터널공사의 발파공법의 특성상 여굴 발생은 필연적이라고 할 수 있다. 국내 터널 여굴 관련 설계기준에 의하면 공동구 바닥부의 여굴처리는 채움 10 cm로 되어 있으나 설계 여굴량 이상의 깊이를 모두 콘크리트로 채우게 되면 공사비가 크게 증가한다. 철도터널은 항구적인 콘크리트 궤도를 적용 중에 있다. 그러나 철도터널에서 바닥 여굴이 발생할 경우 압축강도 18 MPa의 콘크리트 채움 시공(T=100 mm)을 하고 있고, 상부에 150 mm ~ 237 mm의 보조도상 콘크리트층, 240 mm 콘크리트 궤도(TCL층)를 시공하는 등의 레일 하부와 터널 암반 사이에 약 600 mm 두께의 콘크리트로 시공하고 있어 경제성이 매우 떨어지는 실정이다. 이 연구에서는 기존터널단면과 변경터널단면에 대해 각각 여굴 깊이에 따라 콘크리트 균열 수치해석 및 콘크리트 균열 위험도 분석, 콘크리트 균열 안정성 확보를 위한 터널 바닥콘크리트 소요 두께에 대한 적정성을 평가하였다.
터널공사의 발파공법의 특성상 여굴 발생은 필연적이라고 할 수 있다. 국내 터널 여굴 관련 설계기준에 의하면 공동구 바닥부의 여굴처리는 채움 10 cm로 되어 있으나 설계 여굴량 이상의 깊이를 모두 콘크리트로 채우게 되면 공사비가 크게 증가한다. 철도터널은 항구적인 콘크리트 궤도를 적용 중에 있다. 그러나 철도터널에서 바닥 여굴이 발생할 경우 압축강도 18 MPa의 콘크리트 채움 시공(T=100 mm)을 하고 있고, 상부에 150 mm ~ 237 mm의 보조도상 콘크리트층, 240 mm 콘크리트 궤도(TCL층)를 시공하는 등의 레일 하부와 터널 암반 사이에 약 600 mm 두께의 콘크리트로 시공하고 있어 경제성이 매우 떨어지는 실정이다. 이 연구에서는 기존터널단면과 변경터널단면에 대해 각각 여굴 깊이에 따라 콘크리트 균열 수치해석 및 콘크리트 균열 위험도 분석, 콘크리트 균열 안정성 확보를 위한 터널 바닥콘크리트 소요 두께에 대한 적정성을 평가하였다.
Over-break, which is excavated larger than planned line at tunnel excavation, is inevitable due to the nature of blasting. But regarding the bottom of the foundation, most of the domestic ordering organizations pay only 10 cm thick filled concrete when pouring concrete due to over-break. In accordan...
Over-break, which is excavated larger than planned line at tunnel excavation, is inevitable due to the nature of blasting. But regarding the bottom of the foundation, most of the domestic ordering organizations pay only 10 cm thick filled concrete when pouring concrete due to over-break. In accordance, the construction cost will increase greatly if all the depths of the designed over-break are filled only with concrete. When tunnel excavation occurs, concrete filling of 18 MPa(T = 100 mm) and 150 mm~237 mm auxiliary concrete layer and 240 mm concrete track(TCL) are applied to the upper part. The concrete is installed in an excessive amount of about 600 mm between the lower part of the rail and the tunnel rock bed. Therefore, in this study, it is necessary to analyze the concrete crack structure according to the depth of the existing tunnel and the modified tunnel section, and to evaluate the adequacy of the required thickness of the tunnel floor concrete for securing the crack stability of the concrete.
Over-break, which is excavated larger than planned line at tunnel excavation, is inevitable due to the nature of blasting. But regarding the bottom of the foundation, most of the domestic ordering organizations pay only 10 cm thick filled concrete when pouring concrete due to over-break. In accordance, the construction cost will increase greatly if all the depths of the designed over-break are filled only with concrete. When tunnel excavation occurs, concrete filling of 18 MPa(T = 100 mm) and 150 mm~237 mm auxiliary concrete layer and 240 mm concrete track(TCL) are applied to the upper part. The concrete is installed in an excessive amount of about 600 mm between the lower part of the rail and the tunnel rock bed. Therefore, in this study, it is necessary to analyze the concrete crack structure according to the depth of the existing tunnel and the modified tunnel section, and to evaluate the adequacy of the required thickness of the tunnel floor concrete for securing the crack stability of the concrete.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 기존터널단면과 경제성이 유리한 변경터널단면에 대해 각각 여굴 깊이에 따라 콘크리트 균열 구조해석 및 오차별 콘크리트 균열 위험도 분석, 콘크리트 균열 안정성 확보를 위한 터널 바닥콘크리트 소요 두께에 대한 적정성을 평가하고자 한다.
다만 우리가 어느 관점에서 보느냐에 따라 달리 이해할 수 있을 뿐이며 Witttmann은 콘크리트 재료의 균열 발생에 대하여 micro level, meso level, macro level 등으로 나누어 설명하였다. 먼저 여기서는 평균적 개념에서 콘크리트의 균열이 어떻게 진전되는가에 대하여 먼저 살펴보고자 한다.
본 연구에서는 터널 바닥 여굴 채움 콘크리트 및 보조도상 콘크리트 균열 안정성 검토를 위해 콘크리트 터널단면의 구조해석을 진행하였다. 여굴 깊이에 따른 보조도상 콘크리트와 지반의 조건에 따라 해석을 수행하였으며, 본 해석을 위해 Fig.
제안 방법
다음 Figs. 6, 7과 같이 기존 터널 단면에 대해서는 TCL층, 보조도상 콘크리트 150 mm, 채움 콘크리트로 모델링하였으며, 변경 터널 단면에 대해서는 TCL층, 채움 콘크리트로 모델링하였다.
Fig. 4의 기존 터널과 터널 단면 개선안인 Fig. 5와 같이 변경 터널 단면에 대해 여굴 깊이 따른 보조도상 콘크리트 와 풍화암, 연암, 경암 등 지반을 고려한 일체형 모델링을 채택하여 수행하였으며, 터널의 총 길이는 10 m, 지반 깊이는 3 m로 설정하여 해석을 진행하였다.
본 연구에서는 기존 터널 단면과 변경 터널 단면에 대하여가장 약한 지반인 풍화암에 대해서는 0 mm, 50 mm, 100 mm, 150 mm, 250 mm의 총5가지 여굴 깊이를 해석변수로 설정하였으며, 이보다 강한 지반인 연암과 경암에 대해서는 구조적으로 가장 취약할 것으로 예상되는 여굴 깊이인 0mm에 대하여 해석을 수행하여 비교, 검토하였다.
본 연구에서는 기존 터널 단면과 변경 터널 단면에 대하여가장 약한 지반인 풍화암에 대해서는 0 mm, 50 mm, 100 mm, 150 mm, 250 mm의 총5가지 여굴 깊이를 해석변수로 설정하였으며, 이보다 강한 지반인 연암과 경암에 대해서는 구조적으로 가장 취약할 것으로 예상되는 여굴 깊이인 0mm에 대하여 해석을 수행하여 비교, 검토하였다.
본 연구에서는 터널 바닥여굴 채움 콘크리트 및 보조도상 콘크리트 균열안정성 검토를 위해 기존 터널단면과 변경 터널단면의 바닥 콘크리트부 여굴 깊이를 0 m, 50 mm, 100 mm, 150 mm, 250 mm로 변화시키고 지반 조건을 고려하여 해석을 수행하였다.
8과 같이 KRL-2012 기준 표준열차하중 재하도를 바탕으로 하였다. 터널 길이 10 m의 등분포하중과 3 m간격의 집중하중을 레일에 따라 재하하였으며, 열차의 진행 방향 Z방향을 제외하고 X, Y방향으로만 거동할 수 있도록 경계조건을 고려하였다.
터널 바닥 여굴 채움 콘크리트 및 보조도상 콘크리트 균열 안전성 검토를 위해 수행된 본 해석에서 터널 도상콘크리트 하중은 다음 Fig. 8과 같이 KRL-2012 기준 표준열차하중 재하도를 바탕으로 하였다. 터널 길이 10 m의 등분포하중과 3 m간격의 집중하중을 레일에 따라 재하하였으며, 열차의 진행 방향 Z방향을 제외하고 X, Y방향으로만 거동할 수 있도록 경계조건을 고려하였다.
데이터처리
본 연구에서는 터널 바닥 여굴 채움 콘크리트 및 보조도상 콘크리트 균열 안정성 검토를 위해 콘크리트 터널단면의 구조해석을 진행하였다. 여굴 깊이에 따른 보조도상 콘크리트와 지반의 조건에 따라 해석을 수행하였으며, 본 해석을 위해 Fig. 3과 같이 모델링하여 범용 구조해석 프로그램인 ANSYS WB를 사용하였다.
성능/효과
1) 최대인장응력을 검토할 수 있는 최대주응력, 최대압축응력을 검토할 수 있는 최소주응력은 여굴 깊이에 따라 미세한 차이가 있으나 균일하게 값이 나타나고 있으며, 기존 터널단면의 최대주응력 값이 변경 터널단면에 비해 약 1.2 MPa 더 크게 나타났다.
3) 변경 터널단면의 전체변형량이 기존 터널단면보다 비교적 크게 나타나며 이는 보조도상콘크리트층의 부재로 인한 변형 증가인 것으로 판단되나, 하중재하점 부근의 국부적인 최대값이 0.7 mm 이하의 작은 값을 보이므로 변경단면의 사용성에 문제가 없을 것으로 사료된다.
4) 콘크리트 균열발생기준 중 일반적으로 사용되고 있는 강도기준을 적용하여 분석해 보면, 최대주응력이 TCL 층의 쪼갬인장강도를 초과하지 않으므로 변경단면의 철도하중에 의한 균열발생가능성은 낮을 것으로 판단되며, 최소주응력이 TCL층의 콘크리트 설계기준압축강도 값 이하로 나타났으므로 철도하중에 의한 압축파괴 가능성은 없을 것으로 사료된다.
2) Figs. 9~14의 응력분포를 보면 인장 및 압축 최대 응력값은 하중이 재하되는 TCL층에서 발생하는 것을 알수 있으며, 여굴부의 채움콘크리트 부분에서는 여굴 깊이에 관계 없이 균열이나 파괴를 유발하는 응력이 발생하지 않는 것으로 나타났다.
변경 터널 단면은 기존 터널 단면의 과도한 콘크리트 사용을 줄여 원가 절감을 목표로 한 터널 바닥부 개선안으로 보조도상 콘크리트를 시공하지 않으므로 기존 터널 단면에 비해 비용을 절감할 수 있는 이점이 있으며, 사용성 또한 문제가 없을 것으로 판단된다.
7 mm 이하의 작은 값을 보여 변경단면의 사용성에 문제가 없을 것으로 판단되었다. 변경단면 TCL 층의 최대주응력이 쪼갬인장강도를 초과하지 않고, 최소주응력이 설계기준압축강도 값 이하이므로 변경단면의 균열발생가능성과 압축파괴 가능성은 매우 낮았다.
여굴부의 채움콘크리트에서는 여굴 깊이에 관계없이 균열이나 파괴를 유발하는 응력이 발생하지 않았으며, 변경 터널단면의 전체변형량이 기존 단면보다 비교적 크게 나타났다. 변형량이 증가하는 이유는 보조도상 콘크리트층의 부재로 인한 것으로 판단되나, 하중재하점 부근의 국부적인 최대값이 0.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
콘크리트 구조물이 인장력을 받으면 어떻게 되는가 ?
이와 같이 콘크리트 구조물에 어떠한 형태의 하중이 작용하더라도, 콘크리트에서의 균열은 콘크리트 부재의 인장 변형률에 의해서 일어난다. 인장력을 받으면 그 힘 방향으로의 인장 변형률이 발생하여 균열은 작용하중에 수직한 방향으로 발생되며, 반면 압축력을 받으면 Fig. 2에서와 같이 작용하중에 나란한 방향으로 압축 변형률이 발생되고 포아송비의 효과에 의해 힘과 수직한 방향으로 인장 변형률이 발생되어 균열은 작용하중과 나란한 방향으로 발생하게 된다.
콘크리트의 파괴는 무엇에 의해 일어나는가 ?
콘크리트의 파괴는 항상 균열에 의해서 일어난다. 또한 콘크리트는 생겨날 때부터 균열을 갖고 있다.
Witttmann은 콘크리트 재료의 균열발생을 어떻게 설명했는가 ?
즉 콘크리트는 균열을 항상 갖고 있으며 그 균열의 진전에 의해 파괴가 일어난다는 것이다. 다만 우리가 어느 관점에서 보느냐에 따라 달리 이해할 수 있을 뿐이며 Witttmann은 콘크리트 재료의 균열 발생에 대하여 micro level, meso level, macro level 등으로 나누어 설명하였다. 먼저 여기서는 평균적 개념에서 콘크리트의 균열이 어떻게 진전되는가에 대하여 먼저 살펴보고자 한다.
참고문헌 (7)
Berg, O. Y. and Lipatoff, A. F. (1956), Proceedings, All Union Research Institute of Transport Construction (Moscow), 19.
Kaplan, M. F. (1963), Strains and stresses of concrete at initiation of cracking and near failure, ACI Journal, Proceedings, 60(7), 853-880.
Kaplan, M. F. (1961), Crack Propagation and the Fracture of Concrete, ACI Journal, Proceedings, 58(5), 591-610.
Price, W. H. (1951), Factors Influencing Concrete Strength ACI Journal, Proceedings, 47(6), 417-432
Probst, E. (1931), The Influence of Rapidly Alternating Loading on Concrete and Reinforced Concrete, The Structural Engineer (London), 9, 410-432.
Rusch, H. (1959), Physical Problems in the Testing of Concrete, Zement-Kalk-Gips (Wiesbaden), 12(1), 1-9.
Rusch, H. and Rasch, C. (1958), Investigations Into The Strength of Concrete Under Sustained Load, RILEM Symposium on the Influence of Time upon Strength and Defomation of Concrete, Munich, Nov.
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