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문제 정의
- 강관다단그라우팅공법에 사용되는 일반강관과 이형 철근 HD13, 3열을 부착한 철근 보강형강관과의 구조적인 휨 강성을 비교하기 위하여 이론적 검토를 실시하였다. 그림 10에서 A와 B지점의 반력은 식 (4)와 깉p] Ra와 Rb로 나타낼 수 있으며 공액보의 하중 Ri 와 는 식 (5)와 같이 나타낼 수 있다.
- 따라서 본 연구에서는 강관다단그라우팅공법에 사용되는 일반강관과 철근 보강형 강관의 구조적 휨 강성을 비교하기 위한 이론적검증과 휨강도 실내시험, 3차원 수치해석을 실시히-여 강관보강(철근)다단그라우팅에 대한 보강 효과를 검증하였다.
- 본 연구는 강관다단그라우팅공법에 사용하는 일반 강관과 철근 보강형 강관의 구조적 휨강성을 비교하기 위하여 이론해와 실내시험에 의한 비교.분석을 실시하였으며 이를 검증하기 위한 3차원 유한요소해석을 실시하였다.
제안 방법
- 0 m 철근 보강형 강관과 길이 3.0 m 철근 보강형 강관을 이용하여 그림 5의 (a), (b)와 같이 이형철근의 방향을 정삼각형 방향과 역삼각형 방향으로 나누어 압축 실험장비의 액츄레이터 중앙으로 설치한 하중을 재하 흐]였다 변위제어속도 7.2 mm/min을 입력 후 액츄레이터를 철근 보강형 강관과 완전히 접촉시키고 변위 제어방식을 선택하였으며 실험 전경은 그림 6과 같이 압축실험 장치에 철근 보강형 강관을 설치한 후 압력을 가하여 데이터를 측정하였다.
- 3개의 Case를 적용하여 터널의 천단 변위와 숏크리트의휨 압축응력을 측정하였으며 적용(%se는 표 1과 같다
- 구조적 휨 강성을 파악하기 위해 이론적 해석 방법으로 강관다단그라우팅공법에 일반적으로 사용하는 강관과 철근 보강형 강관을 각각 길이 1-0 m, 3.0 m의 처짐량을 계산하여 일반 강관과 철근 보강형 강관을 흐} 중변위 그래프를 통해 비교.분석해 보았다.
- 44 m로 설정하여 그림 14와 같이 각 Case별로 3차원 터널의 요소망을 생성하였다. 굴착단계는 실제 터널 시공을 고려한 상하 분할 굴착으로 굴진 장은 1.0 m로 하였으며 막장간 이격거리는 L0 m로 적용하여 수치해석을 수행하였다.
- 본 실험은 변위제어방식을 선택하여 4-point 휨강도실험을 실시하였다.
- 본 해석에서는 지반 크기를 가로 80.0 m, 세로 80.0 m, 높이 80.0 m 터널의 직경 8.44 m로 설정하여 그림 14와 같이 각 Case별로 3차원 터널의 요소망을 생성하였다. 굴착단계는 실제 터널 시공을 고려한 상하 분할 굴착으로 굴진 장은 1.
- 실험방법은 1.0 m와 3.0 m의 철근 보강형 강관에 이형철근을 정심긱형 방향과 역삼각형 방향으로 배설하여 하중에 따른 변위를 측정하였다.
- 일반강관과 철근 보강형 강관의 단면형상은 그림 15 와 깉이 적용하였다 또한 해석에 사용한 지반은 풍화토지 반으로 설정하였으며 일반 강관과, 철근 보강형 강관, 숏크리트 락볼트의 물성치는 지질조사 보고서와 실내 실험문헌 등을 참고하여 표 3과 같이 적용하였다.
- 강관의 휨강도를 측정하였다. 일반강관과 철근보강형 강관의 휨강도 비교를 위하여 압축실험장 비를 사용하여 하중을 재하 하였으며 철근 보강용 강관의 이형철근의 배치에 따른 보강효과를 검토하기 위하여 정삼각형 방향과 역삼각형 방향으로 설치한 후 휨강도 실험을 실시하여 비교하였다.
- 철근 보강형 강관에 설치된 이형철근의 방향을 정삼각형 방향과 역삼각형 방향으로 설치하여 그림 7과 깉이하중에 따른 변위량을 측정하였다
- 철근 보강형 강관의 휨강성을 검토하기 위하여 일반 강관과 철근 보강형 깅관에 대한 2차모멘트 값을 이론적으로 비교 검토하였다.
- 휨강성 분석결괴-를 이용하여 실제 터널보강효과를 검증하기 위하여 강관으로 보강을 하지 않은 터널과 일반 강관으로 보강한 터널, 철근 보강형 강관으로 보강한 터널로 나누어 유한요소해석 프로그램인 Visual FEA를사용하여 3차원 수치해석을 실시하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용된 철근 보강형 강관은 강관의 외주 면에 보강용 이형철근을 길이방향으로 복수개 고정시켜 철근보강형 강관의 휨강도를 측정하였다. 일반강관과 철근보강형 강관의 휨강도 비교를 위하여 압축실험장 비를 사용하여 하중을 재하 하였으며 철근 보강용 강관의 이형철근의 배치에 따른 보강효과를 검토하기 위하여 정삼각형 방향과 역삼각형 방향으로 설치한 후 휨강도 실험을 실시하여 비교하였다.
데이터처리
- 이론해와 실내시험에 의한 비교.분석을 실시하였으며 이를 검증하기 위한 3차원 유한요소해석을 실시하였다. 그 결과 다음과 같다.
성능/효과
- 1. 이론해에서 길이 1.0 이의 일반강관과 철근 보강형 강관의 변위 비교결과 하중 65.0 kN 일 때 일반강 관의 변위량은 13.45 mm로 나타났으며 철근 보강형 강관의 경우 8.13 mm 나타났다. 또한 3.
- 1.0 m 강관에 이론해에 의한 분석결과 그림 11과 같이 동일 하중인 65.0 kN을 재하 하였을 경우 일반 강관과 철근 보강형 강관의 변위량은 13.45 mm와 8.13 mm로 계산되었으며 일반강관에 비해 철근 보강형 강관의 변위가 약 40% 감소되는 것으로 나타났다.
- 2. 휨강도 실험결과 길이 1.0 m 철근 보강형 강관의 정삼각형 방향일 경우 최대 항복하중 68.6 kN 일 때 변위량은 26.1 mm로 측정되었으며 역삼각형 방향일 경우 최대 항복하중 70.9 kN 일 때 변위량은 23.12 mm로 측정되었다. 또한 길이 3.
- 3. 휨강성 분석결과를 이용하여 실제터널 보강 효과를 검증하기 위한 수치해석결 강관 미적용시와 비교하여 일반강관과 철근보강형 강관의 보강효과는 변위의 경우 일반강관이 7.13%, 철근 보강형 강관이 9.30% 감소하는 것으로 나타났다. 또한 숏크리트 휨 압축 응력은 일반강관이 13.
- Case별 숏크리트에 휨 압축응력을 분석해 본 결과 그림 19와 같이 강관 미 적용시 최종굴착단계에서 숏크리트 휨 압축응력은 4.43 MPa으로 발생되었으며 일반 강관과 철근 보강형 강관을 적용한 경우 3.84 MPa와 3.22 MPa로 발생되었다.
- 크게 측정되었다. 결론적 철근 보강형 강관을 사용하여 터널 천단을 보강 후 굴착하였을 경우 일반 강관을 사용했을 때보다 터널 천단의 변위값이 감소하는 것으로 나타났다
- 다음으로 3.0 tn 강관에 이론해에 의한 분석결과 그림 12와 같이 동일 하중인 10.0 kN을 재하 하였을 경우 일반 강관과 철근 보강형 강관의 변위량은 62.95 mm와 38.04 mm로 계산되었으며 일빈-강관에 비해 철근 보강형 강관의 변위가 약 40% 감소되는 것으로 나타났다. 이론해에 의한 변위산출결과 일반강관에 비해 철근 보강형 강관의 변위가 40% 감소하는 것으로 나타났다.
- 64 mm로 나타났다. 따라서 강관으로 보강하지 않은 터널의 최대 변위량을 기준으로 일반강관과 철근 보강형 강관을 사용한 터널의 최대 변위량을 비교해보면 일반 강관을 사용했을 경우 7-1% 감소하였으며 철근 보강형 강관의 경우 9.3% 변위가 감소하는 것으로 나타났다.
- 13 mm 나타났다. 또한 3.0 m의 일반 강관과 철근 보강형 강관의 변위 비교결과 하중 10.0 kN 일 때 일반강관의 변위량은 62.95 mm로 나타났으며 철근 보강형 강관은 38.04 mm로 나타났다. 일반 강관과 비교하여 철근보강형 강관의 변위값은 약 40% 감소하는 것으로 나타났다.
- 12 mm로 측정되었다. 또한 길이 3.0 m 철근 보강형 강관의 휨강도 실험결과 정삼각형 방향일 경우 최대 항복 하중 11.11 kN 일 때 변위량은 91.35 mm으로 측정되었으며 역삼각형 방향일 경우 최대 항복하중 12.11 kN 일 때 변위량은 74.5 mm로 측정되었다.
- 30% 감소하는 것으로 나타났다. 또한 숏크리트 휨 압축 응력은 일반강관이 13.32%, 철근보강형 강관이 27.30% 감소하는 것으로 나타났다.
- 수치해석 결과 모든 Case의 변위가 그림 16과 같이 굴착 2단계에서 증가하기 시작하여 굴착 20단계에서 최대 변위량이 나타났다 변위량은 철근 보강형 강관 적용 시 가장 작게 측정되었으며 강관 미 사용시 변위량이 가장 크게 측정되었다. 결론적 철근 보강형 강관을 사용하여 터널 천단을 보강 후 굴착하였을 경우 일반 강관을 사용했을 때보다 터널 천단의 변위값이 감소하는 것으로 나타났다
- 수치해석결과 종방향 철근 보강형 강관에 대한 변위 억제 효과는 미미하지만 숏크리트 휨압축응력의 감소는 큰 것으로 검토되었다.
- 04 mm로 계산되었으며 일빈-강관에 비해 철근 보강형 강관의 변위가 약 40% 감소되는 것으로 나타났다. 이론해에 의한 변위산출결과 일반강관에 비해 철근 보강형 강관의 변위가 40% 감소하는 것으로 나타났다.
- 이형철근을 정삼각형 방향과 역삼각형 방향으로 설치한 후 최대 항복하중과 최대 변위를 비교한 결과 최대항복 하중과 최대 변위의 차는 2.3 kN과 2.89 mm로 미미한 것으로 나타났다. 이는 이론해에서 설명한 것과 같이 보강형 철근의 강관과 강관에 부착된 철근 3개의 2차 모멘트의 합이 120° 간격으로 회전하여 일정하므로 설치 방향에 큰 영향이 없는 것으로 판단된다.
- 04 mm로 나타났다. 일반 강관과 비교하여 철근보강형 강관의 변위값은 약 40% 감소하는 것으로 나타났다..
- 98 MPa 발생되었다. 일반 강관과 철근 보강형 강관 적용시 10단계까지 휨 압축응력이 급격히 증가하여 10단계에서 각각 5.46 MPa와 4.85 MPa 발생된 후 굴착 20단계까지 서서히 감소하는 것-으류 나타났다.
- 최대 변위량은 무보강시 84.53 mm, 일반 강관과 철근 보강형 강관 사용시 78.50 mm와 76.64 mm로 나타났다. 따라서 강관으로 보강하지 않은 터널의 최대 변위량을 기준으로 일반강관과 철근 보강형 강관을 사용한 터널의 최대 변위량을 비교해보면 일반 강관을 사용했을 경우 7-1% 감소하였으며 철근 보강형 강관의 경우 9.
후속연구
- 큰 것으로 나타났으다. 본 연구는 실내실험과 수치해석을 통하여 철근보강형 강관의 휨강성을 분석한 것으로 실제 시공현장의 적용성에 대한 추가 연구가 진행되어 진다면 경제성 및 안정성 확보가 유리한 터널 보강공법의 발전을 이룰 수 있을 것으로 판단되어진다.
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