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문제 정의
- 이 연구는 발파해체공법중 전도공법을 적용하여 원통형 콘크리트 사일로 구조물을 해체시공하기 위한 발파전 단계인 사전취약화와 관련된 것으로, 시공단계별 사전취약화에 따른 단면에 대해 구조검토를 실시하여 공법의 적용 가능성에 대해 평가하였다.
가설 설정
- 18, 단위중량(wc)는 23kN/m3을 각각 적용하였다. 경계조건은 구조물의 하단을 고정으로 가정하였고 하중은 콘크리트 사일로 자중과 풍하중을 조합하여 재하하였다. 풍하중은 지역의 특성을 고려하기 위해 현행설계기준(건축구조설계기준, 2006)을 참고하여 1.
- 5 참조)에서 검토 위치까지의 수직거리, Ix는 단면2차모멘트, I은 자중 작용점과 단면의 중심 사이의 거리이다. 안전성 검토시 콘크리트 압축강도와 인장강도는 구조물 설계도서를 참조하여 압축강도와 휨인장강도를 각각 30MPa, 4.3MPa(fck/7)으로 가정하여 적용하였다. 안전성 검토결과 구조물 단면에 발생하는 응력을 정리하여 Table 2에 나타내었다.
제안 방법
- 구조검토를 위한 해석은 2단계에 걸쳐 실시하였다. 1단계에서는 사전취약후 구조물의 자중 및 풍하중에 따른 구조물의 거동을 예측하였으며, 2단계에서는 발파후 구조물의 자중, 풍하중 및 단면감소에 의한 단면내 도심축의 이동에 따른 구조거동을 조사 분석하여 구조물의 전도 가능성을 예측하였다.
- 80m로 링거더와 콘의 일부를 함께 전면파쇄하여 사전취약 하였다. 2단계에서는 발파 후 전도방향 반대쪽 내력벽의 11.0m 지점의 일부를 절단하여 붕괴를 유도 하였으며, 3단계에서는 전도방향 반대쪽 내력벽의 약 7.0m 지점을 일부 절단하여 최종붕괴가 유도되도록 계획하였다.
- 결정된 전도방향에 따른 사전취약화를 계획하였다. 사전취약화 작업에 따른 시공전, 후 및 발파후의 단면을 Fig.
- 유한요소해석 결과를 조사된 각 시공단계별 최대취약단면을 대상으로 구조검토를 실시하였다. 구조검토를 위한 해석은 2단계에 걸쳐 실시하였다. 1단계에서는 사전취약후 구조물의 자중 및 풍하중에 따른 구조물의 거동을 예측하였으며, 2단계에서는 발파후 구조물의 자중, 풍하중 및 단면감소에 의한 단면내 도심축의 이동에 따른 구조거동을 조사 분석하여 구조물의 전도 가능성을 예측하였다.
- 구조물의 전도방향은 Fig. 3에서 보여주는 바와 같이 단면의 Y축 방향으로 결정되었으며, 원통형 콘크리트 사일로 구조물의 구조형식 및 치수 등을 고려하여 전도공법을 적용할 수 있도록 사전취약화를 계획하였다. 사전취약화 작업에서는 전도방향의 원통형 쉘과 링거더의 일부를 취약화하였다.
- 구조형식은 Fig. 2(b), (c)에서 각각 보이는 바와 같이 쉘 형태의 내력벽과 구조물하부의 내부기본골조로 이루어진 철근콘크리트 구조물이다. 구조물하부의 내부기본 골조와 내부기본골조사이의 내력벽이 구조물의 자중, 풍하중 및 기타 하중요소 모두를 지지하는 형태이며, 계획된 전도방향에 따라 최 등(2008)이 제안한 방법을 참고하여 계산된 사전취약화 가능면적을 내부기본 골조사이의 내력벽을 순차적으로 먼저 사전취약화를 실시하였다.
- 사전취약화 작업에서는 전도방향의 원통형 쉘과 링거더의 일부를 취약화하였다. 또한 사일로 내부에 설치된 시설물이 붕괴거동에 영향을 미치지 않게 하기 위해 구조부재 및 계단의 일부를 절단 시공하였다.
- 먼저, 시공단계별 변화하는 단면의 특성을 조사 및 분석 하였으며, 유한요소해석을 실시하여 구조적으로 최대취약단면의 위치를 조사하였다. 조사된 최대취약단면에 대해 현행시방규정에 따라 구조검토를 각각 실시하였다.
- 6은 이 연구에서 고려되고 있는 콘크리트 사일로의 발파 후 구조물의 붕괴 거동을 예측한 그림이다. 발파 후 콘크리트 사일로는 총 3단계에 걸쳐 붕괴될것으로 예측하였으며, 이를 위해 사전취약화도 총 3단계에 걸쳐 실시하였다. 1단계에서는 전도방향에 따라 콘크리트 사일로의 하부로 부터 높이 약 11.
- 사전취약 계획 및 구조안전성 검토를 실시한 후 Fig. 8에서 보여주는 바와 같이 사전취약화 작업을 실시하였고 계획대로 성공적으로 발파가 이루어졌다.
- 사전취약화전, 후 및 발파후 원통형 콘크리트 사일로 구조물의 가장 취약한 단면의 높이방향 위치를 파악 하여 각 시공단계별 단면을 검토하고자 유한요소해석을 실시하였다. 이 연구에서 고려하고 있는 직경 22.
- 유한요소해석 결과를 조사된 각 시공단계별 최대취약단면을 대상으로 구조검토를 실시하였다. 구조검토를 위한 해석은 2단계에 걸쳐 실시하였다.
- 사전취약화전, 후 및 발파후 원통형 콘크리트 사일로 구조물의 가장 취약한 단면의 높이방향 위치를 파악 하여 각 시공단계별 단면을 검토하고자 유한요소해석을 실시하였다. 이 연구에서 고려하고 있는 직경 22.0m, 24.0m의 원통형 콘크리트 사일로의 경우 적용하는 사전취약화 시공방법이 유사하므로 유한요소해석에서는 직경 22.0m인 원통형 콘크리트 사일로에 대해서만 실시하여 구조물의 거시적 거동의 경향을 파악하고 해석결과를 직경 24.0m인 원통형 콘크리트 사일로에도 동일하게 적용하고자 한다(박 훈, 2008b).
- 이 연구에서는 원통형 콘크리트 사일로 구조물의 발파해체를 위한 시공계획의 일부를 소개하고 유한요소해석법을 이용하여 각 시공단계별 구조물의 거시적 거동특성을 분석하였으며, 분석결과를 이용하여 가장 취약단면으로 예상되는 단면에 대해 구조검토를 실시하여 사전취약화전, 후 및 발파후 구조물의 안전성 및 전도공법의 적용가능 유무를 조사하였다. 사전취약 설계 후 발파시공이 성공적으로 수행되었으며 전도공법의 적절성을 확인할 수 있었다.
- 먼저, 시공단계별 변화하는 단면의 특성을 조사 및 분석 하였으며, 유한요소해석을 실시하여 구조적으로 최대취약단면의 위치를 조사하였다. 조사된 최대취약단면에 대해 현행시방규정에 따라 구조검토를 각각 실시하였다. 구조해석 결과 이 연구에서 고려한 사전 취약 방법을 적용할 경우 원통형 콘크리트 사일로 구조물은 압축에 대해서는 안전하고 발파시공 최종단계인 발파후 단계에서 휨파괴가 유도되어 구조물은 전도 될 것이라 예측할 수 있었다.
대상 데이터
- 7에서 보여주는 바와 같이 사전취약 전에는 구조물 상단으로부터 하부 개구부 시점에서 최대응력이 발생하였으며, 사전취약후 및 발파후에는 구조물의 전도 반대방향 최하단에서 최대응력이 발생함을 관찰 할 수있었다. 따라서 사전취약전에는 구조물의 하단 개구부 시점에 위치한 단면, 사전취약후 및 발파후에는 구조물 최하단면을 대상으로 구조검토를 실시하였다.
- , 2008)하였다. 유한요소해석에 사용된 콘크리트 재료의 역학적 성질 중 압축강도(fck)는 설계도면을 참조하여 30MPa을 적용하였다. 결정된 콘크리트압축강도를 국내설계기준(콘크리트 구조 설계기준 해설, 2007)에 적용하여 탄성계수(Ec)는 29GPa, 포아송비(ν)는 0.
- 이 연구에서 고려한 원통형 콘크리트 사일로는 총 2개이며, 2009년 발파 시공한 구조물(인천광역시 영종도 소재)이다. 구조물의 형태는 Fig.
데이터처리
- 실제 구조물의 치수를 해석에 정확하게 반영하기 위해 AutoCAD 2008을 사용하여 모델링 하였으며, 상용 구조해석 프로그램인 ANSYS Ver. 11을 사용하여 해석(ANSYS Inc., 2008)하였다. 유한요소해석에 사용된 콘크리트 재료의 역학적 성질 중 압축강도(fck)는 설계도면을 참조하여 30MPa을 적용하였다.
이론/모형
- 결정된 콘크리트압축강도를 국내설계기준(콘크리트 구조 설계기준 해설, 2007)에 적용하여 탄성계수(Ec)는 29GPa, 포아송비(ν)는 0.18, 단위중량(wc)는 23kN/m3을 각각 적용하였다.
- 이러한 시공계획을 위해 콘크리트 구조설계기준 (2007)을 참조하여 구조해석을 실시하였다. 자중(Wd)은 식 (1)을 이용하여 구했고, 식 (1)에서 V는 콘크리트 사일로의 부피이고 we는 콘크리트의 단위질량이다.
- 경계조건은 구조물의 하단을 고정으로 가정하였고 하중은 콘크리트 사일로 자중과 풍하중을 조합하여 재하하였다. 풍하중은 지역의 특성을 고려하기 위해 현행설계기준(건축구조설계기준, 2006)을 참고하여 1.73kPa로 결정하였다.
성능/효과
- 조사된 최대취약단면에 대해 현행시방규정에 따라 구조검토를 각각 실시하였다. 구조해석 결과 이 연구에서 고려한 사전 취약 방법을 적용할 경우 원통형 콘크리트 사일로 구조물은 압축에 대해서는 안전하고 발파시공 최종단계인 발파후 단계에서 휨파괴가 유도되어 구조물은 전도 될 것이라 예측할 수 있었다. 사전취약 시공후 발파시공이 성공적으로 이루어졌으며, 이를 통해 이 연구에서 고려한 원통형 콘크리트 사일로 구조물외 이와 유사한 형태의 구조물의 발파시공에도 이 연구에서 적용한 방법을 적용하여 사전취약 시공을 실시 할 수 있을 것으로 생각된다.
- 안전성 검토결과 Table 2에서 보여주는 바와 같이 사전취약화후, 발파후의 각 단면에서 발생되는 압축 응력은 콘크리트의 설계기준압축강도인 30MPa보다 낮은 상태에 있음이 관찰되었으며, 이를 볼 때 원통형 콘크리트 사일로 구조물은 전체 시공과정에 걸쳐 압축에 대해서는 안전할 것으로 예측되었다. 또한, 발파후 Fig. 4, 5에서 보여준 바와 같이 단면의 도심축이 이동되어 자중에 의한 휨응력이 크게 발생하였으며, D=22.0m, 24.0m인 원통형 콘크리트 사일로 구조물에 각각 -58.81MPa, -43.17MPa가 발생하였으며, 이는 가정한 휨인장강도 4.3MPa를 초과하는 값을 나타냄으로 원통형 콘크리트 사일로 구조물은 휨파괴에 의한 전도가 유도될 것임을 예측할 수 있었다. 이러한 이유는 발파후 단면의 도심이 이동하여 자중에 의한 휨모멘트가 크게 발생되었기 때문이라고 생각된다.
- 이 연구에서는 원통형 콘크리트 사일로 구조물의 발파해체를 위한 시공계획의 일부를 소개하고 유한요소해석법을 이용하여 각 시공단계별 구조물의 거시적 거동특성을 분석하였으며, 분석결과를 이용하여 가장 취약단면으로 예상되는 단면에 대해 구조검토를 실시하여 사전취약화전, 후 및 발파후 구조물의 안전성 및 전도공법의 적용가능 유무를 조사하였다. 사전취약 설계 후 발파시공이 성공적으로 수행되었으며 전도공법의 적절성을 확인할 수 있었다.
- 안전성 검토결과 Table 2에서 보여주는 바와 같이 사전취약화후, 발파후의 각 단면에서 발생되는 압축 응력은 콘크리트의 설계기준압축강도인 30MPa보다 낮은 상태에 있음이 관찰되었으며, 이를 볼 때 원통형 콘크리트 사일로 구조물은 전체 시공과정에 걸쳐 압축에 대해서는 안전할 것으로 예측되었다. 또한, 발파후 Fig.
- 유한요소해석을 실시한 결과 사전취약화전, 후 및 발파후의 구조물의 면내응력을 조사한 결과를 Fig. 7에서 보여주는 바와 같이 사전취약 전에는 구조물 상단으로부터 하부 개구부 시점에서 최대응력이 발생하였으며, 사전취약후 및 발파후에는 구조물의 전도 반대방향 최하단에서 최대응력이 발생함을 관찰 할 수있었다. 따라서 사전취약전에는 구조물의 하단 개구부 시점에 위치한 단면, 사전취약후 및 발파후에는 구조물 최하단면을 대상으로 구조검토를 실시하였다.
후속연구
- 구조해석 결과 이 연구에서 고려한 사전 취약 방법을 적용할 경우 원통형 콘크리트 사일로 구조물은 압축에 대해서는 안전하고 발파시공 최종단계인 발파후 단계에서 휨파괴가 유도되어 구조물은 전도 될 것이라 예측할 수 있었다. 사전취약 시공후 발파시공이 성공적으로 이루어졌으며, 이를 통해 이 연구에서 고려한 원통형 콘크리트 사일로 구조물외 이와 유사한 형태의 구조물의 발파시공에도 이 연구에서 적용한 방법을 적용하여 사전취약 시공을 실시 할 수 있을 것으로 생각된다.
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