진동영향평가, GTS NX로 시작해 보세요.

목차
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1. 개요

우리 생활에서 소음과 진동은 이미 여러 분야에서 깊게 관심을 가지고 있는 분야 중 하나이며 특히 사람이 직접 피부로 느끼는 편안함 및 생활수준과 직접적인 관련이 깊습니다. 이와 관련하여 생활 소음ㆍ진동, 공장 소음ㆍ진동, 교통 소음ㆍ진동, 항공기 소음 등 각 분야에 대해 소음ㆍ진동에 대한 기준을 소음진동관리법으로 규정하고도 있습니다.

특히, 도시의 개발, 항만 건설, 도로의 건설, 수자원의 개발, 철도의 건설, 하천의 이용 개발, 산지의 개발 등 환경에 영향을 미치는 계획이나 사업을 승인하기 전에 미리 조사 · 예측 · 평가하여 불안요소를 제거하고 저감대책을 마련하기 위해 「환경영향평가법」에 따라 환경영향평가를 별도로 실시하고 있습니다.

이 중에서 특히나 최근에 수도권광역급행철도(GTX) 노선의 연장 및 신설 계획 등 이슈로 인해 건설분야에서 신설 철도에 대한 인접구조물의 진동영향(운영시), 터널 시공을 위한 암발파시 인접구조물에 대한 영향평가(공사시)를 어떻게 수행하는지 소개해드리겠습니다.

2. 진동 영향 예측과 수치해석 검토가 필요한 이유

앞서 언급한 환경영향평가 뿐만 아니라 발파 설계, 혹은 다른 사업 요구 사항에 의해서 지하철/발파 등 건설 진동에 의한 건물의 영향을 검토해야하는 일이 있습니다.

공사시에 발생하는 발파 진동에 대한 예측은 아래와 같은 거리감쇠식, 추정식과 진동레벨의 상관식 등을 적용해서 간단하게 예측하는 경우가 종종 있습니다.

발파 예측식 (진동 거리감쇠식)

출처. 중앙환경분쟁조정위원회, 공사장 환경분쟁사건 소음ㆍ진동도 산출방법개선 연구, 2007

하지만 위 식은 측정데이터의 회귀 분석방법을 기반으로 추정한 계산 식으로, 실제로는 발파 지역의 특성 차이로 진동파형의 분포가 매우 다양하기 때문에 정확한 진동 평가에 적용하기에는 어려움이 있을 수 있습니다.

따라서, 실제 발파에 대한 영향을 적합하게 검토하기 위해서는 유한요소 해석 프로그램을 활용한 수치해석이 필요합니다.

또한, 공사 후 사업(철도 등) 운영 시 발생하는 진동에 대한 영향을 검토하기 위해서도 반드시 유한요소 모델링을 통한 해석적 검토가 필요합니다.

이 때, midas GTS NX는 지반분야의 범용 해석 솔루션으로, 초급 기술자도 쉽게 사용할 수 있도록 직관적인 메뉴체계로 구성되어 있습니다. 윈도우 환경의 편리한 사용자 인터페이스, CAD 프로그램과의 연동, Auto-mesh 등 여러 자동화 기능들을 제공하기 때문에 초급 기술자들에게 접근성이 매우 용이한 프로그램입니다.

선형 시간이력해석 모델

3. GTS NX를 활용한 진동 영향 평가 프로세스 및 해석 결과

3.1. 해석 프로그램 개요

GTS NX는 지반분야 수치해석에 필요한 제반기능을 집적한 통합 솔루션으로, 대상지역에서 발생가능한 진동크기를 예측합니다. 특히, 동적하중인 발파하중 또는 열차이동하중에 대한 구조물의 동적 거동을 해석하기 위해 시간이력해석을 수행하며, 수렴성이 좋은 Newmark 방법을 사용하여 직접적분법을 수행합니다.

3.1.1. 고유치해석

구조물 고유의 동적 특성을 분석하는데 사용되며, 이를 통해 구조물의 고유모드(모드형상), 고유주기(고유진동수), 모드기여계수 등을 얻을 수 있으며, 이들은 구조물의 질량과 강성에 의해 결정됩니다. GTS NX에서는 고유치해석을 통해 구해지는 1, 2차 모드의 고유주기를 산정하여 시간이력해석에 사용되는 감쇠행렬을 결정합니다.

3.1.2. 시간이력해석

지반 또는 지하구조물에 동적하중이 작용할 경우 지반 또는 지하구조물의 동적 특성과 가해지는 하중을 사용하여 임의의 시간에 대한 지반 또는 지하구조물의 거동 (변위, 부재력 등)을 동적 평형방정식의 해를 이용하여 계산합니다.

단자유도계내에서 응답이 결정되지 않은 상태로, 입력된 파에 따라 구조물의 응답을 계산하게 되며, 이 방법에는 모드중첩법과 직접적분법이 있습니다.

- 모드 중첩법 : 입력파에 따라 개별 모드에서의 응답을 구한 후 결과를 중첩시키는 방법

- 직접 적분법 : 동적 평형방정식을 시간에 따라 점진적으로 적분하여 해를 구하는 방법

3.1.3. 경계조건 설정

지반과 같은 무한한 매질을 모델링 할 경우에는 정해석에서는 충분히 멀게 경계를 잡으면 되지만, 동해석에서는 일반적인 경계를 잡게 되면 파가 반사되는 효과가 생기기 때문에 큰 오차가 유발될 수 있습니다. 이를 처리하는 방법에는 근사적인 방법은 인공경계(Artificial Boundary), 전달경계/초유한요소(Transmitting Boundary, Hyper-element), 무한요소(Infinite Element), 경계요소(Boundary Element) 등의 방법이 있으며 GTS NX에서는 1972년 Lysmer와 Wass가 제안한 점성경계(Viscous Boundary)를 적용합니다.

3.2. 해석 프로세스

일반적인 GTS NX의 작업 흐름은 다음과 같습니다.

1. 기하모델링 (Geometry Modeling)
2. 요소망 생성 (Mesh Generation)
3. 해석 조건의 부여 (Analysis Condition)
4. 해석 (Analysis)
5. 결과 분석 (Post-processing and Result Evaluation)

진동 영향평가와 관련한 해석 프로세스는 조금 더 세분화 하여 아래와 같은 순서로 진행되며 각각의 과정은 아래와 같습니다.

동해석 프로세스 2

3.3. 해석

4. GTS NX 기술 교육 및 기술 지원

진동은 소음과 아주 밀접한 관련이 있기 때문에 대부분 소음기술사 분들께서 수행하지만, 진동 시뮬레이션에 대한 부분은 소음과 밀접한 관련이 있으면서도 해석기법이나 배경 이론이 달라 소음기술사분들께서 접근하시기 어려워 하시는 경향이 많이 있습니다. 그래서 직접 수행하지 않고 전문 엔지니어링 업체에 용역을 맡기는 상황이 있는데, 마이다스아이티에서는 기술사분들이 진동에 대한 영향검토를 직접 수행하실 수 있도록 교육을 충분히 지원 해드리고 있습니다.

기술지원은 오프라인 교육과 온라인 기술자료 제공, 온라인 질의응답 플랫폼 제공, 프로그램 원격 지원 등 다양한 방면으로 지원해드리고 있으니 자체 기술력 확보를 위한 문의사항이 있다면 주저없이 연락 부탁드립니다.