KR20200145246A - 지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨터 장치에 의해 수행되는, 지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 방법은 (a) 포장체의 두께, 지반의 심도, 지하 구조물의 매설 위치, 지하 구조물의 균열 위치 및 균열 크기에 대한 해석대상 정보와 포장체, 지반 및 지하 구조물을 포함하는 객체와 객체 간의 경계면의 물성 정보를 입력하는 사용자 인터페이스를 제공하는 단계; (b) 해석대상 정보와 물성 정보를 기초로 지반 영역, 포장체 영역, 지하 구조물 영역 및 공기 영역을 대상으로 유한 요소망을 생성하고, 입력된 각 유한 요소망의 하중 정보 및 경계조건 정보를 기초로 지하 구조물의 균열 위치의 주변 영역에 발생하는 지반유실 및 공동(cavity)의 확산 상태를 모델링하는 단계; 및 (c) 해석대상 정보와 공동의 크기 및 형상 사이의 상관관계 분석을 수행하고, 지반함몰 발생 여부를 제공하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 지반함몰은 지반침하의 한 형태로 지반 내 공동(Cavity)이 발생하여 표층이 갑작스럽게 가라앉으면서 지반에 구멍이 발생하는 것을 의미한다. 공동의 발생원인은 자연적 원인과 인공적 원인으로 구분할 수 있으며, 국내에서 발생하는 것은 대부분 인공적 원인에 의해 발생한다.
이와 같은 인공적 원인은 주로 지중시설물의 노후화, 도심지의 지하공간의 개발 및 과다한 지하수 사용 등이 있으며, 국내에서 발생된 지반함몰의 경우 대부분 지하매설물 파손이나 굴착공사 등 인위적 요인에 의해 발생하고 있다.
종래에는 지반함몰의 원인 및 발생 매커니즘을 파악하기 위하여 미소변형 해석 및 개별요소법을 이용한 해석을 수행한다. 먼저 미소변형 해석을 수행하는 경우 공동 및 지표면에서 발생하는 실제 붕괴(대변형) 거동을 전체적으로 해석하지 못한다. 이에 따라 일부 지반 또는 포장체(콘크리트 또는 아스팔트)에 작용하는 최대 응력 등을 파악할 수 있다는 한계가 있다. 또한 공동의 원인이 되는 흙(지반) 또는 물(지하수)의 이동을 고려한 공동의 형상에 대하여 해석하지 못한다. 따라서, 특정 형상 및 크기의 공동을 모델링한 후 강제로 변위를 발생시키는 방식으로 인위적으로 입력한 거동의 영향을 확인할 수 있다는 해석적 한계를 포함한다. 더불어, 개별요소법을 이용하는 경우 구조물 등 연속체를 해석하지 못하고, 지반의 변형만을 해석한다는 한계가 있다.
이와 관련하여, 대한민국 등록특허 제 10-1547069호는 지반의 침식과 연행 작용을 고려한 토석류 거동 해석 방법 및 장치를 개시하고 있다.
본 발명의 일부 실시예는 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 지반함몰의 주요 원인인 흙(지반) 또는 물(지하수위)의 이동과 도로포장(콘크리트 또는 아스팔트)을 동시에 해석하여 지하 내부의 공동이 지표면에 미치는 영향을 직접적으로 확인하고, 이를 통해 지반함몰 발생 매커니즘을 분석함으로써, 지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 방법 및 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 더 존재할 수 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨터 장치에 의해 수행되는, 지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 방법은 (a) 포장체의 두께, 지반의 심도, 지하 구조물의 매설 위치, 지하 구조물의 균열 위치 및 균열 크기에 대한 해석대상 정보와 포장체, 지반 및 지하 구조물을 포함하는 객체와 객체 간의 경계면의 물성 정보를 입력하는 사용자 인터페이스를 제공하는 단계; (b) 해석대상 정보와 물성 정보를 기초로 지반 영역, 포장체 영역, 지하 구조물 영역 및 공기 영역을 대상으로 유한 요소망을 생성하고, 입력된 각 유한 요소망의 하중 정보 및 경계조건 정보를 기초로 지하 구조물의 균열 위치의 주변 영역에 발생하는 지반유실 및 공동(cavity)의 확산 상태를 모델링하는 단계; 및 (c) 해석대상 정보와 공동의 크기 및 형상 사이의 상관관계 분석을 수행하고, 지반함몰 발생 여부를 제공하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 장치는 지반함몰 해석 프로그램이 저장된 메모리, 및 메모리에 저장된 프로그램을 실행하는 프로세서를 포함하되, 프로세서는 프로그램의 실행에 따라, 포장체의 두께, 지반의 심도, 지하 구조물의 매설 위치, 지하 구조물의 균열 위치 및 균열 크기에 대한 해석대상 정보와 포장체, 지반 및 지하 구조물을 포함하는 객체와 객체 간의 경계면의 물성 정보를 입력하는 사용자 인터페이스를 제공하고, 해석대상 정보와 물성 정보를 기초로 지반 영역, 포장체 영역, 지하 구조물 영역 및 공기 영역을 대상으로 유한 요소망을 생성하고, 입력된 각 유한 요소망의 하중 정보 및 경계조건 정보를 기초로 지하 구조물의 균열 위치의 주변 영역에 발생하는 지반유실 및 공동(cavity)의 확산 상태를 모델링하고, 해석대상 정보와 공동의 크기 및 형상 사이의 상관관계 분석을 수행하고, 지반함몰 발생 여부를 제공한다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 기존 미소변형해석에서 확인할 수 없었던 공동의 원인이 되는 흙 또는 지반의 이동, 공동의 직접 구현, 콘크리트에 발생하는 응력과 침하 산정 및 파괴거동 분석을 포함하는 지반함몰 전체 거동을 해석하여 지반 유실에 따른 지반함몰(싱크홀) 발생 여부를 확인할 수 있다.
더불어, 기존 수치해석방법의 한계를 극복하고 실제 현상에 더욱 가까운 해석을 수행하여 지반함몰(싱크홀)의 피해를 최소화 하는데 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 오일러리안(Eulerian) 요소를 적용하는 지반 영역과 공기 영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 라그랑지안(Lagrangian) 요소를 적용하는 포장체 영역과 구조물 영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 오일러리안 요소와 라그랑지안 요소가 결합된 상태의 지형 모델링을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 지반의 거동 해석 과정을 시간 간격에 따라 갱신된 지형 모델링으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 포장체 및 지반 영역에 작용하는 응력 상태 해석 과정을 시간 간격에 따라 갱신된 지형 모델링으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 포장체 중심에서의 침하량을 시간 경과에 따라 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 오일러리안(Eulerian) 요소를 적용하는 지반 영역과 공기 영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 라그랑지안(Lagrangian) 요소를 적용하는 포장체 영역과 구조물 영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 오일러리안 요소와 라그랑지안 요소가 결합된 상태의 지형 모델링을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 지반의 거동 해석 과정을 시간 간격에 따라 갱신된 지형 모델링으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 포장체 및 지반 영역에 작용하는 응력 상태 해석 과정을 시간 간격에 따라 갱신된 지형 모델링으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 포장체 중심에서의 침하량을 시간 경과에 따라 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에 있어서 '부(部)'란, 하드웨어에 의해 실현되는 유닛(unit), 소프트웨어에 의해 실현되는 유닛, 양방을 이용하여 실현되는 유닛을 포함한다. 또한, 1 개의 유닛이 2 개 이상의 하드웨어를 이용하여 실현되어도 되고, 2 개 이상의 유닛이 1 개의 하드웨어에 의해 실현되어도 된다.
이하에서 언급되는 "장치"는 네트워크를 통해 서버나 타 단말에 접속할 수 있는 컴퓨터나 휴대용 단말기로 구현될 수 있다. 여기서, 컴퓨터는 예를 들어, 웹 브라우저(WEB Browser)가 탑재된 노트북, 데스크톱(desktop), 랩톱(laptop) 등을 포함한다.
이하에서는 CEL(Coupled Eulerian and Lagrangian)을 이용하여 지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 결과를 제공할 수 있는 장치를 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 장치(100)는 지반함몰 해석 프로그램이 저장된 메모리(110), 및 메모리(110)에 저장된 프로그램을 실행하는 프로세서(120) 및 디스플레이부(130)를 포함할 수 있다.
메모리(110)에는 지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 장치(100)를 제어하기 위한 다양한 프로그램이 저장되어 있으며, 특히 지반함몰 해석 프로그램이 저장되어 있다. 참고로, 메모리(110)는 전원이 공급되지 않아도 저장된 정보를 유지하는 비휘발성(non-volatile) 저장 장치 및 저장된 정보를 유지하기 위하여 전력이 필요한 휘발성 저장 장치를 통칭하는 것일 수 있다.
프로세서(120)는 지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 장치(100)의 전체적인 동작을 제어한다. 이를 위해, 프로세서(120)는 적어도 하나의 프로세싱 유닛(CPU, micro-processor, DSP 등), RAM(Random Access Memory), ROM(Read-Only Memory), CPU, GPU(Graphic Processing Unit) 및 버스(bus) 중 적어도 하나를 포함하여 구현될 수 있으며, 메모리(110)에 저장된 프로그램을 RAM으로 독출하여 하나 이상의 프로세싱 유닛을 통해 실행할 수 있다. 한편, 실시예에 따라서 ‘프로세서’라는 용어는 ‘제어부’, ‘컨트롤러’, ‘연산 장치’ 등의 용어와 동일한 의미로 해석될 수 있다.
프로세서(120)는 메모리(110)에 저장된 프로그램을 실행하되, 지반함몰 해석을 실행함으로써 다음의 동작을 처리한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 오일러리안(Eulerian) 요소를 적용하는 지반 영역과 공기 영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 라그랑지안(Lagrangian) 요소를 적용하는 포장체 영역과 구조물 영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 오일러리안 요소와 라그랑지안 요소가 결합된 상태의 지형 모델링을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 프로세서(120)는 프로그램의 실행에 따라, 포장체의 두께, 지반의 심도, 지하 구조물의 매설 위치, 지하 구조물의 균열 위치 및 균열 크기에 대한 해석대상 정보와 포장체, 지반 및 지하 구조물을 포함하는 객체와 객체 간의 경계면의 물성 정보를 입력하는 사용자 인터페이스를 제공한다.
여기서, 포장체는 지표면 위에 설치되는 콘크리트 및 아스팔트를 포함하고, 지하 구조물은 수도관, 송유관, 가스관, 전기선 또는 통신선을 내장한 파이프 및 하수관을 포함할 수 있으나, 이에 한정된 것은 아니다. 예를 들어, 포장체 및 지하 구조물의 종류, 규격, 물성 및 설치 기준 등에 대한 정보는 외부 시설물정보 제공 서버로부터 획득할 수 있다. 일 예로, 지하 구조물과 관련된 해석대상 정보 및 물성 정보가 사용자에 의해 입력되지 않은 경우, 하수관에 기설정된 임의의 위치와 크기로 균열이 발생한 것으로 해석대상 정보가 설정되고, 재료의 파괴를 고려하지 않은 탄성체로 물성 정보가 설정되어, 후술하는 모델링을 수행할 수 있다.
프로세서(120)는 입력된 해석대상 정보와 물성 정보를 기초로 지반 영역(10), 포장체 영역(30), 지하 구조물 영역(40) 및 공기 영역(20)을 대상으로 유한 요소망을 생성하고, 입력된 각 유한 요소망의 하중 정보 및 경계조건 정보를 기초로 지하 구조물의 균열 위치의 주변 영역에 발생하는 지반유실 및 공동(cavity)의 확산 상태를 모델링하고, 해석대상 정보와 공동의 크기 및 형상 사이의 상관관계 분석을 수행하고, 지반함몰 발생 여부를 제공한다.
즉, 사용자로부터 입력된 포장체의 두께, 지반의 심도, 지하 구조물의 매설 위치, 지하 구조물의 균열 위치 및 균열 크기를 해석대상 정보를 기초로 공동의 규모(크기 및 형상)를 확인할 수 있다. 또한 지형 모델링을 통해 시간 경과에 따른 공동의 발생 및 규모에 따른 변위를 직관적으로 파악할 수 있다. 더불어, 포장체에 발생하는 응력 및 침하량을 산출하여 지반함몰(싱크홀, sinkhole)의 파괴 거동을 확인할 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 프로세서(120)는 지반 영역(10), 포장체 영역(30), 지하 구조물 영역(40) 및 공기 영역(20)을 포함하는 해석대상 영역을 지형 모델링으로 생성할 수 있다. 여기서, 해석대상 영역은 붕괴 및 침하 발생이 가능한 체적으로 형성된 지반 영역(10), 지반 영역(10)의 상부면을 덮는 포장체 영역(30), 지반 영역(10) 내에 매설된 지하 구조물 영역(40) 및 지반 영역(10)의 상부에 기설정된 높이를 가지며 물성이 채워지지 않은 제1보이드 영역(20a)과 지하 구조물 영역(40)의 중공 부분에 물성이 채워지지 않은 제2보이드 영역(20b)으로 구분되는 공기 영역(20)을 포함할 수 있다.
추가 예로, 지반 영역(10)은 지형 정보를 활용하여 설정될 수 있으며, 지형 정보는 지반 영역(10)에 절대적 또는 상대적 위치를 부여하기 위한 위치 정보 및 속성 정보와 같은 특성 정보를 포함할 수 있으며, 위치 정보는 GIS(Geographic Information System) 정보로서 외부 지리정보 제공 서버(미도시)로부터 획득할 수 있다.
한편, 유한요소 해석법(Finite Element Method, FEM)에서 체적을 가지는 요소의 시간에 따른 거동을 모사하는 방법은 크게 라그랑지안 해석법과 오일러리안 해석법이 있으며, 일반적으로 고체역학에 적용되는 라그랑지안 해석법은 각각의 요소의 물성 좌표와 시간에 대한 함수로 연속체의 거동을 정의하고, 주로 유체역학에 적용되는 오일러리안 해석법은 공간좌표와 시간에 대한 함수로 연속체의 거동을 정의한다.
라그랑지안 해석법에서는 유한요소의 각 요소망 절점은 요소의 물성과 함께 움직이므로 두 물체 사이의 접촉면에서는 정확하게 절점을 공유하고 물성이 정의되어야 한다. 반면, 오일러리안 해석법에서는 물체의 거동이 전체 오일러리안 영역 내에서 물질의 이동량으로 정의되기 때문에 요소망의 왜곡이 발생하지 않는 장점이 있다.
프로세서(120)는 지반 영역(10) 및 공기 영역(20)에 오일러리안(Eulerian) 요소를 적용하여 지하 구조물의 균열 위치(C1)의 주변 영역에 대한 지반의 이동 해석을 수행하고, 포장체 영역(30) 및 지하 구조물 영역(40)에 라그랑지안(Lagrangian) 요소를 적용하여 지반의 이동에 의해 발생하는 지하 구조물에 작용하는 응력과 포장체에 작용하는 응력 및 침하 해석을 수행할 수 있다.
예시적으로 지반 영역(10)과 포장체 영역(30)은 움직임에 대한 탄성거동 및 소성거동을 확인하여 파괴를 확인할 수 있으며, 탄소성 모델이 적용될 수 있다. 일 예로, 지반 영역(10)에는 모호-쿨롱(Mohr-Coulomb) 모델이 적용되고, 포장체 영역(30)에는 콘크리트 손상 소성(concrete damage plasticity) 모델이 적용될 수 있다.
다시 말해서, 프로세서(120)는 오일러리안 요소를 통해 지반 영역(10)과 지반 영역(10)의 상부에 기설정된 높이를 가지며 물성이 채워지지 않은 제1보이드 영역(20a)과 지하 구조물 영역(40)의 중공 부분에 물성이 채워지지 않은 제2보이드 영역(20b)으로 구분되는 공기 영역(20)에 대하여 흙(지반)의 거동을 분석할 수 있다. 예를 들어, 하수관의 균열 또는 물(지하수위)의 이동(변화)에 따른 지반 유실로부터 지표면(포장체) 아래에 공동이 형성되는 과정을 분석할 수 있다.
즉, 공동의 위치와 규모를 임의로 직사각형 또는 원형으로 가정하여 모델링하는 기존의 방식과 달리, 프로세서(120)는 지반 유실로 인해 실제 현상과 유사하게 형성된 공동을 분석할 수 있다. 이와 같이 분석된 공동의 형상 및 크기는 포장체의 파괴 형상(유형)과도 직접적인 관계를 가지며, 후술하는 상관 분석을 수행할 수 있다.
프로세서(120)는 라그랑지안 요소를 통해 포장체 영역(30)에 작용하는 외력에 의한 응력의 변화 및 침하 거동과 지반 영역(10)에 형성된 공동에 의한 포장체 영역(30)의 파괴 거동을 모두 고려하여, 지반함몰(싱크홀)의 발생여부를 분석할 수 있다.
따라서, 본 발명의 지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 장치(100)는 사용자 입력에 따른 해석대상 정보 및 물성정보에 기초하여 공동 발생의 원인이 되는 인자(예를 들어, 하수관의 균열의 크기가 공동형성에 미치는 영향, 하수관의 매설심도에 따른 공동형성에 미치는 영향 등)를 고려하여 지반함몰의 거동을 분석할 수 있다. 또한, 기존의 현장 및 실내 실험을 대체 및 보완 할 수 있다는 효과가 있다.
더불어, 후술하는 상관관계 분석을 통하여 국내에서 빈번하게 발생하는 지반함몰(싱크홀)의 주된 원인 중 하나인 흙이 지하 매설물 유입되는 현상에 대하여, 하수관의 균열의 크기 및 위치(심도)와 지반함몰의 발생 유형(예를 들어, 형상, 크기 및 파괴 형태)등 과의 상관관계를 분석할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 지반의 거동 해석 과정을 시간 간격에 따라 갱신된 지형 모델링으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 포장체 및 지반 영역에 작용하는 응력 상태 해석 과정을 시간 간격에 따라 갱신된 지형 모델링으로 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면 프로세서(120)는 지형 모델링을 갱신하여 경과시간(T= 0, 10, 30, 50, 100 step)에 따라 변화하는 지반유실(W) 및 공동(C)의 크기 및 형상(예를 들어, 포장체 영역(30)에 대응하여 형성된 공동(C)의 위치 및 형태 등)을 제공할 수 있다. 예시적으로, 도 5에 도시된 것처럼, 초기 지형 모델링(T=0 step)은 지반 유실(W)이 발생하기 이전의 상태를 나타낸다. 이때, 지형 모델링은 표면에 드러나는 지반 영역(10) 및 포장체 영역(30)과 표면으로 드러나지 않지만 모델링에 포함된 공기 영역(20) 및 지하 구조물 영역(40)으로 구성될 수 있다. 이어서, 시간 경과에 따라 지반유실(W)의 크기(예를들어, 유실량)가 증가한 것을 나타내고(T=10, 30 step), 지반유실(W)의 크기가 지반 응집력의 임계치를 초과하는 경우, 포장체 영역(30)의 하부에 형상 및 크기를 갖는 공동(C)이 형성된 것을 나타낸다(T=50 step). 이후, 지속적인 지반유실(W)의 크기증가에 따라 공동(C)의 형상 및 크기가 변화되는 것을 나타낸다(T=100 step).
도 6을 참조하면, 프로세서(120)는 지반유실(W) 및 공동(C)의 발생 요인으로 인한, 포장체 영역(30)에서의 지반함몰(S)의 위치, 형상 및 응력 속도를 제공할 수 있다. 예시적으로, 도 6의 (a)를 참조하면, 지반유실(W) 및 공동(C)으로 인해, 포장체 영역(30)의 중간 부분에 지반함몰(S)이 발생하게 되고, 지반함몰(S)의 주변 영역에 작용하는 응력의 범위를 나타낸다. 이어서, 도 6의 (b)를 참조하면, 지반함몰(S)의 중심부와 인접한 영역일수록 작용하는 응력 속도가 증가하는 것을 나타낸다. 예를 들어, 고채도의 난색(예를 들어, 빨간색>노랑색 등)으로 표시될수록 응력 속도가 증가하는 것을 나타내고, 한색(예를 들어, 녹색)일 경우 응력이 작용하는 전체 범위를 나타낼 수 있으나, 이에 한정된 것은 아니다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 포장체 중심에서의 침하량을 시간 경과에 따라 도시한 그래프이다.
예시적으로, 프로세서(120)는 시간 경과에 따라 변화하는 지반함몰(S)의 침하량을 제공할 수 있다. 일 예로, 도 7에 도시된 것처럼, 콘크리트로 설정된 포장체의 중심부(Center of concrete)의 침하 심도(Settlement)가 시간 경과에 따라 0.0에서 -0.45로 증가하는 것을 나타낸다.
추가 실시예로, 도 5내지 도 7을 참조하면, 사용자 인터페이스는 지반의 거동 해석 과정에서, 지반유실(W) 및 공동(C)의 발생 과정을 제1 시뮬레이션 영상으로 제공하는 제1 영상 출력 영역, 지반함몰(S)의 주변 영역에 응력의 작용 과정을 제2 시뮬레이션 영상으로 제공하는 제2 영상 출력 영역 및 제1 및 제2 시뮬레이션 영상과 연동된 각 시뮬레이션의 결과값을 그래프 또는 표로 제공하는 차트 영역을 포함하도록 구성될 수 있다.
다른 예로, 제1 영상 출력 영역은 도 5에 도시된 시간 경과에 따른 공동(C) 및 지반유실(W)의 과정을 제1 시뮬레이션 영상으로 나타낼 수 있다. 제2 영상 출력 영역은 도 6에 도시된 시간 경과에 따른 지반함몰(S)의 과정을 제2 시뮬레이션 영상으로 나타낼 수 있다. 또한, 차트 영역은 제1 및 제 2 시뮬레이션 영상과 연동된 각 시뮬레이션의 결과값을 도 7에 도시된 그래프 또는 표의 형태로 나타낼 수 있다.
또 다른 예로, 이와 같은 제1 및 제2 영상 출력 영역은 사용자 인터페이스 상의 동일한 영역에서 전환되도록 구성될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 영상 출력 영역은 지형 모델링에 대한 시뮬레이션 영상의 재생, 멈춤, 구간 이동 및 출력 배속을 설정하는 버튼을 포함하도록 구성될 수 있다.
프로세서(120)는 모델링을 이용한 지반의 거동 해석결과에 기초하여 해석대상 정보와 공동의 크기 및 형상 사이의 상관관계 분석을 수행할 수 있다. 구체적으로, 프로세서(120)는 지하 구조물의 균열 크기와 공동의 크기 및 형상과의 상관관계를 분석하고, 지하 구조물의 매설 위치와 공동의 크기 및 형상과의 상관관계를 분석하고, 공동의 크기 및 형상과 포장체에 작용하는 응력 및 침하 해석 결과값과의 상관관계를 분석할 수 있다.
예시적으로, 프로세서(120)는 지하 구조물의 종류 및 규격 별로 사용자 입력에 의해, 각 지하 구조물의 매설 위치(즉, 지표면에서 지하 구조물까지의 심도), 균열 위치(즉, 지하 구조물 상에서 균열이 발생하는 위치) 및 균열 크기, 지반의 심도(즉, 지반의 거동 해석의 최대 범위) 및 포장체의 두께 정보를 획득할 수 있다. 이어서, 획득된 정보를 기초로 모델링 분석된 공동의 크기 및 형상과의 상관관계를 분석하여 산출된 상관관계 값을 산출하고, 산출된 상관관계 값을 기초로, 포장체에 작용하는 응력 및 침하 결과값을 데이터 시각화하여 제공할 수 있다. 예를 들어, 지하 구조물의 매설 위치, 균열 위치 및 균열 크기의 변위에 따른 공동의 크기 및 형상의 증가량을 제공할 수 있다. 이를 통해 지반함몰을 유발하는 위험한 공동의 크기 및 형상을 도출할 수 있다.
또한 프로세서(120)는 모델링 결과값에 기초하여 지반함몰 발생 여부를 제공할 수 있다. 구체적으로, 프로세서(120)는 포장체에 발생하는 응력이 물성 정보에 기초한 포장체의 임계값을 초과하는 경우 지반함몰이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
다시 말해서, 포장체의 파괴 및 지반함몰(싱크홀)의 발생 가능성을 포장체(콘크리트 등)에 발생하는 응력이 재료의 한계상태를 초과하는지를 통해 확인할 수 있다. 따라서, 지반함몰이 유발되는 위험 응력과 침하 요인을 파악하여 포장체의 설치시 안전 설계 기준을 제시하는 효과가 있다.
예시적으로 디스플레이부(130)는 지반함몰 해석 프로세스가 수행됨에 따라 해석대상 정보 및 물성 정보를 입력하는 사용자 인터페이스를 표시하고, 대상 정보 및 물성 정보를 기초로 지하 구조물의 균열 위치의 주변 영역에 발생하는 지반유실 및 공동의 확산 상태를 출력하는 사용자 인터페이스를 표시할 수 있다.
따라서, 기존 미소변형해석에서 확인할 수 없는 지반함몰의 전체 거동(예를 들어, 공동의 원인이 되는 흙 또는 지반의 거동에 의한 지반유실 및 공동 발생과정, 이에 따른 콘크리트에 발생하는 응력과 침하의 산정 및 파괴거동 분석)을 해석하여 지반 유실 및 공동에 따른 지반함몰(싱크홀)의 발생 여부를 확인할 수 있다. 또한 기존 수치해석방법의 한계를 극복하고 실제 현상에 더욱 가까운 해석을 수행하여 지반함몰(싱크홀)의 피해를 최소화 하는데 활용될 수 있다.
이하의 방법은, 상술한 장치에 의해 수행되는 것이므로, 이하에서 생략된 내용이 있더라도 상술한 설명으로 갈음하도록 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 컴퓨터 장치(100)에 의해 수행되는, 지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 방법은 포장체의 두께, 지반의 심도, 지하 구조물의 매설 위치, 지하 구조물의 균열 위치 및 균열 크기에 대한 해석대상 정보와 포장체, 지반 및 지하 구조물을 포함하는 객체와 객체 간의 경계면의 물성 정보를 입력하는 사용자 인터페이스를 제공하는 단계(S110), 해석대상 정보와 물성 정보를 기초로 지반 영역(10), 포장체 영역(30), 지하 구조물 영역(40) 및 공기 영역(20)을 대상으로 유한 요소망을 생성하고, 입력된 각 유한 요소망의 하중 정보 및 경계조건 정보를 기초로 지하 구조물의 균열 위치의 주변 영역에 발생하는 지반유실 및 공동(cavity)의 확산 상태를 모델링하는 단계(S120) 및 해석대상 정보와 공동의 크기 및 형상 사이의 상관관계 분석을 수행하고, 지반함몰 발생 여부를 제공하는 단계(S130)를 포함한다.
S120단계는 지반 영역(10), 포장체 영역(30), 지하 구조물 영역(40) 및 공기 영역(20)을 포함하는 해석대상 영역을 지형 모델링으로 생성하는 단계를 포함한다. 여기서, 해석대상 영역은 붕괴 및 침하 발생이 가능한 체적으로 형성된 지반 영역(10), 지반 영역(10)의 상부면을 덮는 포장체 영역(30), 지반 영역(10) 내에 매설된 지하 구조물 영역(40) 및 지반 영역(10)의 상부에 기설정된 높이를 가지며 물성이 채워지지 않은 제1보이드 영역(20a)과 지하 구조물 영역(40)의 중공 부분에 물성이 채워지지 않은 제2보이드 영역(20b)으로 구분되는 공기 영역(20)을 포함할 수 있다.
S120단계는 지반 영역(10) 및 공기 영역(20)에 오일러리안(Eulerian) 요소를 적용하여 지하 구조물의 균열 위치의 주변 영역에 대한 지반의 이동 해석을 수행하는 단계 및 포장체 영역(30) 및 지하 구조물 영역(40)에 라그랑지안(Lagrangian) 요소를 적용하여 지반의 이동에 의해 발생하는 지하 구조물에 작용하는 응력과 포장체에 작용하는 응력 및 침하 해석을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, S120단계는 지형 모델링을 갱신하여 시간 경과에 따라 변화하는 지반유실 및 공동의 위치 및 형상을 제공하고, 지반함몰의 위치, 형상 및 응력 속도를 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
S130단계는 지하 구조물의 균열 크기와 공동의 크기 및 형상과의 상관관계를 분석하는 단계, 지하 구조물의 매설 위치와 공동의 크기 및 형상과의 상관관계를 분석하는 단계, 및 공동의 크기 및 형상과 포장체에 작용하는 응력 및 침하 해석 결과값과의 상관관계를 분석하는 단계를 포함할 수 있다.
이어서 S130단계는 포장체에 발생하는 응력이 물성 정보에 기초한 포장체의 임계값을 초과하는 경우 지반함몰이 발생한 것으로 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 방법은 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체를 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다.
본 발명의 방법 및 장치는 특정 실시예와 관련하여 설명되었지만, 그것들의 구성요소 또는 동작의 일부 또는 전부는 범용 하드웨어 아키텍쳐를 갖는 컴퓨터 시스템을 사용하여 구현될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 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.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 장치
10: 지반 영역
20: 공기 영역
20a: 제1 보이드 영역
20b: 제2 보이드영역
30: 포장체 영역
40: 지하 구조물 영역
110: 메모리
120: 프로세서
130: 디스플레이부
10: 지반 영역
20: 공기 영역
20a: 제1 보이드 영역
20b: 제2 보이드영역
30: 포장체 영역
40: 지하 구조물 영역
110: 메모리
120: 프로세서
130: 디스플레이부
Claims (13)
- 컴퓨터 장치에 의해 수행되는, 지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 방법에 있어서,
(a) 포장체의 두께, 지반의 심도, 지하 구조물의 매설 위치, 상기 지하 구조물의 균열 위치 및 균열 크기에 대한 해석대상 정보와 상기 포장체, 지반 및 지하 구조물을 포함하는 객체와 상기 객체 간의 경계면의 물성 정보를 입력하는 사용자 인터페이스를 제공하는 단계;
(b) 상기 해석대상 정보와 물성 정보를 기초로 지반 영역, 포장체 영역, 지하 구조물 영역 및 공기 영역을 대상으로 유한 요소망을 생성하고, 입력된 각 유한 요소망의 하중 정보 및 경계조건 정보를 기초로 상기 지하 구조물의 균열 위치의 주변 영역에 발생하는 지반유실 및 공동(cavity)의 확산 상태를 모델링하는 단계; 및
(c) 상기 해석대상 정보와 상기 공동의 크기 및 형상 사이의 상관관계 분석을 수행하고, 지반함몰 발생 여부를 제공하는 단계를 포함하는,
지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 방법. - 제1항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
상기 지반 영역, 상기 포장체 영역, 상기 지하 구조물 영역 및 상기 공기 영역을 포함하는 해석대상 영역을 지형 모델링으로 생성하는 단계를 포함하되,
상기 해석대상 영역은
붕괴 및 침하 발생이 가능한 체적으로 형성된 상기 지반 영역,
상기 지반 영역의 상부면을 덮는 상기 포장체 영역,
상기 지반 영역 내에 매설된 상기 지하 구조물 영역 및
상기 지반 영역의 상부에 기설정된 높이를 가지며 물성이 채워지지 않은 제1보이드 영역과 상기 지하 구조물 영역의 중공 부분에 물성이 채워지지 않은 제2보이드 영역으로 구분되는 상기 공기 영역을 포함하는 것인,
지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 방법. - 제2항에 있어서,
상기 (b) 단계는
상기 지반 영역 및 상기 공기 영역에 오일러리안(Eulerian) 요소를 적용하여 상기 지하 구조물의 균열 위치의 주변 영역에 대한 지반의 이동 해석을 수행하는 단계; 및
상기 포장체 영역 및 상기 지하 구조물 영역에 라그랑지안(Lagrangian) 요소를 적용하여 지반의 이동에 의해 발생하는 상기 지하 구조물에 작용하는 응력과 상기 포장체에 작용하는 응력 및 침하 해석을 수행하는 단계를 포함하는 것인,
지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 방법. - 제3항에 있어서,
상기 (b) 단계는
상기 지형 모델링을 갱신하여 시간 경과에 따라 변화하는 상기 지반유실 및 상기 공동의 위치 및 형상을 제공하고, 상기 지반함몰의 위치, 형상 및 응력 속도를 제공하는 단계를 포함하는 것인,
지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 방법. - 제4항에 있어서,
상기 (c) 단계는
상기 지하 구조물의 균열 크기와 상기 공동의 크기 및 형상과의 상관관계를 분석하는 단계;
상기 지하 구조물의 매설 위치와 상기 공동의 크기 및 형상과의 상관관계를 분석하는 단계;
상기 공동의 크기 및 형상과 상기 포장체에 작용하는 응력 및 침하 해석 결과값과의 상관관계를 분석하는 단계를 포함하는 것인,
지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 방법. - 제5항에 있어서,
상기 (c) 단계는
상기 포장체에 발생하는 응력이 상기 물성 정보에 기초한 상기 포장체의 임계값을 초과하는 경우 상기 지반함몰이 발생한 것으로 판단하는 단계를 포함하는 것인,
지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 방법. - 지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 장치에 있어서,
지반함몰 해석 프로그램이 저장된 메모리, 및
상기 메모리에 저장된 프로그램을 실행하는 프로세서를 포함하되,
상기 프로세서는 상기 프로그램의 실행에 따라,
포장체의 두께, 지반의 심도, 지하 구조물의 매설 위치, 상기 지하 구조물의 균열 위치 및 균열 크기에 대한 해석대상 정보와 상기 포장체, 지반 및 지하 구조물을 포함하는 객체와 상기 객체 간의 경계면의 물성 정보를 입력하는 사용자 인터페이스를 제공하고,
상기 해석대상 정보와 물성 정보를 기초로 지반 영역, 포장체 영역, 지하 구조물 영역 및 공기 영역을 대상으로 유한 요소망을 생성하고, 입력된 각 유한 요소망의 하중 정보 및 경계조건 정보를 기초로 상기 지하 구조물의 균열 위치의 주변 영역에 발생하는 지반유실 및 공동(cavity)의 확산 상태를 모델링하고,
상기 해석대상 정보와 상기 공동의 크기 및 형상 사이의 상관관계 분석을 수행하고, 지반함몰 발생 여부를 제공하는 것인,
지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 장치. - 제7항에 있어서,
상기 프로세서는
상기 지반 영역, 상기 포장체 영역, 상기 지하 구조물 영역 및 상기 공기 영역을 포함하는 해석대상 영역을 지형 모델링으로 생성하되,
상기 해석대상 영역은
붕괴 및 침하 발생이 가능한 체적으로 형성된 상기 지반 영역,
상기 지반 영역의 상부면을 덮는 상기 포장체 영역,
상기 지반 영역 내에 매설된 상기 지하 구조물 영역 및
상기 지반 영역의 상부에 기설정된 높이를 가지며 물성이 채워지지 않은 제1보이드 영역과 상기 지하 구조물 영역의 중공 부분에 물성이 채워지지 않은 제2보이드 영역으로 구분되는 상기 공기 영역을 포함하는 것인,
지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 장치. - 제8항에 있어서,
상기 프로세서는
상기 지반 영역 및 공기 영역에 오일러리안(Eulerian) 요소를 적용하여 상기 지하 구조물의 균열 위치의 주변 영역에 대한 지반의 이동 해석을 수행하고,
상기 포장체 영역 및 지하 구조물 영역에 라그랑지안(Lagrangian) 요소를 적용하여 지반의 이동에 의해 발생하는 상기 지하 구조물에 작용하는 응력과 상기 포장체에 작용하는 응력 및 침하 해석을 수행하는 것인,
지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 장치. - 제9항에 있어서,
상기 프로세서는
상기 지형 모델링을 갱신하여 시간 경과에 따라 변화하는 상기 지반유실 및 상기 공동의 위치 및 형상을 제공하고, 상기 지반함몰의 위치, 형상 및 응력 속도를 제공하는 것인,
지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 장치. - 제10항에 있어서,
상기 프로세서는
상기 지하 구조물의 균열 크기와 상기 공동의 크기 및 형상과의 상관관계를 분석하고,
상기 지하 구조물의 매설 위치와 상기 공동의 크기 및 형상과의 상관관계를 분석하고,
상기 공동의 크기 및 형상과 상기 포장체에 작용하는 응력 및 침하 해석 결과값과의 상관관계를 분석하는 것인,
지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 장치. - 제11항에 있어서,
상기 프로세서는
상기 포장체에 발생하는 응력이 상기 물성 정보에 기초한 상기 포장체의 임계값을 초과하는 경우 상기 지반함몰이 발생한 것으로 판단하는 것인,
지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 장치. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 컴퓨터 상에서 수행하기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190073990A KR102304015B1 (ko) | 2019-06-21 | 2019-06-21 | 지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 방법 및 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190073990A KR102304015B1 (ko) | 2019-06-21 | 2019-06-21 | 지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 방법 및 장치 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20200145246A true KR20200145246A (ko) | 2020-12-30 |
| KR102304015B1 KR102304015B1 (ko) | 2021-09-24 |
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ID=74088470
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020190073990A KR102304015B1 (ko) | 2019-06-21 | 2019-06-21 | 지반의 대변형을 고려한 지반함몰 해석 방법 및 장치 |
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1068134A (ja) * | 1996-08-27 | 1998-03-10 | Jiotetsuku Kk | 基礎形状及び基礎補強工法の判断方法 |
| JP2007009558A (ja) * | 2005-06-30 | 2007-01-18 | Shimizu Corp | 地盤・構造物沈下量予測方法およびプログラム |
| KR101547069B1 (ko) * | 2014-12-05 | 2015-08-25 | 연세대학교 산학협력단 | 지반의 침식과 연행 작용을 고려한 토석류 거동 해석 방법 및 장치 |
| KR20180102339A (ko) * | 2017-03-07 | 2018-09-17 | 한국건설기술연구원 | 하수도 관로 주변 지반함몰 위험도 평가 시스템, 방법, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체 |
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- 2019-06-21 KR KR1020190073990A patent/KR102304015B1/ko active IP Right Grant
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| KR101547069B1 (ko) * | 2014-12-05 | 2015-08-25 | 연세대학교 산학협력단 | 지반의 침식과 연행 작용을 고려한 토석류 거동 해석 방법 및 장치 |
| KR20180102339A (ko) * | 2017-03-07 | 2018-09-17 | 한국건설기술연구원 | 하수도 관로 주변 지반함몰 위험도 평가 시스템, 방법, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 최연우 외 3명, "3차원 유한요소해석을 이용한 공동부 아스팔트 포장의 반응 모델 개발",International Journal of Highway Engineering Vol.20 No.5 ,2018.10., pp.85-91. 1부.* * |
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|---|---|
| KR102304015B1 (ko) | 2021-09-24 |
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