the horizontal axis and the vertical axis. In the graph of FIG. 6, the horizontal axis is'K C =π*Hs/D' and the vertical axis is'D/λ'. Where K C is the Keulegan-Carpenter number, and D/λ is the dimension by wavelength, and H
Figure 112020082748476-pat00001
H S /3.

도 6의 유체역학 관련 방정식 결정 그래프에서, 각 구간(Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ, Ⅴ, Ⅵ)에 대응되는 유체역학 관련 방정식이 존재한다. SFT와 같은 수중 구조물은 대부분 Ⅲ.의 큰 관성(Large Inertia)에 해당되는 모리슨 방정식(Morison's equation)이 된다.In the fluid mechanics-related equation determination graph of FIG. 6, there are equations related to fluid mechanics corresponding to each section (I, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ, Ⅴ, Ⅵ). Most underwater structures such as SFT become Morrison's equation, which corresponds to the large inertia of III.

도 6에서도 Hs가 11.7(m), D가 23(m), λ가 212(m)이면, 결정되는 유체역학 관련 방정식은, 도 6의 그래프에서의 Ⅲ.의 큰 관성(Large Inertia)에 존재하며, 따라서, 모리슨 방정식(Morison's equation)이 결정된다.Also in FIG. 6, if H s is 11.7 (m), D is 23 (m), and λ is 212 (m), the fluid dynamics-related equation to be determined is in the large inertia of III. Exists, and thus Morison's equation is determined.

도 7은 도 2에 도시된 가이드라인 생성 단계(S300)를 상세하게 설명하기 위한 순서도이다.FIG. 7 is a flow chart for explaining in detail the step of creating a guideline (S300) shown in FIG. 2.

도 7을 참조하면, 파랑 압력 분포(Wave Pressure Distribution)를 판정하는 단계(310)는 도 3에서 판정된 파랑 이론(Wave theory)과 유체역학 관련 방정식(Hydrodynamic-related Equation), 그리고 파랑 하중 파라미터(Wave Load Parameter)를 이용하여 상기 파랑 압력 분포를 얻을 수 있다. 다시 말해, 등가 정적 하중 개념을 이용하여 파랑 압력 분포를 얻을 수 있는데, 여기서, 등가 정적 하중 개념이란, 앞서 판정된 파랑 이론과 유체역학 관련 방정식을 기반으로, 동적 해석에서 중대한(critical)한 값인 파랑 하중 파라미터들을 뽑아 Hydrogen과 같은 해석 툴을 통해 정적 파랑 압력 값으로 변환하는 것을 의미할 수 있다.Referring to FIG. 7, the step 310 of determining a wave pressure distribution includes the wave theory determined in FIG. 3, a hydrodynamic-related equation, and a wave load parameter ( Wave Load Parameter) can be used to obtain the wave pressure distribution. In other words, the wave pressure distribution can be obtained by using the concept of equivalent static load. Here, the concept of equivalent static load is based on the previously determined wave theory and equations related to fluid mechanics, and is a critical value in dynamic analysis. This could mean pulling the load parameters and converting them into static wave pressure values through an analysis tool like Hydrogen.

상기 파랑 하중 파라미터는 특정 시점에서의 HS, TP 및 ZS을 포함하는데, 특정 시점이란, 예를 들어, 해당 후보지에서 과거의 어떤 기간 동안에 파랑이 가장 높았던 시점일 수 있다. 구체적인 예로서, 해당 후보지에서 100년 동안에 파랑이 가장 컸던 시점에서의 HS, TP 및 ZS가 파랑 하중 파라미터로 결정될 수 있다. 상기 HS, TP 및 ZS는 설계자의 입력에 따라 결정된다. 한편, HS는 유의파고(Significant Wave Height)이고, TP는 유의파 주기(Significant Wave Period)이고, ZS는 SFT의 침수 깊이(Submergence Depth)이다. The wave load parameter includes H S , T P and Z S at a specific time point, and the specific time point may be, for example, a time point at which the wave was highest during a certain period in the past at the candidate site. As a specific example, H S , T P, and Z S at a point in time when the wave was greatest for 100 years in the candidate site may be determined as wave load parameters. The H S , T P and Z S are determined according to the designer's input. On the other hand, H S is the Significant Wave Height, T P is the Significant Wave Period, and Z S is the Submergence Depth of the SFT.

생성된 파랑 압력 분포는 SFT의 위치별 파랑 압력 값이 출력될 수 있고, 도 8에 도시된 바와 같이, 파랑 압력 분포도로 출력될 수 있다.The generated wave pressure distribution may output a wave pressure value for each position of the SFT, and may be output as a wave pressure distribution diagram, as shown in FIG. 8.

도 8에 도시된 파랑 압력 분포도의 예시는, 파랑 이론이 선형 파랑 이론(좀 더 구체적으로, 에어리 파랑 이론)이고, 유체역학 관련 방정식이 모리슨 방정식으로 판정된 것을 이용한 것이다. 그리고, 파랑 압력 분포도를 얻기 위해, 'Hydrogen'이라는 해석 툴(tool)을 이용하였다. 상기 'Hydrogen'이라는 해석 툴에 선형 파랑 이론(좀 더 구체적으로, 에어리 파랑 이론), 유체역학 관련 방정식이 모리슨 방정식 및 파랑 하중 파라미터를 적용하면, 도 8과 같은 파랑 압력 분포도를 얻을 수 있다. An example of the wave pressure distribution diagram shown in FIG. 8 is that the wave theory is a linear wave theory (more specifically, Airy wave theory), and the fluid mechanics-related equation is determined by the Morrison equation. And, in order to obtain the wave pressure distribution map, an analysis tool called'Hydrogen' was used. When the linear wave theory (more specifically, Airy wave theory) and the fluid mechanics-related equation apply the Morrison equation and the wave load parameter to the analysis tool called'Hydrogen', a wave pressure distribution diagram as shown in FIG. 8 can be obtained.

도 8을 참조하면, 특정 후보지의 특정 수심에서 설계된 SFT의 원주 방향으로의 파랑 압력 분포를 확인할 수 있다.Referring to FIG. 8, a wave pressure distribution in a circumferential direction of an SFT designed at a specific depth of a specific candidate site can be confirmed.

상기 파랑 하중 파라미터는 설계자에 따라 복수로 설정(setting)될 수 있다. 따라서, 복수로 설정된 파랑 하중 파라미터들 각각에 대응하여 파랑 압력 분포를 얻을 수 있다. 예를 들어, 제1 파랑 하중 파라미터에 대응하는 제1 파랑 압력 분포,..., 제n 파랑 하중 파라미터에 대응하는 제n 파랑 압력 분포를 얻을 수 있다. The wave load parameter may be set in plural according to the designer. Therefore, it is possible to obtain a wave pressure distribution corresponding to each of the plurality of wave load parameters set. For example, a first wave pressure distribution corresponding to the first wave load parameter, ..., an nth wave pressure distribution corresponding to the nth wave load parameter may be obtained.

다시, 도 7을 참조하면, SFT의 상세 설계 단계(S320)는 SFT의 상세 파라미터인 D, t, D/t를 설정하는 단계이다. 여기서, D는 수중 터널(SFT)의 외경(Outer Diameter)이고, t는 SFT의 외부 두께(Outer Thickness)이다. D값과 t값은 설계자에 의해 결정될 수 있다.Again, referring to FIG. 7, the detailed design step S320 of the SFT is a step of setting detailed parameters D, t, and D/t of the SFT. Here, D is the outer diameter of the underwater tunnel (SFT), and t is the outer thickness of the SFT. D and t values can be determined by the designer.

D값이 결정되면, 도로(Road) 또는 철로(Rail)의 개수에 의한 활 하중(Live Load)이 계산될 수 있다. 도 9의 (a)를 참조하면, 결정되는 D값이 최소 20(m) 이상이면, 설계하고자 하는 SFT에 고속도로(Highway)와 철도(Railway)가 포함된다.When the D value is determined, a live load based on the number of roads or rails can be calculated. Referring to (a) of FIG. 9, when the determined D value is at least 20 (m) or more, a highway and a railroad are included in the SFT to be designed.

t값이 결정되면, BWR(Buoyancy-Weight Ratio)이 계산될 수 있다. 도 9의 (b)를 참조하면, 결정된 D값과 t값에 따른 BWR 값이 표로 도시되어 있음을 확인할 수 있다.When the t value is determined, a Buoyancy-Weight Ratio (BWR) may be calculated. Referring to (b) of FIG. 9, it can be seen that BWR values according to the determined D and t values are shown in a table.

등가 정적 파랑 압력(Equivalent Static Wave Pressure)의 적용 단계(S330)는, S310 단계에서 판정된 파랑 압력 분포를 S320 단계에서 설계된 SFT에 적용하는 단계이다. 이를 위해 ABAQUS라는 툴이 이용될 수 있다. 상기 툴에 S310 단계에서 판정된 파랑 압력 분포와 S320 단계에서 설계된 SFT를 입력하면, 가이드라인이 출력될 수 있다.The application step (S330) of the equivalent static wave pressure is a step of applying the wave pressure distribution determined in step S310 to the SFT designed in step S320. For this, a tool called ABAQUS can be used. When the wave pressure distribution determined in step S310 and the SFT designed in step S320 are input to the tool, a guideline may be output.

출력되는 가이드라인은 S310 및 S320 단계에서 설정된 파라미터(HS, TP, ZS, D, t 또는, HS, TP, ZS, D/t) 별로 SFT에 미치는 영향을 포함할 수 있다. 예를 들어, 가이드라인은 도 10에 도시된 바와 같이, D값 별로 t에 따른 최대압축응력(Maximum Compressive Stress) 값과 최대전단응력(Maximum Shear Stress) 값을 포함할 수 있다. The output guideline may include an effect on the SFT for each parameter (H S , T P , Z S , D, t or H S , T P , Z S , D/t) set in steps S310 and S320. . For example, as shown in FIG. 10, the guideline may include a maximum compressive stress value and a maximum shear stress value according to t for each D value.

또한, 가이드라인은 아래 <수학식 1>과 같은 일반화 방정식(Generalized Equation)을 포함할 수도 있다.In addition, the guideline may include a generalized equation such as <Equation 1> below.

Figure 112020082748476-pat00002
Figure 112020082748476-pat00002

또한, 가이드라인은 SFT의 단면에서 원주 방향으로 미치는 상세한 응력(Stress) 평가를 포함할 수 있다. 상기 가이드라인은 D/t의 비율에 따른 응력 평가를 포함할 수 있다.In addition, the guideline may include a detailed evaluation of stress applied in the circumferential direction in the cross section of the SFT. The guideline may include stress evaluation according to a ratio of D/t.

이러한 본 발명의 실시 형태에 따른 수중 터널의 설계를 위한 수치해석 방법은, 특정 후보지에 위치할 수중 터널(SFT)을 설계하는데 있어서 설계자에게 가이드라인을 제공할 수 있다. The numerical analysis method for designing an underwater tunnel according to the embodiment of the present invention can provide a guideline to a designer in designing an underwater tunnel (SFT) to be located in a specific candidate location.

이러한 본 발명의 실시 형태에 따른 수중 터널의 설계를 위한 수치해석 방법은, 단면의 상세 해석을 수행하기 위하여 정적해석을 기본으로 하고, 동적 하중을 동일한 크기와 분포를 갖는 '등가 정적 하중'으로 변환하여 해석에 도입한 데에 그 의의가 있다. 이 때 동적 해석시 고려되는 하중의 변화하는 크기와 분포, 구조물과의 상호작용을 고려할 필요가 있으며, 구조물 설계시 시간축에 따라 진행되는 동적 하중에서 가장 큰 크기(critical)의 하중만을 고려하면 되므로 경우의 수가 크게 줄어드는 이점이 있다.The numerical analysis method for the design of the underwater tunnel according to the embodiment of the present invention is based on static analysis in order to perform detailed analysis of the cross section, and converts dynamic loads into'equivalent static loads' having the same size and distribution. It is meaningful that it was introduced into interpretation. At this time, it is necessary to consider the varying size and distribution of the loads considered in the dynamic analysis, and the interaction with the structure, and when designing the structure, only the largest critical load in the dynamic load progressing along the time axis needs to be considered. There is an advantage of greatly reducing the number of.

또한, 이론값(Theoretical value, 정확한 값)과 여러가지 해석 툴 사이의 비교(Dynamic analysis, OrcaFlex / Static analysis, ABAQUS) 결과를 기반으로 하므로, 본 발명의 실시 형태에 따른 수중 터널 설계를 위한 수치해석 방법의 신뢰성은 높은 이점이 있다.In addition, since the theoretical value (accurate value) and the comparison between various analysis tools (Dynamic analysis, OrcaFlex / Static analysis, ABAQUS) are based, the numerical analysis method for the underwater tunnel design according to the embodiment of the present invention Reliability has a high advantage.

또한, '등가 정적 하중'의 개념을 적용, 해석 과정중에 동적해석에서 진행되는 많은 과정을 함께 고려하고 있으므로, 비교적 간단한 후처리를 통해 SFT의 단면 설계가 가능한 이점이 있다. 특히, 중국과 같이 바다가 아닌 깊은 강에 초기 수준의 SFT를 건설하여 향후 그 활용도 및 필요성이 높아질 것이라 기대된다.In addition, since the concept of'equivalent static load' is applied and many processes performed in dynamic analysis are considered together during the analysis process, there is an advantage that it is possible to design the cross section of the SFT through relatively simple post-processing. In particular, it is expected that the utilization and necessity of the SFT will increase in the future by constructing an initial level of SFT in a deep river, not the sea like China.

또한, 설계 사례가 쌓여 검증 비용이 줄어드는 경우, 설계비 또한 큰 폭으로 절감될 수 있다. 특히, 인류 건설 기술의 발전에 따라 전세계적인 해양 영토 개발이 진행되는 경우, 본 발명에 따른 설계비용 절감 및 기술 수출 효과는 매우 클 것으로 기대된다.In addition, when the verification cost is reduced due to the accumulation of design cases, the design cost can also be greatly reduced. In particular, when the development of global maritime territories is progressed according to the development of human construction technology, the design cost reduction and technology export effect according to the present invention are expected to be very large.

또한, SFT의 응답(단면력, 응력 등)을 볼 수 없는 동적 해석과 달리, 그 크기와 상세한 위치를 알 수 있으므로, 단면 내 보강부재의 필요에 따른 배치가 가능하여 낭비를 줄이고 재료비를 크게 절감할 수 있는 이점이 있다.In addition, unlike dynamic analysis in which the response (section force, stress, etc.) of SFT cannot be seen, its size and detailed location are known, so it is possible to arrange the reinforcing members in the cross section according to the need, thereby reducing waste and greatly reducing material cost. There is an advantage to be able to.

또한, 단면 내부 구조가 바뀔 때마다 회전강성(rotational stiffness), 축강성(axial stiffness) 등을 매 번 다시 계산하여 동적 해석부터 해야하는 기존 방법과 달리, 큰 틀에서의 기본 해석(구조물의 전체적 크기, 형태 등)이 끝난 후에는 얼마든지 단면 내부 구조를 변화시켜가며 매개변수 해석 및 설계가 가능하여 설계 효율을 높은 이점이 있다.In addition, unlike the existing method, which requires dynamic analysis by recalculating rotational stiffness and axial stiffness every time the internal structure of a section changes, basic analysis in a large frame (the overall size of the structure, After the shape, etc.) is completed, parameter analysis and design are possible while changing the internal structure of the cross-section as much as possible, thereby increasing design efficiency.

또한, '등가 정적 하중' 개념을 도입함에 따라 해중 구조물에도 기존의 설계 규정(대한민국 도로교 설계기준, Eurocode 3, CEB-FIP 등)에서 제시하고 있는 하중계수(예: 정하중은 1, 풍하중은 1.3, 지진하중은 1.5등을 곱하고 이를 조합하여 중요도 및 확률에 따른 설계방식)에 따른 설계가 가능한 이점이 있다.In addition, with the introduction of the concept of'equivalent static load', the load factor (e.g., static load is 1, wind load is 1.3, etc.) proposed in the existing design regulations (Korean road bridge design standards, Eurocode 3, CEB-FIP, etc.) The seismic load is multiplied by 1.5, etc., and by combining them, it is possible to design according to the design method according to importance and probability).

본 발명의 실시 형태에 따른 수중 터널의 설계를 위한 수치해석 방법은 컴퓨터로 구현되는 동작을 수행하기 위한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터 판독가능 기록매체를 통하여 실시될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독가능 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 기록매체는 실시 형태를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독가능 기록매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크와 같은 자기-광 매체 및 롬, 램, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.The numerical analysis method for designing an underwater tunnel according to an embodiment of the present invention may be implemented through a computer-readable recording medium including program instructions for performing computer-implemented operations. The computer-readable recording medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination. The recording medium may be specially designed and configured for the embodiment, or may be known and usable to those skilled in computer software. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical recording media such as CD-ROMs and DVDs, magnetic-optical media such as floptic disks, and ROM, RAM, and flash memory. Hardware devices specially configured to store and execute program instructions are included. Examples of program instructions include not only machine language codes such as those produced by a compiler but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태를 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 형태의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 형태에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, but these are only examples and do not limit the present invention, and those of ordinary skill in the field to which the present invention pertains will not depart from the essential characteristics of the present embodiment. It will be appreciated that various modifications and applications not illustrated above are possible in the range. For example, each constituent element specifically shown in the embodiment can be modified and implemented. And differences related to these modifications and applications should be construed as being included in the scope of the present invention defined in the appended claims.

Claims (11)

수중 터널의 설계를 위한 수치해석 장치에서 수행되는 수치해석 방법에 있어서,
선행 분석부가 수중 터널이 위치할 후보지의 파랑 이론을 판정하고, 상기 후보지의 파랑과 상기 수중 터널의 관련성을 나타내는 유체역학 관련 방정식을 판정하는, 선행 분석 단계; 및
가이드라인 생성부가 상기 선행 분석 단계에서 판정된 상기 파랑 이론과 상기 유체역학 관련 방정식, 및 특정 시점에서의 파랑 하중 파라미터를 이용하여 정적 파랑 압력 분포를 생성하고, 생성된 상기 정적 파랑 압력 분포를 상기 수중 터널의 상세 구조에 적용하여 가이드라인을 생성하는, 가이드라인 생성 단계;
를 포함하고,
상기 특정 시점은 상기 후보지에서 과거의 어떤 기간 동안에 파랑이 가장 높았던 시점이고,
상기 가이드라인 생성 단계에 있어서, 상기 정적 파랑 압력 분포는 등가 정적 하중 개념을 이용하여 생성하고,
상기 등가 정적 하중 개념은, 판정된 상기 파랑 이론과 상기 유체역학 관련 방정식을 기반으로, 결정된 상기 파랑 하중 파라미터를 소정의 해석 툴을 이용하여 상기 정적 파랑 압력 값으로 변환하는,
수중 터널의 설계를 위한 수치해석 방법.
In the numerical analysis method performed in a numerical analysis device for the design of an underwater tunnel,
A preceding analysis step of determining, by a preceding analysis unit, a wave theory of a candidate site where the underwater tunnel is to be located, and determining an equation related to fluid mechanics indicating a relationship between the wave of the candidate site and the underwater tunnel; And
The guideline generation unit generates a static wave pressure distribution using the wave theory determined in the preceding analysis step, the fluid mechanics-related equation, and a wave load parameter at a specific time point, and the generated static wave pressure distribution A guideline generation step of generating a guideline by applying it to the detailed structure of the tunnel;
Including,
The specific time point is the time point in which the blue was highest during a certain period in the past in the candidate site,
In the guideline generation step, the static wave pressure distribution is generated using an equivalent static load concept,
The equivalent static load concept converts the determined wave load parameter into the static wave pressure value using a predetermined analysis tool based on the determined wave theory and the fluid mechanics-related equation,
Numerical analysis method for the design of underwater tunnels.
제 1 항에 있어서, 상기 선행 분석 단계는,
상기 후보지의 후보지 파라미터가 선택되는, 후보지 파라미터 선택 단계;
상기 수중 터널의 설계를 위한 주요 파라미터가 사전 선택되는, 수중 터널의 주요 파라미터 사전 선택 단계;
파랑 이론 결정 그래프에서 상대 수심(Relative depth) 값과 파랑 기울기(Wave steepness) 값에 대응하는 파랑 이론을 결정하는, 파랑 이론 판정 단계; 및
유체역학 관련 방정식 결정 그래프에서 크리건 카펜터 수(Keulegan-Carpenter number)와 파장 대 직경 비율(Dimension by wavelength) 값에 대응되는 유체역학 관련 방정식을 결정하는, 유체역학 관련 방정식 판정 단계;
을 포함하는, 수중 터널의 설계를 위한 수치해석 방법.
The method of claim 1, wherein the preceding analysis step,
A candidate site parameter selection step of selecting a candidate site parameter of the candidate site;
A preselection step of the main parameters of the underwater tunnel in which the main parameters for the design of the underwater tunnel are preselected;
Determining a wave theory corresponding to a relative depth value and a wave steepness value in the wave theory determination graph; And
Determining an equation related to hydrodynamics corresponding to a Keulegan-Carpenter number and a dimension by wavelength value in the graph for determining an equation related to hydrodynamics;
Including, a numerical analysis method for the design of an underwater tunnel.
제 2 항에 있어서,
상기 후보지 파라미터는, 유의파고(Significant Wave Height), 유의파 주기(Significant Wave Period), 평균 수심(Mean Water Depth) 및 파랑의 파장을 포함하는, 수중 터널의 설계를 위한 수치해석 방법.
The method of claim 2,
The candidate site parameter includes a Significant Wave Height, Significant Wave Period, Mean Water Depth, and Wave Wavelength, a numerical analysis method for designing an underwater tunnel.
제 2 항에 있어서,
상기 주요 파라미터는, 상기 수중 터널의 외경(Outer Diameter), 상기 수중 터널의 외부 두께(Outer Thickness) 및 상기 수중 터널의 경간 길이(Span Length)를 포함하는, 수중 터널의 설계를 위한 수치해석 방법.
The method of claim 2,
The main parameters, including the outer diameter of the underwater tunnel (Outer Diameter), the outer thickness of the underwater tunnel (Outer Thickness) and the span length (Span Length) of the underwater tunnel, a numerical analysis method for designing an underwater tunnel.
제 2 항에 있어서,
상기 파랑 이론은, 선형 파랑 이론을 포함하고,
상기 선형 파랑 이론은, 에어리 파랑 이론(Airy Wave Theory), 스토크 파랑 이론(Stokes Wave Theory), 크노이드 파랑 이론(Cnoidal Wave Theory) 및 솔리터리 파랑 이론(Solitary Wave Theory)를 포함하는, 수중 터널의 설계를 위한 수치해석 방법.
The method of claim 2,
The wave theory includes a linear wave theory,
The linear wave theory includes Airy Wave Theory, Stokes Wave Theory, Cnoidal Wave Theory, and Solitary Wave Theory. Numerical analysis method for design.
제 2 항에 있어서,
상기 유체역학 관련 방정식은 모리슨 방정식인, 수중 터널의 설계를 위한 수치해석 방법.
The method of claim 2,
The fluid mechanics-related equation is the Morrison equation, a numerical analysis method for the design of an underwater tunnel.
제 1 항에 있어서,
상기 파랑 하중 파라미터는, 상기 특정 시점에서의 유의파고(Significant Wave Height), 유의파 주기(Significant Wave Period) 및 상기 수중 터널의 침수 깊이를 포함하는, 수중 터널의 설계를 위한 수치해석 방법.
The method of claim 1,
The wave load parameter includes a Significant Wave Height, a Significant Wave Period, and an immersion depth of the underwater tunnel at the specific point in time, a numerical analysis method for designing an underwater tunnel.
제 1 항에 있어서,
상기 수중 터널의 상세 구조는, 상기 수중 터널의 상세 파라미터인 외경(Outer Diameter, D)과 외부 두께(Outer Thickness, t) 및 D/t를 포함하는, 수중 터널의 설계를 위한 수치해석 방법.
The method of claim 1,
The detailed structure of the underwater tunnel includes an outer diameter (D), an outer thickness (t) and D/t, which are detailed parameters of the underwater tunnel, and a numerical analysis method for designing an underwater tunnel.
제 1 항에 있어서,
상기 가이드라인은 상기 파랑 하중 파라미터와 상기 수중 터널의 상세 파라미터 별로 상기 수중 터널에 미치는 응력 값을 포함하는, 수중 터널의 설계를 위한 수치해석 방법.
The method of claim 1,
The guideline includes a stress value applied to the underwater tunnel according to the wave load parameter and the detailed parameter of the underwater tunnel, a numerical analysis method for designing an underwater tunnel.
제 1 항에 있어서,
상기 소정의 해석 툴은, Hydrogen 해석 툴인, 수중 터널의 설계를 위한 수치해석 방법.
The method of claim 1,
The predetermined analysis tool is a Hydrogen analysis tool, a numerical analysis method for designing an underwater tunnel.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 수중 터널의 설계를 위한 수치해석 방법을 수행하기 위한, 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체.A computer-readable recording medium having a computer program recorded thereon for performing a numerical analysis method for designing an underwater tunnel according to any one of claims 1 to 10.
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