하이브리드 SPH-DEM-FEM 기법을 이용한 암석이 포함된 토석류와 다중 구조물의 동적 상호작용에 대한 연구
Dynamic Interactions of Debris Flow with Boulders on Multiple Structures Using a Hybrid SPH-DEM-FEM Coupling Technique
- 저자식별ID AuthorId:20215035
- 주제(키워드) 도움말 Keywords: Cylindrical Baffle , Rigid Barrier , Impact Force , Run-Up , Smooth particle hydrodynamic , Discrete element method , Finite element method , Impact Force , Run-Up , Hydrodynamic , Hydrostatic
- 발행기관 강릉원주대학교 일반대학원
- 지도교수 도움말 윤찬영
- 지도교수 도움말 박상덕
- 지도교수 도움말 백중철
- 발행년도 2023
- 학위수여년월 2023. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 도움말 일반대학원 토목공학과
- 세부분야 해당없음
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/kangnung/000000011521
- UCI I804:42001-000000011521
- 본문언어 영어
초록/요약 도움말
한국은 산악지형과 폭우, 지질학적 특성으로 인해 자연재해가 발생할 가능성이 높은 국가이다. 각종 자연재해 중 산사태와 토석류가 빈번하게 발생하여 기반시설과 인명에 막대한 피해를 입히고 있습니다. 행정안전부에 따르면 2000년부터 2019년까지 전국에서 2,221건의 산사태와 토석류가 발생해 375명이 사망하고, 522명이 부상을 입었다. 이러한 재해로 인한 피해액도 3조원이 넘는다(행정안전부, 2020). 산사태와 토석류의 영향을 감소시키기 위해 한국에서는 다양한 제어 구물이 구현되었습니다. 그러나 이러한 구조물의 효율성은 지형, 지반 및 흐름 특성과 같은 현장 조건에 크게 의존됩니다. 따라서 실험 및 수치 시뮬레이션을 통해 제어 구조 설계 및 평가하고, 최적화할 필요가 있습니다. 본 연구는 SPH-DEM-FEM 결합한 수치해석 방법을 활용하여 토석류의 거동과 구조물, 특히 원통형 배플 어레이 및 강성 장벽의 효율성을 조사합니다. 본 연구에서는 물리적 수로 실험과 수치 시뮬레이션을 통하여 몇 가지 주요 결과를 확인했습니다. 첫째, 배플 어레이의 존재는 최대 흐름높이에서 최대 40%, 최대 충격력에서 최대 85%의 잠재적인 감소와 함께 토석 흐름높이와 충격력을 크게 줄일 수 있습니다. 배플 행 수를 1개에서 2개로 늘리면 흐름높이가 추가로 23% 감소했습니다. 둘째, 결합된 SPH-DEM-FEM 방법을 사용한 수치 분석에서는 잔해 슬러리 및 바위를 가로채는 강성 장벽의 동적 및 정적 영향을 예측하여, 엔지니어링 설계에 유용한 참조를 제공합니다. 셋째, 우리의 결과는 배플이 높을수록 단단한 장벽에서 입자 런아웃을 줄이는 데 더 효과적이며 여러 보호 구조의 조합이 런업 동작에서 가장 큰 피크 부하를 줄이는 데 효과적임을 시사합니다. 넷째, 정규화된 최대 충격하중 및 정규화된 최대 흐름높이 뿐만 아니라 유체 역학 α 및 정수 k에 대한 구조적 변화가 포함됩니다. 수치 결과는 실험 데이터와 설계 값 모두와 일치하는 경향을 나타냈습니다. 이로 인한 물리적 모델은 α < 1.5 값을 생성하였으며, 이는 멱법칙 관계와 일치하였습니다. 마지막으로, 본 연구를 통하여 토석류의 거동과 제어 효과에 대한 귀중한 통찰력과 엔지니어링 설계에 중요한 기술적 및 설계적인 정보를 제공합니다.
more초록/요약 도움말
South Korea is a country that has high possibility occur of natural disasters due to its mountainous terrain, heavy rainfall, and geological characteristics. Among the various types of natural disasters, landslides and debris flows are frequent and cause significant damage to infrastructure and human lives. According to the Ministry of the Interior and Safety of South Korea, between 2000 and 2019, there were 2,221 landslides and debris flows in the country, resulting in 375 deaths and 522 injuries. The damage caused by these disasters also amounted to over 3 trillion KRW (approximately 2.5 billion USD) (Ministry of the Interior and Safety, 2020). To mitigate the impact of landslides and debris flows, various control structures have been implemented in South Korea. However, the effectiveness of these structures is highly dependent on the site-specific conditions, such as topography, soil properties, and flow characteristics. Therefore, there is a need to evaluate and optimize the design of control structures through experiments and numerical simulations. This study utilizes the SPH-DEM-FEM coupling method to investigate the behavior of debris flow and the effectiveness of protection structures, specifically cylindrical baffle arrays and rigid barriers. Through physical flume experiments and numerical simulations, we have identified several key findings. First, the presence of baffle arrays can significantly reduce debris flow run-up height and impact force, with a potential reduction of up to 40% in maximum run-up height and up to 85% in peak impact force. Increasing the number of rows of baffles from one to two led to an additional 23% reduction in run-up height. Second, our numerical analysis using the coupled SPH-DEM-FEM method provides a valuable reference for engineering design by predicting the dynamic and static impact of rigid barriers in intercepting debris slurry and boulders. Third, our results suggest that taller baffles are more effective at reducing particle runout from rigid barriers, and the combination of multiple protection structures performs well in reducing the largest peak load under run-up behavior. Fourth, our unique dataset includes the variation of structure deformability on hydrodynamic α and hydrostatic k, as well as normalized peak impact and normalized maximum run-up height. Our numerical results exhibit a trend that is consistent with both experimental data and practical design values. Our physical model, which incorporates state-of-the-art design, can produce the value α < 1.5, which is in line with power law relation design standards and has practical implications. Overall, our study provides valuable insights into the behavior of debris flow and the effectiveness of protection structures, with important practical implications for real-scale engineering design.
more목차 도움말
ABSTRACT
LIST OF TABLES
LIST OF FIGURES
LIST OF ACRONYMS AND SYMBOLS
CHAPTER 1 INTRODUCTION
1.1 RESEARCH AND MOTIVATION
1.2 INTRODUCTION AND SUMMARIZE
1.3 OBJECTIVES
1.4 SCOPES
1.5 DISSERTATION ORGANIZATION
CHAPTER 2 LITERATURE REVIEW
2.1 GENERAL BACKGROUND
2.2 DEBRIS FLOW DEFINITION
2.3 DEBRIS FLOW INITIATION
2.3.1 Debris-Flow Initiation Mechanism
2.3.2 Trigging rainfall
2.4 POST-FAILURE BEHAVIOR
2.5 DEBRIS FLOW MONITORING SYSTEMS
2.5.1 Existing Art Structure Type
2.5.2 Approaches to Bridging Un/Down Scaling
2.5.3 Background on Debris Flow Numerical Modeling
CHAPTER 3 ANALYSIS OF TWO-PHASE FLOW THROUGH EXPERIMENTAL MONITORING
3.1 INTRODUCTION
3.2 RESEARCH APPROACH
3.3 EXPERIMENTAL FACILITIES
3.3.1 Scale of Physical Flume Test
3.3.2 Description of Physical Flume Test
3.3.3 Technology Equipment and Data collection
3.3.4 Multi phase Materials
3.3.5 Procedure Test Performance
3.4 PROPOSED MULTI CONTROL STRUCTURE
3.4.1 State of the Art
3.4.2 Protection Structure Barrier
3.5 EXPERIMENTAL RESULTS AND DISCUSSION
3.5.1 Analyzing Velocity Using PIV Techniques
3.5.2 Observing the Effect of Baffle Arrays on Maximum Run-Up
3.5.3 The Impact of Baffle Configurations on Terminal Rigid Barriers
3.5.4 Impact of Baffles Array Distribution on Run out
3.6 SUMMARY AND CONCLUSION
CHAPTER 4 INVESTIGATING TWO PHASE FLOW WITH SPH-DEM-FEM COUPLING FOR PHYSICAL MODELING
4.1 INTRODUCTION
4.2 RESEARCH APPROACH
4.3 NUMERICAL FORMULA
4.3.1 Fluid Flow continuum phase: SPH
4.3.2 Debris Particle Phase: DEM
4.3.3 Building Structure: FEM
4.4 COUPLING SCHEMES FOR THE HYBRIS APPROACH
4.4.1 Fluid-Solid Interaction: SPH-DEM Coupling
4.4.2 Fluid-Particle Interaction: SPH-FEM Coupling
4.4.3 Boulder-Structure Interaction: DEM-FEM Coupling
4.4.4 Operating Process SPH-DEM-FEM Coupling Control
4.5 CONSTRUCTION OF SPH-DEM-FEM BASE FLUME MODEL
4.5.1 Specific Informatio
4.5.2 Establishment of the Calculation Model
4.5.3 3D Physical Modeling Configuration
4.6 NUMERICAL RESULT AND DISCUSSION
4.6.1 Simulation Single Boulder
4.6.2 Simulation Multi Boulders
4.6.3 Simulation Boulders and Debris Slurry
4.7 SUMMARY AND CONCLUSION
CHAPTER 5 CALIBRATION-VALIDATION AND VERIFICATION
5.1 INTRODUCTION
5.2 CALIBRATION ANALYTICAL MODEL
5.3 VALIDATION ANALYTICAL MODEL
5.3.1 Peak Impact Force
5.3.2 Run Up Height
5.4 VERIFICATION ANALYTICAL MODEL
5.4.1 Normalize Peak Impact Force
5.4.2 Normalize Run Up Height
5.4.3 Prediction of Hydrodynamic and Hydrostatic Coefficient
5.5 SUMMARY AND CONCLUSION
CHAPTER 6 CONCLUSIONS
6.1 SUMMARY AND CONCLUSION
6.2 LIMITATION OF THIS STUDY
6.3 RECOMMENDATIONS FOR FUTURE RESEARCH
REFERENCES
APPENDIX
ACKNOWLEDGMENTS
CURRICULUM VITAE
