3D 프린팅 및 순환토사를 활용한 보강토 옹벽 뒤채움재의 성능 평가 Performance Assessment of 3D Printed Mechanically Stabilized Earth Retaining Wall Backfilled with Recycling Soil원문보기
국내에서는 1990년대를 기점으로 보강토 옹벽의 도입이 활성화되었으며, 보강토 옹벽의 도입 초기에는 적정한 보강재 및 뒤채움 재료를 사용하고 다짐관리 또한 철저히 수행되어 경제적이고 시공성이 우수한 공법으로 인식되었다. 그러나, 약 30년이 경과된 현재의 우리나라는 최근 다양한 대규모 단지 공사 및 도로 공사 등의 개발 계획 및 제한적인 국토 여건상 양질의 토사가 부족하여 보강토 옹벽에 대한 인식은 부적절한 뒤채움 재료 및 보강재, 배수체계 미흡 등 부정적인 이미지가 강한 실정이다. 한편, 최근 국제사회는 지구온난화로 인한 ...
요 약
제목 : 3D 프린팅 및 순환토사를 활용한 보강토 옹벽 뒤채움재의 성능 평가
국내에서는 1990년대를 기점으로 보강토 옹벽의 도입이 활성화되었으며, 보강토 옹벽의 도입 초기에는 적정한 보강재 및 뒤채움 재료를 사용하고 다짐관리 또한 철저히 수행되어 경제적이고 시공성이 우수한 공법으로 인식되었다. 그러나, 약 30년이 경과된 현재의 우리나라는 최근 다양한 대규모 단지 공사 및 도로 공사 등의 개발 계획 및 제한적인 국토 여건상 양질의 토사가 부족하여 보강토 옹벽에 대한 인식은 부적절한 뒤채움 재료 및 보강재, 배수체계 미흡 등 부정적인 이미지가 강한 실정이다. 한편, 최근 국제사회는 지구온난화로 인한 사막화, 폭우 등의 이상기후를 인류 생존에 가장 큰 위협요소로 평가하고 있으며, 지구온난화의 대표적인 원인인 이산화탄소의 발생을 억제하기 위해 국내에서도 ‘2050년 탄소중립 선언’을 통해 온실가스 순배출량 저감의 입장을 밝혔으며, 탄소 배출량의 대부분을 차지하는 건설산업 분야에서 대표적인 탄소 저감 방안으로 건설폐기물의 재활용을 제기하였다. 다만, 국내 건설폐기물은 재활용을 위하여 순환골재와 순환토사로 선별 생산되는데, 최근 재활용률이 향상된 순환골재에 비하여 순환토사는 제한적인 성능 및 활용 용도로 인해 용처를 찾지 못하여 환경적, 경제적인 문제점으로 지적되고 있어 순환토사의 적정 처리와 재활용 기술 개발은 국가적인 기술 개발 과제인 실정이다. 이에 본 연구에서는 보강토 옹벽 뒤채움용 양질의 재료 수급 문제와 순환토사 처리 문제를 동시에 해소하기 위한 방안으로 뒤채움재 순환토사 배합비를 달리함에 따른 보강토 옹벽의 구조적 성능 및 안전성을 분석하고자 실내모형실험 및 수치해석을 수행하였다. 먼저 뒤채움재로 사용하는 순환토사의 기본물성 시험을 통해 보강토 옹벽 뒤채움재의 품질기준을 만족하는 것을 확인하였다. 이후 실내모형실험상 적합한 상사율과 보강재를 선정하고 전면 벽체를 3D 프린터를 사용하여 보강재 체결용 핀이 일체화된 모형 블록 형태로 제작하여 실제 보강토 옹벽의 보강재 시공방법과 유사하도록 실내모형실험을 수행하였다. 실내모형실험 결과, 뒤채움재의 순환골재의 양이 증가할수록 상재하중 지지효과가 증가하는 것으로 나타났으나, 상대다짐도 85%의 경우는 순환토사 배합비(표준사:순환골재) 5:5 조건에서 목표한 하중 140kg에 비하여 현저히 낮은 68kg의 하중이 재하되었을 때 전면 벽체에 발생한 최대 수평변위가 허용기준 6.68mm를 초과하였다. 반면, 상대다짐도 95%의 경우는 순환토사 배합비 5:5 조건에서 180kg의 상재하중에도 전면 벽체의 최대 수평변위가 약 5.5mm로 허용기준을 만족하여 뒤채움재로써 최대성능을 발휘하는 배합설계로 나타났다. 추가적으로 이 배합설계에서 보강재 연직 설치간격을 감소시킴에 따라 거동을 분석한 결과, 설치간격을 1/2과 1/4로 줄일 시 각각 약 35%, 53%의 수평변위 저감 효과를 보여 보강재 개수 증가로 인한 성능 증대 효과가 나타났다. 또한, 보강재 체결 방법을 달리함에 따른 거동 분석 결과, 모형 블록의 체결용 핀을 미사용하는 경우 전면 벽체 축조 도중 전도에 의한 파괴가 발생하여 실내모형실험에서 3D 프린팅 기술의 활용성과 모형 블록의 보강재 체결 용이성을 확인하였다. 수치해석은 PLAXIS 2D 프로그램을 사용하였으며, 역해석을 통해 벽체의 최대 수평변위를 실내모형실험 시 종료기준인 6.68mm에 근접시킨 후 실험조건별로 상응하는 지반 물성치를 도출하였다. 이후 보강토 옹벽의 뒤채움재 조건별로 모든 보강재에 대하여 내적 안정성을 평가하였다. 평가 방법을 이론적 방법과 수치해석적 방법으로 나누어 평가하였으며, 보강재 연직 설치간격을 0.8m 설정할 시 최상단 보강재의 내적 안정성이 확보되지 않는 것으로 나타났다. 이에 보강재 연직 설치간격을 0.2m로 줄여 수치해석적 방법으로 내적 안정성을 평가한 결과, 최상단 보강재의 안전율이 인팔파괴에 대한 설계 안전율을 만족하였다. 다만, 이러한 시공조건은 뒤채움재의 순환토사의 활용도가 높아질 시 보강재의 설치개수가 늘어나는 등의 비용적으로 Trade off가 발생할 것이며, 추후 연직 설치간격 이외에도 보강재 길이 및 강성을 달리한 보강토 옹벽의 추가적인 연구가 수행될 시 시공성과 더불어 비용적 측면에서 더욱 다양하고 합리적인 고려가 필요할 것으로 사료된다.
요 약
제목 : 3D 프린팅 및 순환토사를 활용한 보강토 옹벽 뒤채움재의 성능 평가
국내에서는 1990년대를 기점으로 보강토 옹벽의 도입이 활성화되었으며, 보강토 옹벽의 도입 초기에는 적정한 보강재 및 뒤채움 재료를 사용하고 다짐관리 또한 철저히 수행되어 경제적이고 시공성이 우수한 공법으로 인식되었다. 그러나, 약 30년이 경과된 현재의 우리나라는 최근 다양한 대규모 단지 공사 및 도로 공사 등의 개발 계획 및 제한적인 국토 여건상 양질의 토사가 부족하여 보강토 옹벽에 대한 인식은 부적절한 뒤채움 재료 및 보강재, 배수체계 미흡 등 부정적인 이미지가 강한 실정이다. 한편, 최근 국제사회는 지구온난화로 인한 사막화, 폭우 등의 이상기후를 인류 생존에 가장 큰 위협요소로 평가하고 있으며, 지구온난화의 대표적인 원인인 이산화탄소의 발생을 억제하기 위해 국내에서도 ‘2050년 탄소중립 선언’을 통해 온실가스 순배출량 저감의 입장을 밝혔으며, 탄소 배출량의 대부분을 차지하는 건설산업 분야에서 대표적인 탄소 저감 방안으로 건설폐기물의 재활용을 제기하였다. 다만, 국내 건설폐기물은 재활용을 위하여 순환골재와 순환토사로 선별 생산되는데, 최근 재활용률이 향상된 순환골재에 비하여 순환토사는 제한적인 성능 및 활용 용도로 인해 용처를 찾지 못하여 환경적, 경제적인 문제점으로 지적되고 있어 순환토사의 적정 처리와 재활용 기술 개발은 국가적인 기술 개발 과제인 실정이다. 이에 본 연구에서는 보강토 옹벽 뒤채움용 양질의 재료 수급 문제와 순환토사 처리 문제를 동시에 해소하기 위한 방안으로 뒤채움재 순환토사 배합비를 달리함에 따른 보강토 옹벽의 구조적 성능 및 안전성을 분석하고자 실내모형실험 및 수치해석을 수행하였다. 먼저 뒤채움재로 사용하는 순환토사의 기본물성 시험을 통해 보강토 옹벽 뒤채움재의 품질기준을 만족하는 것을 확인하였다. 이후 실내모형실험상 적합한 상사율과 보강재를 선정하고 전면 벽체를 3D 프린터를 사용하여 보강재 체결용 핀이 일체화된 모형 블록 형태로 제작하여 실제 보강토 옹벽의 보강재 시공방법과 유사하도록 실내모형실험을 수행하였다. 실내모형실험 결과, 뒤채움재의 순환골재의 양이 증가할수록 상재하중 지지효과가 증가하는 것으로 나타났으나, 상대다짐도 85%의 경우는 순환토사 배합비(표준사:순환골재) 5:5 조건에서 목표한 하중 140kg에 비하여 현저히 낮은 68kg의 하중이 재하되었을 때 전면 벽체에 발생한 최대 수평변위가 허용기준 6.68mm를 초과하였다. 반면, 상대다짐도 95%의 경우는 순환토사 배합비 5:5 조건에서 180kg의 상재하중에도 전면 벽체의 최대 수평변위가 약 5.5mm로 허용기준을 만족하여 뒤채움재로써 최대성능을 발휘하는 배합설계로 나타났다. 추가적으로 이 배합설계에서 보강재 연직 설치간격을 감소시킴에 따라 거동을 분석한 결과, 설치간격을 1/2과 1/4로 줄일 시 각각 약 35%, 53%의 수평변위 저감 효과를 보여 보강재 개수 증가로 인한 성능 증대 효과가 나타났다. 또한, 보강재 체결 방법을 달리함에 따른 거동 분석 결과, 모형 블록의 체결용 핀을 미사용하는 경우 전면 벽체 축조 도중 전도에 의한 파괴가 발생하여 실내모형실험에서 3D 프린팅 기술의 활용성과 모형 블록의 보강재 체결 용이성을 확인하였다. 수치해석은 PLAXIS 2D 프로그램을 사용하였으며, 역해석을 통해 벽체의 최대 수평변위를 실내모형실험 시 종료기준인 6.68mm에 근접시킨 후 실험조건별로 상응하는 지반 물성치를 도출하였다. 이후 보강토 옹벽의 뒤채움재 조건별로 모든 보강재에 대하여 내적 안정성을 평가하였다. 평가 방법을 이론적 방법과 수치해석적 방법으로 나누어 평가하였으며, 보강재 연직 설치간격을 0.8m 설정할 시 최상단 보강재의 내적 안정성이 확보되지 않는 것으로 나타났다. 이에 보강재 연직 설치간격을 0.2m로 줄여 수치해석적 방법으로 내적 안정성을 평가한 결과, 최상단 보강재의 안전율이 인팔파괴에 대한 설계 안전율을 만족하였다. 다만, 이러한 시공조건은 뒤채움재의 순환토사의 활용도가 높아질 시 보강재의 설치개수가 늘어나는 등의 비용적으로 Trade off가 발생할 것이며, 추후 연직 설치간격 이외에도 보강재 길이 및 강성을 달리한 보강토 옹벽의 추가적인 연구가 수행될 시 시공성과 더불어 비용적 측면에서 더욱 다양하고 합리적인 고려가 필요할 것으로 사료된다.
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