질문
지중구조물에서 하중을 적용할 때, 왜 동시 재하 하중으로 변환하나요?
답변
지중구조물에 압축 전담 스프링이 경계 조건으로 적용되는 경우에 동시 재하 하중으로 설정해야 합니다.
그 이유는 아래 예시 모델을 통해 안내드리겠습니다.
지중 구조물은 일반적으로 지반 속에 매설되어 지반 위에 놓여 있는 형태입니다. 지반은 중력 방향의 하중에는 저항할 수 있지만, 중력 반대 방향의 하중에는 저항하지 못합니다
따라서 지중 구조물의 경계 조건을 설정할 때는 압축 전담(Compression Only) Point Spring Support나 Elastic Link를 사용하여 이를 모사합니다.
압축 전담 스프링의 특징 두 가지를 설명드리면 다음과 같습니다.
첫째, 압축 전담 스프링을 설정한 후 하중을 적용하면, 인장 하중을 받는 스프링이 있을 경우 순차적으로 압축 전담 스프링이 제거되며 반복 해석이 진행됩니다. 이 과정을 거친 후에는 압축만 받는 스프링만 남은 상태에서 모델 해석 결과를 확인할 수 있습니다.
빨간 박스 부분의 인장 하중을 받는 스프링이 제거되어 반력값이 산출되지 않는 것을 확인할 수 있습니다
둘째, 압축 전담 스프링(Compression Only Type Spring)은 비선형 요소로 비선형 해석 결과는 중첩할 수 없습니다. 비선형 요소를 사용한 해석에서는 하중 조건에 따라 경계 조건이 위와 같이 변화하므로, 선형 방식으로 조합되는 일반적인 하중 조합을 사용할 수 없습니다.
따라서 해석 전에 하중을 미리 조합하여 동시 재하 하중으로 적용하면 압축 전담 스프링(Compression Only Type Spring)을 사용할 수 있습니다.
이때, 여러 하중 조건(Load Case)을 포함한 하중 조합(Load Combination)을 하중 계수가 적용한 하나의 정적 하중 조건(Load Case)으로 변환하는 것이 동시 재하 하중입니다.
동시 재하 하중은 'Create Load Cases Using Load Combinations' 기능을 사용하여 간편하게 설정할 수 있습니다.
추가적으로 하중 조합 적용에 대한 부적절한 예시를 안내드리겠습니다.
자중, 토압, 수압에 대한 하중을 압축 전담 스프링을 적용하여 해석한 후, '자중 + 토압 + 수압 = LCB(1)' 하중조합을 설정하면, 앞서 안내드린 바와 같이 부적절한 경우에 해당됩니다.
압축 전담 스프링을 적용한 구조물은 비선형 요소로 중첩이 불가능합니다. 또한 아래와 같이 압축 전담 스프링을 적용한 상태에서 수압이 적용되면, 설정된 스프링이 모두 인장 하중을 받아 제거되며, 이로 인해 해석이 수렴하지 않는 상태가 됩니다. 이러한 상황에서 '자중 + 토압 + 수압 = LCB(1)'으로 하중을 조합하는 것은 부적절한 결과를 초래합니다. 해석 과정에서 수렴하지 않은 결과는 신뢰할 수 없습니다.
위와 같은 상황을 피하기 위해, 'Create Load Cases Using Load Combinations' 기능을 사용하여 하중 조합을 동시 재하 하중[NLCB(1)]으로 변환한 후 해석을 수행합니다.
위 과정은 해석 결과가 수렴되었으며, 적절한 결과이므로 설계 검토에 사용되는 값입니다.
Static Load Case1~3(자중, 토압, 수압)은 삭제하거나 해석 결과값을 무시하셔도 됩니다. 다만, 삭제할 경우 추후 프로젝트 상황에 따라 변경될 수 있으므로 파일을 반드시 백업해 두시기 바랍니다.