• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제20권6호
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• pp.1147-1159
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• 2018

본 연구는 팽창구조체를 이용한 급속차폐 자동화 시스템 검증에 중점을 두었다. 팽창구조체는 해저터널의 침수사고 발생시 막대한 인적 및 물적 피해가 발생하는데 이를 대비한 자동 급속차폐시스템이다. 특히 해저터널의 시공 및 운영에 있어 필수적이라고 할 수 있다. 본 연구는 이러한 문제에 대하여 고안된 팽창구조체를 이용한 급속차폐 자동화 시스템을 실험적으로 검증하였다. 이러한 검증을 하기 위해 모형터널을 40:1 축소율을 적용한 실내모형을 제작하여 0.1 bar, 0.15 bar의 공기압을 주입하여 10 sec, 20 sec로 팽창속도에 따라 나누어 4 case로 실험을 진행하여 누수량, 수압 등을 분석하였다. 연구 결과에 의하면 팽창구조체의 팽창 시 0.1 bar 보다 0.15 bar일 때 차폐효율이 좋았으며 팽창구조체의 공기압 주입 시간에 따른 차폐효율 및 유입수 제어효율의 차이도 나타났다. 본 연구 진행 결과 팽창구조체가 완벽하게 팽창한다는 가정조건에서는 팽창구조체의 내부공기압이 높고 팽창속도가 빠를수록 더욱 효과적으로 나타났다. 본 연구 결과로 향후 추가적인 팽창구조체의 보관방법, 형상과 팽창유도체 및 차폐시 팽창구조체의 이동억제와 유입수 제어에 도움이 되는 쐐기형 구조물에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

• International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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• 제9권5호
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• pp.552-567
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• 2017

The floating crane vessel in waves gives rise to the motion of the lifted object which is connected to the hoisting wire. The dynamic tension induced by the lifted object also affects the motion responses of the floating crane vessel in return. In this study, coupled motion responses of a floating crane vessel and a lifted subsea manifold during deep-water installation operations were investigated by both experiments and numerical calculations. A series of model tests for the deep-water lifting operation were performed at Ocean Engineering Basin of KRISO. For the model test, the vessel with a crane control system and a typical subsea manifold were examined. To validate the experimental results, a frequency-domain motion analysis method is applied. The coupled motion equations of the crane vessel and the lifted object are solved in the frequency domain with an additional linear stiffness matrix due to the hoisting wire. The hydrodynamic coefficients of the lifted object, which is a significant factor to affect the coupled dynamics, are estimated based on the perforation value of the structure and the CFD results. The discussions were made on three main points. First, the motion characteristics of the lifted object as well as the crane vessel were studied by comparing the calculation results. Second, the dynamic tension of the hoisting wire were evaluated under the various wave conditions. Final discussion was made on the effect of passive heave compensator on the motion and tension responses.

• Structural Monitoring and Maintenance
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• 제8권4호
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• pp.345-360
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• 2021

This paper presents an analytical approach to calculate the buckling load of the cylindrical ring structures subjected to both hydrostatic and hydrodynamic pressures. Based on the conservative law of energy and Timoshenko beam theory, a theoretical formula, which can be used to evaluate the critical pressure of buckling, is first derived for the simplified cylindrical ring structures. It is assumed that the hydrodynamic pressure can be treated as an equivalent hydrostatic pressure as a cosine function along the perimeter while the thickness ratio is limited to 0.2. Note that this paper limits the deformed shape of the cylindrical ring structures to an elliptical shape. The proposed analytical solutions are then compared with the numerical simulations. The critical pressure is evaluated in this study considering two possible failure modes: ultimate failure and buckling failure. The results show that the proposed analytical solutions can correctly predict the critical pressure for both failure modes. However, it is not recommended to be used when the hydrostatic pressure is low or medium (less than 80% of the critical pressure) as the analytical solutions underestimate the critical pressure especially when the ultimate failure mode occurs. This implies that the proposed solutions can still be used properly when the subsea vehicles are located in the deep parts of the ocean where the hydrostatic pressure is high. The finding will further help improve the geometric design of subsea vehicles against both hydrostatic and hydrodynamic pressures to enhance its strength and stability when it moves underwater. It will also help to control the speed of the subsea vehicles especially they move close to the sea bottom to prevent a catastrophic failure.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제18권1호
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• pp.109-117
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• 2016

본 연구는 팽창구조체 설계에서 중요한 인자인 마찰계수의 결정에 대하여 중점을 두었다. 팽창구조체는 지중 구조물 의 시공 및 운영 시 발생되는 돌발용수 및 이상누수에 의한 사고들에 대비한 많은 가치가 있는 수동적 급속차폐시스템이다. 특히 해저터널에 있어서는 필수적이라고 할 수 있다. 본 연구는 팽창구조체를 구성하는 섬유재료의 상대적인 마찰거동에 대한 결과를 제시하였다. 이러한 마찰거동을 평가하기 위하여 마찰실험과 모형터널마찰실험을 실시하였다. 마찰시험으로부터 서로 다른 표면 조건에서 마찰계수를 결정하였으며, 이 결과로 얻어진 마찰계수는 실질적인 모형 미끄럼시험 결과를 통하여 분석 비교하였다. 이 들 결과로부터 터널과 팽창구조체 상호 마찰거동에 대하여 검토하였다. 이 연구 결과로부터 모형터널마찰실험으로부터 얻어진 마찰계수 값은 실내마찰시험으로부터 얻은 마찰계수 값보다 약 12%작게 나타났다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제19권2호
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• pp.161-177
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• 2017

본 연구는 해저터널에서 급격한 홍수 피해를 방지하기 위해 팽창구조체의 설계 및 현장적용을 제시하였다. 팽창구조체는 지중 구조물에 시공 및 운영 시 발생되는 돌발용수 및 이상누수에 의한 사고들에 대비한 많은 가치가 있는 수동적 급속차폐시스템이다. 특히 해저터널에 있어서는 필수적이라고 할 수 있다. 팽창구조체의 설계에서 주요인자는 인플레이터와 터널 벽면사이의 누수 와 마찰 거동이다. 팽창구조체의 설계시 설계 고려사항을 개발하고 매개 변수를 조사하기 위해 이론분석 및 실험적 연구를 수행하였다. 팽창구조체의 주요 설계 요소 및 고려사항들을 제안하기 위하여 박막이론을 적용한 이론적 분석 및 개발하였다. 또한 여러 섬유 재료의 상대 마찰 시험은 인플레이터와 터널 표면 사이의 마찰 조건에 따라 마찰거동을 결정하기 위해 수행하였다. 시험 결과는 침수조건에서의 마찰 계수가 건조조건에서의 값보다 약 20% 낮게 나타났다. 추가로 한국에서 계획중인 2개의 가상해저터널현장에 대한 보호시스템 가상 설계를 본 연구를 바탕으로 수행하였다. 이 연구 결과로부터 향후 터널 보호 구조물인 인플레이터 구조 설계 및 개발 기술을 이해하는데 매우 유용할 것으로 기대된다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제25권6호
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• pp.583-603
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• 2023

최근 기계식 터널 굴착기술의 발전과 수압을 받는 해저철도 터널의 특성 상 쉴드TBM 공법이 해저철도 터널 설계 및 시공에 널리 적용되고 있다. 해저철도 터널은 일반적인 지중응력상태에서 거동하지 않고 외부 수압이 상시재하되는 상태이며 지진 시 지진파의 증폭에 의한 영향을 받게 된다. 특히 연약지반, 연약토사-암반 복합지반, 단층파쇄대 등 다양한 지반조건 하에서 작용하는 지진하중은 터널 변위 및 지보재 응력의 급격한 변화를 초래하여 터널 안전성에 큰 영향을 미친다. 또한 지진하중의 주기특성, 지진파형, 최대가속도 등의 재하조건에 따라 지반 및 터널의 동적 응답이 달라지며 이는 지반조건과 결합하여 더욱 복잡한 지반-터널 구조물계의 거동을 보여주게 된다. 본 연구에서는 해저철도 터널의 동적거동 평가를 위하여 수압을 고려하여 지반-터널 구조물계 전체를 유한차분해석 기법으로 모델링 하고 상호 지진 시 구조물 응답을 분석하였다. 해저철도 터널의 지진 시 동적 거동에 영향을 미치는 주요 인자는 지반조건과 지진파이므로 가상 지반조건에 따라 총 6가지의 해석 Case를 설정하였다. 가상 지반조건은 해석 대상영역의 지반이 모두 토사(풍화토)인 경우(Case-1), 모두 암반(경암)인 경우(Case-2), 터널 진행방향(종방향)으로 토사와 암반의 복합지반인 경우(Case-3), 암반 내 폭이 상대적으로 좁은 파쇄대(w = 2.0 m)를 터널이 통과하는 경우(Case-4), 터널 진행방향(종방향)으로 연약토사와 암반의 복합지반인 경우(Case-5), 암반 내 폭이 상대적으로 넓은 파쇄대(w = 10.0 m)를 터널이 통과하는 경우(Case-6)으로 구분하여 각각 모델링을 수행하였다. 해석 결과 지진에 의한 수평변위는 지반물성 증가에 따라 커지는 경향을 나타내었으나 주변 지반의 구속효과와 강성 세그먼트로 결합된 쉴드터널 구조물의 특성으로 인하여 다소 억제되는 경향도 함께 관찰되었다. 세그먼트의 부재력은 변위 발생 경향과는 달리 지반 강성이 약할수록 현저히 증가하는 경향을 나타내었으며 오히려 변위 억제 효과에 따른 부재력 증가가 뚜렷하게 관찰되는 특성을 확인하였다.

• 한국항해항만학회:학술대회논문집
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• 한국항해항만학회 2021년도 추계학술대회
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• pp.89-90
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• 2021

심해에 건설되는 해저기지는 우주공간에서의 조건보다 더 극한의 환경에 건설되며, 이를 위해서는 구조공학, 자원공학, 기계공학, 조선공학, 해양공학, 지질학 등의 관련 분야의 극한기술이 상호 융합되어야 한다. 또한, 해양자원 개발에는 해양물리, 화학, 생물학, 지질학 등 기초 해양과학 이외에도 기계, 전자, 조선, 기상, 잠수의학 등 응용과학 지식의 융·복합이 필요하며, 각 필요 기술들의 발전과 각 기술의 종합적인 융합이 이루어져야만 해저기지의 건설이 가능할 것이다. 해저기지의 건설을 위해 개발되는 극한 기술의 발전은 각 분야의 최첨단 기술이 될 것이며, 우주공간 및 타 분야에도 적용이 가능하여, 최신 기술을 선점할 수 있는 기회가 될 것이다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제20권6호
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• pp.1061-1071
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• 2018

초대형 지하구조물인 해저터널은 평상시는 물론 지진 시에도 안정성을 확보하여야 한다. 특히 해저터널의 지진 시 주위 지반과의 상대적인 강성, 변위 차이에 의하여 다양한 지진 응답거동이 유발되므로 그 거동 특성을 예측하기가 쉽지 않다. 본 연구의 목적은 주위 지반과 물성이 다른 단층대를 통과하는 가상해저터널의 지진 시 동적 거동특성 파악이며, 이를 위하여 3차원 내진해석의 결과를 토대로 실내시험을 통해 단층대를 통과하는 해저터널의 동적 응답거동을 파악하였다. 이 때, 해저터널은 내진성능 향상을 위하여 가동세그먼트(Flexible Segment)가 적용된 형태를 고려하였다. 추후, 다양한 조건에서의 해석 및 시험을 통하여 검증된 결과를 획득하고 이를 바탕으로 다양한 지반의 3차원 내진해석을 통한 D/B 구축이 가능할 것으로 판단된다. 본 연구에서는 3차원 내진해석의 결과를 검증하기 위하여 1 g 진동대 시험(1 g Shaking table test)을 수행하였다. 축소 모형시험의 상사율(1:100)을 고려하여 아크릴로 모형을 제작하고 3가지 Case의 시험을 수행하였다. 입력 지진파는 장, 단주기 지진특성을 모두 가진 인공지진파를 터널 진행방향과 직교하는 수평방향으로 가진 하였으며 단층대를 모델링하였다. 수치해석시 단층대를 모사하기 위하여 단층대의 탄성계수는 터널 주위 각 해당지반의 탄성계수의 1/5에 해당하는 값으로 가정하여 적용하였다. 그 결과 단층대의 물성이 증가함에 따라 가속도 감소를 확인할 수 있었으며 진동대 시험결과도 3차원해석결과와 동일한 경향을 나타냄을 확인하였다.

• 한국해안·해양공학회논문집
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• 제27권2호
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• pp.113-117
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• 2015

본 연구에서는 연결재(커플러)로 결합된 라이저의 외부흐름에 따른 3차원 유동-구조 연동해석을 수행하였다. 두 가지 연결재(평면 커플러, 곡면 커플러)를 고려하였으며 ANSYS CFX를 사용하여 수치해석을 수행하였다. 유동해석에서 유동공간은 유입구, 유출구와 대칭 경계조건으로 구성되었으며 연결재의 형상에 따른 항력계수와 유속 분포 결과를 비교하였다. 구조해석에서는 라이저의 응답(최대 변위 및 최대 등가응력)을 통해 연결재의 유용성을 확인하였다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제17권3호
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• pp.295-303
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• 2015

본 논문은 해저터널 시공 및 운영 시 발생되는 돌발용수 및 이상누수에 의한 사고에 대비하기 위한 해저터널 급속차폐시스템의 Inflater 분할구조에 따른 터널 내 차수효율에 대한 실험적 연구이다. 해저터널 특성상 해수 유입 또는 지하수 유입, 호우로 인한 침수 등 물과 관련된 피해에 대한 방호시스템은 필수적이다. 이 연구에서는 이러한 급속차폐를 위해 고안된 Inflater 구조에 대하여 형태 및 분할에 따른 차폐능력, 누수량, 수압 그리고 축방향 변위 등을 연구하기 위하여 27:1 축소율을 적용한 실내모형을 다양한 Inflater 분할구조별로 실시하였다. 연구결과에 의하면 2분할 Inflater 구조인 경우가 다른 분할에 비해 시간당 누수량 및 축방향 변위가 낮아 차폐능력이 좋은 것으로 나타났다. 이러한 결과는 해저터널의 제원에 따라 다소 차이는 있을 것으로 예측되나 기본적으로 차폐시스템 설계 및 개발기술 발전에 매우 유용하게 활용될 것으로 기대된다.