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문제 정의
- 그러나 Abdel-Sayed(1993)에 따르면 흙-구조물 합성 구조계의 작용이 거동을 지배하며, 휨에 대한 연성구조이므로 이러한 단순화된 이론은 그 신뢰도가 낮고 적용상 제한이 따른다. 따라서 본 연구에서는 파형강관의 직경과 차량하중, 토피두께에 따른 파형강관의 거동을 파악하고, 시공 가능한 토피두께의 범위를 산정하며, 최적토피두께를 산정하여 경제성과 안정성을 확보할 수 있도록 하기 위하여 흙-구조물 합성 구조계의 작용을 고려한 유한요소해석을 통해 분석해 보고자 하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 뒷채움에 사용되는 흙 요소를 Duncan & Chang의 쌍곡선 모델로 모델링하였다. 뒷채움 흙의 선정은 표 4중에 현장에서 쉽게 구할 수 있고, 경제성 및 효율성이 좋은 상대다짐도 90%의 SM 재료로 모델링하였고, 원지반 흙의 경우는 일반적인 토사지반으로 보고, 상대다짐도 100%의 SM 재료로 모델링하였다. 이러한 뒷채움 흙과 원지반 흙은 각 절점에서 2개의 자유도를 갖는 8절점 사각형 혹은 6절점 삼각형 요소로 모델링하였으며, 실제 시공 과정을 고려하여 그림 8과 같이 쿠션 역할을 하는 베딩(bedding, 두께=0.
- 현재 사용하고 있는 설계법에서는 강관의 직경 폭에 대하여 동일 하중강도의 등분포하중이 강관의 정점부에 작용하는 것으로 구조적 설계가 이루어지고 있는데, 이는 실제 거동과는 달리 파형강관에 작용하는 원주방향 압축력은 크게 되고, 곡률모멘트는 작게 된다. 따라서, 활하중을 토피고의 상단에 위치시켜 활하중의 분포 폭을 고려할 수 있도록 본 연구에서는 그림 10과 같이 DB-24 하중의 2차선 재하를 고려하여 종방향으로 불연속적인 4개의 후륜하중을 Pentagon3D의 탄소성 해석을 통해 종방향으로 연속적인 선하중으로 치환하였다. 즉, 4개의 후륜하중이 구조물의 정점부에 미치는 가장 불리한 하중강도와 동일한 하중강도를 유발시키는 종방향으로 연속적인 선하중으로 치환한 것이며, 토피고에 따른 결과를 표 5에 나타내었다.
- 본 연구를 통하여 지중에 시공된 파형강관 구조물에 토피고의 변화에 따른 사하중의 영향과 차량하중에 의한 활하중의 영향을 고려한 파형강관의 거동특성을 파형강관 제원에 따라 분석·정리하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 0mm를 사용하였으며 이에 대한 단면의 특성을 표 3에 나타내었다. 이러한 각각의 파형강관 구조 요소는 각 절점에 3개의 자유도를 갖는 2절점 보 요소인 연속체로 모사하였다.
- 뒷채움 흙의 선정은 표 4중에 현장에서 쉽게 구할 수 있고, 경제성 및 효율성이 좋은 상대다짐도 90%의 SM 재료로 모델링하였고, 원지반 흙의 경우는 일반적인 토사지반으로 보고, 상대다짐도 100%의 SM 재료로 모델링하였다. 이러한 뒷채움 흙과 원지반 흙은 각 절점에서 2개의 자유도를 갖는 8절점 사각형 혹은 6절점 삼각형 요소로 모델링하였으며, 실제 시공 과정을 고려하여 그림 8과 같이 쿠션 역할을 하는 베딩(bedding, 두께=0.6m)작업후 파형강관을 설치하고 1층의 다짐 완료 후 두께가 20cm 이하가 되도록 성토단계를 모사하였다.
- 5배 이상을 적용하였다. 직경이 D인 파형강관의 설치를 위해 원지반 위에 일정한 두께의 베딩을 시공하고, 0.6m～8.0m까지 단계적으로 성토조건을 변화시키며 토피고에 의한 사하중을 고려하였으며, 각 단계별로 변화시킨 토피고에 DB-24의 활하중을 적용하여 해석을 수행하였다.
- 파형강관 지중저류 구조물의 토피고에 따른 거동을 3가지 직경별로 분석하고, 파형강관에 작용하는 최대응력을 계산하여 각각의 직경에 따라 사용 가능한 최소토피고와 최대토피고의 범위를 분석하고 가장 큰 안정성을 확보할 수 있는 토피고를 산정하였다.
- 파형강관의 단일관 시공시 거동특성을 파악하기 위한 단일관의 해석단면은 그림 2와 같으며, 본 해석에서 응력의 흐름이 원활하게 이루어지고, 경계의 구속조건에 영향을 받지 않도록 하기 위하여 구조물의 좌우측 해석영역은 구조물 직경의 3배, 하부해석영역은 2.5배 이상을 적용하였다. 직경이 D인 파형강관의 설치를 위해 원지반 위에 일정한 두께의 베딩을 시공하고, 0.
대상 데이터
- 파형강관의 직경은 적용방식과 저수 용량으로 크게 대형과 소형(국부형)으로 구분할 수 있으며 대형일 경우에는 여러개의 병렬관으로 시공되므로 유지보수를 위해서는 사람이 구조물 내부에서 자유스럽게 움직일 수 있어야 한다. 따라서, 국내에서 일반적으로 생산하는 size중 최대인 2,400mm를 채택하였고, 유지보수를 원활히 하기 위해서 요구되는 최소 관경이라고 사료되어 1,800mm를 채택하였다. 소형(국부형)으로 적용할 경우에는 강관직경 1,200mm로 정하였다.
- 한국도로공사의 도로설계요령에서는 표 2와 같이 토피두께에 따라 사용 가능한 파형강관의 두께를 결정할 수 있는 도표를 제시하고 있다. 따라서, 직경 2,400mm관과 1,800mm관은 두께 3.2mm를 사용하였고, 직경 1,200mm관은 두께 2.0mm를 사용하였으며 이에 대한 단면의 특성을 표 3에 나타내었다. 이러한 각각의 파형강관 구조 요소는 각 절점에 3개의 자유도를 갖는 2절점 보 요소인 연속체로 모사하였다.
- 소형(국부형)으로 적용할 경우에는 강관직경 1,200mm로 정하였다. 파형강관은 KS D 3506에 의한 열연용융아연 도금강판(SGHC)으로 만들고, 항복점은 21,006 t/m2이상이다. 이에 대한 단면모양은 그림 4에 나타내 었고, 단면의 치수는 표 1에 나타내었다.
이론/모형
- 본 연구에서는 뒷채움에 사용되는 흙 요소를 Duncan & Chang의 쌍곡선 모델로 모델링하였다. 뒷채움 흙의 선정은 표 4중에 현장에서 쉽게 구할 수 있고, 경제성 및 효율성이 좋은 상대다짐도 90%의 SM 재료로 모델링하였고, 원지반 흙의 경우는 일반적인 토사지반으로 보고, 상대다짐도 100%의 SM 재료로 모델링하였다.
- 본 연구에서는 파형강관 지중저류 구조물의 거동분석을 위해 2차원 연속체로 이루어진 구조물이나 지반의 외적인 경계조건이 주어지면 시공단계를 고려하여 그에 해당하는 내부변수를 계산하는 유한요소법(FEM)에 의한 지반구조 해석 프로그램인 Pentagon2D를 사용하였다.
성능/효과
- 1. 파형강관에 발생하는 축력에 가장 큰 영향을 미치는 변수는 토피고에 의한 사하중으로, 사하중의 증가에 따라 압축력이 일정하게 증가하였다. 이에 비해 활하중에 의한 영향은 토피고가 증가함에 따라 감소하였다.
- 2. 토피고가 작은 경우일수록 활하중에 의해 파형강관에 발생하는 모멘트는 지수함수적으로 증가하며, 적정토피고 이상에서는 그 영향이 감소하여 수렴해가는 것을 확인하였다. 이것은 지표면에 위치한 활하중에 의해 지중에 시공된 파형강관의 정점부에 작용하는 하중강도의 증가분이 토피고가 증가할수록 감소하기 때문이다.
- 3. 적정토피고 이상에서는 파형강관의 직경이 작아질수록 모멘트가 일정하게 감소하지만, 상부토피의 두께가 강관직경보다 작은 경우에는 파형강관 상부에 작용하는 활하중의 분포 폭이 강관의 직경보다 작게 되어 받을 수 있는 활하중의 분포 폭이 달라지므로 직경이 작을수록 감소하는 모멘트의 감소율이 달라진다.
- 4. 흙-구조물 합성구조계로서 거동하는 파형강관 구조는 적용되는 토피고와 지간에 따라 하중저항시스템이 달라진다. 파형강관의 직경에 비해 일정토피 이하로 시공할 경우, 완전한 흙-구조물 합성구조계로 거동하지 않아 완전한 연성관의 거동을 기대할 수 없지만, 충분한 토피고가 시공되어질 때 파형강관은 연성관의 토압분포에 따른 거동과 유사하게 거동하는 것으로 판단된다.
- 5. 관직경과 두께가 다른 3가지의 파형강관에 발생하는 최대응력을 비교하여 사하중에 의해 발생하는 응력과 활하중에 의해 발생하는 응력의 합이 허용응력을 초과하지 않는 범위에서 사용 가능한 토피고를 나타내었고, 이때, 파형강관의 직경에 상관없이 발생하는 응력의 합이 최소가 되는 적정토피두께는 2m로 나타났다.
- 각 직경별로 토피고에 따른 최대응력과 허용응력을 비교하여 허용응력 설계법에 만족하는 최소토피고와 최대토피고를 표 6에 나타내었고, 한국도로공사에서 발간한 도로공사 설계요령집의 표 2와 비교해본 결과, 유한요소 해석결과가 한국도로공사 설계요령집에서 제시한 값보다 다소 보수적인 것을 알 수 있다. 이것은 본 연구에서는 해외규정들을 고려하여 상대다짐도 90%일때의 물성치를 이용하였고, 한국도로공사에서는 파형강관의 뒷채움 재료의 다짐도가 95%이상 되도록 제안하고 있기 때문에 뒷채움 재료의 다짐도 차이에서 발생한 오차라고 판단된다.
- 이에 비해 활하중에 의한 영향은 토피고가 증가함에 따라 감소하였다. 또한 파형강관의 직경이 작아질수록 파형강관에 발생하는 축력은 일정하게 감소하였다.
- 이는 시공단계를 모사함에 있어 단계별 성토시 파형강관의 측면에 작용하는 수동토압에 의해 발생하는 연직변위 증가량이 파형강관 상부에 작용하는 연직토압에 의한 연직변위 감소량보다 크기 때문이다. 또한, 토피고가 낮을수록 활하중의 영향은 크게 나타나며, 토피고가 높아질수록 활하중의 영향보다 토피고에 의한 사하중의 영향이 거동을 지배하는 특성을 나타내고 있다.
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