Nonlinear Impact Analysis for Eco-Pillar Debris Barrier with Hollow Cross-Section

중공트랙단면 에코필라 사방댐의 비선형 충돌해석

Abstract

In this study, a nonlinear impact analysis was performed to evaluate the safety and damage of an eco-pillar debris barrier with a hollow cross-section, which was proposed to improve constructability and economic efficiency. The construction of concrete eco-pillar debris barriers has increased recently. However, there are no design standards concerning debris barriers in Korea, and it is difficult to find a study on performance evaluations in extreme environments. Thus, an analysis of an eco-pillar debris barrier was done using the rock impact speed, which was estimated from the debris flow velocity. The diameters of rocks were determined by ETAG 27. The impact position, angles, and rock diameter were considered as variables. A concrete nonlinear material model was applied, and the estimation of damage was done by ABAQUS software. As a result, the damage ratio was found to be less than 1.0 at rock diameters of 0.3 m and 0.5 m, but it was 1.39 when the diameter was 0.7 m. This study could be used as basic data on impact force in the design of the cross section of an eco-pillar debris barrier.

본 연구는 친환경 에코필라 사방댐의 시공성과 경제성을 향상시키기 위해 제안된 중공트랙형 단면의 프리캐스트 에코필라 사방댐에 대하여 산사태 발생시 토석류에 동반되는 암석이 충돌할 경우 구조체의 안전성과 손상도를 평가하기 위해 비선형 충돌해석을 수행하였다. 최근에는 콘크리트를 이용한 에코필라 사방댐의 설치가 늘고 있으나, 콘크리트 투과형 사방댐 설계의 기준이 전무하여 경험적으로 설계되고 있을 뿐 아니라 산사태로 인한 피해가 지속적으로 늘고 있는 상황임에도 불구하고 극한환경을 적용한 성능평가나 연구를 찾아보기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 선행연구를 통해 적정성과 성능에 대해 검증된 중공트랙형 단면의 에코필라 사방댐에 대하여 급경사지에서 발생한 우면산 산사태의 토석류 속도로 암석이 충돌할 경우로 가정하였다. 암석의 규모는 ETAG 27의 성능평가 기준을 참조하여 유사한 규모로 설정하였고, 최대 충격력이 작용할 수 있는 조건과 작용위치, 암석직경을 변수로 고려하였으며, 콘크리트 비선형 재료모델을 적용하였다. 재료 비선형해석이 가능한 ABAQUS 소프트웨어를 이용하여 해석적 방법으로 구조체의 강도와 손상도 평가를 수행하였다. 해석결과, 암석직경 0.3m와 0.5m가 충돌했을 경우는 구조체의 변위나 응력이 허용치 이내로 안전한 것으로 평가 되었으나, 0.7m 직경의 암석이 충돌할 경우 중공트랙형 기둥부가 에너지를 충분히 흡수하지 못하여 파괴되는 것으로 예측되었다. 또한, 콘크리트 손상도 평가결과 암석직경 0.3m와 0.5m에서는 손상비가 1.0이하로 나타났으나 0.7m 직경일 경우는 1.39로 평가되어 일정수준 이상에서는 사방댐 기능수행 적합성이 제고되어야 할 것으로 판단된다. 본 연구 결과는 사방댐 단면설계 시 고려해야 할 충격력에 대한 기초자료로 활용할 수 있으며, 향후 실험적 연구가 추가적으로 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 1. Example of debris flows with rock

Fig. 2. Type of permeable debris control dam

Fig. 3. Design force estimation for eco-pillar debris barrier

Fig. 4. Overview of eco-pillar debris barrier

Fig. 5. Reinforcement drawing of column with hollowed track section

Fig. 6. Stress-strain relationship by uniaxial loading in tension and compression

Fig. 7. Rebar and concrete model by solid element

Fig. 8. Impact analysis model according to rock model

Fig. 9. Stresses in concrete pillar (0 deg.)

Fig. 10. Stresses in concrete pillar (45 deg.)

Fig. 11. Stresses in concrete pillar according to impact position (0 deg)

Fig. 12. Stresses in rebar according to impact position (0 deg)

Fig. 13. Stresses in rebar according to impact position (45 deg)

Fig. 14. Horizontal displacement at impact position (0 deg)

Fig. 15. Horizontal displacement at impact position (45 deg)

Fig. 16. Deformed shape (0 deg)

Fig. 17. Deformed shape (45 deg)

Fig. 18. Concrete tensile damage (0 deg)

Fig. 19. Concrete tensile damage (45 deg)

Fig. 20. Damage ratio according to diameter of rock (0 deg)

Fig. 21. Damage ratio according to diameter of rock (45 deg)

Table 1. Material properties of granite [11]

Table 2. Test model of ETAG 27 [12]

Table 3. Weight and impact energy of Rock model