[논문]경계조건 변화에 의해 발생한 축력을 고려한 세그먼트 라이닝의 균열하중 분석

이규필; 배규진; 장수호; 강태성; 최순욱

doi:10.9711/ktaj.2014.16.2.173

[국내논문] 경계조건 변화에 의해 발생한 축력을 고려한 세그먼트 라이닝의 균열하중 분석
Analysis of segment lining cracking load considering axial force by varying boundary condition 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.16 no.2, 2014년, pp.173 - 180

이규필 (한국건설기술연구원 Geo-인프라연구실) , 배규진 (한국건설기술연구원 Geo-인프라연구실) , 장수호 (한국건설기술연구원 Geo-인프라연구실) , 강태성 (삼표건설 연구개발팀) , 최순욱 (한국건설기술연구원 Geo-인프라연구실)

초록
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세그먼트 설계시, 축력과 휨모멘트가 주로 고려되는 하중이다. 두개의 하중에서 축력이 모멘트 보다 상대적으로 매우 크기 때문에 전단면이 압축상태에 있으며, 이는 균열 폭을 줄이는 효과가 있다. 그러나 콘크리트 구조물의 사용성 검토에서 축력은 고려하지 않고 있기 때문에 설계는 사용성에 지배되고, 사용성을 만족시키기 위하여 소요 철근량을 증가시키게 된다. 본 논문에서는 축력이 세그먼트의 사용성에 미치는 영향을 시험과 단면해석을 통하여 분석하였다. 세그먼트에 대한 시험을 수행하였으며, 초기균열저항성능에 대하여 고찰하였다. 분석결과 사용성 분석에서 축력을 고려함으로서 더욱 합리적인 설계가 가능한 것을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the design of tunnel segment structure, axial and moment forces are considered as significant forces. Since axial force is much greater than moment force, the whole section of segment remains in compression. Therefore crack width can be reduced. But the axial force is not considered in criteria for serviceability check. This fact leads service condition more severe compared to ultimate condition and makes the required steel reinforcement increase to meet the serviceability criteria. In this study, the effect of axial force on serviceability of tunnel segment is evaluated, experimentally and analytically. Mock-up tests on segments with actual size were performed and investigated in terms of initial crack resistance. The evaluation proves that more comprehensive design could be achieved when the axial force is considered in the procedure for the serviceability check in design of tunnel segment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 축력을 고려한 균열하중 검토를 통한 세그먼트 라이닝의 합리적인 설계 검토를 위하여, 축력 영향에 의한 하중-균열발생 상관관계 분석을 위하여 세그먼트 라이닝 실대형 하중재하시험을 수행하였다. 하중재하시 세그먼트 라이닝의 경계 조건을 힌지-롤러 및 힌지-힌지로 변화시켜 축력발생 조건을 상이하게 유도하였다.
본 연구에서는 경계조건 변화에 의해 시험체 내부에 발생하는 축력변화 및 이로 인하여 발생하는 균열-하중관계를 분석하였다.
본 연구에서는 시험체 지점부 경계조건은 하중재하시 시험체 중앙부에 발생축력을 최소화하기 위한 롤러-힌지 지점부 경계조건과 축력 발생을 유도하기 위한 힌지-힌지 지점부 경계조건으로 설정하였다.
본 연구에서는 축력을 고려한 균열하중 검토를 통한 세그먼트 라이닝의 합리적인 설계 검토를 위하여, 축력 영향에 의한 하중-균열발생 상관관계 분석을 위하여 세그먼트 라이닝 실대형 하중재하시험을 수행하였으며, 시험결과를 정리하면 다음과 같다.

제안 방법

Fig. 5에서 보이는 바와 같이 세그먼트 시험체 하부에 하중-변위관계 분석을 위하여 변위계 및 영상처리 기법을 이용한 재하하중 단계별 균열측정용 사진기를 설치하였다. 영상처리기법에 의한 균열 측정은 0.
경계조건 변화에 따른 시험체에 발생하는 축력의 크기 및 분포 등을 분석을 위하여, 시험조건과 동일한 경계조건 및 10 kN 하중재하 조건에 대한 수치해석을 수행하였으며, 세그먼트는 빔모델(beam model)로 모사하였다(Fig. 7).
6과 같이 수평방향 변위를 제어하도록 구성하였다. 수평방향 변위제어를 위한 힌지 지점부는 최대 수직하중 500 kN을 지지할 수 있도록 제작하였으며, 시험시 안전성 확보를 위하여 재하하중은 최대 약 450 kN으로 제한하였다.
시험체 지점부 경계조건은 하중재하시 시험체 중앙 부에 발생축력을 최소화하기 위한 롤러-힌지 지점부 경계조건과 축력 발생을 유도하기 위한 힌지-힌지 지점부 경계조건으로 설정하였다.
하중재하 시험은 서보제어에 의한 변위제어 방식으로 시험을 실시하였으며, 변위제어속도는 재하점을 기준으로 2 mm/min으로 설정하였다. 또한 철근에 설치된 총 20개의 변형률게이지들로부터 얻어지는 변형률 자료는 0.
따라서 본 연구에서는 축력을 고려한 균열하중 검토를 통한 세그먼트 라이닝의 합리적인 설계 검토를 위하여, 축력 영향에 의한 하중-균열발생 상관관계 분석을 위하여 세그먼트 라이닝 실대형 하중재하시험을 수행하였다. 하중재하시 세그먼트 라이닝의 경계 조건을 힌지-롤러 및 힌지-힌지로 변화시켜 축력발생 조건을 상이하게 유도하였다.

대상 데이터

하중재하 시험은 서보제어에 의한 변위제어 방식으로 시험을 실시하였으며, 변위제어속도는 재하점을 기준으로 2 mm/min으로 설정하였다. 또한 철근에 설치된 총 20개의 변형률게이지들로부터 얻어지는 변형률 자료는 0.1초당 1개씩 획득하였다.
본 연구에서는 ○○현장에서 사용된 외경 4.2 m, 길이 2,403 mm, 폭 900 mm, 두께 200 mm인 세그먼트 라이닝의 A타입 세그먼트를 실물 재하시험 위한 시험 체로 제작하였다(Fig. 1).
본 연구에서는 세그먼트 실물 휨시험시 시험체 상부에 하중재하를 위하여 재하 시스템의 중앙부에 설치된 유압 서보제어 엑츄에이터(최대 재하용량: 100 톤, 최대 스트로크: 300 mm)를 사용하였다. 엑츄에이터 하부에는 지간 800 mm의 2개의 선하중 재하판 부착 후 4점 휨시험을 실시하였다(Fig 5).
시험체 제작시 사용된 재료는 28일 재령 일축압축 강도 45 MPa의 콘크리트와 공칭직경 13 mm, 설계항복 강도가 500 MPa인 철근(SD 500)을 주철근으로 활용하였다. 인장측 주철근은 77～160 mm의 배근간격으로 총 8개(사용철근량 As: 933.
하중 재하시험시 세그먼트 내부에 위치한 철근의 거동을 계측하기 위하여, 인장측 주철근에 총 20개의 변형률 게이지를 설치하였다.

성능/효과

1. 롤러-힌지 경계조건의 경우 19.4 kN 하중재하시 시험체 중앙부에 0.1 mm 폭의 초기균열이 발생하였으며, 힌지-힌지 경계조건의 경우 52.5 kN 하중재하시 시험체 중앙부에 0.1 mm 폭의 초기균열이 발생하였다. 또한 균열하중 재하시 계측된 변형률로부터 시험체에 발생하는 균열 모멘트는 롤러-힌지 경계조건의 경우 15.
10 kN 하중재하 조건에 대한 수치해석결과 롤러-힌지 경계조건인 경우 시험체 중심선 부분에서는 발생 하는 축력은 0.29 kN가 발생하는 것으로 나타났으며, 힌지-힌지 경계조건의 경우 시험체 중심선 부분에서 발생하는 축력은 20.2 kN가 발생하는 것으로 나타났다(Fig. 8).
2. 이는 수치해석 결과에서 보이는 바와 같이 롤러-힌지 경계조건에서 힌지-힌지 경계조건으로 변화하는 경우 하중재하시 시험체 내부에 축력이 발생하게 되며, 이렇게 발생한 축력이 균열발생을 제어하기 때문에 균열하중 및 균열 모멘트가 각각 2.7배 2.9배 증가하는 것으로 판단된다.
3. 쉴드터널 시공시에는 수개의 세그먼트 라이닝을 연결하여 하나의 원형 구조물을 완성하며, 연결된 세그먼트에 의해 서로 변형이 구속될 뿐만 아니라, 원형 구조물의 특성으로 인하여 외부 하중 재하시 이를 휨과 축력으로 지지하는 특성을 갖는다. 따라서 축력을 고려한 세그먼트 라이닝의 균열에 대한 사용성 검토를 수행하는 것이 합리적인 것으로 판단된다.
4. TBM 터널 세그먼트 라이닝에서 축력과 휨모멘트를 함께 고려해 균열을 검토하는 것이 세그먼트 라이닝의 경제성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
5 kN 하중재하시 롤러-힌지 경계조건 시험결과 나타난 초기균열 패턴과 유사한 균열이 발생하였다(Table 2). 경계조건 변화 및 이로 인하여 시험체 내부에 발생하는 축력에 의한 영향으로 균열하중은 약 2.7배 증가하는 것으로 나타났다.
경계조건이 힌지-힌지인 경우 세그먼트에 발생하는 축력은 롤러-힌지 경계조건 대비 약 68.7배 이상 크게 발생하는 것으로 나타났으며, 따라서 경계조건 변화를 통한 축력의 영향 분석 및 이를 통한 세그먼트의 균열하중 분석을 위한 경계조건 선정은 합리적인 것으로 판단된다.
따라서 경계조건 변화 및 이로 인하여 시험체 내부에 발생하는 축력에 의한 영향으로 균열하중 재하조건에서 발생하는 균열 모멘트는 약 2.9배 증가하는 것으로 나타났다.
1 mm 폭의 초기균열이 발생하였다. 또한 균열하중 재하시 계측된 변형률로부터 시험체에 발생하는 균열 모멘트는 롤러-힌지 경계조건의 경우 15.1 kN･m, 힌지-힌지 경계조건의 경우 44.1 kN･m인 것으로 나타났다.
롤러-힌지 경계조건에 대한 시험결과 19.4 kN 하중 재하시 시험체 중앙부에 0.1 mm 폭의 초기균열이 발생하였으며(Table 2), Fig. 9(a)에서 보이는 바와 같이 초기균열은 재하하중이 증가함에 따라 폭 0.2 mm 균열이 시험체 전면에 걸쳐 성장하였다. 재하하중 255.
롤러-힌지 경계조건에 대한 시험결과 균열하중 19.4 kN 재하시 시험체 중심선(center line) 위치의 인장철근에 발생한 변형률은 23.26 × 10-6 이며, 힌지-힌지 경계조건인 경우 균열하중 52.5 kN 재하시 시험체 중심선(center line) 위치의 인장철근에 발생한 변형률은 67.88 × 10-6 인 것으로 나타났다(Table 3).
롤러-힌지 및 힌지-힌지 경계조건 모두 균열하중은 하중-변형률 관계곡선상 선형구간인 탄성영역 범위 내에 있는 것으로 나타났다(Fig. 12).
상기와 같은 조건에 대하여 균열 모멘트를 산정하면 시험체 중심선에 발생하는 균열 모멘트는 롤러-힌지 경계조건의 경우 15.1 kN･m, 힌지-힌지 경계조건의 경우 44.1 kN･m인 것으로 나타났다.
2 mm 균열이 시험체 전면에 걸쳐 성장하였다. 재하하중 255.4 kN에서 시험체가 파괴되었으며(Fig. 10), 시험체 파괴시 발생한 균열의 최대 폭은 약 3.0 mm 인 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	RC 세그먼트란?	세그먼트 라이닝(segment lining)은 재질에 따라 RC 세그먼트와 강재 세그먼트 등으로 구분된다. 이 가운데 RC 세그먼트는 공장이나 현장에서 미리 제작된 프리캐스트(precast) 세그먼트를 조립하여 설치되는 터널 라이닝으로서, 쉴드터널에서 필수적으로 사용되는 구조체이다. 특히, 쉴드터널 세그먼트는 쉴드 TBM의 추진을 위한 반력지지 구조물로서의 역할과 공사 중의 안정성 확보는 물론이고 영구적인 터널 라이닝의 역할도 하게 된다(Lee et al.
	세그먼트 라이닝의 특성은?	그러나 쉴드터널 시공시에는 수개의 세그먼트 라이닝을 연결하여 하나의 원형 구조물을 완성한다. 따라서 세그먼트 라이닝은 시공 후 단독 부재로 거동하지 않으며, 연결된 세그먼트에 의해 서로 변형이 구속될 뿐만 아니라, 원형 구조물의 특성으로 인하여 외부 하중 재하시 이를 휨과 축력으로 지지하는 특성을 갖는다.
	철근 콘크리트 구조물에서 변형구속에 의한 축력의 영향은?	S., 1987), 변형구속에 의해 발생하는 축력은 휨부재의 강성, 변형성능 및 균열형상 등에 크게 영향을 미친다(Yang et al., 1997).

참고문헌 (7)

Lee, G.P., Bae, G.J., Moon, D.Y., Kang, T.S., Chang. S.H. (2013a), "Evaluation of steel fiber reinforcement effect in segment lining by full scale bending test", Journal of the Korean Tunnelling Association, Vol. 15, No. 3, pp. 215-223.

원문보기 상세보기
Lee, G.P., Bae, G.J., Chang. S.H., Choi, S.W., Kang, T.S. (2013b), "Crack control effect by steel fiber reinforcement to segment lining", Korean Tunnelling Association 2013 Fall Symposium, pp. 97-100.
Lee, G.P., Park, Y.T., Choi, S.W., Chang, S.H., Bae, G.J., Kang, T.S., Lee, J.S. (2012), "An experimental sstudy on mechanical behavior of shield segment with High-strength concrete and High-tension rebar", Journal of the Korean Tunnelling Association, Vol. 14, No. 3, pp. 215-230.

원문보기 상세보기
Lee, G.P., Heang, J.H., Shin, H.S., Hong, S.G. (2010), "Mechanical behaviour of waterway culvert structure assembled by precast segments", Journal of the Korean Tunnelling Association, Vol. 12, No. 2, pp. 193-200.
Yang, E.I., Kim, J.K., Yi, S.T., Morita Shiro, (1997), "The effect of axial force on the behavior and average crack spacing of reinforced concrete flexural member", Journal of Korea Concrete Institute, Vol. 9, No. 4, pp. 207-214.
Desayi. p., Kulkarni. A.B. (1997), "Load-deflection of restrained R/C slabs", Journal of the Structural Division, Vol. 103, No. 2, pp. 405-419.
Chensheng. O., Wimal. S. (1987), "RC rectangular slabs with edge restraints", Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 113, No. 11, pp. 2146-2165.

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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