질문
지중구조물에서 부력 앵커는 어떻게 모델링하나요?
답변
지중구조물은 지하수가 존재하는 경우 수압에 의해 부력(Buoyancy)을 받게 됩니다. 이러한 부력은 구조물을 지표면 방향으로 들어 올리려는 힘으로 작용하며, 구조물의 자중 및 상재하중이 부력에 의한 영향을 충분히 상쇄하지 못하는 경우 구조물의 부상(浮上) 현상이 발생할 수 있습니다. 부상 현상이 발생하면 구조물의 균열, 과도한 변형 및 안정성 저하 등 구조적인 문제가 발생할 수 있으므로, 설계 단계에서 부력에 대한 안정성을 검토하고 적절한 대책을 수립해야 합니다.
이와 같은 부상 현상을 방지하기 위해 지중구조물에는 부력 앵커를 적용할 수 있습니다. 부력 앵커는 구조물과 지반을 연결하여 상향으로 작용하는 부력에 대해 인장력으로 저항하는 구조 부재이며, 일반적으로 구조물 하부 슬래브와 암반 또는 충분한 지지력을 확보할 수 있는 지반에 정착됩니다.
부력 앵커는 구조물이 부력에 의해 상향으로 이동하려는 경우에만 인장력을 발생시켜 부상에 저항하는 부재입니다. 반면 구조물에 하향 방향의 하중이 작용하거나 구조물이 압축 방향으로 거동하는 경우에는 압축력을 전달하지 않으며, 해당 하중은 구조물과 접촉하고 있는 지반의 압축 저항에 의해 지지됩니다. 따라서 구조해석에서는 부력 앵커를 인장력만 전달하는 부재로 고려하며, 압축 방향의 거동은 무시하는 것이 일반적입니다.
CIVIL NX에서는 부력 앵커를 실제 강연선, 그라우트, 정착부 등의 상세 구성 요소를 각각 모델링하지 않고, 구조물과 지반 사이를 연결하는 인장 저항 요소로 이상화하여 모델링합니다.
부력 앵커는 Compression Only 요소의 Allow. Tens.(허용 최대 인장력) 옵션을 적용하여 구현합니다.
구조물에 상향 부력이 작용하는 경우 부력 앵커는 허용 인장력 내에서 인장력으로 저항하며, 반대로 압축력이 발생하는 경우에는 실제 앵커의 거동 특성상 압축력을 전달하지 않으므로 해당 압축력은 무시합니다.
Compression Only 요소의 Allow. Tens. 옵션은 비선형 요소로 비선형 해석 결과는 중첩할 수 없습니다. 비선형 요소를 사용한 해석에서는 하중 조건에 따라 경계 조건이 변화하므로, 선형 방식으로 조합되는 일반적인 하중 조합을 사용할 수 없습니다.
따라서 해석 전에 하중을 미리 조합하여 동시 재하 하중으로 적용하면 Compression Only 요소의 Allow. Tens. 옵션을 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.