KR20080093692A - Behavior analyzing method of pile-bent structure - Google Patents

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Abstract

A behavior analysis method of a pile bent structure is provided to analyze the behavior characteristics of a pile bent structure under various load conditions and ground conditions, and particularly to analyze the characteristics of a pile bent structure applied with horizontal load by introducing yield behavior and geometric non-linear behavior of material to analysis method. A behavior analysis method of a pile bent structure comprises the steps of: judging whether the ground reaction force is linear or not; if the ground reaction force is linear, calculating the load and the ground reaction force for linear analysis; calculating the stiffness matrix coefficients and a load vector, and forming a stiffness matrix; judging whether the initial displacement condition is set or not; if the initial displacement condition is not set, calculating an inverse matrix and calculating displacement; judging whether the ground reaction force is linear or not; and if the ground reaction force is linear, calculating axial inner member force and ground resistance.

Description

파일밴트 구조물의 거동 분석 방법{Behavior analyzing method of Pile-Bent structure}Behavior analysis method of Pile-Bent structure

도 1은 본 발명의 파일밴트 구조물의 기초형식을 도시한 도면.1 is a view showing the basic form of the pilot structure of the present invention.

도 2는 본 발명의 파일밴트 구조물의 모델을 도시한 도면.2 is a view showing a model of the pilot structure of the present invention.

도 3은 본 발명의 콘크리트와 철근의 응력, 변형률 관계를 도시한 도면.Figure 3 is a view showing the stress, strain relationship between concrete and reinforcing bar of the present invention.

도 4는 본 발명의 P-Δ 효과를 고려한 기둥의 거동 특성을 도시한 도면.Figure 4 is a view showing the behavior of the column in consideration of the P-Δ effect of the present invention.

도 5는 본 발명의 보-기둥 요소의 자유도와 강성행렬을 도시한 도면.5 shows the degrees of freedom and stiffness matrix of the beam-column element of the present invention.

도 6은 본 발명의 수직하중을 받는 보-기둥 모델을 도시한 도면.Figure 6 shows a beam-column model subjected to the vertical load of the present invention.

도 7은 본 발명의 수평하중을 받는 보-기둥 모델을 도시한 도면.7 illustrates a beam-column model subjected to the horizontal load of the present invention.

도 8은 본 발명의 임의의 요소에 작용하는 하중 및 모멘트를 도시한 도면.8 illustrates loads and moments acting on any element of the present invention.

도 9a 및 도 9b는 본 발명의 파일밴트 구조물의 거동 분석 방법을 나타낸 플로우 차트.Figures 9a and 9b is a flow chart showing the behavior analysis method of the pilot structure of the present invention.

도 10은 본 발명의 비선형 거동 분석을 위한 지반 조건을 나타낸 도면.10 is a diagram showing ground conditions for nonlinear behavior analysis of the present invention.

도 11은 본 발명의 비선형 거동 분석을 위한 파일밴트 재료값을 나타낸 도면.FIG. 11 is a view showing a pilot material value for nonlinear behavior analysis of the present invention. FIG.

도 12는 선형해석시 수평거동을 나타낸 도면.12 is a diagram showing the horizontal behavior during linear analysis.

도 13은 비선형해석시 수평거동을 나타낸 도면.Figure 13 shows the horizontal behavior during nonlinear analysis.

도 14는 선형해석시 휨모멘트를 나타낸 도면.14 is a view showing the bending moment during linear analysis.

도 15는 비선형해석시 휨모멘트를 나타낸 도면.Figure 15 shows the bending moment during nonlinear analysis.

본 발명은 말뚝-지반의 상호작용을 고려한 파일밴트(Pile-Bent) 구조물의 거동을 분석할 수 있는 파일밴트 구조물의 거동 분석 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for analyzing the behavior of a pile structure that can analyze the behavior of a pile-bent structure in consideration of pile-ground interaction.

종래 상부구조물의 하중을 지지하기 위한 하부구조로서 말뚝기초를 많이 사용하고 있으며 대부분의 경우 말뚝은 여러 개의 말뚝을 함께 사용하는 군말뚝(group pile)이 널리 적용되고 있다. 군말뚝의 상부를 연결하는 기초 콘크리트판을 말뚝캡(pile cap) 또는 확대기초(footing)라고 하며, 이는 대개 지면과 접하나, 해상플랫폼을 건설할 경우에는 지면보다 상당히 위에 놓이기도 한다. 도심지의 교량의 경우, 말뚝캡으로인한 부지사용의 부분적 제한이 있으며 말뚝-말뚝캡-교각의 단계적 시공으로 인해 공기 및 경비면에서 다소 불리하다.Conventionally, many pile foundations are used as a substructure to support the load of the upper structure, and in most cases, piles are widely applied to group piles using several piles together. The foundation concrete plates connecting the upper part of the group pile are called pile caps or footings, which are usually in contact with the ground, but are often well above the ground when constructing offshore platforms. In the case of urban bridges, there are some restrictions on the use of the site due to pile caps, which are somewhat disadvantageous in terms of air and security due to the staged construction of pile-pile caps and piers.

또한 군말뚝의 지지력 결정은 매우 복잡한 문제로서 아직 완전히 해결되지 않았으며 말뚝을 근접하여 설치하는 경우, 말뚝에 의해서 흙으로 전달되는 응력이 겹치게 되어 말뚝의 지지력은 감소하게 된다. 이와 같은 군말뚝이 갖는 여러 복합적인 요인으로 인해 그 거동특성 분석이 명확하지 못하다.In addition, the determination of the bearing capacity of the group pile is a very complex problem that has not yet been completely solved. When the piles are installed in close proximity, the stresses transferred to the soil by the piles overlap and the bearing capacity of the piles is reduced. Due to the complex factors of such group piles, the analysis of its behavior is not clear.

도심지역의 산업화, 광역화 및 조밀화 등으로 각종 구조물은 형태 및 구성에 있어 한층 더 복잡한 양상으로 변하고 있다. 이로 인해 기초 구조물의 설계 및 시 공은 과거에 비하여 보다 많은 제약조건을 포함하게 되었고 이를 반영한 해석 및 설계가 요구된다. 이에 최근 유럽이나 미국에서는 상부구조와 하부구조(하부기초)의 일체화된 해석과 설계를 하고 있으며 교각기초의 경우, 종래 군말뚝과 말뚝캡이 있던 하부구조에서 말뚝캡이 없는 파일밴트 구조(Cast-In-Drilled-Hole Shaft/Column)로 대체하는 방법이 최근에 연구되고 있으며 일부는 실구조물에 적용되고 있다.Due to industrialization, metropolitanization and compactness of urban areas, various structures are becoming more complex in form and composition. As a result, the design and construction of foundation structures have included more constraints than in the past, requiring analysis and design to reflect them. Recently, in Europe and the United States, the integrated structure and design of superstructure and undercarriage (lower foundation) have been integrated. In the case of bridge foundation, pile-pant structure without pile cap (Cast-) in substructure with conventional group pile and pile cap In-Drilled-Hole Shaft / Column) has recently been studied and some of them have been applied to real structures.

상기 파일밴트 구조(Cast-In-Drilled-Hole Shaft/Column)는 종래에 널리 사용되고 있는 말뚝-말뚝캡-기둥(교각)의 3가지 요소로 구성되는 구조와 달리 말뚝캡을 설치하지 않고 말뚝과 기둥을 단일부재로 일체화시킨 구조이다. 파일밴트 구조는 구조상 풍하중, 온도하중, 충격하중, 지진하중 등에 의해 상당히 큰 수평하중을 받으며 상당한 수평변위량이 예상되므로 수평방향 거동에 관한 정밀한 검토가 필요하다. 그러나 종래 상기 파일밴트 구조의 거동특성을 해석할 수 있는 방법이 전무하여 정확한 해석이 이루어질 수 없는 문제점이 있다.Cast-In-Drilled-Hole Shaft / Column has a pile and pillar without installing a pile cap, unlike the structure consisting of three elements of a pile-pile cap-pillar (pier) It is a structure integrated into a single member. The pilot structure is subjected to considerably large horizontal load due to wind load, temperature load, impact load, earthquake load, etc., and considerable horizontal displacement is expected, so it is necessary to examine the horizontal behavior precisely. However, there is no conventional method capable of analyzing the behavior characteristics of the pile structure, so that accurate analysis cannot be made.

상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 다양한 하중조건과 지반조건에서의 파일밴트 구조물의 거동특성을 해석할 수 있으며, 특히 재료의 항복거동과 기하학적 비선형 거동인 P-Δ 효과를 해석기법에 도입하여 수평하중을 받는 파일밴트 구조물의 특성을 비교적 정확히 분석하는 것을 목적으로 한다.The present invention devised to solve the above problems can analyze the behavior characteristics of the pile-bent structure under various loading conditions and ground conditions. In particular, the P-Δ effect, which is yielding behavior and geometric nonlinear behavior of materials, is introduced into the analysis technique. The purpose of this study is to accurately analyze the characteristics of pile structures subjected to horizontal loads.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 말뚝의 수직하중 해석이 필요한 경우에 있어서, (A) 지반반력의 선형여부를 판단하는 단계; (B) 선형일 경우 선형해석을 위한 하중과 지반반력을 계산하는 단계; (C) 강성행렬계수 bi, ci, di 및 하중벡터 fi를 산정하고, 강성행렬을 구성하는 단계; (D) 초기 변위 조건이 설정되어 있는지 판단하는 단계; (E) 초기 변위 조건이 설정되어 있지 않은 경우 역행렬을 계산하고 변위를 산정하는 단계; (F) 지반반력의 선형여부를 판단하는 단계; 및 (G) 지반반력이 선형일 경우 축방향 내부 부재력 및 지반 저항력을 계산하는 단계를 포함하는 파일밴트 구조물의 거동 분석 방법을 제공한다.The present invention for achieving the above object, when the vertical load analysis of the pile is required, (A) determining the linearity of the ground reaction force; (B) calculating loads and ground forces for linear analysis if linear; (C) calculating the stiffness coefficients b i , c i , d i and the load vectors f i and constructing a stiffness matrix; (D) determining whether an initial displacement condition is set; (E) calculating an inverse matrix and calculating displacement if no initial displacement condition is set; (F) determining whether the ground reaction force is linear; And (G) calculating the axial internal member force and the ground resistive force when the ground force is linear.

또한, 말뚝의 수평하중 해석이 필요한 경우에 있어서, (a) 수평거동 분석을 위한 축방향 내부 부재력을 전달하는 단계; (b) 지반반력의 선형여부를 판단하는 단계; (c) 선형일 경우 선형해석을 위한 하중과 지반반력을 계산하는 단계; (d) 강성행렬계수 ai, bi, ci, di, ei 및 하중벡터 fi를 산정하고, 강성행렬을 구성하는 단계; (e) 초기 변위 조건이 설정되어 있는지 판단하는 단계; (f) 초기 변위 조건이 설정되어 있지 않은 경우 역행렬을 계산하고 변위를 산정하는 단계; (g) 지반반력의 선형여부를 판단하는 단계; 및 (h) 지반반력이 선형일 경우 휨 모멘트, 전단력 및 경사각을 산정하는 단계를 포함하는 파일밴트 구조물의 거동 분석 방법을 제공한다.In addition, when the horizontal load analysis of the pile is required, (a) transmitting the axial internal member force for the horizontal behavior analysis; (b) determining whether the ground reaction force is linear; (c) calculating loads and ground reaction forces for linear analysis if linear; (d) calculating stiffness matrices a i , b i , c i , d i , e i and load vectors f i and constructing a stiffness matrix; (e) determining whether an initial displacement condition is set; (f) calculating an inverse matrix and calculating displacement if no initial displacement condition is set; (g) determining whether the ground reaction force is linear; And (h) calculating bending moments, shear forces, and inclination angles when the ground force is linear.

바람직하게는, 상기 (A) 단계 또는 (b) 단계에서 비선형일 경우 q-u 곡선 또 는 p-y 곡선에서 하중과 지반반력을 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다.Preferably, the method may further include calculating the load and the ground reaction force in the q-u curve or the p-y curve when the nonlinear in the step (A) or (b).

또한, 상기 (D) 단계 또는 (e) 단계에서 초기 변위 조건이 설정되어 있는 경우 초기 변위 조건을 고려하여 강성행렬 및 하중벡터를 산정하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include calculating a stiffness matrix and a load vector in consideration of the initial displacement condition when the initial displacement condition is set in the step (D) or the step (e).

또한, 상기 (F) 단계 또는 (g) 단계에서 비선형일 경우 계산된 변위와 한계 변위를 비교하여 이를 만족하는 경우 다음 단계로 진행할 수 있다.In addition, in the case of (F) or (g), the calculated displacement and the limit displacement may be compared in the case of being nonlinear, and the process may proceed to the next step.

본 발명과 본 발명의 동작성의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.In order to fully understand the present invention, the advantages of the operability of the present invention, and the objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings which illustrate preferred embodiments of the present invention and the contents described in the accompanying drawings.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Like reference numerals in the drawings denote like elements.

도 1은 본 발명의 파일밴트 구조물의 기초형식을 도시한 도면이다.1 is a view showing the basic form of the pilot structure of the present invention.

도 1을 참조하면, 파일밴트 구조물의 기초형식은 교각과 말뚝을 같은 직경으로 일체화하여 지반 내에 소성힌지를 형성시키는 제 1 타입과 교각보다 직경이 큰 말뚝을 사용해서 교각하단의 지표면 부근에 소성힌지를 형성시키는 제 2 타입으로 구분할 수 있다.Referring to FIG. 1, the basic type of the pile structure is a plastic hinge near the ground surface of the lower part of the piers using a first type and a pile having a diameter larger than the piers, in which the piers and piles are integrated with the same diameter to form plastic hinges in the ground. It can be divided into the second type to form a.

상기 제 1 타입의 특징은 교각과 말뚝 간에 구분이 없어 시공이음 이외에는 연결 상의 문제점을 고려할 필요가 없다. 또한 최대 휨 모멘트(Mmax)는 일반적으로 지표 아래 말뚝직경의 1~3배 깊이에서 발생하며, 단면 직경이 동일한 경우, 휨 모멘트의 변화가 비교적 작아 소성힌지가 다소 넓게 발생하여 큰 소성변형이 발생하기 이전에는 콘크리트의 파괴가 발생하지 않는다. 다만 소성힌지가 지반 내에 발생하므로 지진하중이 작용하는 경우에 지반굴착 이전에는 소성힌지의 형성여부를 파악하기 곤란하다.The feature of the first type is that there is no distinction between piers and piles, so there is no need to consider connection problems other than construction joints. In addition, the maximum bending moment (M max ) generally occurs at 1 ~ 3 times the depth of the pile diameter below the surface, and when the cross-section diameters are the same, the change of the bending moment is relatively small, causing the plastic hinge to be somewhat wide, resulting in large plastic deformation. Before the destruction of concrete does not occur. However, since the plastic hinge is generated in the ground, it is difficult to determine whether the plastic hinge is formed before the ground excavation when the earthquake load is applied.

상기 제 2 타입의 특징은 지표면 부근의 교각하단에 소성힌지가 생기도록 말뚝의 직경을 증가시킨 것으로서 지진하중 작용시 말뚝이 탄성응답 상태가 되도록 설계하여 교량의 지진응답 변위가 작다. 하지만 이 형식은 휨 모멘트에 대해 동일직경의 다른 형식의 말뚝보다 소성힌지의 형성 길이가 상대적으로 짧아 콘크리트의 압축파괴가 급격히 발생한다. 또한 과대 지진하중 작용에 의한 소성변형이 발생하는 경우 연성이 감소하여 상기 제 1 타입에 비해 상대적으로 취성거동을 보이며 공사비가 상대적으로 커 경제적 측면에서 불리하다.The feature of the second type is to increase the diameter of the pile so that the plastic hinge is formed at the bottom of the piers near the ground surface. The seismic response displacement of the bridge is small by designing the pile to be elastically responsive when the earthquake load is applied. However, this type has a relatively short length of plastic hinge for bending moments than other types of piles of the same diameter, resulting in rapid compression failure of concrete. In addition, when plastic deformation occurs due to excessive seismic load action, the ductility decreases, thus exhibiting relatively brittle behavior compared to the first type, and the construction cost is relatively large, which is disadvantageous in terms of economy.

상기 파일밴트 구조물의 기초설계 방법에 대하여 살펴보면, 상하부 일체화된 파일밴트 구조물의 경우 FHWA(1987)에서 교량 말뚝기초를 모델링하는 방법으로 등가 캔틸레버 모델(Equivalent Cantilever Model), 등가 기초 스프링 모델(Equivalent Base Spring Model), 등가 지반 스프링 모델(Equivalent Soil Spring Model)의 3가지 방법을 제시하고 있으나 일반적으로 도 2에 도시된 바와 같이 지반 스프링 모델, 가상 고정점 모델의 두 가지 방법이 많이 사용되고 있으며 본 발명에서는 상기 모델을 적용하였다.Looking at the basic design method of the pile structure, the equivalent cantilever model (Equivalent Cantilever Model), the equivalent base spring model as a method of modeling the bridge pile foundation in the FHWA (1987) integrated upper and lower Model, and equivalent ground spring model (Equivalent Soil Spring Model) three methods are presented, but generally two methods such as ground spring model, virtual fixed point model as shown in Figure 2 are widely used in the present invention The model was applied.

먼저 지반 스프링 모델은 대상지반을 스프링으로 가정한 모델로서 지반반력을 말뚝변위의 함수로 가정하였다. 지반반력인 p는 다음 수학식 1으로 산정한다.First, the ground spring model assumes the target ground as a spring and assumes the ground reaction force as a function of pile displacement. The ground reaction force p is calculated by the following equation.

Figure 112007029344496-PAT00001
Figure 112007029344496-PAT00001

여기서, p : 지반반력(F/L), k : 스프링상수(F/L2), y : 말뚝의 변위(L)를 의미한다.Where p is the ground reaction force (F / L), k is the spring constant (F / L 2 ), and y is the displacement of the pile (L).

Winkler 지반모델의 반력 스프링 상수는 지반반력계수(ks)와 말뚝의 직경(폭)의 곱으로 나타낼 수 있으며 지반반력은 다음 수학식 2와 같다.The reaction force spring constant of the Winkler soil model can be expressed as the product of the soil reaction coefficient (k s ) and the diameter (width) of the pile.

Figure 112007029344496-PAT00002
Figure 112007029344496-PAT00002

여기서, D : 말뚝의 직경(L), ks : 지반반력계수(F/L3)를 의미한다.Where D is the diameter of the pile (L), and k s is the ground reaction coefficient (F / L 3 ).

점착력이 없는 지반이나 정규 압밀 점토에 대해서 k는 지표면에서의 깊이 z에 비례해서 증가한다고 가정하며 이 경우 Winkler의 반력 스프링 상수 k는 다음 수학식 3과 같다.For non-cohesive ground or normal consolidated clay, k is assumed to increase in proportion to the depth z at the ground surface. In this case, Winkler's reaction force spring constant k is given by Equation 3 below.

Figure 112007029344496-PAT00003
Figure 112007029344496-PAT00003

여기서, k*는 깊이에 의하지 않는 반력 스프링 상수를 의미한다.Where k * denotes a reaction force spring constant that is not dependent on depth.

도 2의 (b)와 같이 깊이 zi에 위치하는 지반 스프링 상수 Ki는 말뚝길이를 Bi라고 하면, 다음 수학식 4와 같다.As shown in FIG. 2B, the ground spring constant K i located at the depth z i is represented by Equation 4 below when the pile length is B i .

Figure 112007029344496-PAT00004
Figure 112007029344496-PAT00004

다음으로 가상 고정점 모델은 지반 스프링을 사용해서 지반을 모델링한 후 파일밴트 구조에 수평력 Ei가 작용하면 수평변위가 생기게 된다. 수평력에 대해 수평변위가 발생하지 않는 지점까지의 길이를 유효고정 길이 df로 결정하고 그 지점이 파일밴트 구조를 고정 지지한다.Next, the virtual fixed point model uses the ground spring to model the ground and then the horizontal displacement occurs when the horizontal force E i acts on the pile structure. The length to the point where horizontal displacement does not occur with respect to the horizontal force is determined as the effective fixed length d f , and the point fixedly supports the pilot structure.

한편, 파일밴트 구조물의 비선형 해석방법을 살펴보면, 파일밴트 구조는 상, 하부구조의 일체화에 따른 구조의 특징 때문에 수평하중에 대해 상대적으로 큰 수평 변위량이 발생할 수 있으므로 수평방향 거동에 관한 정밀한 검토가 필요하다. 종래의 탄성지반상의 보 이론(beam on the elastic foundation)에 기초한 해석방법은 파일밴트 구조의 수평방향 비선형 거동 해석에는 적절하지 않다. 따라서 본 발명은 말뚝과 지반을 보-기둥(Beam-Column) 모델을 이용한 탄소성보법으로 모델링하고 말뚝과 지반의 비선형적의 상호작용을 효과적으로 적용할 수 있는 하중전이 곡선(load transfer curve)을 사용하였다. 수직방향의 하중전이 곡선의 경우, 선단지 지 지반은 q-z 곡선으로 주면지지 지반은 t-z 곡선을 모사하였고 수평방향의 하중전이곡선은 p-y 곡선을 적용하였다. 재료의 항복거동은 큰 수평변위로 인한 재료의 비선형거동에 대하여 Moment-EI의 상관관계를 이용하였으며 P-Δ효과의 적용은 하중이 증가함에 따라 기둥의 수평변위가 증가하게 되고 발생된 수평변위와 작용된 축력에 의한 P-Δ효과로 인해 부재에 추가적인 2차 모멘트가 발생하므로 이에 대한 P-Δ 강성 행렬(matrix)을 사용하였다.On the other hand, when considering the nonlinear analysis method of the pile structure, the pile structure may have a relatively large horizontal displacement with respect to the horizontal load due to the characteristics of the structure of the upper and lower structures. Do. The analysis method based on the conventional beam on the elastic foundation is not suitable for the analysis of the horizontal nonlinear behavior of the pile structure. Therefore, in the present invention, the pile and the ground were modeled by the elastoplastic method using the beam-column model, and the load transfer curve that can effectively apply the nonlinear interaction between the pile and the ground was used. . In the case of the vertical load transfer curve, the tip ground is a q-z curve and the main support ground is a t-z curve, and the horizontal load transfer curve is a p-y curve. The yield behavior of the material is based on the correlation of Moment-EI to the nonlinear behavior of the material due to the large horizontal displacement. The application of the P-Δ effect increases the horizontal displacement of the column as the load increases. The P-Δ stiffness matrix was used for the additional second moment in the member due to the P-Δ effect due to the applied axial force.

재료는 항복응력까지는 후크(Hooke)의 법칙을 따르고 그 이후에는 일정한 응력에서 항복이 일어난다. 이는 응력-변형률 곡선에서 응력과 변형률이 비례하는 선형 탄성영역과 다음에 이어지는 상당한 항복이 일어나는 영역인 소성영역으로 구분된다. 파일밴트 구조에서 큰 수평변위로 인하여 말뚝 또는 교각 재료가 탄성범위를 넘어 소성단계로 넘어갈 수 있다.The material follows Hooke's law up to yield stress and then yields at a constant stress. It is divided into a linear elastic region in which the stress and strain is proportional to the stress-strain curve, and a plastic region, which is a region in which significant yields occur next. Due to the large horizontal displacement in the pile structure, the pile or pier material can move beyond the elastic range and into the firing stage.

일반적인 단일 부재의 경우에 하중이 점진적으로 증가함에 따라 부재의 각 단면에 발생되는 축력과 휨 모멘트는 선형적으로 증가하게 되며 작용된 축력과 휨 모멘트가 극한값에 이르렀을 때 단면파괴가 일어난다. 이러한 단면파괴는 콘크리트와 철근이 더 이상 외력에 저항할 수 없는 재료파괴를 의미한다.In the case of a general single member, as the load gradually increases, the axial force and the bending moment generated in each cross section of the member increase linearly, and the fracture occurs when the applied axial force and the bending moment reach an extreme value. This sectional destruction means the destruction of the material that concrete and rebar can no longer resist external forces.

콘크리트는 압축응력에 대해 큰 저항능력을 갖는 반면 인장응력에 대해서는 취약하다. 압축측 콘크리트의 응력(f)-변형률(ε) 관계를 정의하는 모델로는 2차 포물선 식으로부터 선형직선 모델에 이르기까지 다양한 모델이 있다. 본 발명에서는 압축측 콘크리트의 응력-변형률 관계를 도 3의 (a)과 같이 표현하는 모델을 적용하였으며 이 모델은 콘크리트 구조물의 수치해석에서 널리 사용되고 있다. 인장 측 콘크리트의 저항능력을 고려하는 방법에는 콘크리트가 균열 발생 후, 인장력에 저항하지 못한다고 보는 강도개념의 접근방법과 균열 후에도 어느 정도의 인장력에 저항할 수 있다고 보는 에너지개념의 접근방법이 있다. 본 발명에서는 에너지 개념의 인장강화효과(tension stiffening effect)가 고려되는 모델을 사용하였다. 이 모델은 응력-변형률 관계에서 균열 발생 이후의 변형연화(strain softening)영역을 선형으로 단순화하였으며 변형률이 εr에 도달할 때까지 인장저항력이 감소하긴 하나 지속적으로 발현된다고 가정한다.Concrete has great resistance to compressive stress, while it is vulnerable to tensile stress. Models that define the stress (f) -strain (ε) relationships of compressed concrete have a variety of models, from quadratic parabolic equations to linear linear models. In the present invention, a model expressing the stress-strain relationship of the concrete on the compression side as shown in FIG. 3 (a) is used, and this model is widely used in numerical analysis of concrete structures. Considering the resistance of tension-side concrete, there are two approaches of strength concept that concrete does not resist tensile force after cracking and an energy concept approach that some strength can be resisted after cracking. In the present invention, a model in which the tension stiffening effect of the energy concept is considered is used. This model linearly simplifies the strain softening area after cracking in the stress-strain relationship and assumes that tensile resistance decreases but continues to develop until the strain reaches ε r .

철근은 콘크리트와는 달리 압축측과 인장측에서 응력-변형률 관계가 동일한 현상을 보이며 항복점에 도달할 때까지는 선형거동을 보이다 항복이 발생하는 순간에 급격한 변형률의 증가를 보이는 소성상태로 되어 선형 혹은 비선형 거동을 하게 된다. 본 발명에서는 도 3의 (b)와 같이 항복점을 기준으로 두 개의 직선으로 표현되는 응력-변형률 관계를 사용하였다.Unlike concrete, rebar exhibits the same stress-strain relationship on the compressive and tensile sides, and exhibits linear behavior until the yield point is reached. Will behave. In the present invention, as shown in (b) of Figure 3 used a stress-strain relationship represented by two straight lines based on the yield point.

본 발명에서는 휨 모멘트로 인한 일정한 곡률(x)를 갖는 보 요소에 후크 법칙으로 유도된 εx=fx/E, f=Ey/ρ 식과 보 이론에서 유도된 σx=My/I 식을 조합하여 얻은 M/EI=x 식을 통해 Moment-EI의 상관관계를 산정하였다. 여기에 각각 콘크리트, 철근의 응력-변형률 관계곡선을 적용하여 재료의 비선형거동을 반영하였다.In the present invention, a combination of ε x = f x / E, f = Ey / ρ and σ x = My / I derived from the beam theory is combined with a beam element having a constant curvature (x) due to the bending moment. The correlation between Moment-EI was calculated through the M / EI = x equation. The stress-strain relation curves of concrete and reinforcing bars were applied to reflect the nonlinear behavior of materials.

한편, 교각에 수평하중이 작용하면 휨 모멘트 이외에 수평변위가 발생하여 수직하중에 의한 휨 모멘트가 추가적으로 발생하는데 이를 P-Δ 효과라 하며 이로 인한 단기둥식 교각의 하단에 발생하는 휨 모멘트는 도 4의 (a)를 참조하면, 다음 수학식 5로 표현된다.On the other hand, when the horizontal load acts on the piers, horizontal displacements occur in addition to the bending moments, resulting in additional bending moments due to the vertical loads. This is called the P-Δ effect. Referring to (a) of, it is represented by the following equation (5).

Figure 112007029344496-PAT00005
Figure 112007029344496-PAT00005

교각 하단의 휨 내력이 Mn이면 이 휨 내력에 저항할 수 있는 수평력은 다음 수학식 6과 같이 수평변위가 증가함에 따라 감소한다.If the bending strength at the bottom of the bridge is M n, the horizontal force that can resist this bending strength decreases as the horizontal displacement increases, as shown in Equation 6 below.

Figure 112007029344496-PAT00006
Figure 112007029344496-PAT00006

P-Δ 효과는 수평력 감소와 더불어 도 4의 (b)와 같이 초기의 유효강성이 감소되어 항복 후의 강성이 부(負)가 되게 하는 등의 수평력-수평변위 관계에도 영향을 미친다.In addition to the horizontal force reduction, the P-Δ effect also affects the horizontal force-horizontal displacement relationship such that the initial effective stiffness decreases as shown in FIG. 4 (b), so that the rigidity after yielding becomes negative.

대부분의 설계기준은 장주에 대하여 모멘트 확대계수법 등을 적용하여 단기 극한하중에 의한 P-Δ 효과를 고려하도록 제안하고 있다. 그러나 이 설계기준은 수식이 간단한 장점이 있지만 철근비와 편심 등과 같이 극한하중에 영향을 주는 요소들을 효과적으로 반영하지 못하고 과소 또는 과대평가하는 경향이 있어 구조물 설계시 비효율적인 설계의 가능성을 내재하고 있다.Most of the design criteria propose to consider the effect of P-Δ due to short-term ultimate load by applying the moment magnification factor method to the column. However, this design standard has simple advantages, but it does not reflect effectively the factors affecting the ultimate load such as reinforcement ratio and eccentricity, and it tends to underestimate or overestimate the structure.

이에 본 발명에서는 P-Δ 효과를 실제 거동과 유사한 형태의 기하학적인 비선형 거동을 수행할 수 있는 기하강성행렬을 이용하여 P-Δ 효과를 반영하였다. 일반적인 유한요소법을 이용한 보-기둥의 수치해석 시에는 도 5의 보-기둥 요소의 자 유도의 부재력과 변위관계로부터 6×6 강성행렬을 구한다. 여기서, KE는 탄성강성행렬이고, KG는 P-Δ 효과를 나타내는 기하강성행렬이다.Accordingly, the present invention reflects the P-Δ effect by using a geometric stiffness matrix capable of performing geometric nonlinear behavior similar to the actual behavior. In the numerical analysis of beam-column using the general finite element method, a 6 × 6 stiffness matrix is obtained from the relation between the member force and displacement of the magnetic induction of the beam-column element of FIG. Here, K E is an elastic stiffness matrix, and K G is a geometric stiffness matrix showing the P-Δ effect.

도 5의 강성행렬을 분리하여 축력, 전단력, 휨 모멘트로 나누면 다음 수학식 7 내지 9와 같은 연립방정식을 얻게 된다.When the stiffness matrix of FIG. 5 is separated and divided into axial force, shear force, and bending moment, simultaneous equations as shown in Equations 7 to 9 are obtained.

Figure 112007029344496-PAT00007
Figure 112007029344496-PAT00007

Figure 112007029344496-PAT00008
Figure 112007029344496-PAT00008

Figure 112007029344496-PAT00009
Figure 112007029344496-PAT00009

모멘트 평형방정식을 세워 상기 수학식 7 내지 9를 대입하면 다음 수학식 10을 유도할 수 있다.By establishing a moment equilibrium equation and substituting Equations 7 to 9, the following Equation 10 can be derived.

Figure 112007029344496-PAT00010
Figure 112007029344496-PAT00010

이와 같이 유한요소해석으로 산정한 기하강성행렬은 보-기둥 이론에서 수직하중이 수평거동에 미치는 영향인 P-Δ 효과와 같은 의미를 가진다.The geometric stiffness matrix calculated by the finite element analysis has the same meaning as the P-Δ effect in the beam-column theory.

한편, 상기 살펴본 해석기법에 적용한 말뚝해석 모델을 살펴보면, 수직하중 을 받는 말뚝모델과 수평하중을 받는 말뚝모델로 나누어 설명할 수 있다.On the other hand, looking at the pile analysis model applied to the analysis method described above, it can be described by dividing the pile model receiving a vertical load and the pile model receiving a horizontal load.

먼저 수직하중을 받는 말뚝모델을 살펴보면, 말뚝은 구조물 기초로 사용되므로 상부하중을 주면저항력과 선단지지력을 통해 하부 지지지반으로 전달시키는 역할을 한다. 이 경우 구조물 하중은 대부분 말뚝두부에 하중으로 작용한다. 이러한 수직하중을 받는 말뚝은 도 6과 같이 일련의 스프링으로 연결된 유한개의 절점으로 모델링 할 수 있다. 각 절점들은 말뚝의 축방향 강성을 나타내는 스프링으로 연결되어 있으며 그 값은 AE/h이다. A는 부재의 단면적, E는 탄성계수이며 h는 요소의 길이이다. 외부하중 Q와 지반의 스프링 S는 모든 절점에 위치하는 것으로 볼 수 있다.First, when looking at the pile model subjected to the vertical load, since the pile is used as the foundation of the structure it serves to transfer the upper load to the lower support ground through the main surface resistance and the end support. In this case, most of the structural load acts as a load on the pile head. Such vertical load-bearing piles can be modeled as finite nodes connected by a series of springs, as shown in FIG. Each node is connected by a spring representing the axial stiffness of the pile, the value of which is AE / h. A is the cross-sectional area of the member, E is the modulus of elasticity and h is the length of the element. The external load Q and the ground spring S can be seen to be located at all nodes.

여기서, i = 절점 번호, ui = 절점 i에서의 변위, h = 요소의 길이, AEi = 보-기둥(beam-column)요소의 절점 (i)와 (i-1) 사이 요소의 탄성계수와 단면적의 곱, Qi = 절점 i에 작용하는 하중, Si = 보-기둥요소의 절점 i에서 저항하는 지반의 스프링 계수, Ti = 보-기둥요소의 절점 (i)와 (i-1)사이의 축방향 내부부재력을 의미한다.Where i = node number, u i = displacement at node i, h = length of the element, AE i = modulus of elasticity of the element between nodes (i) and (i-1) of the beam-column element The product of the cross sectional area, Q i = the load acting on the node i, S i = the spring coefficient of the ground resisting at the node i of the beam-column element, T i = Internal axial force between the nodes (i) and (i-1) of the beam-column element.

임의의 절점 i에서 축방향(x방향) 힘의 평형조건식은 다음 수학식 11과 같다.Equilibrium condition of axial force (x direction) at any node i is

Figure 112007029344496-PAT00011
Figure 112007029344496-PAT00011

각 스프링의 하중-변위 관계로부터 각 절점 i에서의 부재력은 아래 수학식 12 및 13과 같다.From the load-displacement relationship of each spring, the member force at each node i is given by Equations 12 and 13 below.

Figure 112007029344496-PAT00012
Figure 112007029344496-PAT00012

Figure 112007029344496-PAT00013
Figure 112007029344496-PAT00013

상기 수학식 12와 13을 수학식 11에 대입하여 같은 계수별로 정리하면 다음 수학식 14와 같은 절점 i에 대한 지배방정식을 얻을 수 있다.By substituting Equations 12 and 13 into Equation 11 and arranging them by the same coefficient, a governing equation for node i as in Equation 14 can be obtained.

Figure 112007029344496-PAT00014
Figure 112007029344496-PAT00014

여기서, bi=(AE)i/h, ci=[-(AE)i-(AE)i+1]/h-Si, di=(AE)i+1/h, fi=-Qi 를 의미한다.Where b i = (AE) i / h, c i = [-(AE) i- (AE) i + 1 ] / hS i , d i = (AE) i + 1 / h, f i = -Q i means

이상의 수치해석기법을 적용하기 위해 말뚝을 총 N개의 절점으로 나누어 i=1에서 N까지 수학식 14의 계수 bi, ci, di 및 fi를 산정하여 다음 수학식 15와 같은 행렬식을 구성하며 이는 간단히 수학식 16과 같이 나타낼 수 있다. 여기서 A는 강성행렬이며 u는 변위벡터, f는 하중벡터를 나타낸다. 수학식 16은 역행렬 A-1을 계 산하여 말뚝의 변위인 u를 산정할 수 있으며, 산정된 변위를 통해 상기 수학식 12와 13을 적용하여 부재의 축력을 계산할 수 있다.In order to apply the above numerical method, the pile is divided into N nodes, and the coefficients b i , c i , d i and f i of Eq. 14 are calculated from i = 1 to N to form a determinant such as Equation 15 below. This can be expressed simply as Equation 16. Where A is the stiffness matrix, u is the displacement vector, and f is the load vector. Equation 16 may calculate u, which is the displacement of the pile, by calculating the inverse matrix A −1 , and calculate the axial force of the member by applying Equations 12 and 13 through the calculated displacement.

Figure 112007029344496-PAT00015
Figure 112007029344496-PAT00015

Figure 112007029344496-PAT00016
Figure 112007029344496-PAT00016

한편, 수평하중을 받는 말뚝모델을 살펴보면, 말뚝은 바람이나 지진 등의 외력에 의해 두부에 큰 수평하중 및 모멘트가 발생할 수 있다. 이 경우 대체적으로 수평방향 저항력이 수직방향에 비해 약하므로 과다한 수평방향 변위가 발생하여 구조물에 큰 해를 끼칠 수 있으므로 수평방향 변위를 고려한 해석이 이루어져야 한다. 이러한 수평방향 하중을 받는 말뚝은 도 7과 같은 이산요소 모델을 사용하여 거동 특성을 나타낼 수 있다. 실제 말뚝부재는 강체 거동을 나타내는 길이가 h인 일련의 절편들로 나타낼 수 있으며 각 절편들은 탄성힌지에 의해 결합되어 전단력, 축력, 휨모멘트가 전달된다. 각 절점에서의 휨강성은 휨모멘트를 회전각으로 나눈 값 , 또는 탄성계수와 단면이차모멘트의 곱로 나타낼 수 있다.On the other hand, when looking at the pile model receives a horizontal load, the pile may be caused by a large horizontal load and moment on the head due to external forces such as wind or earthquake. In this case, the horizontal resistance is generally weaker than the vertical direction, so excessive horizontal displacement can occur and cause great damage to the structure. A pile subjected to such a horizontal load may exhibit behavior characteristics using a discrete element model as shown in FIG. 7. The actual pile member can be represented by a series of sections of length h representing rigid body behavior. Each section is joined by an elastic hinge to transmit shear, axial, and bending moments. The flexural stiffness at each node can be expressed by dividing the bending moment by the angle of rotation, or by the product of the modulus of elasticity and the cross section moment.

외부하중 Q와 선형지반스프링 S는 모든 절점에 놓일 수 있다. 임의의 절점 i에 작용하는 우력과 회전구속조건은 직접 절점에 작용시킬 수 없으므로 인접한 양 절점에 등가의 하중 및 탄성스프링으로 대체하여 작용시킬 수 있다. 축하중을 받는 말뚝의 해석시 산정된 축방향 내부부재력, T는 부가적인 우력, Ti(-yi -1+yi)을 발생시키므로 해석시 고려하였다.External load Q and linear ground spring S can be placed at all nodes. Since the force and rotational restraint conditions acting on any node i cannot directly act on the node, it can be replaced by the equivalent load and elastic spring on both adjacent nodes. The axial internal member force, T, which is calculated during the analysis of piles under congratulations, generates an additional bias, T i (-y i -1 + y i ), and was considered in the analysis.

이상을 통해 말뚝의 지배방정식을 얻는 과정은 다음과 같다.Through the above, the process of obtaining the governing equation of pile is as follows.

첫째, 도 8과 같이 (i-1)요소에서 O1에서의 모멘트 평형식을 구한다. (i-1)요소에서 O1에서의 모멘트 평형식은 다음 수학식 17과 같다.First, the moment equilibrium at O 1 in the element (i-1) is calculated as shown in FIG. 8. In the element (i-1), the moment equilibrium in O 1 is given by Equation 17 below.

Figure 112007029344496-PAT00017
Figure 112007029344496-PAT00017

유사한 방법으로 (i)요소에서의 모멘트 평형식은 수학식 18과 같다.In a similar way the moment equilibrium in (i) is

Figure 112007029344496-PAT00018
Figure 112007029344496-PAT00018

둘째, 절점 i에서 힘의 평형식을 산정하면 수학식 19와 같다.Second, the equilibrium of force at the node i is expressed by Equation 19.

Figure 112007029344496-PAT00019
Figure 112007029344496-PAT00019

여기서,

Figure 112007029344496-PAT00020
를 의미하며, 이 식을 다시 정리하면 아래 수학식 20과 같다.here,
Figure 112007029344496-PAT00020
This equation is rearranged as shown in Equation 20 below.

Figure 112007029344496-PAT00021
Figure 112007029344496-PAT00021

셋째, 절점 i에서 하중-변위 관계 및 중앙차분식을 적용한다. 변위와 모멘트의 관계는 수학식 21과 같으며 변위의 이차 미분항은 수학식 22와 같은 중앙차분식을 적용할 수 있다.Third, the load-displacement relationship and the median differential equation are applied at node i. The relationship between the displacement and the moment is shown in Equation 21, and the second derivative of the displacement may be applied to the central difference equation as shown in Equation 22.

Figure 112007029344496-PAT00022
Figure 112007029344496-PAT00022

Figure 112007029344496-PAT00023
Figure 112007029344496-PAT00023

상기 수학식 22를 수학식 21에 적용하면 수학식 23과 같은 다항식을 얻을 수 있다.By applying Equation 22 to Equation 21, a polynomial like Equation 23 can be obtained.

Figure 112007029344496-PAT00024
Figure 112007029344496-PAT00024

유사한 방법으로 절점 (i-1)과 (i+1)에 산정하면 아래와 같은 수학식 24 및 25를 얻을 수 있다.By calculating the nodes (i-1) and (i + 1) in a similar manner, the following equations (24) and (25) can be obtained.

Figure 112007029344496-PAT00025
Figure 112007029344496-PAT00025

Figure 112007029344496-PAT00026
Figure 112007029344496-PAT00026

넷째, 수학식 17과 18의 모멘트항을 수학식 24와 25로 대체한 후 전단력 V를 산정한다.Fourth, the moment terms of Equations 17 and 18 are replaced with Equations 24 and 25, and the shear force V is calculated.

Figure 112007029344496-PAT00027
Figure 112007029344496-PAT00027

Figure 112007029344496-PAT00028
Figure 112007029344496-PAT00028

마지막으로, 지배방정식의 계수를 산정한다. 산정한 전단력 수학식 26과 27 을 수학식 20에 대입하면 아래 수학식 28을 얻을 수 있다.Finally, the coefficient of the governing equation is estimated. Substituting the calculated shear force equations (26) and (27) into equation (20) yields equation (28) below.

Figure 112007029344496-PAT00029
Figure 112007029344496-PAT00029

Figure 112007029344496-PAT00030
Figure 112007029344496-PAT00030

수학식 28의 양변에 -h3을 곱한 후 수학식 29와 같은 유한차분화된 지배방정식을 얻을 수 있다.After multiplying both sides of Equation 28 by -h 3 , a finite-differential governing equation such as Equation 29 can be obtained.

Figure 112007029344496-PAT00031
Figure 112007029344496-PAT00031

여기서, ai=Fi -1-0.25hRi -1, bi=-2(Fi+Fi -1)-h2Ti -1, ci=(Fi -1+4Fi+Fi+1)+h3Si+0.25h(Ri-1+Ri+1)+h2(Ti-1+Ti), di=-2(Fi+Fi+1)-h2Ti, ei=Fi +1-0.25hRi +1, fi=h3Qi-0.5h2(ci-1-ci+1)이다.Where a i = F i -1 -0.25hR i -1 , b i = -2 (F i + F i -1 ) -h 2 T i -1 , c i = (F i - 1 + 4F i + F i + 1 ) + h 3 S i +0.25 h (R i-1 + R i + 1 ) + h 2 (T i-1 + T i ), d i = -2 (F i + F i + 1 ) -h 2 T i , e i = F i +1 -0.25hR i +1 , f i = h 3 Q i -0.5h 2 (c i-1 -c i + 1 ).

이상의 수치해석기법을 말뚝에 적용하기 위해 앞의 경우와 동일한 방법으로 말뚝을 총 N개의 절점으로 나누어 각 절점 i에서 수학식 29의 계수 ai, bi, ci, di, ei 및 fi를 산정한다. 수학식 29의 계수들은 말뚝의 수평변위(wi)와 무관하므로 모든 절점에서 자동적으로 결정이 되며, 양 끝점에서는 각각 하나씩 가상의 절점을 포함하여 다항식의 개수는 총 (N+2)개가 된다. 이 다항식은 수학식 30과 같은 행렬식으로 나타낼 수 있으며 간단히 수학식 31과 같이 나타낼 수 있다. 여기서 A는 강성행렬이며 w는 변위벡터, f는 하중벡터를 나타낸다. 수학식 31에서 양변에 역행렬 A-1을 곱하여 말뚝의 수평변위인 w를 산정할 수 있다.In order to apply the above numerical method to the pile, the pile was divided into a total of N nodes in the same manner as in the previous case, and the coefficients a i , b i , c i , d i , e i and f Calculate i The coefficients of Equation 29 are automatically determined at all nodes because they are independent of the horizontal displacement (w i ) of the pile, and the number of polynomials including the virtual nodes is one (N + 2) at each end point. This polynomial can be represented by a determinant such as Equation 30 or simply as Equation 31. Where A is the stiffness matrix, w is the displacement vector, and f is the load vector. In Equation 31, the horizontal displacement of the pile may be calculated by multiplying both sides by the inverse matrix A −1 .

Figure 112007029344496-PAT00032
Figure 112007029344496-PAT00032

Figure 112007029344496-PAT00033
Figure 112007029344496-PAT00033

본 발명의 거동 해석 방법은 크게 수직하중을 받는 말뚝의 해석부분과 수평하중을 받는 말뚝의 해석부분으로 나눌 수 있다. 수직하중을 받는 말뚝의 해석을 통해 처짐과 말뚝의 내부 부재력을 얻을 수 있으며, 계산된 내부 부재력은 수평하중을 받는 말뚝의 해석결과에 영향을 미치게 된다. 지반의 하중전이곡선은 선형 및 비선형을 모두 고려할 수 있다. 재료의 비선형을 고려하는 경우 재료의 탄성계수를 먼저 산정한 후에 계산된 말뚝의 해석에 도 9a 및 도 9b와 같이 말뚝의 변위가 수렴할 때까지 반복계산을 수행한다.The behavior analysis method of the present invention can be largely divided into the analysis portion of the pile receiving a vertical load and the analysis portion of the pile receiving a horizontal load. The deflection and the internal member force of the pile can be obtained through the analysis of the pile under vertical load, and the calculated internal member force affects the analysis results of the pile under horizontal load. The load transfer curve of the ground can be considered both linear and nonlinear. When considering the nonlinearity of the material, the elastic modulus of the material is first calculated and then repeated calculation is performed until the displacement of the pile converges in the analysis of the calculated pile as shown in FIGS. 9A and 9B.

도 9a 및 도 9b는 본 발명의 파일밴트 구조물의 거동 분석 방법을 나타낸 플로우 차트이다.9A and 9B are flowcharts illustrating a method for analyzing behavior of a pilot structure of the present invention.

도 9a 및 도 9b를 참조하면, 말뚝의 거동 해석을 위하여 그 유형을 선택한다(S100). 보다 상세히, 수직하중을 받는 말뚝 해석과 수평하중을 받는 말뚝 해석 및 수직 및 수평하중을 받는 말뚝 해석 중 한 유형을 선택한다. 수직하중 해석이 필요한 경우 우선 지반반력의 선형여부를 판단한다(S110). 판단결과 선형일 경우 선형해석을 위한 하중과 지반반력을 계산한다(S120). 그러나 비선형일 경우 q-u 곡선에서 하중과 지반반력을 계산한다(S130). 그 후 강성행렬계수 bi, ci, di 및 하중벡터 fi를 산정하고, 강성행렬을 구성한다(S140). 이후 초기변위 설정여부를 판단하고(S150), 초기변위가 비설정되어 있을 경우 역행렬을 계산하고 변위를 산정한다(S160). 상기 S150 단계에서 초기변위가 설정되어 있을 경우에는 초기변위를 고려하여 강성행렬 및 하중벡터를 산정한 후(S170) S160 단계로 진행한다. 그 후 지반반력의 선형여부를 판단하고(S180), 비선형일 경우 계산된 변위와 한계변위를 비교한다(S190). 이를 불만족할 경우에는 S110 단계로 진행하고, 만족할 경우에는 축방향 내부 부재력 및 지반 저항력을 계산한다(S195). 한편, 상기 S180 단계에서 지반반력이 선형으로 판단되면 곧바로 S195 단계로 진행한다.9A and 9B, the type is selected for the behavior analysis of the pile (S100). More specifically, one type of pile analysis is to be selected: vertically loaded pile analysis, horizontally loaded pile analysis, and vertically and horizontally loaded pile analysis. If vertical load analysis is required, first, it is determined whether the ground reaction force is linear (S110). If the determination result is linear, calculate the load and ground reaction force for the linear analysis (S120). However, in the nonlinear case, the load and the ground force are calculated from the qu curve (S130). After that, the stiffness matrices b i , c i , d i and the load vectors f i are calculated to form the stiffness matrices (S140). Thereafter, it is determined whether the initial displacement is set (S150). If the initial displacement is not set, the inverse matrix is calculated and the displacement is calculated (S160). If the initial displacement is set in step S150, the stiffness matrix and the load vector are calculated in consideration of the initial displacement (S170), and then the process proceeds to step S160. Then, it is determined whether the ground reaction force is linear (S180), and in the case of nonlinearity, the calculated displacement and the limit displacement are compared (S190). If it is not satisfied, the process proceeds to step S110, and if it is satisfied, the axial internal member force and ground resistance force are calculated (S195). On the other hand, if the ground reaction force is determined to be linear in the step S180 immediately proceeds to step S195.

그 후 상기 해석 시 수평하중 해석 단계가 추가로 필요한지 판단한다(S200). 수평하중 해석 단계가 필요치 않는 경우에는 절차는 종료하며, 필요한 경우에는 수평 거동분석을 위한 축방향 내부 부재력을 전달한다(S205). 그 후 지반반력의 선형여부를 판단한다(S210). 판단결과 선형일 경우 선형해석을 위한 하중과 지반반력을 계산한다(S220). 그러나 비선형일 경우 p-y 곡선에서 하중과 지반반력을 계산한다(S230). 그 후 강성행렬계수 ai, bi, ci, di, ei 및 하중벡터 fi를 산정하고, 강성행렬을 구성한다(S240). 이후 초기변위 설정여부를 판단하고(S250), 초기변위가 비설정되어 있을 경우 역행렬을 계산하고 변위를 산정한다(S260). 상기 S250 단계에서 초기변위가 설정되어 있을 경우에는 초기변위를 고려하여 강성행렬 및 하중벡터를 산정한 후(S270) S260 단계로 진행한다. 그 후 지반반력의 선형여부를 판단하고(S280), 비선형일 경우 계산된 변위와 한계변위를 비교한다(S290). 이를 불만족할 경우에는 S210 단계로 진행하고, 만족할 경우에는 휨 모멘트, 전단력 및 경사각을 산정한다(S295). 한편, 상기 S280 단계에서 지반반력이 선형으로 판단되면 곧바로 S295 단계로 진행한 후 종료한다.After that, it is determined whether the horizontal load analysis step is additionally required at the time of analysis (S200). If the horizontal load analysis step is not necessary, the procedure ends, and if necessary, transmits the axial internal member force for horizontal behavior analysis (S205). After that, it is determined whether the ground reaction force is linear (S210). If the determination result is linear, calculate the load and ground reaction force for the linear analysis (S220). However, in the nonlinear case, the load and the ground force are calculated from the py curve (S230). After that, the stiffness coefficients a i , b i , c i , d i , e i and the load vectors f i are calculated to form a stiffness matrix (S240). Thereafter, it is determined whether the initial displacement is set (S250). If the initial displacement is not set, the inverse matrix is calculated and the displacement is calculated (S260). If the initial displacement is set in step S250, the stiffness matrix and the load vector are calculated in consideration of the initial displacement (S270), and then the process proceeds to step S260. Then, it is determined whether the ground reaction force is linear (S280), and in the case of nonlinearity, the calculated displacement and the limit displacement are compared (S290). If dissatisfied with this, the process proceeds to step S210, and if satisfactory, the bending moment, the shear force and the inclination angle are calculated (S295). On the other hand, if the ground reaction force is determined to be linear in the step S280 immediately proceeds to step S295 and ends.

본 발명은 말뚝-지반의 상호작용을 고려한 파일밴트 구조물의 거동을 분석할 수 있는 해석방법에 관한 것으로서 재료의 비선형거동인 항복거동과 기하학적 비선형 거동인 P-Δ 효과를 해석기법에 도입하여 수평하중을 받는 파일밴트 구조물의 특성을 비교적 정확히 분석할 수 있다. 종래 거동 분석 방법의 경우, 수직 및 수평하중에 대한 상하부 일체화된 해석이 수행되지 않는 단점이 있는 반면 본 발명은 이를 고려할 수 있다. 구조물은 수평하중이 미소할지라도 P-Δ 효과에 의한 거동에 차이를 나타나는데 수평변위 발생시 추가로 발생하는 휨모멘트(P-Δ 효과)를 해석기법상에 도입하며 종래 해석기법보다 더 정확성 거동분석이 가능하다. 또한 말뚝의 재료적 특징뿐만 아니라 수평하중에 대한 지반의 비선형도 고려할 수 있어 지반-구조물 상호작용(soil-structure interaction)을 고려할 수 있다.The present invention relates to an analysis method that can analyze the behavior of a pile-bent structure considering the pile-ground interaction, and introduces the P-Δ effect, which is the nonlinear behavior of the material and the geometrical nonlinear behavior, into the analysis technique. It is possible to analyze the characteristics of the pilot structure receiving relatively accurately. In the case of the conventional behavior analysis method, there is a disadvantage that the upper and lower integrated analysis on the vertical and horizontal loads is not performed, but the present invention can consider this. Even if the horizontal load is small, the structure shows a difference in the behavior due to the P-Δ effect.In addition, the bending moment (P-Δ effect), which occurs when the horizontal displacement occurs, is introduced in the analysis technique, and more accurate behavior analysis is possible than in the conventional analysis technique. Do. In addition to the material characteristics of the pile, the nonlinearity of the ground to the horizontal load can be considered, so that the soil-structure interaction can be considered.

상하부 일체화된 해석을 고려한 파일밴트 구조물의 비선형 수평거동을 파악하기 위하여 도 10과 도 11의 물성값을 적용하여 선형해석과 비선형해석의 비교하였다. 지반성층에 따른 선형해석과 비선형해석 결과를 수평변위의 경우 도 12, 13에, 휨모멘트의 경우 도 14, 15에 도시하였다.In order to understand the nonlinear horizontal behavior of the pile structure considering the integrated analysis of upper and lower parts, the linear and nonlinear analyzes were compared by applying the property values of FIGS. 10 and 11. The results of linear and nonlinear analysis according to the ground layer are shown in FIGS. 12 and 13 for horizontal displacement and 14 and 15 for bending moment.

파일밴트의 수직 및 수평거동 분석에 있어서 종래 방법과 본 해석방법의 검증 결과, 비선형해석과 선형해석 결과의 차이점을 확인할 수 있으며 이는 본 해석방법에 반영된 비선형해석을 통한 해석결과가 수평하중을 받는 말뚝의 거동분석에 있어서 보다 정확한 값을 제시한다고 볼 수 있다.In the analysis of the vertical and horizontal behavior of the pile, the verification results of the conventional method and the present analysis method, and the difference between the nonlinear analysis and the linear analysis result can be confirmed. It can be seen that it gives a more accurate value in the behavior analysis of.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to one embodiment shown in the drawings, this is merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. . Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.

본 발명은 다양한 하중조건과 지반조건에서의 파일밴트 구조물의 거동특성을 해석할 수 있으며, 특히 재료의 항복거동과 기하학적 비선형 거동인 P-Δ 효과를 해석기법에 도입하여 수평하중을 받는 파일밴트 구조물의 특성을 비교적 정확히 분석할 수 있다.The present invention can analyze the behavior characteristics of the pile structure under various loading conditions and ground conditions, and in particular, the P-Δ effect of the horizontal load by introducing the P-Δ effect, which is the yielding behavior and the geometric nonlinear behavior of the material, is analyzed. The characteristics of can be analyzed relatively accurately.

Claims (5)

말뚝의 수직하중 해석이 필요한 경우에 있어서,If the vertical load analysis of the pile is necessary, (A) 지반반력의 선형여부를 판단하는 단계;(A) determining whether the ground reaction force is linear; (B) 선형일 경우 선형해석을 위한 하중과 지반반력을 계산하는 단계;(B) calculating loads and ground forces for linear analysis if linear; (C) 강성행렬계수 bi, ci, di 및 하중벡터 fi를 산정하고, 강성행렬을 구성하는 단계;(C) calculating the stiffness coefficients b i , c i , d i and the load vectors f i and constructing a stiffness matrix; (D) 초기 변위 조건이 설정되어 있는지 판단하는 단계;(D) determining whether an initial displacement condition is set; (E) 초기 변위 조건이 설정되어 있지 않은 경우 역행렬을 계산하고 변위를 산정하는 단계;(E) calculating an inverse matrix and calculating displacement if no initial displacement condition is set; (F) 지반반력의 선형여부를 판단하는 단계; 및(F) determining whether the ground reaction force is linear; And (G) 지반반력이 선형일 경우 축방향 내부 부재력 및 지반 저항력을 계산하는 단계를 포함하는 파일밴트 구조물의 거동 분석 방법.(G) calculating the axial internal member force and the ground resistance force when the ground force is linear. 말뚝의 수평하중 해석이 필요한 경우에 있어서,If the horizontal load analysis of the pile is necessary, (a) 수평거동 분석을 위한 축방향 내부 부재력을 전달하는 단계;(a) transmitting an axial internal member force for horizontal behavior analysis; (b) 지반반력의 선형여부를 판단하는 단계;(b) determining whether the ground reaction force is linear; (c) 선형일 경우 선형해석을 위한 하중과 지반반력을 계산하는 단계;(c) calculating loads and ground reaction forces for linear analysis if linear; (d) 강성행렬계수 ai, bi, ci, di, ei 및 하중벡터 fi를 산정하고, 강성행렬을 구성하는 단계;(d) calculating stiffness matrices a i , b i , c i , d i , e i and load vectors f i and constructing a stiffness matrix; (e) 초기 변위 조건이 설정되어 있는지 판단하는 단계;(e) determining whether an initial displacement condition is set; (f) 초기 변위 조건이 설정되어 있지 않은 경우 역행렬을 계산하고 변위를 산정하는 단계;(f) calculating an inverse matrix and calculating displacement if no initial displacement condition is set; (g) 지반반력의 선형여부를 판단하는 단계; 및(g) determining whether the ground reaction force is linear; And (h) 지반반력이 선형일 경우 휨 모멘트, 전단력 및 경사각을 산정하는 단계를 포함하는 파일밴트 구조물의 거동 분석 방법.(h) calculating the bending moment, shear force, and inclination angle when the ground reaction force is linear; 제 1항 또는 제 2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 (A) 단계 또는 (b) 단계에서 비선형일 경우 q-u 곡선 또는 p-y 곡선에서 하중과 지반반력을 계산하는 단계를 더 포함하는 파일밴트 구조물의 거동 분석 방법.If the non-linear in step (A) or (b) step of calculating the load and the ground force in the q-u curve or p-y curve further comprises the step of analyzing the behavior of the pilot structure. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 (D) 단계 또는 (e) 단계에서 초기 변위 조건이 설정되어 있는 경우 초기 변위 조건을 고려하여 강성행렬 및 하중벡터를 산정하는 단계를 더 포함하는 파 일밴트 구조물의 거동 분석 방법.Comprising a step of calculating the stiffness matrix and the load vector in consideration of the initial displacement conditions when the initial displacement conditions are set in step (D) or (e). 제 1항 또는 제 2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 (F) 단계 또는 (g) 단계에서 비선형일 경우 계산된 변위와 한계 변위를 비교하여 이를 만족하는 경우 다음 단계로 진행하는 파일밴트 구조물의 거동 분석 방법.The method of analyzing the behavior of the pilot structure to compare to the calculated displacement and the critical displacement when the non-linear in the step (F) or (g) to proceed to the next step.
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