본 논문은 터널건설로 인해 발생된 인접지반에서의 지반변위가 프레임구조물에 미치는 영향을 터널 시공조건(지반손실)을 달리하면서 조사한 것이다. 터널굴착에 의해 발생된 지반변위에 노출된 4층 오픈 프레임구조물과 블록으로 채워진 프레임구조물이 서로 다른 시공조건(지반손실)에 노출될 때 발생되는 구조물 거동을 수치해석을 통해 조사하였다. 오픈 프레임구조물은 탄성구조물로서 모델링 한 반면, 블록으로 채워진 프레임구조물은 소요전단 및 인장강도 이상의 응력이 발생할 때 구조물에 실제크랙이 발생할 수 있도록 모델링하였다. 터널굴착유발 지반변위에 노출된 두 서로 다른 프레임구조물의 거동 및 손상정도를 터널 시공조건에 따라 조사하였으며, 발생된 구조물의 거동 및 손상정도는 구조물에 발생한 변형, 크랙크기 및 분포를 고려하여 서로 비교하였다. 뿐만 아니라, 다양한 시공조건(지반손실)의 변화에 의해 구조물에 유발될 수 있는 손상정도의 크기를 손상도 예측기준(Son and Cording, 2005)을 사용하여 제시하였다. 이러한 결과들은 향후 터널굴착으로 인해 유발되는 인접 프레임구조물의 손상을 제어하고 최소화하는데 필요한 정보를 제공할 것이다.
본 논문은 터널건설로 인해 발생된 인접지반에서의 지반변위가 프레임구조물에 미치는 영향을 터널 시공조건(지반손실)을 달리하면서 조사한 것이다. 터널굴착에 의해 발생된 지반변위에 노출된 4층 오픈 프레임구조물과 블록으로 채워진 프레임구조물이 서로 다른 시공조건(지반손실)에 노출될 때 발생되는 구조물 거동을 수치해석을 통해 조사하였다. 오픈 프레임구조물은 탄성구조물로서 모델링 한 반면, 블록으로 채워진 프레임구조물은 소요전단 및 인장강도 이상의 응력이 발생할 때 구조물에 실제크랙이 발생할 수 있도록 모델링하였다. 터널굴착유발 지반변위에 노출된 두 서로 다른 프레임구조물의 거동 및 손상정도를 터널 시공조건에 따라 조사하였으며, 발생된 구조물의 거동 및 손상정도는 구조물에 발생한 변형, 크랙크기 및 분포를 고려하여 서로 비교하였다. 뿐만 아니라, 다양한 시공조건(지반손실)의 변화에 의해 구조물에 유발될 수 있는 손상정도의 크기를 손상도 예측기준(Son and Cording, 2005)을 사용하여 제시하였다. 이러한 결과들은 향후 터널굴착으로 인해 유발되는 인접 프레임구조물의 손상을 제어하고 최소화하는데 필요한 정보를 제공할 것이다.
This paper investigates the response of frame structures with the consideration of tunnel construction (ground loss) conditions. The response of four-story open frame structure and block-infilled frame structures, which are subjected to tunnelling-induced ground movements, has been investigated in d...
This paper investigates the response of frame structures with the consideration of tunnel construction (ground loss) conditions. The response of four-story open frame structure and block-infilled frame structures, which are subjected to tunnelling-induced ground movements, has been investigated in different construction (ground loss) conditions using numerical analysis. The open frame structure has been modelled as an elastic structure, while the block-infilled frame structure has been modelled to have real cracks when the shear and tensile stress exceed the maximum shear and tensile strength. The response of the two different frame structures has been investigated in terms of construction (ground loss) conditions considering the magnitude of deformations and cracks in structures. In addition, the damage levels, which are possibly induced in the structures, has been provided in terms of construction (ground loss) conditions using the state of strain damage estimation criterion (Son and Cording, 2005). The results of this study will provide a background for better understandings for controlling and minimizing building damage on nearby frame structures due to tunnelling-induced ground movements.
This paper investigates the response of frame structures with the consideration of tunnel construction (ground loss) conditions. The response of four-story open frame structure and block-infilled frame structures, which are subjected to tunnelling-induced ground movements, has been investigated in different construction (ground loss) conditions using numerical analysis. The open frame structure has been modelled as an elastic structure, while the block-infilled frame structure has been modelled to have real cracks when the shear and tensile stress exceed the maximum shear and tensile strength. The response of the two different frame structures has been investigated in terms of construction (ground loss) conditions considering the magnitude of deformations and cracks in structures. In addition, the damage levels, which are possibly induced in the structures, has been provided in terms of construction (ground loss) conditions using the state of strain damage estimation criterion (Son and Cording, 2005). The results of this study will provide a background for better understandings for controlling and minimizing building damage on nearby frame structures due to tunnelling-induced ground movements.
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문제 정의
본 논문은 터널굴착으로 발생하는 지반변위에 의해 영향을 받는 프레임구조물의 거동을 시공조건(지반손실) 및 구조물의 특성에 따라 수치해석을 실시하여 분석함으로써 향후 터널굴착에 따른 프레임구조물의 피해를 최소화 하는데 도움이 되고자 하였으며, 본 연구를 통해서 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구는 조밀한 모래지반에서 서로 다른 터널 시공조건(지반손실량)에 노출된 4층 오픈 프레임구조물과 블록으로 채워진 프레임구조물에 대한 터널굴착유발 지반변위의 영향을 파악하기 위하여 수치해석적 방법을 이용하였다. 수치해석은 2차원 UDEC(UDEC3.
가설 설정
주어진 터널조건에 대해 시공조건을 반영하여 발생되는 지반변위로 인한 4층 오픈 프레임구조물과 블록으로 채워진 프레임구조물의 거동을 수치해석을 통해 파악하였다. 다양한 조건 중 해석에 고려된 지반손실은 0.17%, 0.5% 및 1%을 가정하였으며 그로부터 발생된 구조물의 거동비교를 아래와 같이 정리하였다.
개별 요소법에 근거한 이 프로그램은 특히 블록식구조물에 균열 발생과 균열발생이후 구조물의 거동을 잘 묘사할 수 있는 특징이 있다. 오픈 프레임구조물은 탄성체 구조물로서 가정하여 모델링 하였으며 블록으로 채워진 프레임구조물의 외부 프레임은 탄성체로 가정하여 모델링 한 반면, 내부블록들은 탄성체의 개별블록들로 모델링 하였고, 각 블록은 몰타르의 성질을 나타내는 조인트요소에 의해 서로 연결되도록 하였다. 조인트요소는 주어진 전단강도 또는 인장강도이상의 응력조건에서 블록과 블록사이에 슬립 및 분리가 일어날 수 있도록 Coulomb slip모델을 이용하여 모델링하였다.
수치해석을 수행함에 있어서 터널굴착의 전 과정이 묘사되는 대신에 터널굴착으로 인해 지표면에 발생되는 것으로 추정되는(에러함수 이용) 지반변위를 구조물 아래에 유한두께를 가지고서 모델링된 탄성지반요소에 변위로서 적용하였다(그림 1). 이 때 적용된 지반변위는 쉴드토사터널의 일반적 경우에 해당하는 터널조건(깊이 20m, 직경 6m)을 가정하여 예측된 지반변위를 사용하였다. 이와 더불어 구조물의 위치는 터널굴착으로 인해 가장 큰 지반변위의 영향에 노출될 수 있도록 구조물의 한 쪽 끝이 터널 중심선 상에 위치하는 것으로 가정하였다(그림 2 참조).
수치해석을 위해 사용된 지반변위(침하 및 수평변위)는 주어진 터널조건에 대해 시공조건을 고려하여 기존의 경험적인 방법인 Peck(1969) 및 O’reilly and New(1982)의 방법에 의해 결정되었다(그림 3 참조). 이 때, 터널주변에서 발생되는 지반 손실량은 지표면에서 발생되는 총 침하부피량과 같다고 가정하였다. 또한, 지표면에서 발생되는 최대 수평변위량은 기존의 연구결과를 토대로 최대 침하량의 35%로 적용하였다.
이 때 적용된 지반변위는 쉴드토사터널의 일반적 경우에 해당하는 터널조건(깊이 20m, 직경 6m)을 가정하여 예측된 지반변위를 사용하였다. 이와 더불어 구조물의 위치는 터널굴착으로 인해 가장 큰 지반변위의 영향에 노출될 수 있도록 구조물의 한 쪽 끝이 터널 중심선 상에 위치하는 것으로 가정하였다(그림 2 참조). 수치해석을 위해 사용된 지반변위(침하 및 수평변위)는 주어진 터널조건에 대해 시공조건을 고려하여 기존의 경험적인 방법인 Peck(1969) 및 O’reilly and New(1982)의 방법에 의해 결정되었다(그림 3 참조).
지반요소의 두께는 지반-구조물의 상호작용이 충분히 나타날 수 있고 지반요소의 하단에 적용된 지반변위의 형태와 크기가 구조물이 없다고 가정했을 때 상단에 동일한 형태와 크기를 가지고 나타날 수 있도록 결정되었다. 지반과 구조물 사이의 인터페이스 요소는 주어진 강도 이상의 응력조건에서 구조물과 지반사이에 슬립 및 분리가 일어날 수 있도록 Coulomb slip모델을 이용하여 모델링 되었으며, 이 때, 구조물과 지반사이의 수직강성은 어떤 특정두께의 인터페이스 매체가 구조물과 지반사이에 존재하지 않을 뿐더러 구조물과 지반의 접촉면에서 상대적인 관입 또한 발생하지 않는다고 가정하여 지반조건에 관계없이 충분히 큰 값으로 가정하였다. 하지만, 전단강성은 반무한 탄성지반조건에서 동일한 수평하중에 대해 동일한 수평변위가 발생토록 고려하기 위하여 Giroud(1969)의 방정식을 이용하여 결정되었다(Son, 2003).
제안 방법
따라서, 본 연구에서는 상기에서 언급한 바와 같이 터널의 시공조건 및 구조물 특성(오픈 프레임구조물과 블록으로 채워진 프레임구조물)에 대한 거동특성을 파악하여 인접 프레임구조물 평가에 활용케 하기위한 연구로서 터널 시공조건(지반손실) 및 구조물 특성을 달리하면서 이로부터 발생되는 구조물 거동을 분석할 뿐만 아니라, 터널 시공조건(지반손실) 및 프레임구조물 특성에 따라 구조물에 유발될 수 있는 손상정도를 변형률상태이론에 근거한 인접구조물 손상도 예측기준(Son and Cording, 2005)을 이용하여 서로 비교 및 평가할 것이다. 이러한 비교 및 평가로부터 얻어진 결과는 향후 터널굴착으로 인해 유발되는 인접 프레임구조물의 손상정도를 평가하여 예상되는 손상을 제어하고 최소화하는데 직접적으로 활용될 것으로 판단된다.
이 때, 터널주변에서 발생되는 지반 손실량은 지표면에서 발생되는 총 침하부피량과 같다고 가정하였다. 또한, 지표면에서 발생되는 최대 수평변위량은 기존의 연구결과를 토대로 최대 침하량의 35%로 적용하였다. 즉, 터널조건, 지반조건 및 시공조건(지반손실량)별 최대 침 하량(smax), 최대 수평변위량(shmax) 및 변곡점의 위치(i)를 결정하고 이를 이용해 Peck(1969)이 제시한 침하예측 에러함수와 O'reilly and New(1982)가 제시한 수평변위예측 에러 함수를 이용하여 침하곡선 및 수평변위 곡선을 결정한 후 구조물 하단 지반요소에 부여하였다.
이렇게 모델링한 구조물은 지반변위로 인해 구조물이 변형시, 블록들 사이에서 균열발생 뿐만 아니라 균열발생 후 점차 진행되는 진행성 균열과 큰 규모의 균열을 묘사할 수 있으며, 이를 통해 보다 현실적인 구조물의 거동을 파악할 수 있는 특징이 있다. 수치해석을 수행함에 있어서 터널굴착의 전 과정이 묘사되는 대신에 터널굴착으로 인해 지표면에 발생되는 것으로 추정되는(에러함수 이용) 지반변위를 구조물 아래에 유한두께를 가지고서 모델링된 탄성지반요소에 변위로서 적용하였다(그림 1). 이 때 적용된 지반변위는 쉴드토사터널의 일반적 경우에 해당하는 터널조건(깊이 20m, 직경 6m)을 가정하여 예측된 지반변위를 사용하였다.
주어진 터널조건에 대해 시공조건을 반영하여 발생되는 지반변위로 인한 4층 오픈 프레임구조물과 블록으로 채워진 프레임구조물의 거동을 수치해석을 통해 파악하였다. 다양한 조건 중 해석에 고려된 지반손실은 0.
즉, 터널조건, 지반조건 및 시공조건(지반손실량)별 최대 침 하량(smax), 최대 수평변위량(shmax) 및 변곡점의 위치(i)를 결정하고 이를 이용해 Peck(1969)이 제시한 침하예측 에러함수와 O'reilly and New(1982)가 제시한 수평변위예측 에러 함수를 이용하여 침하곡선 및 수평변위 곡선을 결정한 후 구조물 하단 지반요소에 부여하였다.
지반과 구조물의 모델링을 위해서 사용된 물성치는 표 1에 자세히 나타내었다. 표에서 사용한 조인트 및 인터페이스에 대한 물성치는 다양한 벽돌블록들에 대한 시험자료(Atkinson et al., 1989)와 여러 발표된 자료들(Page, 1978)을 토대로 결정하였다.
대상 데이터
이러한 개별요소법 등에 근거한 수치 해석 접근방법은 Son and Cording(2005)이 수행한 대형모형실험 결과와 수치해석을 통한 시뮬레이션 결과를 상호 비교함으로써 검증된 바 있다. 조밀한 모래지반의 탄성계수는 68.9MPa를 사용하였으며, 프와송비는 0.33을 사용하였다. 구조물에는 상재하중의 영향을 고려하기 위하여 구조물 자중의 총 1.
이론/모형
수치해석에 사용된 유한두께를 가진 지반의 탄성계수는 반 무한 탄성지반조건에서의 동일한 하중에 대해 동일한 침하가 발생하도록 Boussinesq의 방정식을 이용하여 결정하였다(Son, 2003). 지반요소의 두께는 지반-구조물의 상호작용이 충분히 나타날 수 있고 지반요소의 하단에 적용된 지반변위의 형태와 크기가 구조물이 없다고 가정했을 때 상단에 동일한 형태와 크기를 가지고 나타날 수 있도록 결정되었다.
본 연구는 조밀한 모래지반에서 서로 다른 터널 시공조건(지반손실량)에 노출된 4층 오픈 프레임구조물과 블록으로 채워진 프레임구조물에 대한 터널굴착유발 지반변위의 영향을 파악하기 위하여 수치해석적 방법을 이용하였다. 수치해석은 2차원 UDEC(UDEC3.1, 2000) 프로그램을 사용하였다. 개별 요소법에 근거한 이 프로그램은 특히 블록식구조물에 균열 발생과 균열발생이후 구조물의 거동을 잘 묘사할 수 있는 특징이 있다.
수치해석을 위해 사용된 지반변위(침하 및 수평변위)는 주어진 터널조건에 대해 시공조건을 고려하여 기존의 경험적인 방법인 Peck(1969) 및 O’reilly and New(1982)의 방법에 의해 결정되었다(그림 3 참조).
오픈 프레임구조물은 탄성체 구조물로서 가정하여 모델링 하였으며 블록으로 채워진 프레임구조물의 외부 프레임은 탄성체로 가정하여 모델링 한 반면, 내부블록들은 탄성체의 개별블록들로 모델링 하였고, 각 블록은 몰타르의 성질을 나타내는 조인트요소에 의해 서로 연결되도록 하였다. 조인트요소는 주어진 전단강도 또는 인장강도이상의 응력조건에서 블록과 블록사이에 슬립 및 분리가 일어날 수 있도록 Coulomb slip모델을 이용하여 모델링하였다. 이렇게 모델링한 구조물은 지반변위로 인해 구조물이 변형시, 블록들 사이에서 균열발생 뿐만 아니라 균열발생 후 점차 진행되는 진행성 균열과 큰 규모의 균열을 묘사할 수 있으며, 이를 통해 보다 현실적인 구조물의 거동을 파악할 수 있는 특징이 있다.
지반과 구조물 사이의 인터페이스 요소는 주어진 강도 이상의 응력조건에서 구조물과 지반사이에 슬립 및 분리가 일어날 수 있도록 Coulomb slip모델을 이용하여 모델링 되었으며, 이 때, 구조물과 지반사이의 수직강성은 어떤 특정두께의 인터페이스 매체가 구조물과 지반사이에 존재하지 않을 뿐더러 구조물과 지반의 접촉면에서 상대적인 관입 또한 발생하지 않는다고 가정하여 지반조건에 관계없이 충분히 큰 값으로 가정하였다. 하지만, 전단강성은 반무한 탄성지반조건에서 동일한 수평하중에 대해 동일한 수평변위가 발생토록 고려하기 위하여 Giroud(1969)의 방정식을 이용하여 결정되었다(Son, 2003). 이러한 개별요소법 등에 근거한 수치 해석 접근방법은 Son and Cording(2005)이 수행한 대형모형실험 결과와 수치해석을 통한 시뮬레이션 결과를 상호 비교함으로써 검증된 바 있다.
성능/효과
1. 지반손실 0.17%로부터 발생하는 지표면에서의 지반변위에 노출된 프레임구조물은 구조물의 특성과 관계없이 작은 지반변위로 인해 구조물이 탄성변형 영역내에서 거동함으로써 구조물에는 손상이 거의 발생하지 않는다는 것을 알 수 있다. 각 구조물에 발생한 각변위와 수평변형률을 고려할 때 손상도는 무시할 수 있는 것으로 나타났다.
2. 지반손실 0.5%로부터 발생하는 지표면에서의 지반변위에 노출된 오픈 프레임구조물과 블록으로 채워진 프레임구조물은 구조물의 강성차이로 인해 변형의 크기에서 차이가 있었지만, 전체적인 거동은 양 구조물 모두 탄성형태의 거동특성을 나타낸다는 것을 알 수 있었다. 각 구조물에서 발생한 각변위와 수평변형률을 고려할 때 오픈 프레임구조물은 매우 작은 손상, 블록으로 채워진 프레임구조물은 약간의 크랙이 발생했지만 여전히 무시할 수 있는 정도의 손상이 예상되는 것으로 나타났다.
3. 지반손실 1%로부터 발생하는 지표면에서의 지반변위에 노출된 오픈 프레임구조물에서는 0.5%의 지반손실때와 비교하여 보다 큰 변형이 발생한 것을 알 수 있으나, 블록으로 채워진 프레임구조물에서는 0.5%의 지반손실때와 비교하여 비록 변형 및 크랙이 증가하였지만 여전히 오픈 프레임 구조물 보다 작은 변형이 발생한 것을 확인할 수 있었다. 각 구조물에 발생한 각변위와 수평변형률을 고려할 때 두 구조물 모두 약간의 손상이 발생할 것으로 나타났다.
4. 터널굴착에 따른 프레임구조물의 거동은 주어진 터널조건에 대해서 지반손실의 크기(시공조건) 및 구조물의 특성에 따라서 손상정도가 다르게 발생할 수 있는 것으로 나타났다. 이러한 결과로부터 향후 터널굴착으로 인한 프레임구조물의 거동특성을 파악함에 있어서 프레임내의 블록 채움효과 및 프레임 자체의 구조물 거동에 대한 영향이 고려되어야 할 것으로 나타났다.
5%의 지반손실때와 비교하여 비록 변형 및 크랙이 증가하였지만 여전히 오픈 프레임 구조물 보다 작은 변형이 발생한 것을 확인할 수 있었다. 각 구조물에 발생한 각변위와 수평변형률을 고려할 때 두 구조물 모두 약간의 손상이 발생할 것으로 나타났다.
17%로부터 발생하는 지표면에서의 지반변위에 노출된 프레임구조물은 구조물의 특성과 관계없이 작은 지반변위로 인해 구조물이 탄성변형 영역내에서 거동함으로써 구조물에는 손상이 거의 발생하지 않는다는 것을 알 수 있다. 각 구조물에 발생한 각변위와 수평변형률을 고려할 때 손상도는 무시할 수 있는 것으로 나타났다.
5%로부터 발생하는 지표면에서의 지반변위에 노출된 오픈 프레임구조물과 블록으로 채워진 프레임구조물은 구조물의 강성차이로 인해 변형의 크기에서 차이가 있었지만, 전체적인 거동은 양 구조물 모두 탄성형태의 거동특성을 나타낸다는 것을 알 수 있었다. 각 구조물에서 발생한 각변위와 수평변형률을 고려할 때 오픈 프레임구조물은 매우 작은 손상, 블록으로 채워진 프레임구조물은 약간의 크랙이 발생했지만 여전히 무시할 수 있는 정도의 손상이 예상되는 것으로 나타났다.
5%로부터 발생하는 지표면에서의 지반변위에 노출된 오픈 프레임구조물과 블록으로 채워진 프레임구조물은 구조물의 강성차이로 인해 변형의 크기에서 차이가 있었지만, 전체적인 거동은 양 구조물 모두 Bay 1과 Bay 3에서 변형특성이 유사한 탄성형태의 거동특성을 나타낸다는 것을 알 수 있었다. 각 구조물에서 발생한 각변위와 수평변형률을 이용하여 구조물 손상도예측 기준(Son and Cording, 2005)에 따라 손상도를 예측해 보면 오픈 프레임구조물은 매우 작은 손상영역(VSL, Very Slight Damage, 그림 12의 c점 참조)에 위치하는 것으로 나타난 반면, 블록으로 채워진 프레임구조물은 약간의 크랙이 발생했지만 여전히 무시할 수 있는 손상영역(NEGL, Negligible Damage, 그림 7의 d점 참조)에 위치하는 것으로 나타났다.
부여된 지반변위와 구조물의 바닥에서 형성된 침하프로파일의 형태를 비교해 보면, 오픈 프레임구조물은 구조물의 강성이 크지 않아 부여된 지반변위의 형상과 유사하게 변형된 것을 알 수 있으며 블록으로 채워진 프레임구조물은 큰 강성으로 인하여 부여된 지반변위를 상당히 많이 변경시키면서 변형된 것을 알 수 있다. 각 구조물의 Bay 3에서 발생한 각변위와 수평변형률을 Bay 1에서의 그들과 비교해 보면 양 구조물 모두 Bay 1 및 Bay 3 두 영역에서 각변위와 수평변형률이 크게 차이가 나지 않는 것을 알 수 있으며, 이는 구조물들이 탄성변형과 유사한 변형을 겪었다는 판단할 수 있다. 탄성체로 가정된 오픈 프레임구조물과는 달리 블록으로 채워진 프레임구조물이 탄성거동과 유사한 거동을 나타낼 수 있었던 이유는 내부블록을 둘러싸고 있는 외부프레임이 내부블록을 구속하여 블록에서 발생된 크랙의 전달 및 확장이 차단되었기 때문인 것으로 판단된다.
01×10-3로서 두 구조물 모두 매우 작은 수평변형률이 구조물 상단에서 발생하였다. 각 구조물의 Bay 3에서 발생한 각변위와 수평변형률을 Bay 1에서의 그들과 비교해 보면 크게 차이가 나지 않는 것을 알 수 있으며, 이는 구조물에 큰 변형 및 크랙이 발생하지 않은 상태에서 구조물들이 탄성변형을 겪었다는 것을 판단할 수 있다. 다시 말해서, 지반손실 0.
탄성체로 가정된 오픈 프레임구조물과는 달리 블록으로 채워진 프레임구조물이 탄성거동과 유사한 거동을 나타낼 수 있었던 이유는 내부블록을 둘러싸고 있는 외부프레임이 내부블록을 구속하여 블록에서 발생된 크랙의 전달 및 확장이 차단되었기 때문인 것으로 판단된다. 결론으로, 지반 손실 0.5%로부터 발생하는 지표면에서의 지반변위에 노출된 오픈 프레임구조물과 블록으로 채워진 프레임구조물은 구조물의 강성차이로 인해 변형의 크기에서 차이가 있었지만, 전체적인 거동은 양 구조물 모두 Bay 1과 Bay 3에서 변형특성이 유사한 탄성형태의 거동특성을 나타낸다는 것을 알 수 있었다. 각 구조물에서 발생한 각변위와 수평변형률을 이용하여 구조물 손상도예측 기준(Son and Cording, 2005)에 따라 손상도를 예측해 보면 오픈 프레임구조물은 매우 작은 손상영역(VSL, Very Slight Damage, 그림 12의 c점 참조)에 위치하는 것으로 나타난 반면, 블록으로 채워진 프레임구조물은 약간의 크랙이 발생했지만 여전히 무시할 수 있는 손상영역(NEGL, Negligible Damage, 그림 7의 d점 참조)에 위치하는 것으로 나타났다.
그림에서 보는바와 같이 1%의 지반손실에 대해서 오픈 프레임구조물에서는 0.5%의 지반손실때와 비교하여 보다 큰 변형이 발생한 것을 알 수 있으나, 블록으로 채워진 프레임 구조물에서는 0.5%의 지반손실 때와 비교하여 비록 변형 및 크랙이 증가하였지만 여전히 오픈 프레임구조물보다 작은 변형이 발생한 것을 확인할 수 있다. 두 구조물의 Bay 1에 발생한 각 변위를 비교해 보면, 각각 2.
각 구조물의 Bay 3에서 발생한 각변위와 수평변형률을 Bay 1에서의 그들과 비교해 보면 크게 차이가 나지 않는 것을 알 수 있으며, 이는 구조물에 큰 변형 및 크랙이 발생하지 않은 상태에서 구조물들이 탄성변형을 겪었다는 것을 판단할 수 있다. 다시 말해서, 지반손실 0.17%로부터 발생하는 지표면에서의 지반변위에 노출된 구조물은 구조물의 특성과 관계없이 작은 지반변위로 인해 구조물이 탄성변형 영역내에서 거동함으로써 구조물에는 큰 변형이나 손상이 거의 발생하지 않는다는 것을 알 수 있다. 각 구조물에서 발생한 각변위와 수평변형률을 이용하여 구조물 손상도예측 기준(Son and Cording, 2005)에 따라 손상도를 예측해 보면 두 구조물 모두 무시할 수 있는 손상영역(NEGL, Negligible Damage)에 위치하는 것으로 나타났다(그림 7a 및 b 점 참조).
뿐만 아니라, 구조물에 발생한 수평변형률을 비교해 보면, 오픈 프레임구조물은 Bay 3의 하단에서 0.27×10-3, 블록으로 채워진 프레임구조물에서는 Bay 1의 하단에서 0.41×10-3로서 블록으로 채워진 프레임구조물에서 상대적으로 큰 수평변형률이 발생했음을 알 수 있다.
이상에서 조사된 바와 같이 터널굴착에 따른 프레임구조물의 거동은 주어진 터널조건에 대해서 지반손실의 크기(시공조건) 및 구조물의 특성에 따라서 손상정도가 다르게 발생할 수 있는 것으로 나타났다. 하지만 구조물의 전체적인 거동특성은 양 구조물 모두 프레임의 영향으로 인하여 탄성 형태의 거동특성을 나타내는 것을 알 수 있었다.
수치해석에 사용된 유한두께를 가진 지반의 탄성계수는 반 무한 탄성지반조건에서의 동일한 하중에 대해 동일한 침하가 발생하도록 Boussinesq의 방정식을 이용하여 결정하였다(Son, 2003). 지반요소의 두께는 지반-구조물의 상호작용이 충분히 나타날 수 있고 지반요소의 하단에 적용된 지반변위의 형태와 크기가 구조물이 없다고 가정했을 때 상단에 동일한 형태와 크기를 가지고 나타날 수 있도록 결정되었다. 지반과 구조물 사이의 인터페이스 요소는 주어진 강도 이상의 응력조건에서 구조물과 지반사이에 슬립 및 분리가 일어날 수 있도록 Coulomb slip모델을 이용하여 모델링 되었으며, 이 때, 구조물과 지반사이의 수직강성은 어떤 특정두께의 인터페이스 매체가 구조물과 지반사이에 존재하지 않을 뿐더러 구조물과 지반의 접촉면에서 상대적인 관입 또한 발생하지 않는다고 가정하여 지반조건에 관계없이 충분히 큰 값으로 가정하였다.
이상에서 조사된 바와 같이 터널굴착에 따른 프레임구조물의 거동은 주어진 터널조건에 대해서 지반손실의 크기(시공조건) 및 구조물의 특성에 따라서 손상정도가 다르게 발생할 수 있는 것으로 나타났다. 하지만 구조물의 전체적인 거동특성은 양 구조물 모두 프레임의 영향으로 인하여 탄성 형태의 거동특성을 나타내는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과로부터 향후 터널굴착으로 인한 프레임구조물의 거동특성을 파악함에 있어서 프레임내의 블록 채움효과 및 프레임 자체의 구조물 거동에 대한 영향이 고려되어야 할 것으로 나타났다.
후속연구
하지만 구조물의 전체적인 거동특성은 양 구조물 모두 프레임의 영향으로 인하여 탄성 형태의 거동특성을 나타내는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과로부터 향후 터널굴착으로 인한 프레임구조물의 거동특성을 파악함에 있어서 프레임내의 블록 채움효과 및 프레임 자체의 구조물 거동에 대한 영향이 고려되어야 할 것으로 나타났다.
따라서, 본 연구에서는 상기에서 언급한 바와 같이 터널의 시공조건 및 구조물 특성(오픈 프레임구조물과 블록으로 채워진 프레임구조물)에 대한 거동특성을 파악하여 인접 프레임구조물 평가에 활용케 하기위한 연구로서 터널 시공조건(지반손실) 및 구조물 특성을 달리하면서 이로부터 발생되는 구조물 거동을 분석할 뿐만 아니라, 터널 시공조건(지반손실) 및 프레임구조물 특성에 따라 구조물에 유발될 수 있는 손상정도를 변형률상태이론에 근거한 인접구조물 손상도 예측기준(Son and Cording, 2005)을 이용하여 서로 비교 및 평가할 것이다. 이러한 비교 및 평가로부터 얻어진 결과는 향후 터널굴착으로 인해 유발되는 인접 프레임구조물의 손상정도를 평가하여 예상되는 손상을 제어하고 최소화하는데 직접적으로 활용될 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
터널굴착에 의한 구조물의 거동 및 손상정도는 무엇에 따라 특징이 달라지는가?
일반적으로 터널굴착에 의한 구조물의 거동 및 손상정도는 터널의 시공조건(지반손실) 및 구조물 특성에 따라 서로 다른 특징을 나타내게 된다. 그럼에도 불구하고 설계 등의 실무적 목적을 위하여 아직도 굴착지반 주변의 구조물에 대한 영향을 평가함에 있어서 터널시공 및 구조물 특성을 구조물의 거동과 직접적으로 연계시켜 비교하고 평가에 활용하는 경우는 상대적으로 부족한 것으로 판단된다.
굴착공사로 인해 유발된 지반변위가 야기하는 문제점은?
복잡한 도심지에서 이와 같은 굴착공사는 여러 가지 문제점들을 야기시키고 있다. 특히, 굴착공사로 인해 유발된 지반변위가 인접구조물에 변형과 손상을 유발시켜 민원을 야기시킬 뿐만 아니라 공사기간을 지연시키고 공사비를 증가시키는 주요 원인이 되고 있다. 이러한 문제점들을 줄이기 위하여 터널굴착공사가 인접구조물이나 시설물에 미칠 수 있는 영향을 굴착공사가 실시되기 전에 미리 예측하여, 발생될 수 있는 문제점을 최소화하는 것은 매우 중요한 일이다.
수치해석에 사용되는 2차원 UDEC(UDEC3.1, 2000) 프로그램의 특징은?
1, 2000) 프로그램을 사용하였다. 개별 요소법에 근거한 이 프로그램은 특히 블록식구조물에 균열 발생과 균열발생이후 구조물의 거동을 잘 묘사할 수 있는 특징이 있다. 오픈 프레임구조물은 탄성체 구조물로서 가정하여 모델링 하였으며 블록으로 채워진 프레임구조물의 외부 프레임은 탄성체로 가정하여 모델링 한 반면, 내부블록들은 탄성체의 개별블록들로 모델링 하였고, 각 블록은 몰타르의 성질을 나타내는 조인트요소에 의해 서로 연결되도록 하였다.
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