아치댐 응력해석 및 모형실험

아치댐 응력해석 및 모형실험

1. 일반사항

• 아치댐 위치와 형상의 결정은 단편적인 방법으로 얻는 것이 아니라, 각 댐 지점의 기초암반의 지형 지질적 특성을 고려하여 결정한다.
• 댐체의 응력해석은 그 형상 및 기초의 구속요건이 응력에 미치는 영향을 고려해서 댐체의 응력상태를 적절하게 판정하는 방법으로 계산하고, 필요한 경우에는 모형실험을 실시한다.
• 예비설계 단계에서 아치댐의 최적 위치와 형상을 결정하는 데는 시행착오의 계산이 필요하며, 일반적으로 간편한 해석법인 하중분할법을 이용한다.
• 마지막 단계에서 댐체 및 기초암반의 안정성을 정확하게 확인하기 위해 모형실험법과 유한요소법 등의 정밀도가 높은 해석법을 이용한다.

 

2. 하중분할법

• 하중분할법은 아치댐의 구조상의 복잡성을 구조해석이 가능한 2개 요소의 복합체로 간주하여 응력을 해석하는 방법으로 현재 아치 캔틸레버법이 널리 사용되고 있다.
• 아치 캔틸레버법은 아치댐을 아치 요소와 캔틸레버 요소의 2가지로 분할하며, 아치 요소와 캔틸레버 요소의 2가지로 분할하며, 아치 요소와 캔틸레버 요소의 교점에서 다음 6가지 성분의 변위를 일치시키는 방법이다.

1. 아치 반경방향 변위
2. 아치 접선방향 변위
3. 수직방향 변위
4. 아치 반지름방향 축 주위의 회전
5. 아치 접선방향 축 주위 회전
6. 연직방향 축 주위의 회전

• 하중분할법에는 다음의 3가지가 있으며, 댐의 형상, 기초의 구속조건, 기초암반의 성질, 설계 단계, 모형실험 결과 등을 고려해서 최적의 방법을 정한다.

1. 중심 캔틸레버보 방법
2. 반경방향 변위만을 고려하는 방법
3. 반경방향, 접선방향의 범위, 비틀림 각의 세가지 성분을 고려하는 방법

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3. 유한요소법

• 유한요소법(finite element method, FEM)은 아치댐을 면 또는 입방체로 이루어진 기하학적 모델로 구현하여 이를 수치적으로 해석하는 방법으로 댐을 연속체로 보고 해석한다.
• 유한요소법에 따르는 아치댐의 응력해석법은 다음과 같다.

1. 쉘(shell) 요소를 이용해 쉘 이론에 근거해 해석하는 방법
2. 3차원 솔리드 요소를 이용해 3차원 탄성체로서 해석하는 방법

• 아치댐의 구조상 응력상태가 가장 문제가 되는 착암면부 인근의 응력을 정확하게 파악하기 위해서는 3차원 탄성체로서 해석하는 방법이 적합하다.

 

4. 시공중 자중에 의한 응력계산

• 시공중인 댐의 자중에 의한 응력의 계산은 다음의 2가지 방법 중에서 1가지를 선택한다.

1. 댐 형상 및 시공방법에 따라 자중을 캔틸레버보에만 부담시키는 방법
2. 캔틸레버보와 아치에 분담시키는 방법

• 일반적으로 자중 전부를 캔틸레버보에 부담시키는 것으로 해서 응력계산을 실시한다.

 

5. 보조구조물의 응력해석

• 필렛, 전추력 블록, 중력 인공받침, 새들, 플러그, 날개벽 등의 보조구조물에 대해서 안정계산을 실시한다.
• 안정계산만으로 불충분하다고 판단될 경우에는 추가적인 모형실험을 수행하여 안정성을 확인한다.

 

6. 댐마루 여수로, 방류관, 통로 등이 있을 때 응력계산

• 댐에 댐마루 여수로, 방류관, 통로 등이 있는 경우에는 그 규모에 따라 계싼 또는 모형실험에 의해 댐의 국부적 또는 전체에 대해서 응력을 계산한다.

 

7. 모형실험법

• 응력계산만으로는 댐의 안정성을 판단하기 어렵다고 판단될 경우에는 모형실험을 병용한다.
• 모형실험법이란 상사율을 이용하여 실물의 아치댐과 역학적인 상사성을 갖는 모형을 제작하여 그 모형에 실제의 하중을 작용시켰을 때 발생하는 변위 측정치로부터 실물의 아치댐에 발생하는 응력의 변화를 예측하는 것이다.
• 댐 기초암반의 안전성을 모형실험에 의해 검토할 필요가 있는 경우에는 암반의 역학적 성질, 층리 및 단층 등의 약점을 모형에 포함하거나 부분 모형 중에 반드시 재현하고 외력과 각 댐체의 추력을 재해한 후 응력분포 및 파괴에 대해서 검토하는 것이 바람직하다.
• 지진시 댐의 진동 모드(mode) 및 응력분포 등을 조사하기 위한 진동모형실험은 진동대나 이에 대신할 수 있는 전자적 가진장치를 사용하여 수행한다.
• 일반적으로 모형실험은 그 결과의 신뢰성을 높이기 위해 모형의 수를 2개 이상으로 하는 것이 바람직하다.

 

출처 : 댐 설계기준