언제안정성분석의 새로운 방법-등가응력법

김일성종합대학 력학부 리남혁 ,   2020.6.29.

경애하는 최고령도자 김정은동지께서는 다음과 같이 말씀하시였다.

《건설부문에서 과학을 무시하고 공법을 어기는 현상과 강한 투쟁을 벌려 건설을 날림식으로 하지 않도록 하여야 합니다. 방파제나 언제 같은것도 력학적으로, 수리공학적으로 잘 타산하여 설계하고 공법의 요구대로 건설하여야 합니다.》

최근 우리 나라에서는 수력발전소건설을 힘있게 다그쳐 나라의 긴장한 전력수요를 보장할데 대한 당의 의도를 높이 받들고 수력발전소들이 많이 건설되였다.

수력발전소언제는 전력생산과 관개용수, 홍수방지와 국토관리, 생태환경 등에서 매우 중요한 자리를 차지하며 최근 여러 나라들에서 지진과 홍수를 비롯한 자연재해와 언제자체의 설계, 시공, 운영상결함을 원인으로 일어나고있는 사고들은 돌이킬수 없는 막대한 인적, 경제적손실을 가져온다.

김일성종합대학 력학부에서는 언제를 력학적으로, 수리공학적으로 잘 타산하여 설계하고 공법의 요구대로 건설할데 대하여 주신 경애하는 최고령도자 김정은동지의 말씀을 높이 받들고 언제안정성분석의 새로운 방법인 등가응력해석체계를 개발하여 중요대상건설들에 도입하고있다.

지난 기간 국내의 수력구조물에 대한 설계단위들과 과학연구단위들에서는 언제의 설계와 해석에서 전통적으로 리용하여 오는 재료력학적설계방법을 위주로 하면서 콤퓨터를 리용한 현대적인 설계, 해석방법을 보조적으로 리용하여왔다.

현재 국내의 설계기관들에서 전통적으로 리용하고있는 재료력학적설계방법에 의하면 그 리론적기초가 자름면법인것으로 하여 지반의 물성변화에 따르는 응력변화를 반영할수 없는 약점을 가지고있으며 이로 하여 많은 안전곁수를 가산하여 설계한다. 이 약점을 극복하기 위하여 콤퓨터에 의한 유한요소법을 리용하여 언제의 응력해석을 진행한다. 그런데 이때 상하류밑단 근방을 제외한 모든 구간에서는 유한요소해석의 결과가 리론값에 접근하지만 상하류밑단근방에서는 응력집중현상으로 하여 요소치수가 작아질수록 응력이 정확한 값으로 다가가는것이 아니라 무한히 커지는 현상이 나타난다. 실례로 언제높이가 100여m이고 하류물매가 0.75인 중력언제를 유한요소법으로 해석할 때 상류밑단에서의 수직방향법선응력값은 요소크기가 4m일 때 0.278MPa이지만 요소크기를 0.125m로 하면 4.998MPa로 계산되여 정확한 풀이를 택할수 없는 편향이 제기된다.

이로부터 유한요소해석의 결과를 해당한 력학적조건을 만족시키는 등가응력법들이 제기되여 리용되고있다.

세계적으로 언제의 등가응력해석에 대한 제안은 우리 나라에서도 참가한 1975년에 뽀르뚜갈에서 진행된 국제콩크리트언제학술토론회에서 중국의 학자에 의하여 제기되였다.

오늘날 세계적으로 콩크리트언제의 설계와 해석에서 유한요소등가응력법을 리용하여 설계와 해석의 정확도를 높일뿐아니라 유한요소법의 결과로 언제설계규범들을 단계적으로 갱신하고있다.

현재 세계적으로 콩크리트언제의 설계와 시공, 운영해석을 과학화하는데서는 4가지 문제가 주요연구과제로 제기되고있다.

첫째로, 언제상하류밑단을 포함한 언제콩크리트와 지반암석경계면에서 응력을 평가하기 위한 유한요소등가응력법을 완성하며 그를 적용하여 언제설계규범들을 부단히 갱신하는것이다.

실례로 어느 한 나라에서는 유한요소등가응력법을 리용하여 상류밑단에서의 당김응력허용기준을 종전의 1.2MPa로부터 1.5MPa로 갱신하고 종전의 초고아치언제의 하류밑단의 누름응력안전곁수기준을 4.0에서 3.5로 갱신하여 많은 자재를 절약하고있다.

둘째로, 지진발생시 언제-저수-지반의 통합모형의 응답특성에 대한 3차원해석을 진행하는것이다.

셋째로, 시공시 수화열에 의한 열팽창을 줄이면서 건설속도를 높이기 위한 방안을 제기하는것이다.

넷째로, 장기 운영시 포복변형과 기후(대기온도, 바람, 태양복사), 저수와 지반암석온도의 열균렬에 대한 영향을 정량적으로 평가하고 균렬방지대책을 제기하는것이다.

우리 나라에서는 1999년부터 등가응력에 대한 연구가 시작되였으며 2002년부터 연구가 활성화되기 시작하였다.

국내의 적지 않은 설계가들과 과학자들이 유한요소법으로 콩크리트중력언제와 아치언제들의 설계와 해석을 발전시키기 위한 문제를 종자로 연구를 하여 일정한 전진이 이룩되였지만 아직까지 완성되지 못하고있으며 더우기 시공운영기 지진과 기후안전성평가에 대한 연구도 현실적인 중요성에 비해볼 때 광범히 진행되지 못하고있다.

학부에서는 등가응력법에 의한 중력언제의 해석방법을 리론적으로 완성한 여러건의 국제학술소론문들을 출판하였으며 그에 기초하여 현장의 설계시공단위에서 리용할수 있는 콩크리트중력언제의 등가응력해석체계 《수력언제 2.0》을 개발하였다. 체계는 범용유한요소해석프로그람들로 계산된 유한요소풀이를 수치해석프로그람들로 등가응력처리하며 개발도구로 통합프로그람조종을 진행하는 부분으로 구성되여있다.

《수력언제 2.0》은 기존 등가응력법들의 연구성과를 종합하고 언제콩크리트와 지반암석의 재료의 영향을 다같이 반영하며 해당한 력학적조건을 만족하는 완성된 중력언제의 응력해석체계로서 유한요소치수가 어떠하든지간에 하나의 정확한 값으로 계산되는 우월한 방법이다.

등가응력법은 기존설계방법과 비교할 때 응력안전곁수와 미끄럼안전곁수에서 많은 차를 가지며 세멘트와 강재, 로력과 연유와 같은 많은 인적, 물적자원을 절약하면서도 언제의 세기를 보장하고 시간을 단축하는것으로 하여 언제의 설계뿐아니라 시공과 운영에서 학술적으로, 경제적으로 큰 의의를 가진다.

등가응력법은 언제의 설계의 최량화와 수화열응력에 의한 시공일정작성, 지진안정성평가와 장기운영시 온도균렬방지를 위한 운영방안확립에서 중핵적으로 해결하여야 할 기초적인 문제인것으로 하여 앞으로 이 분야에 대한 연구에서는 보다 큰 성과가 이룩될것으로 기대되고있다.