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문제 정의
- 터널 라이닝 설계에 있어서 원형이나 마제형으로 구성되어 있는 터널 라이닝의 횡단 단면 설계를 위해 단주설계로 단순화하고 이 결과는 실제 원형 설계에 비해 안정적인 설계가 가능하다. NATM에 대한 라이닝 설계시 정확히 예측된 부재력을 바탕으로 각각의 굴착 공법에 따른 라이닝 설계 로직을 수립하여 경제적인 라이닝 단면 설계가 가능하도록 연구하였다.
- 본 연구에서는 NATM 터널의 라이닝 부재력을 정확히 예측할 수 있는 ANN 엔진을 구축하고 엔진에 적용되는 입력값이 출력값의 부재력에 미치는 영향 정도를 RSE (Relative Strength Effect)와 RI (Relative Importance)를 통해 다각적으로 분석하고자하였다. 결론적으로 예측된 부재력을 통해 시공성을 고려하여 미리 선정한 단면 DB를 구축하고, 단주설계법을 적용한 구조검토를 통해 설계자가 특정의 해저터널 설계 조건에 있어서 가장 경제적인 단면을 설계하고 그결과를 쉽게 알 수 있도록 하는데 효과적인 개념을 제시하고자 하였다. 이와 더불어 본 실제 그 타당성 연구가 진행되고 있는 해남-제주간 해저터널의 설계에 적용하여 실제 해저 터널 설계· 시공 단계에서 단면의 부재력 산정 및 안정성을 검토하였다.
- 최대 전단력 및 최대 사용 모멘트를 예측함에 있어서 각각의 ANN을 구성 한다. 보다 정확한 설계는 터널 라이닝을 천장부, 어깨부, 측벽부로 구분하여 각 부위에 대한 최대 모멘트부와 최대 축력부의 모멘트, 축력 및 전단력을 판단하여각 부위 별로 철근배근을 달리할 수 있으나 본 연구에 서는 단순화된 최대 부재력을 고려하여 정확도를 높이고자 하였다.
- 본 연구에서는 ANN (Artificial Neural Network, 인공신경망)을 기반으로 하여 해저터널의 설계 · 시공에 큰 영향을 미치는 라이닝 설계에 대한 로직을 수립하고, 설계 인자인 최대부재력에 대해서 정확도 높은 예측 시스템을 구축하는 기초연구를 수행하였다.
- 본 연구에서는 NATM 터널의 라이닝 부재력을 정확히 예측할 수 있는 ANN 엔진을 구축하고 엔진에 적용되는 입력값이 출력값의 부재력에 미치는 영향 정도를 RSE (Relative Strength Effect)와 RI (Relative Importance)를 통해 다각적으로 분석하고자하였다. 결론적으로 예측된 부재력을 통해 시공성을 고려하여 미리 선정한 단면 DB를 구축하고, 단주설계법을 적용한 구조검토를 통해 설계자가 특정의 해저터널 설계 조건에 있어서 가장 경제적인 단면을 설계하고 그결과를 쉽게 알 수 있도록 하는데 효과적인 개념을 제시하고자 하였다.
- 이 논문에서는 해저터널에서 적용되는 NATM 터널의 라이닝 최적설계 시스템에 관한 내용을 다루었다. 최적설계를 위해 관련 선행 연구에서 그 적용성이 확인된 바 있는 ANN을 도입하여 시공 조건, 지반 조건 및 터널 조건 입력값을 바탕으로 별도의 응용프 로그램 해석 없이 부재력을 정확히 예측하여 단면검 토에 적용될 수 있도록 하였고, 기 구축된 단면에 대한 구조검토와 그 결과에 따른 라이닝의 최적 단면 선정 로직을 포함하여 해저터널의 제한된 조건에 대해 각 굴착 공법에 따른 라이닝의 설계가 가능하도록 하였다.
- 이러한 현장 자료를 분석하여 일반화하고 일정 수준의 설계 조건을 케이스화하여 각 케이스에 대해서 수치해석을 통한 구조해석을 실시하여 2차 라이닝 설계에 필요한 최대부재력을 산출하는 것을 목적으로 ANN을 구축 하였다. 이 연구는 본선에 대한 TBM 세그먼트 라이닝의 설계와 연계하여 해저터널 계획시 전체 구간에 대한 터널 라이닝 설계를 일관된 방법으로 시행할수 있도록 하는 연구가 된다.
- (2005, 2008)은 IT 기반의 터널 설계를 위한 연구를 수행하였다. 이러한 문제를 개선하고 효율적인 터널설계를 수행하기 위하여 해저터널의 굴착 공법에 따른 라이닝 설계의 공통적인 부분을 단순화하고 적정한 단면 DB를 선정 하여 최적 단면을 설계할 수 있게 함으로써 설계자가 시간과 비용을 절약할 수 있도록하며 각 공법에 따른 라이닝의 설계를 자동화함으로써 설계자가 쉽고 정확하게 터널라이닝의 단면을 결정하도록 하는 로직을 정립하는 데 목적을 두고 있다. 이러한 지식기반 개념을 이용한 연구는 Yang and Zhang (1997, 1998)을 참고하였고 Beale et al.
- 이러한 현장 자료를 분석하여 일반화하고 일정 수준의 설계 조건을 케이스화하여 각 케이스에 대해서 수치해석을 통한 구조해석을 실시하여 2차 라이닝 설계에 필요한 최대부재력을 산출하는 것을 목적으로 ANN을 구축 하였다.
- 일반적으로 철근 콘크리트로 구성되는 NATM 터널의 2차 라이닝은 구조해석과 단면설계의 순서로 이루어지며, 작용하중이 구조물에 일으키는 응력과 변형을 구조해석으로부터 구하고 부재단면의 안전을 검토하여 주어진 하중작용에 대해 적합한 단면을 결정하는 절차로 이루어진다. 특히 NATM 공법에서 지보재는 주변 원지반과 영구복합구조체로 보고 설계한다.
가설 설정
- NATM의 2차 라이닝의 설계는 무근안정성 검토후 철근보강이 필요하다고 판단되면 단면을 가정하고강도설계법으로 안정성을 검토했다. 콘크리트 라이닝에 철근을 보강하지 않고 무근으로 설계하기 위해서 는 휨응력()과 전단응력이 콘크리트의 허용응력보다 작거나 같아야 하며 이에 따른 콘크리트의 허용응력은 Table 14에 나타냈다.
- NATM의 2차 라이닝의 설계는 콘크리트 구조기준 (2012) 설계법에 따라 하중조합하여 3.5.1 절의 Table 18과 같은 하중조합을 사용하며 이완하중과 잔류수압을 고려한 배수터널로 가정하여 설계하였다. NATM 공법 적용 구간은 구난역이나 환기 시설에 적용되므로 대부분 섬에 위치해 있고 토피고가 해저 구간보다크고, 주변 지반이 양호하여 육상 시공 조건과 비슷한것으로 간주할 수 있기 때문이다.
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