Many underground structures that consist of reinforced concrete walls like tunnel, subway and culvert have been recently constructed. Commercial software, commonly used for the analysis of underground structures, uses plane strain elements to model those structures. However, the flexural stiffness of underground structure may not be properly modeled using the plane strain elements. Therefore, it is necessary to use fine mesh finite element models for an accurate analysis of a structure, while it would take a significant amount of computational time and memory if the entire underground structure and soil region were subdivided into a finer mesh. In this study, an efficient method is proposed to analyze underground structures considering the effects of the bending behavior of these structures. The analysis method uses super elements developed using the matrix condensation technique. Static analyses of example structures were performed to verify efficiency, accuracy and applicability of the proposed method.
본 논문에서는 정적 응축 기법과 지하구조물의 휨 거동 효과를 고려한 슈퍼요소를 이용함으로써 해석시간을 효율적으로 감소시키는 해석기법을 제안하였다. 4개의 절점만으로 3차 함수를 충분히 표현할 수 있으므로 슈퍼요소의 한 변에 3개의 평면 변형률 요소, 즉 총 9개의 평면 변형률 요소로써 하나의 슈퍼요소를 만들었다. 슈퍼 요소와의 변형적합조건과 등가보와의 변형적합 조건을 만족시키기 위하여 가상의 보를 사용하였다. 다양한 예제구조물의 해석을 통하여 본 논문에서 제안한 해석기법의 정확성과 효율성, 그리고 적용성에 대하여 검증하였다. 이상의 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
1. 평면 변형률 요소로써 모형화시, 지하구조물의 휨 거동을 고려하기 위해서는 세분 모델이 필수적인 반면에 보통 9-16정도의 평면 변형률 요소를 본 논문에서 제안한 슈퍼요소로 모형화하면 그 해석시간을 대폭 줄이면서 세분모델과 매우 비슷한 결과를 얻을 수 있었다.
2. 슈퍼요소간 혹은 슈퍼요소와 보요소간의 공유절점을 최소화하여 해석시간의 효율성 뿐만아니라 모형화의 편의성을 얻을 수 있었다.
이상과 같이 본 논문에서 제안한 해석기법을 사용하여 지하구조물의 휨 거동의 효과를 고려한 효율적인 해석을 할 수 있었다. 그러나, 본 논문에서는 효율적인 해석기법을 개발하는 것을 목적으로 하였기 때문에 추후에 더욱 더 일반적인 실무에서의 적용성과 요소적 측면을 강조하기 위해서는 가상보의 강성에 대한 좀 더 구체적이고 수학적인 접근의 이론화가 필요할 리라 본다.
