철도 토 강관 교량의 지진 거동에 대한 수치 해석 연구

초록

본 논문은 ABAQUS 기반 2차원·3차원 유한요소 모델을 이용해 철도 토‑강관 교량의 지진 응답을 평가한다. 탄성·탄소소성 재료 모델, 토층 두께, 지진 가속도 진폭 및 입사각 등 여러 변수의 영향을 체계적으로 조사하여, 3차원 모델에서 내부력은 2차원보다 작고, 소성 거동이 포함되면 내부력이 감소함을 확인하였다. 또한 가속도 진폭과 토층 두께가 증가하면 내부력이 크게 늘어나며, 입사각에 따른 규칙적인 변화를 찾지 못하였다.

상세 분석

본 연구는 토‑강관 구조물의 지진 거동을 정량적으로 파악하기 위해 두 가지 차원의 유한요소 모델을 구축하였다. 2D 평면 응력 모델은 전단 변형을 무시하고 주로 횡단면 내 응력분포를 예측하는 데 사용되었으며, 3D 모델은 실제 구조물의 연속성을 반영해 횡방향 변형과 비대칭 하중 효과를 동시에 고려한다. 재료 모델링에서는 강관을 선형 탄성으로, 토양을 선형 탄성 및 탄소소성(모르-쿠퍼 모델) 두 가지 경우로 나누어 시뮬레이션하였다. 토양의 비선형 거동을 포함하면 지진 하중이 토에 흡수되는 정도가 커져 강관에 전달되는 내부력이 감소하는 것이 확인되었다.

지진 입력은 실제 기록을 시간 영역에서 직접 적용했으며, 최대 가속도 진폭을 0.2g, 0.3g, 0.4g 등으로 스케일링하였다. 또한 지진파가 구조물에 입사하는 각도를 0°, 30°, 60°, 90° 로 변화시켜 입사각 효과를 검토하였다. 결과는 가속도 진폭이 클수록 강관의 축력·굽힘모멘트가 비례적으로 증가함을 보여준다. 토층 두께(즉, 토덮개 높이)를 1.5 m, 2.5 m, 3.5 m 로 변동시켰을 때, 토덮개가 두꺼울수록 구조물에 가해지는 압축력과 굽힘모멘트가 현저히 커지는 경향을 발견하였다. 이는 토덮개가 무게와 관성력을 증가시켜 전체 시스템의 강성을 높이지만, 동시에 더 큰 하중을 전달하기 때문이다.

입사각에 관한 결과는 기대와 달리 일정한 패턴을 보이지 않았다. 일부 각도에서는 내부력이 약간 감소했으나, 전체적으로는 각도 변화가 내부력에 미치는 영향이 무시할 정도로 작았다. 이는 토‑강관 복합구조가 지진파의 다방향 성분을 효과적으로 흡수하고, 구조물 자체의 대칭성에 의해 각도 의존성이 약화된 것으로 해석된다.

마지막으로, 구조물의 좌굴 위험성을 평가하기 위해 횡단면의 좌굴계수를 계산했으며, 3D 모델에서 얻은 내부력이 2D 모델보다 작아 좌굴 위험이 낮게 나타났다. 이는 설계 시 3차원 해석을 적용하면 보다 보수적인(안전한) 설계가 가능함을 시사한다. 전체적으로 본 연구는 토‑강관 교량 설계에 있어 3D 비선형 동적 해석의 필요성을 강조하고, 토덮개 두께와 지진 진폭이 설계 변수로서 가장 큰 영향을 미친다는 실무적 교훈을 제공한다.