질문
지중구조물의 단위폭 모델에서 기둥에 적용되는 CTC를 해석 시 어떻게 반영하나요?
답변
다양한 토목 구조물 중 지중구조물은 일반적으로 지중 암거(지하차도), 지하철 정거장, 터널 등을 의미합니다. 이러한 구조물은 종방향 길이가 충분히 길고 단면 변화가 거의 없어, 종방향 위치에 따른 거동이 비교적 일정한 특성을 보입니다.
이와 같은 특성을 고려하여 지중구조물을 설계할 때에는 구조물 전체를 3차원으로 모델링하기보다는, 전체 구조물에서 단위폭(일반적으로 1m)을 취하여 2차원 모델로 구성하는 방법을 주로 사용합니다.
이 방법을 적용하면 3차원 해석 모델에 비해 모델링 작업, 해석 수행, 그리고 결과 정리까지 소요되는 시간과 노력을 크게 줄일 수 있다는 장점이 있습니다.
다만, 아래와 같이 내측에 기둥이 일정 간격으로 배치된 지하차도나 지하철 정거장 구조물의 경우, 기둥의 존재로 인해 종방향 위치에 따라 단면이 달라지게 됩니다.
이처럼 기둥이 일정 간격으로 배치된 경우에는 2차원 해석을 수행하기 위해 기둥 간격을 고려한 보정 단면특성치를 산정하여 적용해야 합니다.
보정된 단면 특성치를 반영한 단면을 직접 정의하는 작업은 다소 번거로울 수 있습니다. 따라서 원래의 기둥 형상을 그대로 유지하면서 단면의 특성치만 보정할 수 있는 기능을 CIVIL NX에서 제공하고 있으며, 다음의 두 가지 방법을 사용할 수 있습니다. 이때 기둥 간격의 역수를 Scale Factor로 입력합니다. 1m(단위폭)/5m(C.T.C) = 0.2
[Properties] 탭 > [Section Properties] 그룹 > Section Manager > Element Stiffness Scale Factor
[Properties] 탭 > [Section Properties] 그룹 > Section Manager > Section Manager > Stiffness
Stiffness Scale Factor 항목 중 ‘W’는 요소의 7자유도 Warping에 대한 강성 계수를 의미합니다.
설계 검토는 단위 부재 설계용 프로그램인 MIDAS UMD를 이용하여 수행합니다.
UMD에서 ‘부재력 > 기둥 간격 고려’ 옵션을 선택하면, 지정된 간격에 대해 설계 단면력은 C.T.C/1m 비율만큼 증가하며, 해당 비율이 반영된 부재력 값을 기준으로 설계 검토 및 엑셀 계산서 출력이 가능합니다.
Pu = 155.670 x 5m(C.T.C)/1m(단위폭) = 778.352
Mu = 39.844 x 5m(C.T.C)/1m(단위폭) = 199.218
Vu = 20.574 x 5m(C.T.C)/1m(단위폭) = 102.870