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[국내논문] 축력의 영향을 고려한 숏크리트-강지보 합성 라이닝의 비선형 거동 분석
Analysis of Nonlinear Behaviors of Shotcrete-Steel Support Lining Considering the Axial Force Effects 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.37 no.2, 2017년, pp.357 - 367  

유지환 (용인시청 도시개발과) ,  김정수 (한국건설기술연구원) ,  김문겸 (연세대학교 토목환경공학과)

초록
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강지보로 보강된 터널 숏크리트 라이닝은 그 기하학적 형태로 인해 외부하중이 작용됨에 따라 휨 모멘트와 축력이 동시에 발생하게 된다. 숏크리트는 축력 수준에 따라 휨 강성이 달라지며, 이로 인한 심한 비선형 거동을 보인다. 또한 강지보 유형에 따라 역학적으로 상이한 지보 성능을 가진다. 본 연구에서는 화이버 단면 요소(fiber section element)를 이용해 압축력과 휨 모멘트를 동시에 받는 강지보-숏크리트 라이닝의 비선형합성거동을 평가할 수 있는 수치모델을 제시하였고, 이를 활용해 강지보 유형에 따른 합성지보 성능을 수치적으로 분석하였다. 또한, 지반-구조물 상호작용을 구현하기 위해 지반의 연화(softening) 거동을 고려하여 수정된 hyperbolic 모델을 제시하였다. 제시된 수치모델은 기존 아치형 실험체의 하중실험 결과와 해석결과를 비교하여 검증하였으며, 수치해석을 통해 강지보 유형에 따른 라이닝의 합성거동을 분석하였다. 해석결과를 통해, 복철근 형태의 강지보가 기존 H형강과 유사한 극한 하중 지지력을 가지는 것을 확인하였다. 또한 강재량 증가가 잔류 지지력 향상에 크게 기여하였으며, 지보재 주변의 지반강성이 증가함에 따라 강지보 유형에 따른 최대 하중지지력 개선 효과는 작아짐을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Bending and axial forces simultaneously occur at the cross-section of a shotcrete lining reinforced with steel supports due to the tunnel geometry. The shotcrete has changing flexural stiffness depending on the axial forces and, as a result, severely nonlinear behavior. The mechanical properties of ...

주제어

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문제 정의

  • 본 연구에서는 수치해석을 통해 강재 보강된 숏크리트 라이닝의 비선형 합성거동을 수치적으로 분석하였다. 지보재의 비선형 합성거동을 구현하기 위해 화이버 단면 요소를 사용하였으며, 지반의 연화 거동을 고려한 수정된 hyperbolic 모델을 개발해 해석모델에 적용하였다.
  • 이러한 이유로 본 연구에서는 압축력과 휨 모멘트가 동시에 발생하는 강지보-숏크리트 합성부재의 비선형 거동을 수치해석적으로 평가하였다. 프레임 요소 기반의 화이버 단면 요소(fiber section element)를 이용해 터널 구조체를 생성하고, 극한상태의 지반-구조물 상호작용을 구현할 수 있도록 지반의 변형률 연화(strain-softening) 거동을 고려한 수정 hyperbolic 모델을 지반 스프링 요소에 적용해 터널 유한요소모델을 형성하였다.

가설 설정

  • 실험에 의한 측정이 용이한 fcp는 목표변수에서 제외되었으며, ε0는 일반적인 사용되는 압축변형률 0.002를 가정하였다.
  • 일반적으로 εtp는 압축영역의 초기 응력-변형률 선도의 기울기가 인장영역의 것과 동일하다는 가정을 사용해 결정되며, 본 연구에서도 이 가정을 사용하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
성능기반설계의 특징은 무엇인가? , 2013). 성능기반설계는 터널 구조물의 경제적 설계를 가능하게 하지만, 구조물의 전체적인 보유능력(capacity)을 평가해야 하기 때문에 재료 및 구조적 특성을 고려한 정교한 해석을 필요로 한다. 한편, 경제적인 터널 라이닝의 설계를 실현하기 위해 1차 지보재에 의한 하중지지성능을 콘크리트 라이닝 설계에 반영하고, 더 나아가 Norwegian Method of Tunneling (NMT)와 같이 강재로 보강된 1차 지보재만으로 터널 라이닝을 설계하려는 연구들이 진행되고 있다(Lee et al.
NATM이란 무엇인가? New Austrian Tunnelling Method (NATM)은 지반 굴착 후 숏크리트, 락볼트 등의 지보재를 설치하여 지반의 지지력을 최대로 활용하는 터널 시공방법으로, 숏크리트에 강지보를 보강함으로써 숏크리트의 지보성능을 향상시키고 막장면의 안전성을 확보하게 된다. 지금까지의 NATM 터널 구조물 설계는 숏크리트 등의 1차 지보재가 최종적으로 하중을 받지 못하는 것으로 고려하여, 콘크리트 라이닝 설계에 이들 지보재의 하중지지능력을 반영하지 않는다.
유연도법 사용시 단점은? 일반적인 유한요소해석은 강성도법에 의해 이뤄지므로, 요소 유연도 행렬은 요소 강성행렬로 변환된다. 일반적인 강성도법 기반의 유한요소 정식화와 달리 변위 형상함수를 사용하지 않기 때문에 축 변형률과 곡률을 절점변위로부터 직접 산정할 수 없다. 이로 인해 요소상태 결정을 위한 반복계산이 수반되지만, 적은 요소만으로도 재료의 비선형 거동을 효과적으로 평가할 수 있어 널리 사용되고 있다.
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참고문헌 (28)

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