[논문]최소토피고 미확보 구간에 시공한 파형강판 암거의 변형 특성

김명일; 박두희

doi:10.14481/jkges.2014.15.7.23

최소토피고 미확보 구간에 시공한 파형강판 암거의 변형 특성
Deformation of Corrugated Steel Plate Culverts in the Areas with Minimum Depth 원문보기

한국지반환경공학회논문집 = Journal of the Korean Geoenvironmental Society, v.15 no.7, 2014년, pp.23 - 30

김명일 (Department of Civil and Environmental Engineering, Hanyang University) , 박두희 (Department of Civil and Environmental Engineering, Hanyang University)

초록
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본 논문에서는 고속도로 하부의 최소토피고 1.5 m 미확보구간에 시공한 파형강판 암거의 변형 특성에 관한 내용을 다루고 있다. 대부분 저토피구간에서의 파형강판 암거는 변형을 최소화하기 위하여 설계기준에서 제시된 최소토피고에 준하여 설계 및 시공하게 되어있다. 또한 시공 여건이 여유치 못할 경우 응력이완슬라브를 설치하여 파형강판으로 전달되는 하중을 분산 및 최소화 시키고 있다. 그러나 부득이 최소토피고를 확보하지 못한 구간에서 파형강판 암거 시공을 할 경우 일부 변형이 발생할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 최소토피고 미확보 구간에서의 변형 특성에 대해 조사를 실시하였고 조사 결과 실제 응력이완슬라브 모서리 부분의 포장 및 평탄성 불량 문제 등이 발생하고 있는 것으로 나타났다. 이에 최소토피고 미확보 구간에 설치된 파형강판 암거의 구조적 안정성에 대한 검토와 포장파손의 원인 및 대책방안을 연구하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper deals with the characteristics of deformation of the underground corrugated steel plate culverts constructed in the areas where the minimum depth of within 1.5 m soil cover is not secured in the bottom of highways. The underground corrugated steel plate culverts at shallow depth are often designed and constructed with the consideration of the minimum depth of soil cover according to the design standards, which was made in order to minimize any deformation. Additionally, if under unfavorable conditions, slabs are set up for stress relaxation to disperse and minimize the weight of loads transferred to the corrugated steel plate culverts. Nevertheless, if the underground corrugated steel plate culverts are built in areas where the minimum depth of soil cover inevitably cannot be secured, there may occur some deformation. In this paper, a research was carried out to identify the characteristics of deformation in areas where the minimum depth of soil cover is not secured. The result shows that there existed the deterioration of pavement and in its smoothness around the corners of slabs for stress relaxation. To this end, this paper studied the structural stability of the underground corrugated steel plate culverts established in the areas with no minimum depth of soil cover secured, with the consideration of causes and solutions of pavement deterioration.

주제어

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 도입 초기 설계기준 부재로 인해 최소토피고를 확보하지 못한 구간에 대한 파형강판 암거의 변형 특성에 대한 내용을 분석하였다.
본 논문에서는 파형강판 암거의 현황을 분석하였고 파형 강판 암거 및 포장파손 부분에 대한 현장조사 및 수치해석을 통한 검토 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
수치해석결과를 이용하여 현재 단면 상태(응력이완슬라브 1D 설치)에서 차량통과 시의 안정성을 확인해 보고자 하였다.
포장파손부 조사는 포장 파손구간의 범위와 형태, 그리고 차량통과 시 구조물 위치에서의 변형이나 진동을 확인하고자 하였다.

제안 방법

고속도로 파형강판 암거의 현황을 파악하기 위하여 한국도로공사의 파형강판 암거 758개를 연도별, 연장별, 토피고별 및 종류별로 구분하여 분석하였다. 준공 연도별 파형강판 암거의 개수를 파악해 본 결과 2007년～2012년에 집중적으로 시공되었으며 전체의 약 84 %에 해당된다(Fig.
응력이완슬라브 확장(2D) 또는 포장파손부위 하부 지반 라우팅과 함께 포장파손 부위 지속적 보완(절삭 후 덧씌우기, 패칭 등)의 경우 포장파손을 최소화하여 포장보수 주기를 늘리는 방법으로 제안한다. 이는 응력이완슬라브 확장 (2D) 또는 지반 그라우팅을 통해 차량 통과 시 발생하는 천 단부 변형을 약간 줄일 수 있고, 지반강성을 증가시켜 차량 통과 시 응력이완슬라브 설치구간과 그렇지 않은 구간 사이의 포장변형을 최소화시켜 포장파손 발생 빈도를 줄일 수있을 것으로 사료된다.
이러한 파형강판 암거의 상부 처짐은 토피고 및 상재하중과 무관하지 않을 것으로 판단되며 최소토피고가 미확보된 구간을 선택하여 분석을 실시하였다.
차량 통과 시 구조물의 안정성과 포장부에서의 변형량을 확인하기 위해 수치해석을 실시하였고, 응력이완슬라브의 영향을 검토하기 위해 3가지 경우로 나누어서 해석을실시하였으며, 하중의 영향을 검토하기 위해 하중이 없는 상태와 차량집중하중이 작용할 때로 나누어 해석을 수행하였다(Table 4, Fig. 11). 수치해석은 범용해석 프로그램인 MIDAS사의 MIDAS GTS를 이용하였다.
파형강판 암거는 단면의 변형형태나 기초옹벽은 외관상 이상이 없는 것으로 확인되었으나 도로포장 위에서는 중차량이 통과할 때 응력이완슬라브 설치구간에서는 진동이 크게 느껴지며, 충격이 지속적으로 가해지는 것으로 조사되었다. 파형강판 지중암거에 대해 차량통과 시의 안정성을 검토하기 위해 육안조사를 통해 외관상 변형이상구간여부를 확인하고, Fig. 8과 같이 레이져 거리측정기를 이용하여 단면의 변형형상을 측정하여 설계 단면과 비교하고자 하였다.
포장파손 발생 부위에 대한 지속적 보완의 경우 차량통과 시 구조물 천단부의 변형으로 인한 포장파손을 억제하기 위한 뚜렷한 방법은 현재로써는 없으므로 포장파손 발생 시 주기적으로 절삭 후 덧씌우기 또는 패칭으로 보완하는 방법을 제안한다.

대상 데이터

Fig. 4에 나타낸 바와 같이 약 440개의 고속도로 파형강판 암거 중 세밀한 관찰이 요구되는 구조물(24개)을 선정하여 손상상태를 점검한 논문에서는 파형강판의 누수 문제를지적하였으며 바닥부 종방향 균열, 이음부 들뜸, 상부 처짐 등의 변상이 발생하는 것으로 조사되었다. 또한 일부 구조물에서의 최대 처짐은 약 10.

데이터처리

11). 수치해석은 범용해석 프로그램인 MIDAS사의 MIDAS GTS를 이용하였다.

성능/효과

(1) 고속도로 파형강판 암거의 현황을 파악하기 위하여 한국도로공사의 파형강판 암거 758개를 분석하였으며 분석결과 최소토피고를 확보 못 하는 파형강판 암거는 총 165개에 이르는 것으로 나타났다.
(2) 최소토피고 미확보 구간의 파형강판 암거에 대한 계측 결과 처짐의 크기가 입구부에서 136 mm(변형률 4.2 %), 중앙부에서 128 mm(변형률 3.9 %)로 나타나 기준변형률(5 %) 이내로서 안정하나 전반적으로 큰 변형이 발생한 것으로 나타났다.
(3) 수치해석결과 차량통과 시 응력이완슬라브(1D)가 있는 경우 강판암거 천단부는 약 2.72 mm 내외의 변형이 발생하며 이는 응력이완슬라브 설치구간의 경계부에서 포장파손의 원인이 되는 것으로 추정된다.
(4) 현재 설치된 응력이완슬라브(1D)는 구조물의 변형을 기준변형률 이내에서 제어하고 있으나, 유지관리 측면에서 응력이완슬라브의 확장(2D)은 포장변형을 최소화하여 포장파손 발생 빈도를 줄일 수 있을 것으로 사료된다.
72 mm로서 응력이완슬라브의 효과가 변위 억제에 효과가 있는 것을 확인할 수 있다. 또한 응력이완슬라브를 2D로 확폭하는 경우에는 천단부 변위가 2.58 mm로서 슬라브를 1D만 시공하는 경우보다 약간 줄어들지만, 효과는 크지 않은 것으로 나타났다.
강판 전체에 발생할 가능성이 높으며 뒤채움 강성에 따라 크게 영향을 받는다. 변형 특성으로 볼트부 찢어짐, 이음부 벌어짐이 발생하는 것으로 나타났다(Fig. 3(c)).
보강방안으로는 포장파손 발생 부위에 대하여 지속적으로 보완(절삭 후 덧씌우기, 패칭 등)하는 방법과 응력이완슬라브 확장(2D) 또는 포장파손부위 하부 지반 그라우팅과 함께 포장파손 부위를 지속적으로 보완(절삭 후 덧씌우기, 패칭 등)하는 방법이 적절할 것으로 사료된다.
5(a)). 연장별 파형강판의 개수를 분석해 본 결과 연장 40 m～80 m에서 480개로 가장 많았으며 연장 120 m 이상도 42개에 이르는 것으로 나타났다(Fig. 5(b)).
응력이완슬라브 확장(2D) 또는 포장파손부위 하부 지반 라우팅과 함께 포장파손 부위 지속적 보완(절삭 후 덧씌우기, 패칭 등)의 경우 포장파손을 최소화하여 포장보수 주기를 늘리는 방법으로 제안한다. 이는 응력이완슬라브 확장 (2D) 또는 지반 그라우팅을 통해 차량 통과 시 발생하는 천 단부 변형을 약간 줄일 수 있고, 지반강성을 증가시켜 차량 통과 시 응력이완슬라브 설치구간과 그렇지 않은 구간 사이의 포장변형을 최소화시켜 포장파손 발생 빈도를 줄일 수있을 것으로 사료된다.
축력과 모멘트의 크기를 보면 응력이완슬라브를 시공하더라도 축력과 모멘트가 증가하는 것으로 나타나는 것을 알수 있다. 이러한 결과는 응력이완슬라브가 구조적인 안정성 증대에는 큰 효과가 없고 변위 억제에 효과를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
중차량 통과 시 응력이완슬라브 상부에서는 진동이 크게 느껴지며, 응력이완슬라브가 설치되지 않은 위치에서는 진동이 거의 느껴지지 않았다. 이러한 결과로 미루어 볼 때 포장파손의 주원인은 차량 통과 시 구조물의 작은 변형(진동)에 기인하는 것으로 추정되며, 특히 응력이완슬라브를 설치한 구간과 설치하지 않은 구간의 변형차이에 의해 발생하는 것으로 판단된다.
고속도로 파형강판 암거의 현황을 파악하기 위하여 한국도로공사의 파형강판 암거 758개를 연도별, 연장별, 토피고별 및 종류별로 구분하여 분석하였다. 준공 연도별 파형강판 암거의 개수를 파악해 본 결과 2007년～2012년에 집중적으로 시공되었으며 전체의 약 84 %에 해당된다(Fig. 5(a)).
파형강판 암거는 단면의 변형형태나 기초옹벽은 외관상 이상이 없는 것으로 확인되었으나 도로포장 위에서는 중차량이 통과할 때 응력이완슬라브 설치구간에서는 진동이 크게 느껴지며, 충격이 지속적으로 가해지는 것으로 조사되었다. 파형강판 지중암거에 대해 차량통과 시의 안정성을 검토하기 위해 육안조사를 통해 외관상 변형이상구간여부를 확인하고, Fig.
해석 결과 응력이완슬라브가 없는 경우에는 차량집중하중 시 약 5.16 mm의 천단부 변위가 발생할 것으로 예상되나 응력이완슬라브가 있는 경우(1D, 현재 상태)에는 천단부 변위가 2.72 mm로서 응력이완슬라브의 효과가 변위 억제에 효과가 있는 것을 확인할 수 있다. 또한 응력이완슬라브를 2D로 확폭하는 경우에는 천단부 변위가 2.

후속연구

(5) 본 연구는 최소토피고 미확보 구간에서 파형강판 암거의 변형에 대해 샘플 조사를 실시하고 분석한 내용을 담고 있으므로 추후 신뢰성을 높이고 대책공법에 대한 연구 내용이 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	파형강판의 특징은 무엇인가?	파형강판은 파형의 구조적 특성으로 인하여 동일한 두께의 다른 강판에 비하여 10～30배 정도의 단면계수가 큰 것으로 알려져 있다. 또한 파형강판의 연성에 의해 뒤채움 흙과 파형강판이 동시에 저항하는 구조물로의 특성을 지니고 있다. 파형강판 암거의 시공은 강판의 경량성으로 인해 운반 및 시공이 간편하며 공용 중인 도로현장에서도 시공이 가능하여 도입 후 짧은 경과시간에 비해 급속히 성장할 수있었다(Kim, 2008; Roh et al.
	파형강판 암거의 시공을 국내에 도입하는데 있어 문제는 무엇이 있는가?	그러나 이러한 파형강판 암거의 장점에도 불구하고 국내에 도입되기 전 도로 및 철도분야의 최소토피고에 대한 기준 산정 및 적용성에 대한 문제들이 제기되었다. 2000년대 초반 파형강판의 국내 도입 이후 최소토피고에 관한 연구들이 활발하게 진행되었고 특히 적용성에 있어서 고속도로 상에서의 장지간에 적용된 파형강판 암거의 최소토피고 평가및 보강에 대한 연구가 진행되었다(Lee et al.
	파형강판 암거의 시공이 빠르게 성장할 수 있었던 원동력은 무엇인가?	또한 파형강판의 연성에 의해 뒤채움 흙과 파형강판이 동시에 저항하는 구조물로의 특성을 지니고 있다. 파형강판 암거의 시공은 강판의 경량성으로 인해 운반 및 시공이 간편하며 공용 중인 도로현장에서도 시공이 가능하여 도입 후 짧은 경과시간에 비해 급속히 성장할 수있었다(Kim, 2008; Roh et al., 2007).

참고문헌 (8)

대한토목학회 (2007), 파형강판 지중구조물 설계기준안, pp. 7-43.
한국도로공사 (2003), 고속도로 건설공사 지중강판 합성형 암거 표준도, pp. 1-5.
한국도로공사 (2012), 고속도로공사 전문시방서, pp. 5-28-5-38.
Cho, S. M., Kim, H. J. and Jung, J. H. (2002), Specifications for the design and construction of the soil steel bridges, Korean Society of Civil Engineers Conference, pp. 2419-2422 (in Korean).
Kim, C. W. (2008), Problem mitigation for design and construction of buried corrugated steel plate structure, Master's thesis, Hongik University, pp. 21-27 (in Korean).
Lee, J. G., Cho, S. M., Jung, H. S. and Kim, M. M. (2004), Evaluation of minimum depth criterion and reinforcement effect of the soil cover in a long-span soil-steel bridge, Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol. 20, No. 5, pp. 67-78 (in Korean).
Roh, B. K., Kim H. D. and Oh, K. J. (2007), An application study for corrugated structural plate under the railway, The Korean Society for Railway Conference, pp. 9-15 (in Korean).
Yeau, K. Y., Kim, K. S., Lee, S. R. and Park, Y. H. (2010), Inspection of in-service corrugated steel culverts, Korean Society of Civil Engineers Conference, pp. 449-452 (in Korean).

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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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