[논문]복층터널 중간슬래브 유지관리에 따른 응력분포 특성 분석

조영교; 이영훈; 박범근; 김성민

doi:10.7855/ijhe.2017.19.6.047

복층터널 중간슬래브 유지관리에 따른 응력분포 특성 분석
Characteristics of Middle Slab Stresses in Double-Deck Tunnel During Maintenance 원문보기

한국도로학회논문집 = International journal of highway engineering, v.19 no.6 = no.86, 2017년, pp.47 - 56

조영교 (경희대학교 공과대학 사회기반시스템공학과) , 이영훈 (경희대학교 공과대학 사회기반시스템공학과) , 박범근 (경희대학교 공과대학 사회기반시스템공학과) , 김성민 (경희대학교 공과대학 사회기반시스템공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

PURPOSES : The purpose of this study is to investigate the stresses of the middle slab in a double-deck tunnel owing to the slab lift to replace the underlying elastic pads during maintenance work. METHODS : The middle slab was divided into three different sections: typical section, expansion joint section, and emergency passageway section. Finite element analysis models of these three sections of middle slab were developed, and the stress distribution and maximum stresses were obtained using the models when the middle slab was lifted to replace the underlying elastic pads. Various slab lifting methods were examined in this study such as one-, two-, and multiple-point lifts, distributed lifts, and one or both slab side edge lifts. RESULTS : When the slab side edge is lifted, the longitudinal stresses of the slab are almost the same as the principal stresses. This implies that the governing stresses are the longitudinal stresses. The maximum stresses with both-edge lifts are generally smaller than those with one-edge lifts at all three sections of middle slab. CONCLUSIONS : If the middle slab in a double-deck tunnel is lifted for maintenance, the slab should be lifted at multiple points along the longitudinal direction to reduce the tensile stresses.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 중간슬래브의 부분 인상 작업은 슬래브에 예기치 못한 응력을 발생시키며 이러한 응력에 의해 슬래브에 손상을 야기할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 브래킷으로 양단이 지지되어 있는 복층터널 중간슬래브의 특성을 고려하여 탄성패드의 교체를 위한 중간슬래브 인상 시 발생하는 슬래브의 응력분포를 분석함으로써 복층터널 중간슬래브의 설계 및 유지관리 방안의 기반을 마련하고자 한다.
본 연구는 복층터널 중간슬래브의 유지관리 시에 슬래브와 브래킷 사이에 설치된 탄성패드의 교체가 필요할 때 중간슬래브 인상 시 발생하는 응력 특성을 분석하여 슬래브 설계 및 유지관리 방안의 기반을 마련하고자 3차원 구조해석을 수행하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.

제안 방법

이에 따라 중간슬래브 팽창줄눈구간에서 슬래브 인상 시 슬래브에 작용하는 응력이 최소가 될 수 있는 최적의 인상 방안을 찾기 위해 일반구간과 동일하게 Table 2와 같이 해석 인자를 구분하여 분석을 수행하였다. 1점 인상, 2점 인상, 분포 인상, 7점 인상으로 구분하였으며, 일반구간과 구분하기 위해 팽창줄눈의 약자 EJ를 사용하였다. 하지만 팽창줄눈의 경우 슬래브가 줄눈으로 분리되어 있기 때문에 2점 인상은 실제 2점 인상이 아니라 줄눈부에서 1m 이격된 위치에서의 1점 인상이며, 7점 인상의 경우 또한 줄눈부를 중심으로 사실상은 한 방향으로 4점 인상이다.
반대쪽 단부(EPR)의 경우는 0m, 4m, 8m, 12m 이격된 총 7개의 지점에서 집중하중으로 코사인 그래프 개형을 보이며 완만하게 슬래브를 인상하도록 하였다. 비상대피시설구간의 경우 슬래브 한쪽 측면에 빈 공간이 마련되어 있는 구조적 특이성 때문에 일반구간 및 팽창줄눈구간과는 다르게 양단 1점 인상, 양단 2점 인상은 고려하지 않았다.
20은 비상대피시설구간에서 양단 인상 시 인상 방법에 따른 슬래브의 응력 분포를 나타내었다. 분석에 사용된 인상 방법은 분포 인상(EP-2E-D)과 7점 인상(EP-2E-7P)이다. 7점 인상 시에는 분포 인상에서의 응력 분포를 기준으로 응력이 상하로 변동하며 최대응력은 분포 인상의 경우보다 다소 높게 발생하는 것을 알 수 있다.
1점 인상은 1지점에서 집중하중으로 슬래브를 50mm 인상하는 경우로 1P로 표현하였으며, 2점 인상은 비상 대피시설 한쪽 단부(EPS)의 경우 8m, 반대쪽 단부(EPR)는 2m 이격된 2점에서 슬래브를 50mm 인상하는 경우로 2P로 표현하였다. 분포 인상은 D로 표현하였고, 슬래브 종방향 26m 길이를 슬래브 중심에서 50mm 인상한 것으로 양방향 코사인 그래프 개형을 보이며 완만하게 인상하도록 하였다. 비상대피시설구간의 계단이 없는 측면부(EPR)에 사용된 인상 함수는 일반구간에 사용한 Eq.
이에 따라 중간슬래브 팽창줄눈구간에서 슬래브 인상 시 슬래브에 작용하는 응력이 최소가 될 수 있는 최적의 인상 방안을 찾기 위해 일반구간과 동일하게 Table 2와 같이 해석 인자를 구분하여 분석을 수행하였다. 1점 인상, 2점 인상, 분포 인상, 7점 인상으로 구분하였으며, 일반구간과 구분하기 위해 팽창줄눈의 약자 EJ를 사용하였다.
Table 1은 중간슬래브 일반구간에서 슬래브에 응력이 최소로 걸리도록 슬래브를 인상하는 방안을 찾기 위한 해석 인자를 나타내었다. 중간슬래브의 인상은 브래킷에 지지되는 양쪽 단부 중 한쪽 단부만을 인상할 경우와 양쪽 단부를 동시에 인상할 경우에 대해 비교 분석하였으며, 슬래브에 인상력을 가하는 지점의 개수에 따른 영향 또한 분석하였다. 한쪽 단부를 인상하는 경우는 1E라고 표현하였으며, 양단부 인상은 2E라고 표현하였다.

대상 데이터

분석에 사용된 중간슬래브 두께는 400mm이며, 종방향 길이는 100m이다. 이와 같은 중간슬래브의 제원을 바탕으로 유한요소 해석 프로그램(ABAQUS, 2007)을 이용하여 Fig.

이론/모형

분석에 사용된 중간슬래브 두께는 400mm이며, 종방향 길이는 100m이다. 이와 같은 중간슬래브의 제원을 바탕으로 유한요소 해석 프로그램(ABAQUS, 2007)을 이용하여 Fig. 2와 같이 3차원 구조 해석 모델을 구성하였다. 탄성패드 교체를 위한 중간슬래브의 인상 높이는 50mm이며, 슬래브 인상 시에는 중간슬래브에 교통통행이 없기 때문에 차량하중은 재하하지 않았다.

성능/효과

1. 복층터널의 중간슬래브 측면 단부 인상 시 종방향 응력과 주응력의 크기가 거의 유사하게 되며 이를 통해 슬래브 인상 시 횡방향 응력보다는 종방향 응력이 지배적인 것을 알 수 있었다.
2. 중간슬래브 일반구간에서는 한쪽 단부 인상보다 양단을 동시에 인상할 경우 응력이 보다 작게 발생하는 것으로 나타났으며, 인상 지점의 경우 분포 인상할 경우에 가장 작은 응력이 발생하는 것으로 나타났다. 하지만 분포 인상은 현실적으로 적용하기 어렵기 때문에 양단부를 동시에 다점 인상(7점 인상 등)하면 슬래브에 가장 작은 응력을 발생시킬 수 있는 것으로 분석되었다.
3. 팽창줄눈구간에서도 한쪽 단부만 인상하는 것 보다는 양단을 동시에 인상하는 경우에 슬래브 인장응력의 크기를 감소시킬 수 있다. 또한 팽창줄눈에서의 1점 인상 또는 팽창줄눈부 전후의 다점 인상의 경우보다 팽창줄눈을 기준으로 전후에 1점씩을 인상하는 2점 인상을 적용하면 슬래브에 발생하는 응력의 크기를 최소화 할 수 있다.
5. 일반구간과 비상대피시설구간에서는 양단 7점 인상, 팽창줄눈구간에서는 양단 2점 인상 시 중간슬래브에 가장 작은 최대응력이 발생하는 것으로 나타났다(Table 4). 팽창줄눈구간의 경우 Table 4와 같이 양단 7점 인상 시에도 최대응력이 일반구간 및 비상대피시설구간에 비해 그리 크지 않기 때문에 유지관리를 위한 중간슬래브의 인상은 양단 다점(7점 등) 인상이 가장 적절할 것으로 분석되었다.
하지만 2점 인상, 분포 인상, 다점 인상의 경우에는 계단부가 없는 측면 단부를 인상할 경우가 계단부가 마련된 측면 단부를 인상할 경우에 비해 최대응력이 작아지는 것을 알 수 있다. 가장 작은 최대 응력은 계단부가 없는 측면 단부를 분포 인상할 경우 (EPR-1E-D)이지만 분포 인상은 실제 적용하기 어렵기 때문에 비상대피시설구간의 슬래브 인상은 양단 7점 인상 시 인장응력의 발생을 최소화할 수 있을 것으로 분석되었다.
17은 비상대피시설구간에서 계단 공간이 마련되어 있는 한쪽 단부 인상(EPS-1E-1P)과 그 반대쪽 단부 인상(EPR-1E-1P) 시의 주응력을 종방향을 따라 나타내었다. 계단 공간이 없는 측면 단부를 인상할 경우에 최대응력이 약 23MPa 정도로 계단 공간이 있는 단부를 인상할 경우보다 최대응력이 다소 크게 발생하는 것을 알 수 있다.
따라서 공간이 있는 계단부의 측면 단부를 인상할 경우와 계단부가 없는 반대편 측면단부를 인상할 경우에 슬래브에 발생하는 응력 분포가 다르게 되며, 대체적으로는 인상 방법이 동일하면계단부 반대편의 측면 단부를 인상할 경우의 최대응력이 보다 작아지게 된다. 또한 양단부를 동시에 인상할 경우에 최대응력의 크기가 작아지며 양단을 다점 인상하는 것이 가장 바람직한 것으로 분석되었다.
일반구간과 비상대피시설구간에서는 양단 7점 인상, 팽창줄눈구간에서는 양단 2점 인상 시 중간슬래브에 가장 작은 최대응력이 발생하는 것으로 나타났다(Table 4). 팽창줄눈구간의 경우 Table 4와 같이 양단 7점 인상 시에도 최대응력이 일반구간 및 비상대피시설구간에 비해 그리 크지 않기 때문에 유지관리를 위한 중간슬래브의 인상은 양단 다점(7점 등) 인상이 가장 적절할 것으로 분석되었다.
분석에 사용된 인상 방법은 1점 인상(EJ-2E-1P), 2점 인상(EJ2E-2P), 분포 인상(EJ-2E-D), 7점 인상(EJ-2E-7P)이다. 한쪽 단부 인상 시와 유사하게 1점과 7점 인상 시에 약 10MPa 정도로 가장 큰 최대응력이 발생하였으며, 2점 인상 시 약 6MPa 정도의 가장 작은 최대응력이 발생하였다. 분포 인상의 경우에는 약 7MPa 정도의 최대응력이 발생하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	복층터널은 무엇인가?	복층터널은 일반터널과 달리 터널 내부에 중간슬래브를 설치하여 터널을 상부와 하부로 분리하여 사용하는 형식이다(Park et al., 2017).
	국외의 복층터널 건설의 예는?	, 2017). 터키의 유라시아 터널, 프랑스의 A86 East 터널, 중국의 Fuxing 터널, 스페인의 M30 터널, 말레이시아의 SMART 터널 등 여러 나라에서는 교통량이 극심한 도심지 구간에 대심도 복층터널을 건설하여 공용 중에 있다(Arlet, 2012; Kannapiram, 2005; Kim, 2010; Santhiman and Weei, 2006).

참고문헌 (6)

ABAQUS (2007). User's Manual Version 6.7, Hibbit, Karlsson & Sorensen, Inc., Pawtucket, R.I.
Arlet, A. (2012). Tunnel A86 Duplex: A Private Initiative, International Seminar on Long Road Tunnels, World Road Association-PIARC, Chile.
Kannapiram, R.K.M. (2005). A Study and Evaluation on SMART Project, Ph.D. Dissertation, University of Southern Queensland, Malaysia.
Kim, S. H. (2010). Large Tunnels for Transportation Purposes and Face Stability of Mechanically Driven Tunnels in Soft Ground, Ph.D. Dissertation, The University of Texas at Austin, USA.
Park, H. B., Cho, Y. K., Lee, Y. H., Kim, S. M. (2017). Analysis of the Fundamental Behaviors of the Middle Slab in a Double-Deck Tunnel for Design Guide Development, International Journal of Highway Engineering, Vol. 19, No. 1, pp.63-72.

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Santhiman, M. S., Weei, L. H. (2006). ITS of SMART, PIARC International Seminar on Intelligent Transport System (ITS) in Road Network Operations, Kuala Lumpur, Malaysia.

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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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