[논문]차수용 박층 멤브레인 설치에 따른 콘크리트 라이닝의 구조적 보강효과에 관한 수치해석 연구

이철호; 이기철; 김동욱; 최순욱; 강태호; 장수호

doi:10.9711/ktaj.2017.19.3.551

차수용 박층 멤브레인 설치에 따른 콘크리트 라이닝의 구조적 보강효과에 관한 수치해석 연구
Numerical study on structural reinforced effects of concrete lining by spray-applied waterproofing membrane 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.19 no.3, 2017년, pp.551 - 565

이철호 (한국건설기술연구원 지반연구소) , 이기철 (인천대학교 건설환경공학과) , 김동욱 (인천대학교 건설환경공학과) , 최순욱 (한국건설기술연구원 지반연구소) , 강태호 (한국건설기술연구원 지반연구소) , 장수호 (한국건설기술연구원 지반연구소)

초록
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차수용 박층 멤브레인은 폴리머를 주요 구성성분으로 하는 재료로서 높은 부착성능과 시공성을 특징으로 하는 방수 재료이다. 차수용 박층 멤브레인은 일반적으로 콘크리트 또는 숏크리트 라이닝과 일체화되어 복합 구조체 형태로 방수 기능을 발현하는 재료이다. 본 연구에서는 지하구조물의 대표적인 구조물인 터널에서 차수용 박층 멤브레인 타설이 가능한 콘크리트 라이닝 재료에 차수용 박층 멤브레인을 적용할 경우 콘크리트 라이닝의 거동 변화를 수치해석적 방법으로 검토하였다. 콘크리트 라이닝의 거동은 3점 휨 시험을 수행하는 것으로 가정하고 이때 발생한 하중-변위 관계를 통해 콘크리트 라이닝의 최대 휨 하중 변화와 항복 이후 변화를 검토하는 방법으로 연구를 수행하였다. 해석결과, 콘크리트 라이닝에 차수용 박층 멤브레인 시공을 통해 고려할만한 보강효과를 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A spray-applied waterproofing membrane which consists of polymers has a relatively higher constructability and adhesion than the conventional sheet-type waterproofing materials. Additionally, the spray-applied waterproofing membrane generally shows a waterproofing ability as a composite structure with shotcrete or concrete lining. Because its purpose is waterproofing at the structure, structural effects were not well reported than waterproofing abilities. In this study, structural effects of the membrane-attached concrete lining were evaluated using 3-point bending test by the numerical method. From the analysis, a load-displacement behavior of the concrete lining and fracturing energy after yielding were compared with various conditions. Consequently, concrete lining with spray-applied waterproofing membrane shows higher flexural strength and fracturing energy than the single-layer concrete lining.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

차수용 박층 멤브레인이 구조적인 보강 효과가 있다고 하더라도 이를 지하구조물에 적용하기 위해서는 멤브레인 타설에 따른 구조적 변화를 정량화할 수 있어야 가능할 것이다. 본 연구에서는 대표적 지하구조물인 터널에서 차수용 박층 멤브레인 타설이 가능한 콘크리트 라이닝 재료에 차수용 박층 멤브레인을 적용할 경우 콘크리트 라이닝의 거동 변화를 수치해석 방법으로 검토하였다. 콘크리트 라이닝의 거동은 3점 휨 시험을 수행하는 것으로 가정하고 이때 발생한 하중-변위 관계를 통해 콘크리트 라이닝의 최대 휨 하중 변화와 항복 이후 변화를 검토하는 방법으로 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 차수용 박층 멤브레인의 구조적인 보강효과를 검토하기 위해 기존 연구에서 제안한 재료의 물성과 접촉면 조건 등을 사용하여 수치해석적 방법으로 분석하였으며 연구를 통해 멤브레인 타설에 의한 구조적인 보강효과를 확인할 수 있었다. 연구에서 수행한 결과를 정리하면 다음과 같다.

가설 설정

본 연구에서는 대표적 지하구조물인 터널에서 차수용 박층 멤브레인 타설이 가능한 콘크리트 라이닝 재료에 차수용 박층 멤브레인을 적용할 경우 콘크리트 라이닝의 거동 변화를 수치해석 방법으로 검토하였다. 콘크리트 라이닝의 거동은 3점 휨 시험을 수행하는 것으로 가정하고 이때 발생한 하중-변위 관계를 통해 콘크리트 라이닝의 최대 휨 하중 변화와 항복 이후 변화를 검토하는 방법으로 연구를 수행하였다. 연구는 기존 연구에서 제시된 재료의 물성을 토대로 수치해석을 통해 재료의 물성과 접촉 방법에 따라 콘크리트 라이닝에 대한 보강효과를 검토하는 방법으로 수행하였다.
Table 2는 해석에서 고려한 접촉면의 점착 강성과 손상 모델의 물성을 나타낸 것이다. 해석에서는 재료 A와 B의 접촉면 물성은 같은 것으로 가정하였다.

제안 방법

, 2015)에서 고려한 방법으로 접촉면 물성을 조절하는 방식으로 각각의 특성이 미치는 영향을 검토하였다. 멤브레인 재료에 대한 비교를 위해 기존에 보고된 멤브레인 재료 중 강도가 다른 물성을 적용하여 재료 물성에 따른 변화도 검토하였다. 수치해석은 멤브레인 재료 물성과 접촉면 특성을 효과적으로 반영이 가능한 범용해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하였다.
(2015)는 TSL의 부착성능을 모사하기 위해 점착 모델과 손상 모델을 함께 사용한 바 있다. 본 연구에서도 차수용 박층 멤브레인이 5 mm 정도로 얇게 타설되고 부착 성능을 적절히 모사해야하기 때문에 기존 연구에서 적용한 점착 모델과 손상 모델을 복합적으로 사용하였다. Fig.
수용 박층 멤브레인의 접촉면 특성에 따라 변화되는 콘크리트 라이닝의 거동을 알아보기 위해 접촉면의 점착 강성과 손상 정도를 모두 변수로 정의하고 주어진 접촉면 조건에 따라 변화하는 콘크리트 라이닝의 최대 휨 강도를 비교하는 방법으로 접촉면 특성에 따른 변화를 검토하였다. Table 2는 해석에서 고려한 접촉면의 점착 강성과 손상 모델의 물성을 나타낸 것이다.
콘크리트 라이닝의 거동은 3점 휨 시험을 수행하는 것으로 가정하고 이때 발생한 하중-변위 관계를 통해 콘크리트 라이닝의 최대 휨 하중 변화와 항복 이후 변화를 검토하는 방법으로 연구를 수행하였다. 연구는 기존 연구에서 제시된 재료의 물성을 토대로 수치해석을 통해 재료의 물성과 접촉 방법에 따라 콘크리트 라이닝에 대한 보강효과를 검토하는 방법으로 수행하였다.
차수용 박층 멤브레인 (그림에서 WP membrane)은 콘크리트 라이닝 외벽에 5 mm 타설되어 있는 것으로 적용하였다. 해석에서는 차수용 박층 멤브레인의 설치 위치에 따른 구조적인 영향을 검토하기 위해 콘크리트 라이닝, 콘크리트 라이닝 외벽에 차수용 박층 멤브레인이 타설된 경우, 콘크리트 라이닝 내부 중앙 지점에 설치된 경우로 나누어 검토하였다. 또한, 콘크리트 라이닝 내부에 설치된 경우와 비교를 위해 추가로 콘크리트 라이닝의 두께가 절반인 경우(두께 0.

대상 데이터

4는 본 연구에서 고려한 기존 연구(Ahn, 2011)의 콘크리트 라이닝의 개략도이다. 차수용 박층 멤브레인 (그림에서 WP membrane)은 콘크리트 라이닝 외벽에 5 mm 타설되어 있는 것으로 적용하였다. 해석에서는 차수용 박층 멤브레인의 설치 위치에 따른 구조적인 영향을 검토하기 위해 콘크리트 라이닝, 콘크리트 라이닝 외벽에 차수용 박층 멤브레인이 타설된 경우, 콘크리트 라이닝 내부 중앙 지점에 설치된 경우로 나누어 검토하였다.
따라서, 본 연구에서는 기존 해석에 사용된 바 있는 재료의 물성을 해석에 적용하였다. 해석에 적용한 2가지 차수용 박층 멤브레인 재료 (재료 A와 B)의 소성 거동은 기존 연구(Lee et al., 2015)를 따르며 탄성계수는 멤브레인 A와 B의 탄성계수는 각각 290 MPa과 430 MPa를 사용하였다.

데이터처리

이를 통해 TSL을 최대 시료 크기의 20%까지 코팅하여 실험한 결과 코팅한 TSL의 두께가 두꺼워 질수록 흡수할 수 있는 에너지의 양이 증가한다고 보고하였다. 본 연구에서도 이러한 Toughness 개념을 도입하여 휨 시험에서 나타난 하중-변위 관계를 통해 흡수되는 에너지를 서로 비교하였다. Toughness는 아래 식 (1)을 사용하여 해석에서 수행한 변위 7cm 까지의 하중-변위 결과에 대해 서로 비교하였다.

이론/모형

, 1989; Lee and Fenves, 1989)로 알려져 있다. 본 연구와 유사한 연구에서도 CDP 모델을 콘크리트 재료 모델로 자주 사용한 바 있다(Tyau, 2009; Ahn, 2011; Blazejowski, 2012; Yu et al., 2016). CDP 모델은 Fig.
멤브레인 재료에 대한 비교를 위해 기존에 보고된 멤브레인 재료 중 강도가 다른 물성을 적용하여 재료 물성에 따른 변화도 검토하였다. 수치해석은 멤브레인 재료 물성과 접촉면 특성을 효과적으로 반영이 가능한 범용해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하였다.
075 m)에 대해서도 해석을 수행하였다. 차수용 박층 멤브레인의 접촉 특성에 따른 구조적인 변화는 기존 연구 (Lee et al., 2015)에서 고려한 방법으로 접촉면 물성을 조절하는 방식으로 각각의 특성이 미치는 영향을 검토하였다. 멤브레인 재료에 대한 비교를 위해 기존에 보고된 멤브레인 재료 중 강도가 다른 물성을 적용하여 재료 물성에 따른 변화도 검토하였다.

성능/효과

1. 기존 연구에서 제시한 TSL의 재료 모델을 통해 차수용 박층 멤브레인의 Plasticity 재료 모델과 접촉면 거동을 해석에 적용하고 CDP 모델을 콘크리트 라이닝에 적용하여 차수용 박층 멤브레인이 부착된 콘크리트 라이닝의 3점 휨 시험을 합리적으로 모사할 수 있었다.
3. 콘크리트 라이닝의 항복이후의 거동을 Toughness 개념을 도입하여 비교한 결과, 차수용 박층 멤브레인이 설치된 경우가 그렇지 않은 경우보다 약 10.1% 증가한 것으로 나타났다.
4. 차수용 박층 멤브레인이 설치된 콘크리트 라이닝의 3점 휨 시험의 경우, 콘크리트 라이닝과 멤브레인 접촉면 사이의 조건이 콘크리트 라이닝의 하중-변위 관계에 영향을 거의 미치지 않은데 반해 멤브레인 재료의 인장거동은 상대적으로 영향을 크게 주는 것으로 나타났다.
즉, 정의된 접촉면 물성은 접촉면의 분리에 관한 조건인데 반해 해석에서는 멤브레인과 콘크리트 라이닝 접촉면이 분리될 정도의 변위가 발생하지 않으므로 접촉면 조건보다는 재료적인 영향이 크게 나타난 결과로 판단된다. 결과적으로 본 연구에서 수행한 콘크리트 라이닝의 3점 휨 시험의 경우, 콘크리트 라이닝 외벽에 시공된 차수용 박층 멤브레인의 인장거동이 콘크리트 라이닝의 하중-변위에 거동 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
2. 차수용 박층 멤브레인이 부착된 콘크리트 라이닝의 3점 휨 시험 모사를 통해 멤브레인이 추가로 설치된 경우에 콘크리트 라이닝만 해석한 경우보다 최대 휨 하중이 70.1 MPa에서 73.0 MPa로 약 3MPa 증가한 것으로 나타났다. 그러나 멤브레인이 콘크리트 라이닝 중앙 7.

후속연구

5. 차수용 박층 멤브레인은 차수 또는 방수 목적의 재료로 구조적인 보강효과가 주요 요구 성능이 아님에도 불구하고 본 연구를 통해 고려할만한 보강효과가 있는 것으로 판단되기 때문에 향후 지하구조물에 쓰이는 구조 재료에 대해 3점 휨 시험과 같은 성능 검토 실험을 수행하여 차수용 박층 멤브레인 재료에 따른 구조적 보강효과를 정량화되면 이를 설계에 적용 가능할 것으로 판단된다.
본 연구는 해석적인 결과와 기존에 발표된 연구결과를 비교 분석한 내용으로 향후 콘트리트 라이닝 실물 실험을 통해 멤브레인에 의한 구조적인 보강효과를 정량화 하는 반복 실험과 해석이 추가로 필요하다. 차수용 멤브레인에 의한 구조적 보강효과를 설계에 반영하기 위해서는 일정한 강도 특성을 보이는 콘크리트 라이닝과 차수용 박층 멤브레인을 두께별로 설치하고 휨 시험을 수행하여 차수용 박층 멤브레인 두께별 기여도를 수치화하여 설계에 반영할 수 있도록 하는 것이 선행되어야 한다.
, 2017) 사례는 있으나 구조적인 효과에 관한 연구보고가 거의 없는 실정 이다. 차수용 박층 멤브레인이 구조적인 보강 효과가 있다고 하더라도 이를 지하구조물에 적용하기 위해서는 멤브레인 타설에 따른 구조적 변화를 정량화할 수 있어야 가능할 것이다. 본 연구에서는 대표적 지하구조물인 터널에서 차수용 박층 멤브레인 타설이 가능한 콘크리트 라이닝 재료에 차수용 박층 멤브레인을 적용할 경우 콘크리트 라이닝의 거동 변화를 수치해석 방법으로 검토하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차수용 박층 멤브레인이란?	차수용 박층 멤브레인은 폴리머를 주요 구성성분으로 하는 재료로서 높은 부착성능과 시공성을 특징으로 하는 방수 재료이다. 차수용 박층 멤브레인은 일반적으로 콘크리트 또는 숏크리트 라이닝과 일체화되어 복합 구조체 형태로 방수 기능을 발현하는 재료이다.
	차수용 박층 멤브레인은 어떤 효과를 가지고 있는가?	비교적 최근에 개발된 차수용 박층 멤브레인(spray-applied waterproofing membrane)은 높은 부착성능을 특징으로하는 방수 재료이다. 따라서 콘크리트 또는 숏크리트 라이닝과 일체화되어 복합 구조체(composite structure)로서 기능을 발현할 수 있고 이로 인해 라이닝의 두께를 줄일 수 있는 효과도 기대할 수 있다(Holter,2015; Makhlouf & Holter, 2008; Thomas, 2009). 국제터널지하공간학회의 ITAtech(2013)에서는 두께 약 5 mm의 얇은 뿜칠 차수 멤브레인 시공을 통해 지하수 유입이 발생하지 않도록 규정하고 있다.
	지하 굴착공사에서 지하수가 중요한 고려사항인 이유는?	지하구조물에서 차수와 방수는 안전 및 구조적 기능의 향상과 더불어, 구조물의 설계수명을 안정적으로 유지하기 위한 가장 경제적이며 효과적인 방법이다. 지하 굴착공사 중에 유입된 지하수는 구조물의 성능과 내구성을 저하시킬 수 있을 뿐만 아니라 굴착구간 인근의 지표침하나 지반함몰을 야기할 수 있기 때문에 중요한 고려사항이다(Nakashima et al., 2015).

참고문헌 (19)

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표제어: PCR

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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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