쉴드TBM 터널의 프리캐스트 콘크리트 세그먼트 라이닝의 보강재로 철근이 주로 사용되어 왔으나, 철근 보강량을 줄이기 위하여 섬유보강재를 적용하는 연구가 진행되어 오고 있다. 세계적으로 터널 시공성을 향상시키기 위하여 강섬유보강재를 적용한 연구와 시공이 진행되어 왔으나, 터널 라이닝 방수막에 대한 펀칭, 자체 부식에 의한 내구성 및 미관상의 문제로 인하여 이에 대한 적용이 국내에서는 미뤄지고 있는 실정이며, 이에 대한 대책으로 합성섬유가 강섬유의 대체제로 주목 받고 있다. 이 연구에서는 섬유(강섬유, 합성섬유) 보강재를 사용한 프리캐스트 콘크리트 세그먼트의 파괴시험을 통하여 성능을 분석하여 현장에서의 적용 가능성을 평가하였다. 그 결과 강섬유와 합성섬유의 조합이나 합성섬유의 혼입량에 따라 보조철근의 대체가 가능한 것으로 분석되었다.
쉴드TBM 터널의 프리캐스트 콘크리트 세그먼트 라이닝의 보강재로 철근이 주로 사용되어 왔으나, 철근 보강량을 줄이기 위하여 섬유보강재를 적용하는 연구가 진행되어 오고 있다. 세계적으로 터널 시공성을 향상시키기 위하여 강섬유보강재를 적용한 연구와 시공이 진행되어 왔으나, 터널 라이닝 방수막에 대한 펀칭, 자체 부식에 의한 내구성 및 미관상의 문제로 인하여 이에 대한 적용이 국내에서는 미뤄지고 있는 실정이며, 이에 대한 대책으로 합성섬유가 강섬유의 대체제로 주목 받고 있다. 이 연구에서는 섬유(강섬유, 합성섬유) 보강재를 사용한 프리캐스트 콘크리트 세그먼트의 파괴시험을 통하여 성능을 분석하여 현장에서의 적용 가능성을 평가하였다. 그 결과 강섬유와 합성섬유의 조합이나 합성섬유의 혼입량에 따라 보조철근의 대체가 가능한 것으로 분석되었다.
Steel bars have been widely used as the primary reinforcement for Precast Segmental Concrete Lining for TBM Tunnels. Previously, studies have been carried out to gauge the potential for steel fiber reinforcement to replace the use of steel bar reinforcements in the segmental lining to reduce the amo...
Steel bars have been widely used as the primary reinforcement for Precast Segmental Concrete Lining for TBM Tunnels. Previously, studies have been carried out to gauge the potential for steel fiber reinforcement to replace the use of steel bar reinforcements in the segmental lining to reduce the amount of the steel bar reinforcement. Steel fiber reinforcements have been investigated and widely applied to SFRC TBM linings to improve the constructability of SFRC TBM linings worldwide. However, the steel fiber reinforcement often caused punctures to the water membranes inside tunnel lining and had long-term durability deterioration issues caused by steel corrosion, as well as cosmetic problems. Therefore, this paper sought to gauge the potential of synthetic fiber reinforcements, which have proven to be very attractive substitutes for steel fiber reinforcements. This study analyzed the performance of both steel and synthetic fiber reinforcements in segmental linings and evaluated the applicability of the fiber reinforcements to the TBM Precast Concrete Segmental Linings of TBM tunnels. As a conclusion, this study demonstrates that the potential use of steel and synthetic fibers in various combination, can substitute the rebar reinforcement in the concrete mix for segmental concrete linings.
Steel bars have been widely used as the primary reinforcement for Precast Segmental Concrete Lining for TBM Tunnels. Previously, studies have been carried out to gauge the potential for steel fiber reinforcement to replace the use of steel bar reinforcements in the segmental lining to reduce the amount of the steel bar reinforcement. Steel fiber reinforcements have been investigated and widely applied to SFRC TBM linings to improve the constructability of SFRC TBM linings worldwide. However, the steel fiber reinforcement often caused punctures to the water membranes inside tunnel lining and had long-term durability deterioration issues caused by steel corrosion, as well as cosmetic problems. Therefore, this paper sought to gauge the potential of synthetic fiber reinforcements, which have proven to be very attractive substitutes for steel fiber reinforcements. This study analyzed the performance of both steel and synthetic fiber reinforcements in segmental linings and evaluated the applicability of the fiber reinforcements to the TBM Precast Concrete Segmental Linings of TBM tunnels. As a conclusion, this study demonstrates that the potential use of steel and synthetic fibers in various combination, can substitute the rebar reinforcement in the concrete mix for segmental concrete linings.
최근 해외에서 적용되는 사례가 증가하고 있는 합성섬유(Synthetic fibre) 보강재가 기존에 대비한 대안이 될 수 있을 것으로 예상되는데, 기존 강섬유의 재질에 비해 부식에 강하고 무게가 가벼워 시공성에 유리하고, 경제적이며, 화재 시 고열에 의한 폭렬 방지 효과도 동시에 누릴 수 있는 장점이 있으므로, 지하터널 등의 구조물에 적용성이 우수한 것으로 생각된다. 하지만 기존의 철근이나 강섬유에 비하여 강도 등의 물성이 작아 실제 적용을 위해서는 구조적인 안정성과 해석적인 분석이 필요할 것으로 판단되므로, 본 연구에서는 프리캐스트 콘크리트 세그먼트 라이닝에 보강재의 각각의 조합에 의한 실험체를 제작하여 파괴실험을 통한 사전적 적용성을 평가하고자 한다.
제안 방법
본 연구에서는 하저구간, 도심지 터널, 복층터널 등의 쉴드TBM에 의한 터널에 적용되는 프리캐스트 세그먼트 라이닝에 철근과 강섬유 그리고 합성섬유의 혼합비율에 따른 여러가지 경우의 프리캐스트 콘크리트 세그먼트를 제작하고 파괴시험에 의해 기초 성능 평가를 수행하였다.
대상 데이터
세그먼트 실험체는 Fig. 1과 같이 외경 3,600 mm, 내경 3,060 mm, 폭 1,000 mm, 두께 270 mm인 세그먼트 링의 A타입 세그먼트를 선정하여 제작하였으며, 하이브리드 세그먼트를 목표로 하여 실험체는 주보강재로 주철근을 적용하고, 보조보강재로 보조철근, 강섬유, 합성섬유의 조합에 따라 5가지 경우로 구분하여 제작하였다. 각각에 대해 하중재하 실험을 수행하여 세그먼트 라이닝의 각각의 보강재에 따른 보강 효과를 분석하였으며, 그 결과를 토대로 철근, 강섬유, 합성섬유 보강재의 적용성을 분석 · 평가하고자 하였다.
성능/효과
1. 실험체의 압축강도에 대비한 파괴 최대 하중을 상대적 관점에서 비교한 결과 그 상대적 차이가 미미하여 섬유보강재의 보강효과가 보조철근과 비슷한 것으로 분석되었다. 특히 보조보강재로 강섬유와 합성섬유를 30:70으로 혼합한 Case #4의 최대하중이 철근만으로 보강한 Case #1의 90.
2. 강섬유나 합성섬유 보강시 콘크리트의 균열제어 및 취성파괴 특성이 개선되는 효과가 있는 것으로 알려져 있는데, 콘크리트의 연성효과를 증가시켜 세그먼트의 운반이나 적재 혹은 조립 시공시 모서리의 부분 파손 등에대한 예방효과가 클 것으로 판단된다. 본 연구의 실험에서는 균열발생 하중을 각 조합들과 비교해 본 결과 강섬유와 합성섬유를 혼합한 Case #3과 #4의 경우가 균열억제 효과가 큰 것으로 나타났다.
3. 본 연구에서는 하이브리드 세그먼트의 합성섬유의 혼입량을 기존의 연구나 국내사례 결과인 강섬유 혼입량20 kg/m3을 참고하여 부피비로 환산하여 2.32 kg/m3을 적용하였으나, 해외사례의 경우는 2.155배에 해당하는 5 kg/m3을 적용하였음에 비춰볼 때. 본 실험체의 합성섬유 혼입량은 부족한 것으로 판단할 수 있다. 그러므로 향후 섬유보강재의 혼입량에 따른 배합 Case에 의한 실험 및 분석을 한다면 합성섬유가 적용된 최적의 하이브리드 콘크리트 세그먼트의 개발이 가능할 것으로 판단된다.
후속연구
5. 향후 과제로는 이러한 강섬유 및 합성섬유 보강재를 적용한 세그먼트 라이닝의 설계 적용을 위한 구조적 해석과 설계기준 마련에 대한 연구가 필요할 것으로 보인다.
본 실험체의 합성섬유 혼입량은 부족한 것으로 판단할 수 있다. 그러므로 향후 섬유보강재의 혼입량에 따른 배합 Case에 의한 실험 및 분석을 한다면 합성섬유가 적용된 최적의 하이브리드 콘크리트 세그먼트의 개발이 가능할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
섬유 보강재를 단독이 아닌 혼합하여 사용하는 사례가 많은 이유는?
이러한 섬유보강재는 단독으로 적용되기 보다는 철근과 강섬유 그리고 합성섬유가 혼합되어 적용되는 사례가많은데, 이는 섬유 보강재의 구조적 성능이 단독으로 사용되기에는 강도가 부족하여 철근보강재와 더불어 보조적 보강재로서 그 효용가치가 높은 것으로 추정할 수 있겠다.
국내 쉴드 TBM 적용이 미미한 가장 큰 요인은?
세계의 주요 국가들은 도심지의 건설하는 터널의 공법으로 대부분 쉴드 TBM을 적용하고 있으나, 국내에서는아직까지도 적용이 미미한 실정이다. 가장 큰 요인은 경제성으로서 NATM 대비 상대적으로 큰 공사비 때문인 것으로 인식되고 있다. 쉴드 TBM 공사비에서 가장 큰 비중을 차지하는 항목으로 세그먼트 라이닝을 들 수 있으며,연장에 따라 직접공사비의 25~40%를 차지 하는 것으로 보고되고 있다(Chang et al.
합성섬유(Synthetic fibre) 보강재의 기존 강섬유 대비 장점은?
최근 해외에서 적용되는 사례가 증가하고 있는 합성섬유(Synthetic fibre) 보강재가 기존에 대비한 대안이 될 수있을 것으로 예상되는데, 기존 강섬유의 재질에 비해 부식에 강하고 무게가 가벼워 시공성에 유리하고, 경제적이며, 화재 시 고열에 의한 폭렬 방지 효과도 동시에 누릴 수 있는 장점이 있으므로, 지하터널 등의 구조물에 적용성이 우수한 것으로 생각된다. 하지만 기존의 철근이나 강섬유에 비하여 강도 등의 물성이 작아 실제 적용을 위해서는 구조적인 안정성과 해석적인 분석이 필요할 것으로 판단되므로, 본 연구에서는 프리캐스트 콘크리트 세그먼트라이닝에 보강재의 각각의 조합에 의한 실험체를 제작하여 파괴실험을 통한 사전적 적용성을 평가하고자 한다.
참고문헌 (8)
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