암거(Culvert)는 구조물 하부에 물이 지날 수 있는 수로나 보행자들의 통행을 목적으로 설치되는 구조물을 지칭하는 것으로, 천장이 개방되어 있지 않을 것을 말합니다. 그 중 수로의 경우 천장이 개방되어 있는 구조형식은 개거라고 별도로 명칭하고 있습니다.
암거(Culvert)는 사용 목적에 따라 아래 두 가지로 구분할 수 있습니다.
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💡 사용목적에 따른 암거 구분
통로암거 : 사람 또는 차량의 이동을 목적으로 설치되는 암거 |
암거(Culvert)는 아래 그림과 같이 중앙부가 비어있는 사각 단면으로 구성되어 있으며, 헌치를 가지고 있습니다. 중앙 개구부의 개수에 따라 1련암거, 2련암거, 3련암거 등으로 부르고 있습니다.
이러한 암거는 도로암거구조설계기준 등 다양한 설계기준에서 설계에 대한 사항을 제공하고 있지만, 이번에는 설계에 필요한 암거 모델링 생성 시 주의해야 할 사항에 대해 알아보겠습니다.
암거(Culvert)의 설계는 구조물에 대한 모멘트와 전단력을 검토해 철근량을 산정하는 과정입니다.
midas Civil에서 제공하는 구조 시뮬레이션을 이용해 부재력을 산정하고, UMD를 통해 철근량에 대한 안전성을 확인하기 위해 1D 요소(Frame 요소)를 이용해 구조해석 모델링을 생성하는 것이 일반적입니다.
1D 요소(Frame 요소)를 적용해 구조해석 모델링을 생성할 경우 주의해야 할 사항은 아래와 같습니다.
해석 평면 설정 : 암거 모델은 2차원 평면상에서 구조해석을 진행하게 되므로, 해석 평면에 대한 설정이 선행되어야 함.
부재 로컬 좌표계 일치 : 하중 적용 및 해석값의 일정한 도출을 위해 각 요소의 로컬 좌표계를 일치 시켜야 함.
경계조건 설정 : 지반을 묘사하기위한 스프링의 적용 시 오류를 방지하기 위해 횡방향 구속을 임의로 수행해야 함.
강역설정 : 헌치부 등 강성이 강한 구역에 대한 보정을 위해 강역설정을 수행해야 함.
하중조합 : 각각의 하중에 따른 해석 수행시 오류가 발생할 가능성이 많으므로, 모든하중을 고려하는 해석 케이스를 생성해야 함.
기본적으로 1D 요소(Frame 요소)를 사용해 암거를 모델링 할 경우 위 3가지 사항에 대한 고려가 수행되어야 합니다.
midas Civil 을 이용해 1D 요소(Frame 요소)를 생성하는 방법은 GUI 상에서 수치를 입력하는 것으로 간단히 생성할 수 있습니다. 모델링의 생성은 첨부된 따라하기를 참조해 진행하시면 어려움 없이 수행이 가능합니다. 모델링에 사용된 콘크리트 재료는 C27을 적용했고, 상부슬래브 0.7mx1.0m(HxB), 벽체 0.55mx1.0m(HxB), 하부슬래브 0.85mx1.0m(HxB)의 치수를 적용하여 생성하였습니다.
생성된 모델링은 아래와 같습니다.
그럼 구조해석 모델링을 생성할 때 주의해야 할 점을 하나씩 짚어 보도록 하겠습니다.
암거 해석은 암거 전체를 수행하기 보다, 단위 길이당의 모델로 치환하여 1D Frame 요소로 적용하여 모델링을 수행하게 됩니다. 이때 X-Z 평면상에 구조물을 모델링하고 Y축 방향으로는 구조물이 연속적으로 존재하는 것으로 가정하고 있습니다.
midas Civil은 기본적으로 3차원해석을 수행하기 때문에 Y방향 이동 및 Z축 회전변위를 추가로 구속하여 강체거동을 구속하지 않으면 불안정한 구조가 되어 Singular Error가 발생하게 됩니다. 따라서, 구조해석이 2차원 평면에서 진행되는 해석이라고 꼭 지정을 해줘야 합니다.
midas Civil에서는 Structure 탭의 Structure Type에서 간단히 설정해 주는 것으로 고려할 수 있으며, Structure > Type > Structure Type 에서 모델링한 평면을 선택하면 2D 선택 시 불필요한 경계조건은 자동으로 구속되기 때문에 사용자는 2D해석에 연관된 경계조건만 정의하면 됩니다. 예를 들어, X-Z 평면을 선택하면 Dy 및 Rx , Rz는 자동으로 구속됩니다.
아래와 같은 대화창에서 X-Z 평면상에서 구조해석이 진행된다는 것을 설정해주시면 이런한 문제가 해결됩니다.
midas Civil에서는 요소 좌표계를 기준으로 해석 결과가 출력되기 때문에 통일성 있는 해석결과를 구하기 위해 모든 요소의 요소 좌표계를 정렬해야 합니다. 요소의 특성을 변경하기 위해서 Change Element Parameters 기능을 활용해 한번에 원하는 부재의 로컬 좌표축을 변경할 수 있습니다.
암거 구조물은 하부와 외부에 지반이 존재하고 있으며, 지반의 전단강성을 무시한다면 아래 그림 중 왼쪽과 같이 암거 하부슬래브에 지반반력계수를 적용해 경계조건을 설정할 수 있습니다. 그러나 이때는 수평방향 경계조건이 없으므로 Singular Error를 출력하고, 결과가 신뢰할 수 없는 값이 산출될 수도 있습니다.
따라서, 임의의 한 점에 횡방향 경계조건을 적용해주어 Singular Error를 방지 할 수 있습니다. 이 때 중요한 것은 이 경계조건은 실제로 존재하는 것이 아니기 때문에 해석 후 반드시 반력을 확인해야 하며, 이때 반력 값이 0이나 0에 가까운 값을 가져야 구조계에 영향을 미치지 않습니다. 만약, 횡방향 반력이 크게 발생한다면 경계조건을 적용한 지점을 수정하거나, 하중 등의 설계 조건을 다시 확인해 봐야 합니다.
그림 5. 경계조건 설정
KDS 44 90 00 : 도로암거설계기준에 따르면 “구조해석시 헌치에 의한 휨강성 및 부재축선의 변화는 그 영향이 적으므로 무시하였으며”라고 명시되어 있으며, 이 경우 부재 절점부에 작용하는 휨모멘트는 아래 그림과 같습니다.
이러한 강역의 계산은 도로교설계기준에서 제시하고 있는 방법에 따라 계산이 되어야 합니다. 물론, midas UMD에서 강역거리의 계산을 제공하고 있으므로, 간단한 부재 정보를 입력하는 것으로 강역거리의 계산이 가능합니다.
midas Civil에서는 Beam End Offsets를 통해 강역의 고려가 가능합니다. 이때 부재의 시점을 i, 종점을 j로 구분하여 강역거리를 적용할 수 있으며, 강역을 적용 전 부재의 로컬축에 따른 시점과 종점을 확인해야 합니다.
강역 설정 전 후 모멘트 분포는 아래와 같이 나타납니다.
하중 조합은 적용되는 설계기준에 따라 적절한 계수를 적용해 수행되어야 합니다. midas Civil에서 수행되는 구조해석은 적용된 각각의 하중을 개별로 해석을 진행한 이후 각 하중에 의해 발생하는 부재력 등의 결과를 하중계수를 고려하여 선형으로 중첩해 하중조합에 따른 최종적인 결과를 나타내게 됩니다. 따라서, 각각의 하중을 개별로 해석을 수행한 모든 조건에서 신뢰성 있는 결과를 얻어야 합니다.
일반적으로 지중구조물은 지반 위에 얹혀 있는 형태이며, 지반은 중력방향 하중에만 저항할 수 있고 중력반대방향 하중에 대해서는 아무런 저항을 할 수 없습니다. 따라서 지중구조물에 입력하는 지반 경계조건은 압축전담(Comp.Only Type) Point Spring Support나 Elastic Link를 사용하여 모사합니다. 압축전담 Point Spring Support / Elastic Link와 같은 비선형 경계조건이 입력된 모델은 해석 시 반복해석을 통해 모든 스프링이 압축을 받는 상태를 찾아 해당 결과값을 출력합니다. 따라서 설정한 반복횟수 내에 모든 스프링이 압축을 받는 경우에는 결과값이 수렴하지만, 그렇지 않은 경우에는 결과값이 발산하여 신뢰할 수 없는 값이 출력됩니다.
암거는 지중구조물이기에 경계조건을 압축전담(Comp.Only Type) Point Spring Support나 Elastic Link로 적용하고 있으므로, 때때로 양압력 또는 균일하지 않게 작용하는 하중으로 인해 비정상적인 거동을 나타낼 경우가 있습니다.
midas Civil에서는 이러한 해석상의 오류를 없애기 위하여, 생성된 하중조합을 기준으로 하중조합내의 하중을 동시재하하중으로 치환해 주는 기능을 제공하고 있습니다.
Create Load Cases / Using Load Combinations 기능을 적용할 경우, 하중 조합에 포함된 모든 하중을 동시에 재하하는 하나의 하중 조건으로 변경해 주기 때문에 해석상의 오류 없이 구조 해석을 진행할 수 있습니다.
암거는 간단한 구조형식이지만, 각 설계 기준에 따라 많은 사항을 고려해야 합니다.
midas Civil을 이용할 경우 간단하고 편리하게 설계를 진행 할 수 있지만, 암거 구조물의 특성과 1D Frame요소의 특성으로 인해 아래의 사항에 대해 필히 확인하고 설계를 진행해야 합니다.
해석평면 설정 : 암거 모델은 2차원 평면상에서 구조해석을 진행하게 되므로, 해석평명에 대한 설정이 선행되어야 함.
부재 로컬 좌표계 일치 : 하중 적용 및 해석값의 일정한 도출을 위해 각 요소의 로컬 좌표계를 일치 시켜야 함.
경계조건 설정 : 지반을 묘사하기위한 스프링의 적용시 오류를 방지하기 위해 횡방향 구속을 임의로 수행해야 함.
강역설정 : 헌치부 등 강성이 강한 구역에 대한 보정을 위해 강역설정을 수행해야 함.
하중조합 : 각각의 하중에 따른 해석 수행시 오류가 발생할 가능성이 많으므로, 모든하중을 고려하는 해석 케이스를 생성해야 함.
또한, 위 5가지 사항은 암거 뿐 아니라 지중구조물의 설계 또는 1D Frame 요소를 이용한 해석을 수행할 경우 한번쯤 고민하고 확인해보아야 할 것으로 생각됩니다.
midas Civil에서는 모델링을 편리하게 할 수 있고 다양한 기능들을 제공하는 Wizard가 있는데요, 다음 컨텐츠로는 이러한 암거를 보다 쉽게 설계하고, 구조계산서 까지 생성할 수 있는 라멘/암거 Wizard 기능으로 찾아오겠습니다.