[논문]수치해석을 통한 고성능 격자지보재의 성능 평가

김동규; 안성율

doi:10.9711/ktaj.2019.21.6.897

수치해석을 통한 고성능 격자지보재의 성능 평가
Performance evaluation of high-performance lattice girder using numerical analysis 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.21 no.6, 2019년, pp.897 - 908

김동규 (한국건설기술연구원 인프라안전연구본부) , 안성율 ((주)에스와이텍)

초록
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본 연구의 목적은 수치해석을 수행하여 고성능 격자지보재(BK-Lattice Girder)의 현장 지지성능을 평가하기 위한 것이다. 고속도로 2차로, 3차로와 4차로 터널 단면에 3가지 형태(50, 70, 95 타입)의 기존 및 고성능 격자지보재를 적용하여 지지성능을 비교하였다. 수치해석은 유한요소방법을 사용하였고 격자지보재는 탄소성 프레임으로 3차원으로 모델링하였다. 지반은 압축만을 받는 스프링으로 모델링하였다. 하중은 터널 단면의 중앙 천정부에 집중하중으로 적용하였다. 수치해석 결과로부터 격자지보재의 항복강도를 결정하여 지지성능을 비교하였다. 50타입의 경우, 고성능 격자지보재는 기존 격자지보재보다 항복강도가 6.7~10.0% 증가하였다. 70타입의 경우, 고성능 격자지보재는 기존 격자지보재보다 항복강도가 12.1~14.9% 증가하였다. 95타입의 경우에도, 고성능 격자지보재는 기존 격자지보재보다 항복강도가 13.3~20.0% 증가하였다. 수치해석을 수행한 결과, 격자지보재만 시공된 경우에 고성능 격자지보재는 기존 격자지보재보다 지지성능이 우수한 것으로 판단되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of this study is to evaluate the field support performance of highperformance lattice girder (BK-Lattice Girder) by using numerical analysis. Three types (50, 70, 95-type) of existing and high performance lattice girders were applied to the cross section of highway 2, 3, and 4 lane tunnels to compare the supporting performance. The numerical analysis was the finite element method and the lattice girder was modeled in three dimensions with an elasto-plastic frame. The ground was modeled as a spring receiving only compression. The load was applied as a concentrated load on the central ceiling of the tunnel section. The yield strengths of the lattice girders were determined from the numerical results to compare the supporting performance of lattice girder. In case of 50-type, the yield strengths of high-performance lattice girders were increased by 6.7~10.0% compared with those of the existing lattice girders. In the case of 70-type, the high-performance lattice girders increased yield strengths by 12.1~14.9% than the existing lattice girder. In the case of 95-type, the high-performance lattice girders increased yield strengths by 13.3~20.0% than the existing lattice girder. As a result of numerical analysis, it was considered that the high-performance lattice girder supported better than the existing lattice girder when only the lattice girders were constructed.

주제어

표/그림 (11)

표 Table 1. Support pattern for numerical analysis
그림 Fig. 1. Modelling of lattice girder
표 Table 2. Rock mass properties for numerical analysis
표 Table 3. Spring coefficient and radius for numerical analysis
표 Table 4. Dimensions and properties of steel bar
그림 Fig. 2. Results of numerical analysis for 50-type lattice girder
표 Table 5. Yield strength of 50-type lattice girder
그림 Fig. 3. Results of numerical analysis for 70-type lattice girder
표 Table 6. Yield strength of 70-type lattice girder
그림 Fig. 4. Results of numerical analysis for 95-type lattice girder
표 Table 7. Yield strength of 95-type lattice girder

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 고성능 격자지보재가 실제 현장에 적용되는 형태로 제작되어 설치될 경우, 기존 격자지보재와 지지성능을 비교/평가하기 위하여 수치해석을 수행하였다.
현장타입 격자지보재에 대한 거동 분석은 굴착 후 격자지보재가 설치되는 시공 단계에서만 수행되었다. 숏크리트 및 록볼트가 설치되지 않거나 그 역할을 하지 못할 때 막장 붕괴를 막기 위한 지보재로서의 성능이 기존 격자지보재에 비해 고성능 격자지보재가 어느 정도 효과가 있는지 판단하기 위한 것이다.

제안 방법

Δ변위/Δ하중의 값이 상대적으로 갑자기 커지는 경우를 선정하여 그 점을 항복강도로 결정하였다.
1. 고속도로 2차로, 3차로와 4차로 터널에서 각각의 터널 단면에 3가지 지반등급을 가정하여 3가지 지보패턴, 즉 3가지 기존 및 고성능 격자지보재를 적용하여 지지성능을 비교하였다. 수치해석은 유한요소방법을 사용하였고, 격자지보재를 구성하는 주강봉, 보조강봉, 스파이더는 탄소성 프레임으로 3차원으로 모델링하였다.
50타입 격자지보재와 마찬가지로, Fig. 3의 (b), (d) 및 (f)에서 보여주고 있는 하중-Δ변위/Δ하중 곡선을 사용하여 격자지보재의 항복강도를 결정하였다.
50타입의 기존 및 고성능 격자지보재를 고속도로 2차로, 3차로 및 4차로 터널에 적용하였을 때 지지성능을 비교하기 위하여 격자지보재의 항복강도를 결정하였다.
70타입의 격자지보재의 경우도 기존 및 고성능 격자지보재의 지지성능을 비교하기 위하여 수치해석 결과로부터 격자지보재의 항복강도를 산정하였다. Fig.
95타입의 격자지보재의 경우도 기존 및 고성능 격자지보재의 지지성능을 비교하기 위하여 수치해석 결과로부터 격자지보재의 항복강도를 산정해 보았다.
본 연구에서는 고성능 격자지보재가 실제 현장에 적용되는 형태로 제작되어 설치될 경우, 기존 격자지보재와 지지성능을 비교/평가하기 위하여 수치해석을 수행하였다.
고성능 격자지보재가 실제 현장에 적용되는 형태로 제작되어 설치될 경우, 기존 격자지보재와 지지성능을 비교/평가하기 위하여 수치해석을 수행하였다. 고속도로 2차로, 3차로와 4차로 터널 단면에 적용한 현장 타입의 기존 및 고성능 격자지보재의 지지 성능을 항복강도로 비교하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.
수치해석결과로부터 격자지보재의 하중-Δ변위/Δ하중 곡선을 도출하였고 Δ변위/Δ하중의 값이 상대적으로 갑자기 커지는 점을 항복강도로 결정하여 지지성능을 비교하였다.
고속도로 2차로, 3차로와 4차로 터널에서 각각의 터널 단면에 3가지 지반등급을 가정하여 3가지 지보패턴, 즉 3가지 기존 및 고성능 격자지보재를 적용하여 지지성능을 비교하였다. 수치해석은 유한요소방법을 사용하였고, 격자지보재를 구성하는 주강봉, 보조강봉, 스파이더는 탄소성 프레임으로 3차원으로 모델링하였다. 굴착되는 지반은 압축만을 받는 스프링으로 모델링하였다.
시편 형태의 격자지보재 성능은 터널 설계 시 적용되는 현장타입 격자지보재와 성능 차이를 보일 수 있다. 유한요소방법을 사용한 수치해석을 수행하여 현장타입의 고성능 격자지보재와 기존 격자지보재의 성능과 거동을 비교/분석하였다.
, 2011). 이를 위하여 모델링은 3차원으로 이루어졌고 격자지보재를 구성하는 주강봉, 보조강봉, 스파이더는 탄소성 프레임으로 모델링하였다. 굴착되는 지반은 압축만을 받는 스프링으로 모델링하였다.
Table 2는 수치해석에 적용된 각 지반등급별 지반정수들을 보여주고 있다. 지반정수들은 고속도로 건설에 사용된 기존 터널 설계자료를 분석하여 결정하였다(KICT, 2010).
Table 1은 수치해석을 위해 적용된 지보패턴과 지반등급을 보여주고 있다. 터널 굴착 직후, 고성능 격자지보재와 기존 격자지보재의 지보성능을 평가하기 위하여 고속도로 2차로, 3차로와 4차로 터널단면에 3가지 지보패턴을 각각 적용하여 수치해석을 수행하였다. 터널단면과 지보패턴은 고속도로 건설에 사용된 기존 터널 설계자료를 분석하여 결정하였다(KICT, 2010).
터널 굴착 직후, 고성능 격자지보재와 기존 격자지보재의 지보성능을 평가하기 위하여 고속도로 2차로, 3차로와 4차로 터널단면에 3가지 지보패턴을 각각 적용하여 수치해석을 수행하였다. 터널단면과 지보패턴은 고속도로 건설에 사용된 기존 터널 설계자료를 분석하여 결정하였다(KICT, 2010). 국내에서는 3가지 형태(50, 70, 95 타입)격자지보재가 주로 사용되는데 지보패턴 Type-4에는 격자지보재 50타입을 적용하였고, 지보패턴 Type-5에는 70타입을, 지보패턴 Type-6에는 격자지보재 95타입을 적용하였다.
지보패턴 Type-4에는 지반등급 IV, 지보패턴 Type-5에는 지반등급 V, 지보패턴 Type-6에는 지반등급 VI를 적용하였다. 현장 타입의 기존 격자지보재와 고성능 격자기보재의 성능을 평가하기 위하여 총 9가지의 경우에 대하여 수치해석을 수행하였다.

이론/모형

지반은 스프링으로 모사하였으며 그 값은 지반의 변형계수와 반지름을 이용한 Wölfer 공식을 이용하여 결정하였다.

성능/효과

2. 50타입의 기존 및 고성능 격자지보재를 고속도로 2차로, 3차로와 4차로 터널 단면에 적용한 경우, 기존 격자지보재의 항복강도는 70~75 kN으로 나타났고 고성능 격자지보재의 항복강도는 77~80 kN으로 나타났다. 고성능 격자지보재는 기존 격자지보재 대비 항복강도가 6.
3. 70타입의 기존 및 고성능 격자지보재를 고속도로 2차로, 3차로와 4차로 터널 단면에 적용한 경우, 기존 격자지보재의 항복강도는 66~67 kN으로 나타났고 고성능 격자지보재의 항복강도는 74~77 kN으로 나타났다. 고성능 격자지보재의 항복강도는 기존 격자지보재의 항복강도보다 12.
4. 95타입의 기존 및 고성능 격자지보재를 고속도로 2차로, 3차로와 4차로 터널 단면에 적용한 경우, 기존 격자지보재의 항복강도는 60 kN으로 나타났고 고성능 격자지보재의 항복강도는 68~72 kN으로 나타났다 기존 격자지보재의 항복강도보다 고성능 격자지보재의 항복강도가 13.3~20.0% 증가한 것으로 나타났다.
5. 수치해석 결과, 전체적으로 고성능 격자지보재의 항복강도가 기존 격자지보재의 항복강도 대비 6.7~20.0%정도 크게 나와 성능이 더 우수한 것으로 나타났다. 이상의 결과로에서 격자지보재만 있는 경우에는 고성능 격자지보재가 기존 격자지보재에 비해 지지성능이 우수한 것으로 판단되었다.
고속도로 3차로 터널 단면인 경우 기존 격자지보재의 항복강도는 60 kN으로 나타났고, 고성능 격자지보재의 항복강도는 70 kN으로 결정되었다. 고성능 격자지보재가 기존 격자지보재 대비 10 kN (16.7%)의 성능 향상이 있는 것으로 나타났다. 고속도로 4차로 터널 단면에 적용한 기존 격자지보재의 항복강도는 60 kN으로 나타났고, 고성능 격자지보재의 항복강도는 68 kN으로 나타났다.
고속도로 2차로 터널 단면인 경우 항복강도는 기존 격자지보재가 60 kN이고 고성능 격자지보재는 72 kN으로 나타났다. 고성능 격자지보재가 기존 격자지보재 대비 12 kN (20.0%)의 성능 향상이 있는 것으로 나타났다. 고속도로 3차로 터널 단면인 경우 기존 격자지보재의 항복강도는 60 kN으로 나타났고, 고성능 격자지보재의 항복강도는 70 kN으로 결정되었다.
고속도로 4차로 터널 단면에 적용한 기존 격자지보재의 항복강도는 60 kN으로 나타났고, 고성능 격자지보재의 항복강도는 68 kN으로 나타났다. 고성능 격자지보재가 기존 격자지보재 대비 8 kN (13.3%)의 성능 향상이 있는 것으로 나타났다.
고속도로 3차로 터널단면에서는 기존 격자지보재의 항복강도는 67 kN이고 고성능 격자지보재의 항복강도는 76 kN으로 결정되었다. 고성능 격자지보재가 기존 격자지보재 대비 9 kN (13.4%)의 항복강도 증가가 나타났다. 고속도로 4차로 터널단면에 적용한 기존 격자지보재는 항복강도는 66 kN이고 고성능 격자지보재의 항복강도는 74 kN였다.
고속도로 2차로 터널단면의 경우 기존 격자지보재의 항복강도는 67 kN으로 나타났고, 고성능 격자지보의 항복강도는 77 kN으로 나타났다. 고성능 격자지보재가 기존 격자지보재 대비 항복강도가 10 kN (14.9%) 증가한 것으로 나타났다. 고속도로 3차로 터널단면에서는 기존 격자지보재의 항복강도는 67 kN이고 고성능 격자지보재의 항복강도는 76 kN으로 결정되었다.
2(b)와 Table 5에서 보여주듯이, 고속도로 2차로 터널에 적용한 기존 격자지보재의 항복강도는 75 kN이고 고성능 격자지보재의 항복강도는 80 kN으로 나타났다. 고성능 격자지보재는 기존 격자지보재 대비 항복강도가 5 kN (6.7%) 증가한 것으로 나타났다. Fig.
2(d)와 Table 5에서 보여주듯이, 고속도로 3차로 터널에 적용한 기존 격자지보재의 항복강도는 74 kN이고 고성능 격자지보재의 항복강도는 79 kN으로 산정되었다. 고성능 격자지보재는 기존 격자지보재 대비 항복강도가 5 kN (6.8%) 증가한 것으로 나타났다. Fig.
50타입의 기존 및 고성능 격자지보재를 고속도로 2차로, 3차로와 4차로 터널 단면에 적용한 경우, 기존 격자지보재의 항복강도는 70~75 kN으로 나타났고 고성능 격자지보재의 항복강도는 77~80 kN으로 나타났다. 고성능 격자지보재는 기존 격자지보재 대비 항복강도가 6.7~10.0% 증가한 것으로 나타났다.
2(f)와 Table 5에서 보여주듯이, 고속도로 4차로 터널에 적용한 기존 격자지보재의 항복강도는 70 kN이고 고성능 격자지보재의 항복강도는 77 kN으로 결정되었다. 고성능 격자지보재는 기존 격자지보재에 비해 항복강도가 7 kN (10.0%)증가하는 것으로 나타났다.
70타입의 기존 및 고성능 격자지보재를 고속도로 2차로, 3차로와 4차로 터널 단면에 적용한 경우, 기존 격자지보재의 항복강도는 66~67 kN으로 나타났고 고성능 격자지보재의 항복강도는 74~77 kN으로 나타났다. 고성능 격자지보재의 항복강도는 기존 격자지보재의 항복강도보다 12.1~14.9% 상승한 것으로 나타났다.
고속도로 2차로 터널 단면인 경우 항복강도는 기존 격자지보재가 60 kN이고 고성능 격자지보재는 72 kN으로 나타났다. 고성능 격자지보재가 기존 격자지보재 대비 12 kN (20.
0%)의 성능 향상이 있는 것으로 나타났다. 고속도로 3차로 터널 단면인 경우 기존 격자지보재의 항복강도는 60 kN으로 나타났고, 고성능 격자지보재의 항복강도는 70 kN으로 결정되었다. 고성능 격자지보재가 기존 격자지보재 대비 10 kN (16.
9%) 증가한 것으로 나타났다. 고속도로 3차로 터널단면에서는 기존 격자지보재의 항복강도는 67 kN이고 고성능 격자지보재의 항복강도는 76 kN으로 결정되었다. 고성능 격자지보재가 기존 격자지보재 대비 9 kN (13.
7%)의 성능 향상이 있는 것으로 나타났다. 고속도로 4차로 터널 단면에 적용한 기존 격자지보재의 항복강도는 60 kN으로 나타났고, 고성능 격자지보재의 항복강도는 68 kN으로 나타났다. 고성능 격자지보재가 기존 격자지보재 대비 8 kN (13.
수치해석 결과로부터 도출된 기존 격자지보재와 고성능 격자지보재의 하중-Δ변위/Δ하중 곡선에서 결정된 항복강도를 비교한 결과, 전체적으로 고성능 격자지보재의 항복강도가 기존 격자지보재의 항복강도 대비 6.7~20.0%정도 크게 나와 성능이 더 우수한 것으로 나타났다.
, 2011). 시편 형태의 격자지보재 성능은 터널 설계 시 적용되는 현장타입 격자지보재와 성능 차이를 보일 수 있다. 유한요소방법을 사용한 수치해석을 수행하여 현장타입의 고성능 격자지보재와 기존 격자지보재의 성능과 거동을 비교/분석하였다.
0%정도 크게 나와 성능이 더 우수한 것으로 나타났다. 이상의 결과로 볼 때 격자지보재만 있는 경우에는 연결재인 스파이더의 역할이 격자지보의 성능과 밀접한 관계를 가지고 있으며 고성능 격자지보재가 기존 격자지보재에 비해 지지성능이 우수한 것으로 판단되었다.
0%정도 크게 나와 성능이 더 우수한 것으로 나타났다. 이상의 결과로에서 격자지보재만 있는 경우에는 고성능 격자지보재가 기존 격자지보재에 비해 지지성능이 우수한 것으로 판단되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	NATM는 어떤 공법인가?	NATM은 터널 건설을 위하여 지반을 화약 또는 기계장비를 사용하여 굴착하는 공법이다. NATM의 지보재중에 하나인 강지보재는 굴착 직후 숏크리트가 타설되어 완전히 경화되기 전까지 지반의 초기변형을 억제하기 위하여 사용된다.
	강지보재의 용도는?	NATM은 터널 건설을 위하여 지반을 화약 또는 기계장비를 사용하여 굴착하는 공법이다. NATM의 지보재중에 하나인 강지보재는 굴착 직후 숏크리트가 타설되어 완전히 경화되기 전까지 지반의 초기변형을 억제하기 위하여 사용된다. NATM 도입초기에는 강지보재로 주로 H형강을 사용하였으나, H형강은 자체중량이 무거워 시공성이 떨어지고, 후속되는 지보재의 시공에도 영향을 주어 종종 공기지연을 발생시키기도 하였다.
	NATM 도입초기 숏크리트 타설시 문제점은?	NATM 도입초기에는 강지보재로 주로 H형강을 사용하였으나, H형강은 자체중량이 무거워 시공성이 떨어지고, 후속되는 지보재의 시공에도 영향을 주어 종종 공기지연을 발생시키기도 하였다. 또한, 숏크리트 타설시 H형강 배면과 굴착된 지반사이에 공동이 발생하여 숏크리트와 강지보재가 일체화되지 않는 경우도 발생하였다. 그래서 유럽에서는 80년대부터 시공성 향상 및 굴착지반과 지보재의 완전 밀착을 위해 격자지보재(Pantex Lattice Girder)를 개발하여 사용하고 있다(Baumann and Betzle, 1984).

참고문헌 (9)

Baumann, T., Betzle, M. (1984), "Investigation of the performance of lattice girders in tunnelling", Rock Mechanics and Rock Engineering, Vol. 17, No. 2, pp. 67-81.

상세보기
Cha, B.G., Kim, Y.S., Kwon, T.S., Kim, S.H. (2010), "The prediction of deformation according to tunnel excavation in weathered granite", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 12, No. 4, pp. 329-340.
Jung, H.S., Shin, Y.W., Son, K.I., Shin, J.H. (2016), "Performance evaluation of lattice girder depending on the quality of steel", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 18, No. 2, pp. 165-173.

원문보기 상세보기
Kim, D.G., Yoo, C.S., Kim, H.J., Bae, G.J. (2011), "Development of high-performance lattice girder', Proceedings of the Korean Geotechnical Society Spring National Conference 2011, Yongin, pp. 435-440.
Kim, Y.I., Yoon, Y.H., Cho, S.K., Yang, J.H., Lee, N.Y. (2002). "A case study on the construction of a long tunnel in the youngdong railroad (Mt. Dongbaek-Dokye)", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 4, No. 2, pp. 155-165.
Korea Institute of Construction Technology (KICT) (1996), Application of lattice girders in tunnelling, Chunwon Industry Co. Ltd., pp. 141-203.
Korea Institute of Construction Technology (KICT), (2010), Development of rapid and safe tunnel construction method using IT and new materials (development of new support system for rapid stabilization tunnel construction), Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, pp. 214-220.
Moon, H.D., Lee, S.W., Bae, G.J. (1996), "Evaluation of an applicability of lattice girders for the tunnel support", Tunnel and Underground Space, Korean Society for Rock Mechanics, Vol. 6, No. 2, pp. 122-130.
Moon, H.D., Paik, Y.S., Bae, G.J. (1997), "An experimental study on the characteristics of a composite structure of lattice girder and shotcrete", Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol. 13, No. 2, pp. 155-167.

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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