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조인트 버스팅을 고려한 세그먼트 라이닝 구조해석 및 설계방법
The structural analysis and design methods considering joint bursting in the segment lining 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.20 no.6, 2018년, pp.1125 - 1146  

김홍문 ((주)평화엔지니어링 지반부) ,  김현수 ((주)평화엔지니어링 지반부) ,  정혁일

초록
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쉴드 TBM터널에 적용되는 세그먼트 라이닝은 주로 콘크리트로 제작되며, 시공 중 및 완공 후 작용 하중에 견딜 수 있는 충분한 강도가 요구된다. 한계상태설계법에 의한 세그먼트라이닝 설계는 주로 극한하중상태(ULS) 및 사용하중상태(SLS)에 대하여 검토하며, 상시하중과 임시하중에 대하여 발생 가능한 조합을 구성하여 적용한다. 또한 TBM에 의한 시공을 고려한 한계상태 설정과 구조해석이 필요하며, 특히 세그먼트라이닝은 현장에서 조립되어 원형구조물을 완성하는 방식이기 때문에, 콘크리트표면이 접촉하는 조인트가 필수적으로 존재하며 이 조인트를 통해 상당한 크기의 압축응력이 전달되므로 조인트에 대한 구조검토가 중요하다. 일반적으로 세그먼트 라이닝의 원주방향 조인트(circumferential joint)와 반경방향 조인트(radial joint)에서의 인장응력에 대하여 FEM모델이나 이론식으로 검토한다. 영국의 설계지침(PAS 8810, 2016)에 의하면, 버스팅을 일으키는 조인트에서의 압축응력은 원주방향 조인트(circumferential joint)에 잭 추력을 가하는 경우뿐만 아니라 반경방향 조인트(radial joint)에 축력이 전달되는 경우에도 발생하므로 버스팅 응력을 검토하여 세그먼트의 인장강도와 비교하여 필요할 경우 보강을 하여야 한다. 본 연구에서는 대표적인 한계상태설계코드인 EURO CODE와 AASHTO LRFD (2017)의 하중조건을 적용하여 조인트 응력을 비교 분석하였고, FEM해석을 통하여 버스팅(bursting)을 유발하는 조인트응력을 평가하고 발생경향을 이론식과 비교 분석하였다. 분석결과, 조인트 응력이 콘크리트의 허용 인장강도를 초과하는 경우가 발생하여 보강이 필요한 것으로 검토되었다. 따라서 조인트 버스팅 검토는 세그먼트라이닝 한계상태설계 시 설계항목으로 비중 있게 고려할 필요가 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Segment lining applied to the TBM tunnel is mainly made of concrete, and it requires sufficient structural capacity to resist loads received during the construction and also after the completion. When segment lining is design to the Limit State Design, both Ultimate Limit State (ULS) and Service Lim...

주제어

표/그림 (28)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 쉴드 TBM터널의 세그먼트라이닝 설계에 한계상태설계법을 적용하기 위한 연구의 일환으로, 여러 가지 구조검토 항목 중 세그먼트 조인트 응력 검토방법과 국외(영국 등)에서 적용되고 있는 조인트 버스팅(joint bursting)을 고려한 응력 검토방법을 중점 고찰하였다. 영국의 설계지침(PAS 8810, 2016)에는 조인트 버스팅 응력(bursting stress)을 평가할 경우 이론적 방법과 해석적 방법을 통하여 검토하는 방법이 제시되어 있다.
  • 본 연구에서는 영국에서 주로 적용하고 있는 조인트 버스팅 검토방법을 고찰하였으며, 3가지 검토조건을 대상으로 국내 및 일본의 설계실무에서 적용하는 응력검토와 조인트 버스팅을 고려한 응력을 검토하였다. 조인트 응력은 이론식 및 구조해석을 통하여 산정하였으며, 대표적인 한계상태설계코드인 EURO CODE (2004)와 한국의 도로교설계기준-한계상태설계법(2016)의 하중조건을 적용하여 구조해석을 실시하여 결과를 비교하였다.

가설 설정

  • (b)와 같이 a / d의 비율이 작을수록 극한 인장응력(σt-max)은 크고, 접촉면에 근접하여 발생한다.
  • 평평(flat)한 반경방향 조인트(radial joint)의 응력분포를 산정하는 방법에는 Simplified method, Advanced method, CTRL method가 있으며, Simplified method가 설계 시 많이 활용된다. Simplified method는 접촉 영역에서 압축력 분포가 접촉영역으로부터의 거리에 비례하고 그 길이에 따라 감소한다고 가정하며, 조인트에서의 응력분포는 Fig. 6과 같이 삼각형으로 가정한다.
  • 세그먼트 링의 직경방향 변형은 크기가 다른 수평하중과 수직하중 및 세그먼트 시공오차에 의해 발생하며, 그 형상은 수학적인 계산이 용이하도록 통상 타원형으로 가정한다. 또한, 세그먼트 조인트의 틈(opening)은 조인트의 회전과 세그먼트의 타원형 변형을 가정해서 계산할 수 있고, 세그먼트 링의 변형은 장축 a와 단축 b를 갖는 타원형으로 가정한다. Specification for Tunneling-Third edition (BTS, 2010)에서는 이러한 직경방향 변형에 대해 1%의 허용치를 제안하였으며, 국외 설계에서는 0.
  • 세그먼트 링의 직경방향 변형은 크기가 다른 수평하중과 수직하중 및 세그먼트 시공오차에 의해 발생하며, 그 형상은 수학적인 계산이 용이하도록 통상 타원형으로 가정한다. 또한, 세그먼트 조인트의 틈(opening)은 조인트의 회전과 세그먼트의 타원형 변형을 가정해서 계산할 수 있고, 세그먼트 링의 변형은 장축 a와 단축 b를 갖는 타원형으로 가정한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
쉴드 TBM터널에 적용되는 세그먼트 라이닝의 특징은? 쉴드 TBM터널에 적용되는 세그먼트 라이닝은 주로 콘크리트로 제작되며, 시공 중 및 완공 후 작용 하중에 견딜 수 있는 충분한 강도가 요구된다. 한계상태설계법에 의한 세그먼트라이닝 설계는 주로 극한하중상태(ULS) 및 사용하중상태(SLS)에 대하여 검토하며, 상시하중과 임시하중에 대하여 발생 가능한 조합을 구성하여 적용한다.
쉴드 TBM터널의 라이닝으로 사용되는 세그먼의 설계시 고려사항은? 쉴드 TBM터널의 라이닝으로 사용되는 세그먼트는 재료, 형상, 분할방식 등에 따라 다양하게 분류되며 세그먼트의 재료특성, 폭, 두께, 연결방식, 조립방식 및 지반조건, 수압조건, 하중조건 등을 고려하여 설계한다. 세그먼트 라이닝은 시공 중 및 완공 후 작용 하중에 대한 충분한 강도와 내구성이 요구되므로, 다양한 상시하중 조건과 임시하중 조건에 대하여 구조 검토가 이루어진다.
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참고문헌 (16)

  1. AASHTO (2017), AASHTO LRFD road tunnel design and construction guide specification (1st edition), pp. 3-1-3-8. 

  2. ARUP (2017), Tunnel lining design guide (an in-house design guide), pp. 60-73. 

  3. BTS (2010), Specification for tunnelling - third edition, pp. 139. 

  4. Duddeck, H., Erdmann, J. (1985), "On structural design models for tunnels in soft soil", Underground Space, Vol. 9, Pergamon Journals Ltd, USA, pp. 246-259. TR306 

  5. EURO CODE (2002), Eurocode 0: Basis of structural design, pp. 38-54. 

  6. EURO CODE (2004), Eurocode 2: Design of concrete structures - Part 1-1, pp. 27-29, 118. 

  7. JSCE (2010), Segment design (allowable stress design & limit state design), pp. 280-282. 

  8. KDS (2016), Design standards of highway bridge, pp. 3-1-3-11, 5-13, 5-72. 

  9. KEPCO (2013), Electric power supply facility construction in the western part of metropolitan area (Structure calculation report). 

  10. Kim, H.M., Kim, D.K., Lee, S.D. (2014), "Limit states design for tunnels: related researches and present state of application", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 16, No. 3, pp. 341-346. 

  11. Kim, H.M., Kim, H.S., Sim, K.M., Ahn, S.R. (2017) "A study on the factors influencing the segment lining design solved by beam-spring model in the shield tunnel", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 19, No. 2, pp. 179-194. 

  12. Kim, Y.W., Kim, H.M., Kim, H.S., Lee, S.W. (2018), "An evaluation of influence factors based on the limit state design-AASHTO LRFD for structural analysis of shield tunnel segment lining", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 20, No. 1, pp. 99-118. 

  13. KR C-10030 (2012), Allowable stress design method, pp. 1-3. 

  14. Leonhardt, F. (1964), Prestressed concrete design and construction, pp. 269-293. 

  15. PAS 8810 (2016), Tunnel design - design of concrete segmental tunnel linings - code of practice, pp. 41-42, 51-61. 

  16. Woo, S.J., Yoo, C.S. (2015), "A study on the member forces of segmental linings considering key segments", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 17, No. 3, pp. 363-382. 

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