석션앵커는 석션 매커니즘을 이용해 석션 기초(suction pile or caisson)을 기중에 설치하고 설치된 석션 기초를 계류라인과 열결해 앵커로 활용하는 계류-앵커 시스템의 한 종류이다. 시공 방법의 용이 성과 경제적인 장점 덕분에 오랜 기간 동안 해상기초로 다양한 분야에 활용되어 왔으며, 국내에서도 침매터널의 계류앵커 시설로 사용된 바 있다. 최근 해상 구조물이 대형화 됨에 따라 대용량 기초의 요구도 증대되고 있는데, 이에 따라 기존 단일 석션 기초에 병렬로 석션기초를 연결한 다중 석션 앵 커의 성능을 수치해석으로 평가해 보고자 하였다. 수치해석 프로그램은 앞선 석션 매입 앵커(ESA)의 성능 평가에서 사용한 ABAQUS software를 사용하였고, ABAQUS/Standard를 이용해 정적인 하중에 따 른 석션 앵커의 인발 지지력을 평가하였다.
① 수치해석 조건 및 방법
본 해석에서 평가하고자하는 석션파일을 아래 그림에 나타내었다. 직경 7.0m, 길이 14.0m의 단일 석션 앵커를 기준으로, 병렬로 2개, 3개 연결하여 다중 석션 앵커를 고안하였다.
그림 3.2.1 해석 대상 석션앵커
석션앵커는 수치해석 결과의 검증을 위해 기존에 수행된 단일 석션앵커의 원심모형 실험 결과와 비 교하였다. 대상 지반은 새만금 지역에서 채취돈 시료로 아래 표에 물성치를 정리하였다.
새만금 시료 앵커 해석 모델 Linear elastic/Mohr-Coulomb Linear elastic
탄성계수 (kPa) 8,640 210.0E+6
포아송비 0.3 0.30
유효단위중량 (kN/m3) 8.9 78.0
마찰각 (°) 35.0 -
팽창각 (°) 8.0 -
점착력 (kPa) 7.0 -
표 3.2.1 해석에 사용한 입력물성치
수치해석에서 사용한 유한요소망을 아래에 나타내었다. 대칭 조건을 이용해 반단면 해석을 수행하 였으며, 경계 조건의 영향을 최소화하기 위해 L과 W는 직경의 10배, H는 직경의 5배로 하였다. 앵커 와 지반의 경계는 Coulomb’s theory of friction을 이용해 지반 마찰각의 2/3배인, 0.431을 마찰계수 로 설정하였다.
그림 3.2.2 해석 요소망
② 해석 결과
위해 기존에 수행된 원심모형 실험 결과와 비교해 보았다. 앵커의 상단에서 하중을 재하했을 때 도출 된 하중-변위 곡선을 비교해 아래 그림에 나타내었다.
그림 3.2.3 단일 석션 앵커의 하중-변위 곡선(원심모형 실험 및 수치해석)과 수치해석을 통한 거동
발생 변위가 단일 석션 앵커 직경의 20%에 해당하는 1.4m 일 때 발휘된 지지력이 약 2,100 ton 이 도출되었으며, 이는 기존에 수행된 원심모형 실험과 비교해 5.1% 정도 크게 예측되어 매우 유사한 결과가 도출되었음을 확인할 수 있다. 이 해석 결과를 바탕으로 석션파일이 병렬로 2개, 3개 연결된 다중 석션 앵커의 결과를 평가하여 아래 그래프에 나타내었다.
그림 3.2.4 다중 석션 앵커의 하중-변위 곡선 결과
동일한 변위 조건에서 2개 및 3개의 석션파일이 병렬로 연결된 결과를 살펴보면, 단위 석션 앵커의 지지력 대비 73.3%, 138.1%로 증가한 결과가 나타났다. 각각의 경우에 거동 결과는 아래 그림에 나타 내었다.
그림 3.2.5 병렬로 연결된 다중 석션 앵커의 수평 인발에 따른 거동