KR102625828B1 - 수중터널 지반 접속부의 설계 방법 - Google Patents

수중터널 지반 접속부의 설계 방법 Download PDF

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Abstract

본원은, 조인트의 강성도(stiffness)를 조정하여 수중터널의 고유진동수를 조정하는 것을 포함하는, 수중터널의 지반 접속부의 설계 방법에 관한 것이다.

Description

수중터널 지반 접속부의 설계 방법{DESIGN METHOD OF SHORE CONNECTION OF SUBMERGED FLOATING TUNNEL}
본원은, 수중터널의 고유진동수를 조절을 통해 공진 발생을 억제하는, 수중터널의 지반 접속부의 설계 방법에 관한 것이다.
기상 환경에 큰 영향을 받지 않는 수중터널은 바다 및 강을 가로질러 도로 및 철도를 제공할 수 있어 최근 활발한 연구가 수행되고 있다. 수중터널은 내륙과 내륙 또는 내륙과 섬을 연결하는 목적으로 설계되며, 장거리 구간 설계 시 일정 거리마다 인공섬 또는 고정시설물을 설치하여 안정성 확보 및 환기 시설을 마련하여야 한다. 또한, 수중터널이 내륙과 연결될 경우, 지반 접속부를 통해 수중터널의 고정 및 지중터널과의 연결이 수행된다. 수중터널은 기존의 터널 방식과 다르게 수중에 부유한 상태로 운영되는 형태의 터널이기 때문에 지속적으로 발생하는 변위를 고려하여 설계되어야 한다. 특히, 수중터널의 고유진동수와 유사한 진동수의 동하중 작용 시 공진이 발생하여 수중터널이 파괴 되는 등 위험이 극대화될 수 있는 있다.
수중터널의 양 끝단 지반 접속부에서는 수중터널이 지중터널과 연결되며, 수중터널의 동적 거동에 비해 매우 적은 변위를 보이는 지반 및 지중터널은 일반적으로 고정되었다고 가정되어 수중터널의 동적 거동에 대해 연구되어 왔다 (Chen, Z., Xiang, Y., Lin, H., & Yang, Y. (2018). "Coupled vibration analysis of submerged floating tunnel system in wave and current". Applied Sciences, 8(8), 1311.). 즉, 지금까지는 수중터널의 양쪽 구속 조건은 고정형으로 가정되어 안정성 설계 등이 고려되어 왔다. 따라서, 기존 설계에서는 공진에 의한 위험을 방지하기 위해 터널 구조 자체를 변화시키거나 공진 작용 시 변위를 억제할 수 있는 수단을 추가하였으며, 이에 따른 추가 비용이 발생하는 문제점이 있다. 그러므로, 터널에 작용하는 동하중의 진동수와 터널의 고유진동수에 따른 동적 거동 특성에 대해 파악하여 동적 안정성을 확보할 수 있도록 하는 새로운 설계 방법이 필요한 실정이다.
본원은, 상기 문제점을 해결하기 위해, 수중터널의 고유진동수를 조절을 통해 공진 발생을 억제하는, 수중터널의 지반 접속부의 설계 방법을 제공한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 지중터널과 수중터널을 연결하는 조인트를 포함하는 수중터널 지반 접속부의 설계 방법으로서, 적용 환경의 동하중 진동수를 측정하는 단계; 및 상기 조인트의 강성도(stiffness)를 조정하여 상기 수중터널의 고유진동수를 상기 동하중 진동수와 상이하게 하는 단계를 포함하는, 수중터널의 지반 접속부의 설계 방법을 제공한다.
본원의 제 2 측면은, 제 1 측면에 따른 수중터널의 지반 접속부의 설계 방법을 통해 제조되고, 수중터널의 고유진동수가 적용 환경의 동하중 진동수와 상이하게 하도록 조정된, 수중터널의 지반 접속부를 제공한다.
본원의 구현예들에 따른 수중터널의 지반 접속부의 설계 방법은, 수중터널의 동적 거동 특성을 효율적으로 조정하여 시공 지역에 따른 동하중 특성에 적합한 터널의 고유진동수로 설계할 수 있다. 이를 통해 수중터널의 공진을 방지함으로써 동적 안정성을 확보할 수 있는 효과가 있다. 구체적으로, 기존 수중터널의 끝단 설계(고정)와 달리 강성 구속 방법을 활용하여 시공 지역마다 다른 동하중의 진동수를 고려한 강성의 끝단 구속 설계가 가능하며, 주요 진동수 대역과 하중의 크기에 대한 조사가 완료된 지역에 시공할 경우, 수중터널의 동적 변위에 대한 개략적인 조절이 가능하다.
도 1은, 종래기술의 수중터널 지반 접속부 설계를 나타내는 그림이다.
도 2는, 본원의 일 실시예에 있어서, 수중터널의 끝단에 지중터널을 모사하는 고정체를 형성, 강성 조인트로 수중터널을 구속하는 수치해석 모델의 모사 개략도이다.
도 3은, 본원의 일 실시예에 있어서, 수중터널 구속조건에 따른 터널의 동적 거동 응답을 모사하는 모형 시험 설계의 개략도(a) 및 사진(b)을 나타낸다.
도 4는, 본원의 일 실시예에 있어서, 수치해석적 방법을 통해 구속 강성을 변화시키는 경우의에 따른 수중터널의 동적 응답을 확인한 그래프이다.
도 5는, 본원의 일 실시예에 있어서, 구속 강성에 따른 수중터널의 고유진동수의 변화를 확인한 그래프이다.
도 6은, 본원의 일 실시예에 있어서, 다양한 진동수의 반복하중을 모사하여 수중터널(고유진동수 4.1 Hz)의 공진 발생 시 증폭되는 변위 발생을 확인한 그래프이다.
도 7은, 본원의 일 구현예에 있어서, 수중터널의 지반 접속부의 형태 및 이들의 6자유도 설계를 나타내는 개략도이다.
도 8은, 본원의 일 구현예에 있어서, 수중터널의 지반 접속부의 구조 설계를 나타내는 측면도와 단면도를 나타낸다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 디바이스를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.
본원의 제 1 측면은, 지중터널과 수중터널을 연결하는 조인트를 포함하는 수중터널 지반 접속부의 설계 방법으로서, 적용 환경의 동하중 진동수를 측정하는 단계; 및 상기 조인트의 강성도(stiffness)를 조정하여 상기 수중터널의 고유진동수를 상기 동하중 진동수와 상이하게 하는 단계를 포함하는, 수중터널의 지반 접속부의 설계 방법을 제공한다. 구체적으로, 상기 수중터널의 지반 접속부는 수중터널이 지반에 접속하여 지중터널과 연결되는 구간을 말하며, 상기 조인트는 지중터널과 수중터널을 연결하는 것으로 세부적으로 지중터널의 세그먼트와 수중터널의 세그먼트를 연결하는 것을 말한다.
도 1을 참조하여 설명하면, 종래기술의 조인트 설계를 확인할 수 있다. 종래기술의 지반 접속부 설계는 터널 연결 조인트를 활용 시 고정형으로 구속되는데, 이러한 설계는 추가 수단이 없다면 수중터널의 고유진동수와 유사한 적용 환경의 동하중 진동수가 발생 시 공진으로 인해 수중터널이 파괴될 위험이 존재하며, 그에 대한 방안으로 터널 구조물 자체의 강도를 증가시킬 경우 비용이 큰 폭으로 증가하는 문제가 있다. 그에 반해, 본원의 수중터널의 지반 접속부는 수중터널의 끝단 구속 조건의 설계를 통해 고유진동수를 조정함으로써 적용 환경의 진동수와의 공진을 회피하도록 한 특징이 있다. 상기 구속 조건의 설계(변경)는 끝단이 완전 고정형 구속이 아닌 강성 구속 방식을 통해 제공될 수 있으며, 상기 강성(stiffness)의 크기를 변경하여 고유진동수를 조정할 수 있다.
본원의 수중터널의 지반 접속부 설계 방법을 이용하면 수중터널의 동적 거동 특성을 효율적으로 조정하여 시공 지역에 따른 동하중 특성에 적합한 터널의 고유진동수로 설계할 수 있으며, 이를 통해 수중터널의 공진을 방지함으로써 동적 안정성을 확보할 수 있다. 구체적으로, 목표한 시공 대상지역의 동하중 특성(진동수)에 따라 터널 구속의 강성을 변화시킴으로써 터널의 고유진동수를 설정하면 공진을 방지하는 설계가 가능하다. 예를 들어, 파랑하중의 진동수는 비교적 낮은 편이며, 지진하중의 진동수는 비교적 높은 편이기 때문에 두 동하중의 주된 진동수 대역을 피하는 고유진동수를 가지도록 수중터널의 끝단 구속 조건을 설계하여 다양한 동하중 조건에서의 안정성을 보장할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 조인트의 강성도를 조정하는 것은, 상기 조인트의 강성도를 증가시켜 상기 수중터널의 고유진동수를 증가시키는 것, 또는 상기 조인트의 강성도를 감소시켜 상기 수중터널의 고유진동수를 감소시키는 것을 포함하는 것일 수 있다.
도 2 내지 도 6을 통해, 수중터널의 끝단에 고정체를 형성, 강성 조인트로 수중터널을 구속하는 수치해석 모사 설계 및 강성에 따른 고유진동수 변화 경향을 확인할 수 있다. 구체적으로, 도 2과 같이 수중터널의 끝단에 고정체를 형성, 강성 조인트로 수중터널을 구속하는 수치해석 모델을 조성하고, 도 3과 같이 수중터널 축소 모형 시험을 설계하여 자유 진동에 대한 응답을 시험함으로써 수치해석 모델을 검증하였다. 이때 수치해석 및 축소 모형 시험에 사용된 조건은 하기 표 1과 같다.
Properties of tunnel model (Acrylic)
Tunnel diameter [m] 0.25
Tunnel length [m] 1.0
Thickness [m] 0.01
Elastic modulus [Pa] 3.0e9
Density [kg/m3] 1200
Poisson's ratio 0.35
먼저, 수치해석 모델 내 고정체(접속부)와 수중터널간 조인트 강성을 증가시키며 자유진동을 발생시킨 경우 고유진동수가 증가하는 경향이 나타났다. 즉, 도 4 및 도 5와 같이, 강성도를 증가시킬 때 고유진동수 역시 증가하고, 매우 큰 강성으로 구속시키는 경우 고정형 구속의 경우의 고유진동수에 근접해짐이 확인되었다. 또한, 다양한 진동수의 반복하중을 모사하여 수중터널에 재하 시에, 수중터널의 고유진동수(4.1 Hz)에 근접하는 진동수의 반복하중에서 공진 발생으로 인해 매우 큰 변위가 발생함이 확인되었다 (도 6). 이를 통해 조인트 강성도에 따른 수중터널 고유진동수의 변화 양상을 파악하였으며, 수중터널의 고유진동수와 외부의 동하중의 진동수가 유사해질 경우 공진으로 인한 수중터널의 파괴 등의 위험이 커질 수 있음을 확인하였다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 조인트는 상기 지중터널과 상기 수중터널 사이의 변위에 대한 강성을 부여하는 것일 수 있다. 상기 조인트의 강성도(stiffness)를 변화시키면 상기 조인트의 상기 지중터널과 상기 수중터널 사이의 허용되는 변위의 정도가 달라질 수 있다. 즉, 수중터널의 양 끝단의 변위에 대한 강성 부여를 통해 수중터널의 고유진동수가 변화될 수 있으며, 이를 통해 적용 환경의 동하중 진동수와 상이하게 조절하는 것도 가능할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 조인트는 6자유도 강성을 부여하는 것일 수 있다. 구체적으로, 본원의 수중터널의 지반 접속부의 조인트는 연결 부위의 둘레에 형성되되 각각이 6자유도 강성이 부여되도록 설계되어 상기 지중터널과 상기 수중터널 사이의 강성을 부여함으로써 수중터널의 고유진동수를 조절할 수 있다. 도 7 에서와 같이, 일례로서 원형의 지중터널과 수중터널이 연결되는 경우, 각각의 조인트는 원형의 둘레를 따라 배치될 수 있으며 이들 조인트의 조합을 통해 상기 조인트 전체는 6자유도 이동이 가능한 설계가 될 수 있다. 구체적으로, 상기 조인트는 6자유도를 고려하여, X,Y,Z 방향 회전과 변위에 대한 강성을 각각 정의할 수 있도록 설계가 가능하다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 조인트의 구속 강성도의 결정은 수치해석을 기반으로 수행될 수 있으며, 수치해석 결과는 실험을 통해 검증될 수 있다. 수치해석 수행 시 강성 구속은 수중터널의 구속 지점에서 6자유도에 대해 각각 모사하여야 하며, 고유진동수 파악을 위해서는 수중터널의 구조적 특성을 반영하여 자유진동 시의 진동수를 파악하여야 한다. 수중터널의 고유진동수가 적용 환경의 하중 진동수 대역을 벗어나도록 강성을 조정하여 설계하여야 한다. 또한, 설계된 강성 구속은 모형시험을 통해 성능을 검증할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 조인트는 제 1 형태로서, 상기 지중터널의 세그먼트와 상기 수중터널의 세그먼트를 연결하고, 상기 세그먼트들 사이에 강화고무관, 스프링강 또는 상기 둘 모두를 포함하도록 설계되는 것일 수 있다. 여기서, 상기 강화고무관은 축방향 및 전단방향 변위에 대한 강성을 부여하고, 상기 스프링강은 축방향 변위에 대한 강성을 부여하는 것일 수 있다. 도 7를 참조하여 설명하면, 12시 방향의 조인트에서 스프링강은 2번 방향의 이동 및 강화고무관은 3번 방향의 강성을 부여할 수 있다. 또한, 3시 방향의 조인트에서 스프링강은 2번 방향의 강성 및 강화무관은 1번 방향의 강성을 부여할 수 있다. 이에 따라, 상기 원형의 터널에 배치된 복수의 조인트는 전체는 6자유도 강성 부여가 가능한 설계가 될 수 있다. 구체적으로, 상기 스프링강 또는 상기 강화고무관의 구성 재료 및/또는 형상을 바꿈으로써 상기 강성도가 조정될 수 있다. 상기 스프링강의 경우, SWP(피아노선), SWO(오일템파선), SUS(스텐레스강선), 황동, 양백, 또는 인청동 등으로 가공되어 제작될 수 있으며, 같은 재료를 사용하더라도 선경, 중심경, 유효권수에 따라 강성도가 변화될 수 있다. 상기 강화고무관의 경우는 IRR(부틸고무), EPDM고무, 또는 NBR(니트릴고무) 등으로 제작될 수 있으나, 강성도 수치 차이가 크지 않아 재료의 변경보다는 형상적인 부분의 변경이 가능할 수 있으며, 고무관의 길이 및/또는 두께를 조절함으로써 제작되는 고무관의 강성도가 조정될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 조인트는 제 2 형태로서, 상기 지중터널과 상기 수중터널의 말단 각각에 테넌 및 상기 테넌을 연결하는 전단 방향 스프링, 상기 지중터널과 상기 수중터널 사이의 축방향 스프링, 또는 상기 둘 모두를 포함하는 것일 수 있다. 도 8를 참조하여 설명하면, 상기 전단 방향 스프링과 상기 축방향 스프링이 모두 포함되는 경우, 상기 전단 방향 스프링과 상기 축방향 스프링은 한 세트로 구성되어 상기 조인트를 형성할 수 있다. 이때 12시 방향의 조인트에서, 축방향 스프링은 도 7의 2번 방향의 강성 및 전단 반향 스프링은 3번 방향의 강성을 부여할 수 있다. 또한, 3시 방향의 조인트에서, 축방향 스프링은 도 3의 2번 방향의 강성 및 전단 반향 스프링은 1번 방향의 강성을 부여할 수 있다. 이에 따라, 상기 원형의 터널에 배치된 복수의 조인트는 전체는 6자유도 강성이 부여된 설계가 될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 조인트는, 상기 지중터널과 상기 수중터널 사이의 둘레 전체에 걸쳐 복수개로 형성된 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 수중터널의 고유진동수를 상기 동하중 진동수와 상이하게 하는 단계 이전에 자유진동 모사용 수치해석 모델을 구성하는 단계; 상기 수치해석 모델을 통해 상기 수중터널의 사양에 따른 고유진동수를 측정하는 단계; 및 상기 측정된 고유진동수를 상기 적용 환경의 동하중 진동수와 대비하는 단계를 추가 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 자유진동 모사용 수치해석 모델을 구성하는 단계는, 수치해석 모델을 구성하고 모형시험을 통한 모델 검증 단계를 추가 포함하는 것일 수 있다.
본원의 제 2 측면은, 제 1 측면에 따른 수중터널의 지반 접속부의 설계 방법을 통해 제조되고, 수중터널의 고유진동수가 적용 환경의 동하중 진동수와 상이하게 하도록 조정된, 수중터널의 지반 접속부를 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 수중터널의 지반 접속부는 지중터널과 수중터널을 연결하는 조인트를 포함하고, 상기 조인트는, 상기 지중터널과 상기 수중터널 사이의 변위에 대한 강성을 부여하는 것일 수 있다.
본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면에 대해 설명한 내용은 본원의 제 2 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (9)

  1. 지중터널과 수중터널을 연결하는 조인트를 포함하는 수중터널 지반 접속부의 설계 방법으로서,
    적용 환경의 동하중 진동수를 측정하는 단계; 및
    상기 조인트의 강성도(stiffness)를 조정하여 상기 수중터널의 고유진동수를 상기 동하중 진동수와 상이하게 하는 단계
    를 포함하며,
    상기 조인트는 상기 지중터널의 세그먼트와 상기 수중터널의 세그먼트를 연결하고, 상기 세그먼트들 사이에 강화고무관, 스프링강 또는 상기 둘 모두를 포함하도록 설계되는 것이며,
    상기 강화고무관은 축방향 및 전단방향 변위에 대한 강성을 부여하고, 상기 스프링강은 축방향 변위에 대한 강성을 부여하는 것이며,
    상기 조인트는 6자유도 강성을 부여하는 것인,
    수중터널의 지반 접속부의 설계 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조인트의 강성도를 조정하는 것은, 상기 조인트의 강성도를 증가시켜 상기 수중터널의 고유진동수를 증가시키는 것, 또는 상기 조인트의 강성도를 감소시켜 상기 수중터널의 고유진동수를 감소시키는 것을 포함하는 것인, 수중터널의 지반 접속부의 설계 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 조인트는, 상기 지중터널과 상기 수중터널 사이의 변위에 대한 강성을 부여하는 것인, 수중터널의 지반 접속부의 설계 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 수중터널의 고유진동수를 상기 동하중 진동수와 상이하게 하는 단계 이전에 자유진동 모사용 수치해석 모델을 구성하는 단계;
    상기 수치해석 모델을 통해 상기 수중터널의 사양에 따른 고유진동수를 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 고유진동수를 상기 적용 환경의 동하중 진동수와 대비하는 단계를 추가 포함하는, 수중터널의 지반 접속부의 설계 방법.
  8. 제 1 항에 따른 수중터널의 지반 접속부의 설계 방법을 통해 제조되고,
    수중터널의 고유진동수가 적용 환경의 동하중 진동수와 상이하게 하도록 조정된, 수중터널의 지반 접속부.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 수중터널의 지반 접속부는 지중터널과 수중터널을 연결하는 조인트를 포함하고,
    상기 조인트는, 상기 지중터널과 상기 수중터널 사이의 변위에 대한 강성을 부여하는 것인, 수중터널의 지반 접속부.
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