지반-말뚝 시스템에 대한 3차원 동적 수치 모델링 기법 개발

Abstract

말뚝의 동적 거동은 지반-말뚝의 동적상호작용, 지반의 비선형성, 지반-말뚝 시스템의 공진 현상 등 많은 요소가 상호 작용을 하므로 매우 복잡하다. 그러므로, 말뚝의 동적 거동을 수치해석으로 정확히 모사하려면 많은 노력과 시간이 필요하다. 본 연구에서는 기존의 범용 수치해석 프로그램인 FLAC 3D를 활용하면서도 해석시간을 크게 감소 시킬 수 있는 새로운 모델링 기법을 개발하였다. 본 기법은 전체 해석 영역을 근역 지반과 원역 지반으로 나누고 지반-말뚝 동적상호작용에 영향을 받지 않는 원역 지반을 요소망으로 모델링하는 대신 원역 지반의 지반 운동 시간이력을 근역 지반의 경계 조건에 입력 하중으로 적용하는 기법이다. 이 수치 모델링에서 지진파의 강도가 클 때 일어나는 지반의 비선형 거동을 모사하기 위하여 이력 감쇠 모델을 이용하여 접선 탄성 계수를 전단 변형률의 함수 값으로 입력하였으며, 지반과 말뚝 사이의 분리 현상을 모사하기 위하여 지반-말뚝 경계 요소를 도입하였다. 이 방법은 기존의 방법과 비교하여 해석 결과의 정확성을 유지하면서 해석 시간을 1/3로 감소시켰다. 제안된 수치해석 방법으로 예측한 1g 진동대 모형 실험의 원형 거동은 원형으로 환산한 모형 실험 결과와 유사하게 나타났다. The dynamic behavior of piles becomes very complex due to soil-pile dynamic interaction, soil non-linearity, resonance phenomena of soil-pile system and so on. Therefore, the proper numerical simulation of the pile behavior needs much effort and calculation time. In this research, a new modeling method, which can be applied to the conventional finite difference analysis program FLAC 3D, was developed to reduce the calculation time. The soil domain in this method is divided into a near-field region and a far-field region, which is not influenced by the soil-pile dynamic interaction. Then, the ground motion of the far-field is applied to the boundaries of the near-field instead of modeling the far-field region as finite meshes. In addition, the soil non-linearity behavior is modeled by using the hysteretic damping model, which determines the soil tangent modulus as a function of shear strain and the interface element was applied to simulate the separation and slip between the soil and pile. The proposed method reduced the calculation time by as much as one third compared with a usual modeling method and maintained the accuracy of the calculated results. The calculated results by the proposed method showed a good agreement with the prototype pile behavior, which was obtained by applying a similitude law to the 1-g shaking table test results.