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문제 정의
- 본 연구에서는 강지보와 숏크리트 합성부재의 하중지지력과 하중 부담률을 평가하기 위해 휨강도실험 및 압축강도 실험을 실시하였고, 2차로 고속도로터널 중 자연환기방식의 표준단면의 천장부를 모사한 실대형 실험을 실시하였다. 실험에 이용한 합성부재 내에는 일정 지점별로 변형률계를 설치하여 하중에 따른 각 부재의 거동을 파악하고자 하였다. 또한 실대형 실험 결과는 (1) 숏크리트만 고려하는 경우(Method 1) (2) 강지보와 숏크리트가 축력과 모멘트를 분담하는 경우(Method 2) (3) 모멘트는 강지보가 모두 부담하고 축력은 숏크리트와 강지보가 압축강성비에 비례하여 분담하는 경우(Method 3)의 세 가지 수치해석 결과와 비교하여 어떠한 수치해석방법이 합성부재의 거동을 적절히 고려하는지 분석하였다.
가설 설정
- 하태욱 등(2008)이 제시한 수치해석 방법들의 경과와 선형거동범위 내의 각 실험 내 측정결과와 비교함으로써 해석방법의 적정성을 평가하여 적정한 방법을 제안하였다. 강지보와 숏크리트는 선형탄성 거동하는 재료로가정하였으며, 각 재료의 상수는 실내실험을 통해서 얻어진 값을 이용하였다(표 4).
- 본 방법의 합성부재는 부재의 압축강성비와 휨강성비에 의해 계산된 등가두께(teq), 등가탄성계수(Eeq)를 갖는 사각형부재로 가정된다. 합성부재를 이루는 숏크리트와 강지보는 그림 1과 같이 각 부재 모두 축력과 모멘트에 대한 부담을 하며, 수치해석을 통해 계산된 부재의 축력과 모멘트가 다시 압축강성비와 휨강성비에 따라 부담되어 부재력을 계산하는데 적용된다.
제안 방법
- 실험에 이용한 합성부재 내에는 일정 지점별로 변형률계를 설치하여 하중에 따른 각 부재의 거동을 파악하고자 하였다. 또한 실대형 실험 결과는 (1) 숏크리트만 고려하는 경우(Method 1) (2) 강지보와 숏크리트가 축력과 모멘트를 분담하는 경우(Method 2) (3) 모멘트는 강지보가 모두 부담하고 축력은 숏크리트와 강지보가 압축강성비에 비례하여 분담하는 경우(Method 3)의 세 가지 수치해석 결과와 비교하여 어떠한 수치해석방법이 합성부재의 거동을 적절히 고려하는지 분석하였다.
- NATM 터널에서의 주요 지보재인 숏크리트와 강지보 합성 부재를 수치해석 시 합리적으로 고려하는 방법을 도출하기 위하여 압축실험, 휨실험, 그리고 실대형 실험을 실시하였다. 또한 실대형실험조건에 대하여 지금까지 제안된 합성부재의세 가지 수치해석방법을 이용하여 해석 후 실험결과와 상호 비교분석하였다.
- 그림 3과 같이 H형강의 상부, 하부플랜지와 웨브의 최대휨응력 발생지점인 중앙부에 변형률계(strain gauge)를 부착하였고, 콘크리트도 중앙부의 상부와 하부에 변형률계를 부착하였다. 변형률계는 투수와 손상을 방지하기 위해 CN접착제, M-coat A 코팅제, SB Tape, VM Tape등을 이용하여 부착하였다. 실험체 중앙에는 LVDT를 설치하여 최대변위를 측정하였다.
- 본 연구에서는 강지보와 숏크리트 합성부재의 하중지지력과 하중 부담률을 평가하기 위해 휨강도실험 및 압축강도 실험을 실시하였고, 2차로 고속도로터널 중 자연환기방식의 표준단면의 천장부를 모사한 실대형 실험을 실시하였다. 실험에 이용한 합성부재 내에는 일정 지점별로 변형률계를 설치하여 하중에 따른 각 부재의 거동을 파악하고자 하였다.
- 수치해석 시 강지보의 고려 여부 및 숏크리트의 하중 부담 특성에 따라 (1) Method 1 : 숏크리트가 축력과 모멘트를 모두 부담하는 방법(강지보를 고려하지 않는 방법) (2) Method 2 : 숏크리트와 강지보가 축력 및 모멘트를 분담하는 방법(강지보 고려) (3) Method 3 : 축력은 숏크리트와 강지보가 분담하고 모멘트는 강지보가 모두 부담하는 방법(강지보 고려)로 H-100과 H-125 두 가지 경우에 대해 각각 수치해석을 실시하였다. 하중조건은 실내 실험과 같이 천단을 기준으로 대칭적인 집중하중을 재하하였고, 경계조건은 양단에 고정단 조건을 부여하였다(그림 15).
- 실제 터널에서의 강지보와 숏크리트 합성부재의 거동을 파악하기 위해 수행한 총 6개(No.9~No.14)의 실대형 실험과 동일한 조건에 대하여 숏크리트 라이닝 모델링 방법을 세가지(Method 1~3)로 달리하여 수치해석을 수행하였다. 수치 해석 결과는 그림 16과 같으며, 직선부재의 휨강도 실험과는 달리 구조물의 아치형태의 기하특성상 축력이 크게 발생하므로 초기구간의 하중-변위곡선은 상대적으로 넓은 변위구간에 대해 선형성을 보였다.
- 합성부재의 휨강도 실험은 콘크리트의 휨강도 시험 방법인 KSF 2408에 따라 수행하였다. 실험에 이용된 콘크리트는 터널 설계기준(건설교통부, 2007)에 제시된 일반강도 숏크리트 성능기준(재령 28일 기준)을 만족하도록 배합설계하였으며 실험체에 콘크리트 타설시 공시체를 제작하여 7일, 14일, 28일 양생을 실시하였고 최종목표인 21 MPa에 상응하는 강도를 얻었다. 실험체의 크기는 (160 × 1000 × 3080)mm이며, H 형강은 H-100 × 100, H-125 × 125 두 종류를 사용하였다.
- 실험체의 형태와 변형률계의 부착위치, 그리고 실험 모습은 그림 7과 같다. 실험은 강지보 H-100과 H-125에 대해 각각 2회씩 실시하였다(No.5~No.8). 강지보에는 세로방향으로 플랜지상부, 하부와 웹에 변형률계를 그리고 실험체 양쪽의 중앙부에 콘크리트 변형률계를 부착하였다.
- 실대형 실험체의 모습은 그림 10(a) 에서와 같이 자연환기 방식의 2차로 고속도로터널 표준단면의 천장부를 선택하였다. 실험은 강지보 H-100과 H-125에 대해 각각 3회씩 실시하였다(No.9~No.14). 재하실험에 앞서 실험 범위와 경계조건의 설정이 필요하여 본 연구에서는 신휴성 등(2006)이 역학적 분석과 수치해석을 통해 제시한 바와 같이 터널 천단 부를 기준으로 좌우 30o, 총 60o 원호의 합성부재에 대한 실대형 실험을 실시하였다.
- 실험체의 크기는 (160 × 1000 × 3080)mm이며, H 형강은 H-100 × 100, H-125 × 125 두 종류를 사용하였다. 실험은 강지보 규격 H-100과 H-125에 대해 각각 2회씩 실시하였다(No.1~No.4). 그림 3과 같이 H형강의 상부, 하부플랜지와 웨브의 최대휨응력 발생지점인 중앙부에 변형률계(strain gauge)를 부착하였고, 콘크리트도 중앙부의 상부와 하부에 변형률계를 부착하였다.
- 실험체 변형 및 거동을 파악하기 위해 천단부에 2개와 천단부에서 1 m 간격을 두고 2개의 LVDT를 설치하여 수직 변위를 계측하였으며, 합성부재 내에는 천단부를 기준으로 좌우 10o 간격으로 총 5구간으로 나누어 강지보의 플랜지상·하단에 1개씩, 웨브 중앙에 1개씩 실험체 1개당 총 15개의 변형률계를 부착하였으며, 콘크리트에도 같은 방법으로 변형률계를 좌우 25 cm 간격으로 상부면과 하부면에 각각 15개씩 총 30개를 부착하였다(그림 11).
- 변형률계는 투수와 손상을 방지하기 위해 CN접착제, M-coat A 코팅제, SB Tape, VM Tape등을 이용하여 부착하였다. 실험체 중앙에는 LVDT를 설치하여 최대변위를 측정하였다.
- 강지보에는 세로방향으로 플랜지상부, 하부와 웹에 변형률계를 그리고 실험체 양쪽의 중앙부에 콘크리트 변형률계를 부착하였다. 압축 실험기는 최대 하중이 용량의 1/5에서 용량까지 범위에서 사용하였으며, 실험체의 급격한 파괴로 인한 위험을 방지 하고자 변위속도를 0.5 mm/min으로 설정하여 변위를 제어하였다.
- 압축실험을 통해 실험체의 하중-변위 선도와 각 부재에 부착한 변형률계를 통해 하중 부담률을 산정 하였다. 상대적으로 낮은 강도에도 불구하고 실험결과 강지보의 종류에 의해 크게 차이를 보였던 휨강도 실험과는 달리 강지보의 종류와는 상관도가 작은 결과가 도출되었다(그림 8, 표 2).
- 위와 같은 과정을 통해 휨강도 실험을 위한 합성부재를 제작하였으며 실험과정은 그림 4와 같이 먼저 3등분점 재하장치 및 2개의 지지롤러 그리고 2개의 재하 롤러를 설치하였고, 다음에 실험체는 콘크리트를 몰드에 채웠을 때의 옆면을 상·하면으로 하며 베어링 나비의 중앙에 놓고 지간의 3등분점에 상부 재하 장치를 접촉하였다.
- 14). 재하실험에 앞서 실험 범위와 경계조건의 설정이 필요하여 본 연구에서는 신휴성 등(2006)이 역학적 분석과 수치해석을 통해 제시한 바와 같이 터널 천단 부를 기준으로 좌우 30o, 총 60o 원호의 합성부재에 대한 실대형 실험을 실시하였다. 위 규격에 맞추어 강지보의 규격즉, H형강의 규격(H-100 × 100, H-125 × 125)을 달리한 6개의 실험체를 제작하였다.
- 수치 해석 결과는 그림 16과 같으며, 직선부재의 휨강도 실험과는 달리 구조물의 아치형태의 기하특성상 축력이 크게 발생하므로 초기구간의 하중-변위곡선은 상대적으로 넓은 변위구간에 대해 선형성을 보였다. 초기 하중-변위그래프에 대한 숏크리트 라이닝 모델링 방법에 따른 해석결과와 실대형 실험 결과를 비교하였다. 여기서 변위는 천단부의 수직처짐이며,휨모멘트는 강지보가 모두 부담하고 축력은 숏크리트와 강지보가 강성비에 따라 분담하는 것으로 모델링하는 Method 3이 강지보와 숏크리트 합성부재의 하중-변위 그래프와 가장잘 일치하는 결과를 보여주고 있다.
- 숏크리트 실험체 제작 시에는 H형 강의 공극을 피하기 위해 노즐을 통한 뿜어 붙이기 대신 앞선 실험과 마찬가지로 터널 설계기준(건설교통부, 2007)에 제시된 일반강도 숏크리트의 성능기준을 만족시키는 콘크리트를 거푸집을 이용하여 타설 하였다. 콘크리트와 강재의 이음부에 전단력을 전달하고 좌굴이나 기타 다른 요인으로 콘크리트가 강판과 분리됨을 방지하기 위해 전단연결재를 사용하였으며, 경계부의 수평강성을 구현하기 위해서 실험체의 30o 지점에 붙어 있는 판을 지점부에 접합시켜 변위가 구속되도록 하였다(그림 10).
- 하중을 가하는 속도는 가장자리 응력도의 증가율이 매초 0.06 ± 0.04 MPa(=N/mm2 )이 되도록 조정하고, 최대 하중이 될 때까지 그 증가율을 유지하는 과정으로 이루어졌다.
- 1을 이용하였다. 하태욱 등(2008)이 제시한 수치해석 방법들의 경과와 선형거동범위 내의 각 실험 내 측정결과와 비교함으로써 해석방법의 적정성을 평가하여 적정한 방법을 제안하였다. 강지보와 숏크리트는 선형탄성 거동하는 재료로가정하였으며, 각 재료의 상수는 실내실험을 통해서 얻어진 값을 이용하였다(표 4).
대상 데이터
- 실대형 실험체의 모습은 그림 10(a) 에서와 같이 자연환기 방식의 2차로 고속도로터널 표준단면의 천장부를 선택하였다. 실험은 강지보 H-100과 H-125에 대해 각각 3회씩 실시하였다(No.
- 실험체의 크기는 (160 × 1000 × 3080)mm이며, H 형강은 H-100 × 100, H-125 × 125 두 종류를 사용하였다.
- 위 규격에 맞추어 강지보의 규격즉, H형강의 규격(H-100 × 100, H-125 × 125)을 달리한 6개의 실험체를 제작하였다.
- 휨강도 실험에서와 마찬가지로 숏크리트 설계기준에 해당되는 배합의 콘크리트를 사용하였다. 콘크리트 내부에 삽입되는 변형률계도 휨강도 실험 때와 같이 콘크리트 타설시 손상을 방지하기 위하여 CN접착제, M-coat A 코팅제, SB Tape, VM Tape를 이용하였으며 거푸집 제작 및 콘크리트 타설 또한 동일하게 이루어졌다. 실험체의 형태와 변형률계의 부착위치, 그리고 실험 모습은 그림 7과 같다.
- 실험체의 크기는 800 × 160 × 2000 mm로 강지보의 규격 (H-100 × 100, H-125 × 125)만 달리하였다. 휨강도 실험에서와 마찬가지로 숏크리트 설계기준에 해당되는 배합의 콘크리트를 사용하였다. 콘크리트 내부에 삽입되는 변형률계도 휨강도 실험 때와 같이 콘크리트 타설시 손상을 방지하기 위하여 CN접착제, M-coat A 코팅제, SB Tape, VM Tape를 이용하였으며 거푸집 제작 및 콘크리트 타설 또한 동일하게 이루어졌다.
데이터처리
- NATM 터널에서의 주요 지보재인 숏크리트와 강지보 합성 부재를 수치해석 시 합리적으로 고려하는 방법을 도출하기 위하여 압축실험, 휨실험, 그리고 실대형 실험을 실시하였다. 또한 실대형실험조건에 대하여 지금까지 제안된 합성부재의세 가지 수치해석방법을 이용하여 해석 후 실험결과와 상호 비교분석하였다. 그 결과 얻은 결론은 다음과 같다.
- 수치해석은 상용프로그램인 (주)MIDAS의 Midas GTS Ver.2.5.1을 이용하였다. 하태욱 등(2008)이 제시한 수치해석 방법들의 경과와 선형거동범위 내의 각 실험 내 측정결과와 비교함으로써 해석방법의 적정성을 평가하여 적정한 방법을 제안하였다.
이론/모형
- 합성부재의 휨강도 실험은 콘크리트의 휨강도 시험 방법인 KSF 2408에 따라 수행하였다. 실험에 이용된 콘크리트는 터널 설계기준(건설교통부, 2007)에 제시된 일반강도 숏크리트 성능기준(재령 28일 기준)을 만족하도록 배합설계하였으며 실험체에 콘크리트 타설시 공시체를 제작하여 7일, 14일, 28일 양생을 실시하였고 최종목표인 21 MPa에 상응하는 강도를 얻었다.
성능/효과
- 1. 휨 실험결과 콘크리트는 인장에 취약하므로 강지보의 하중부담율이 47~68%로 큰 것을 확인하였다. 또한, 압축 실험결과 콘크리트가 강지보에 비하여 하중부담률이 약 80%로 훨씬 큰 것을 알 수 있었다.
- 2. 실대형 실험 결과에 근거하여 설계목적을 위한 여러 개 수치해석기법을 적용하여 휨모멘트는 강지보가 모두 부담하고 축력은 강지보와 숏크리트가 압축강성비에 비례하여 부담하는 것으로 모델링하는 방법(Method 3)이 실대형 실험결과와 매우 유사하게 나타남을 확인하였다.
- 3. 따라서, 설계단계에서 강지보를 고려하지 않고 숏크리트만을 고려하여 수치해석을 수행하는 현재의 방법은 과다 설계를 유발할 수 있다. 또한, 강지보를 고려하더라도 Hoek 등(2008)이 제안한 숏크리트와 강지보가 일체로 거동하는 것으로 고려하는 방법은 적절하지 않은 것으로 판단된다.
- 실험체의 균열은 천단부에서는 하부에서부터 발생하였고 20o 부분에서는 상부에서부터 발생하였다. H-125강재 합성부재의 항복하중이 H-100강재 합성부재의 항복하중에 비하여 다소 큰 것으로 평가되었다. 그러나 실대형 실험체는 아치형상으로 인하여 축력의 비중이 높아 휨강도 실험에 비해 H형강 규격에 따른 최대지지하중의 차이는 비교적 작은 것으로 판단된다.
- H100 × 100과 H-125 × 125 모두 같은 형상의 휨인장 균열에 의한 파괴가 발생하였으며(그림 6), 강지보가 인장부재의 역할을 하여 처짐이 발생된 이후에도 강지보에 의한 지보력이 상당 부분 발현되었음을 확인 할 수 있었다.
- 그림 9는 강지보와 콘크리트의 압축하중과 하중부담률을 나타내고 있다. H형강의 항복 전에 콘크리트가 파괴되었고 휨에 비해 압축에 강한 콘크리트가 압축하중의 약 80% 지지하는 것으로 나타났다. 이는 콘크리트가 압축에 강하고 면적도 H형강에 비해 매우 크기 때문으로 판단된다.
- 또한, 압축 실험결과 콘크리트가 강지보에 비하여 하중부담률이 약 80%로 훨씬 큰 것을 알 수 있었다. 따라서, 휨과 압축이동시에 작용하는 실제 터널에서 강지보의 하중지지효과가 무시할 수 없음을 알 수 있었다.
- 휨 실험결과 콘크리트는 인장에 취약하므로 강지보의 하중부담율이 47~68%로 큰 것을 확인하였다. 또한, 압축 실험결과 콘크리트가 강지보에 비하여 하중부담률이 약 80%로 훨씬 큰 것을 알 수 있었다. 따라서, 휨과 압축이동시에 작용하는 실제 터널에서 강지보의 하중지지효과가 무시할 수 없음을 알 수 있었다.
- 압축실험을 통해 실험체의 하중-변위 선도와 각 부재에 부착한 변형률계를 통해 하중 부담률을 산정 하였다. 상대적으로 낮은 강도에도 불구하고 실험결과 강지보의 종류에 의해 크게 차이를 보였던 휨강도 실험과는 달리 강지보의 종류와는 상관도가 작은 결과가 도출되었다(그림 8, 표 2).
- 휨강도 실험에서 낮은 수준의 면적비에도 불구하고 No.1~No.4를 살펴보면 47.2%~68.3% 하중을 부담하며 H형 강의 종류에 따라 강도가 발현되었음을 알 수 있었다. H100 × 100과 H-125 × 125 모두 같은 형상의 휨인장 균열에 의한 파괴가 발생하였으며(그림 6), 강지보가 인장부재의 역할을 하여 처짐이 발생된 이후에도 강지보에 의한 지보력이 상당 부분 발현되었음을 확인 할 수 있었다.
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