[논문]종방향 부재의 강성효과를 고려한 쉴드 터널 분기부 보강 및 해석기법

이규필; 김도

doi:10.9711/ktaj.2019.21.5.675

종방향 부재의 강성효과를 고려한 쉴드 터널 분기부 보강 및 해석기법
Reinforcement of shield tunnel diverged section with longitudinal member stiffness effect 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.21 no.5, 2019년, pp.675 - 687

이규필 (한국건설기술연구원 인프라안전연구본부) , 김도 (한양대학교 대학원 건설환경공학과)

초록
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최근 대도시에는 교통량의 증가와 높은 토지 보상비 등으로 인해 도로 확충 시 대심도 복층 터널의 필요성이 증가하고 있으며, 국내에서도 일반적인 터널보다 단면이 작고 지하에서 다른 터널과 교차하는 네트워크형 터널이 계획되고 있다. 본 연구에서는 쉴드 터널 분기부에 있어서 기존 터널과 확폭부를 연결하는 연결상세에 있어 기존의 전단면 강재 접합부 대신 휨모멘트가 크게 발생하는 연결부에만 강재를 사용하는 부분 강재-콘크리트 접합부 상세와 쉴드 터널 분기부의 확폭 구간의 해석은 3차원 거동효과를 반영하기 위해 확폭부 시종점 구간의 기둥 효과와 종방향 부재의 강성효과를 고려할 수 있는 2차원 해석모델을 검토하였다. 2차원 해석기법으로 확폭부 시종점 구간에서 종방향 부재의 강성을 횡방향 모델에서 연결부의 탄성스프링 지점으로 고려하여 종방향 부재의 강성과 시종점부의 기둥효과를 반영하는 방법을 제안하였다. 제안된 2차원 해석기법을 이용한 구조해석 결과 일정값 이상의 강성을 갖는 종방향부재를 도입하면 접합부와 박스부의 휨모멘트를 저감 시킴으로써 부분 강재-콘크리트 접합부의 구조 안전성을 확보할 수 있는 것으로 검토되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In recent years, the needs for double deck-tunnels have increased in large cities due to the increase in traffic volume and high land compensation costs. In Korea, a network type tunnel which is smaller than general road tunnels and crosses another tunnel underground is planned. In the shield tunnel joints between the existing shield tunnel and the box-type enlargement section, a partial steel-concrete joint is proposed where the bending moment is large instead of the existing full-section steel joint. In order to analysis the enlargement section of the shield tunnel diverged section to reflect the three-dimensional effect, the two-dimensional analysis model is considered to consider the column effect and the stiffness effect of the longitudinal member. A two-dimensional analysis method is proposed to reflect the stiffness of the longitudinal member and the column effect of the longitudinal point by considering the rigidity of the longitudinal member as the elastic spring point of the connecting part in the lateral model. As a result of the analysis of the model using the longitudinal member, it was considered that the structural safety of the partial steel-concrete joint can be secured by reducing the bending moment of the joint and the box member by introducing the longitudinal member having the stiffness equal to or greater than a certain value.

주제어

표/그림 (14)

표 Table 1. Analysis ground material properties
표 Table 2. Subgrade reaction modulus
표 Table 3. Rotational spring constant
표 Table 4. Applied load
표 Table 5. Load combination
그림 Fig. 1. Analysis model (section and modeling)
그림 Fig. 2. Results of previous model
그림 Fig. 3. Analysis model (section and modeling) for stiffness effects of longitudinal member
그림 Fig. 4. Sensitive analysis of spring constant (k)-bending moment
표 Table 6. Member forces according to the change of spring constant (K)
그림 Fig. 5. Analysis model and boundary condition
그림 Fig. 6. Results of partial steel-concrete joint model
표 Table 7. Section review of box section (enlargement)
그림 Fig. 7. Details of partial steel-concrete joints

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 발생모멘트를 감소시키기 위하여 정거장 개구부 보강거더와 같이 연결부에 내부 거더와 기둥시스템을 설치하여 연결부에서 중간지점효과를 고려할 수 있는 시스템과 해석기법을 제안하였다. 세그먼트와 확폭부의 접합부에서 종방향 부재와 확폭부의 시‧ 종점부의 기둥 효과를 고려할 수 있는 종방향 부재를 도입하였다.
따라서 본 연구에서는 쉴드 터널 분기부에 있어서 기존 구조물과 신규 구조물의 접합부에 있어서 기존의 전단면 강재접합부 대신 휨모멘트가 최대로 발생하는 부분에만 강재를 사용하는 부분 강재-콘크리트 접합부 상세를 제안하였다. 또한, 쉴드 터널 분기부 확폭구간의 3차원 거동효과를 반영하기 위해 확폭부 시종점에서의 기둥 효과와 확폭구간 종방향 부재의 강성효과를 고려할 수 있는 2차원 해석모델을 검토하였다.
본 연구에서는 세그먼트 연결부는 연결의 회전 강성과 전단 강성을 고려하여 다음과 같이 모델링 하였다.

가설 설정

구조해석시 적용하는 지반 물성치는 국내에서 복층 터널의 시공이 예상되는 암반조건이 양호할 것으로 예상되는 대심도 조건을 고려하여 연암조건을 가정하였으며, 해석시 적용한 암반의 물성치는 Table 1과 같다.

제안 방법

1. 전단면 강재세그먼트 대신 휨모멘트가 크게 발생하는 쉴드 터널과 분기부 접합 부분에 국한적으로 강재세그먼트를 적용하는 부분 강재-콘크리트 세그먼트의 구조 특성을 분석하고 구조안전성을 확보하는 구조 상세를 제안하였다.
2. 쉴드 터널 분기부 확폭 구간의 해석은 3차원 거동효과를 반영하기 위해 확폭부 시 ‧ 종점부의 기둥 효과와 확폭구간 종방향 부재의 보 효과를 고려할 수 있는 2차원 해석 기법을 제안하였으며 확폭 구간구간의 종방향 부재의 강성을 횡방향 모델에서 연결부의 탄성스프링 지점으로 고려하여 종방향 부재의 강성(보 효과)과 시종점부의 기둥효과를 반영하였다.
따라서 본 연구에서는 쉴드 터널 분기부에 있어서 기존 구조물과 신규 구조물의 접합부에 있어서 기존의 전단면 강재접합부 대신 휨모멘트가 최대로 발생하는 부분에만 강재를 사용하는 부분 강재-콘크리트 접합부 상세를 제안하였다. 또한, 쉴드 터널 분기부 확폭구간의 3차원 거동효과를 반영하기 위해 확폭부 시종점에서의 기둥 효과와 확폭구간 종방향 부재의 강성효과를 고려할 수 있는 2차원 해석모델을 검토하였다. 종방향부재의 스프링상수는 세그먼트와 확폭부(박스)의 연결부에 종방향으로 설치가 가능한 부재의 단면 강성과 작용력을 고려하여 부재 처짐을 산정하고 이때 발생 최대처짐을 스프링상수로 변환하여 적용하였다.
보-스프링 구조해석모델의 경우 세그먼트 이음부 강성을 반영하여 실제 거동에 가까운 모사가 가능하므로 이음부에 회전 강성을 적용하였으며, 회전스프링 상수 산정은 다음의 3개의 공식을 비교 검토하여 적용하였다.
기존 국내에서는 일본 토목구조물 설계표준 ‧ 동해설 식보다 작은 회전스프링상수 값을 적용해 왔으므로 단면력이 크게 산정되어 강도조건에서 볼 때 최적철근량보다 많은 철근량이 산정되어 비경제적인 단면이 적용되어 왔다. 본 연구에서는 기존 국내에서 적용한 회전스프링 상수값을 적용하여 해석을 수행하였다. 위의 3개의 식을 적용한 회전스프링 상수 값은 Table 3과 같다
세그먼트부와 박스부는 Frame으로 모델링 하였으며, 연결부는 Plate와 Solid 모델을 사용하여 작용 외력에 의한 강재에 작용하는 응력을 검토할 수 있도록 하였다. Fig.
따라서 본 연구에서는 발생모멘트를 감소시키기 위하여 정거장 개구부 보강거더와 같이 연결부에 내부 거더와 기둥시스템을 설치하여 연결부에서 중간지점효과를 고려할 수 있는 시스템과 해석기법을 제안하였다. 세그먼트와 확폭부의 접합부에서 종방향 부재와 확폭부의 시‧ 종점부의 기둥 효과를 고려할 수 있는 종방향 부재를 도입하였다.
쉴드 터널 분기부의 세그먼트라이닝과 박스부(확폭부) 접합부의 안전성 검토 및 보강 상세 제안을 위해 종방향 부재를 고려한 구조해석을 통해 단면의 안정성을 검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
쉴드 터널 분기부의 확폭구간의 해석은 3차원 거동효과를 반영하기 위해 확폭부 시종점 구간의 기둥 효과와 종방향 부재의 강성효과를 고려할 수 있는 2차원 해석모델을 검토하였다. 확폭부 시종점 구간의 종방향 부재의 강성을 횡방향 모델에서 연결부의 탄성스프링 지점으로 고려하여 종방향 부재의 강성과 시종점부의 기둥효과를 반영하는 해석모델을 선정하였다.
7에 나타내었다. 쉴드 터널라이닝과 박스확폭부의 연결부는 H-BEAM으로 연결하였으며, 확폭부 시종점부의 기둥과의 보-기둥 효과를 고려하고 접합부 및 박스부의 휨모멘트를 감소시키기 위해 연결부에 종방향부재(폭 1.5 m, 높이 2.0 m, 길이 20.0 m)를 설치하였다.
3과 같다. 종방향 부재 강성 효과를 검토하기 위한 모델의 경계조건으로 지반스프링을 적용하였으며, 연결부에 종방향 부재의 강성을 스프링 지점으로 적용하였다(Fig. 3(b)).
종방향 부재의 강성은 2차원 횡방향 해석 모델에서 세그먼트와 확폭부의 접합부 스프링지지 효과를 고려할 수 있도록 종방향 스프링 지점으로 모델링하여 3차원 거동효과를 고려할 수 있도록 하였다.
또한, 쉴드 터널 분기부 확폭구간의 3차원 거동효과를 반영하기 위해 확폭부 시종점에서의 기둥 효과와 확폭구간 종방향 부재의 강성효과를 고려할 수 있는 2차원 해석모델을 검토하였다. 종방향부재의 스프링상수는 세그먼트와 확폭부(박스)의 연결부에 종방향으로 설치가 가능한 부재의 단면 강성과 작용력을 고려하여 부재 처짐을 산정하고 이때 발생 최대처짐을 스프링상수로 변환하여 적용하였다.

대상 데이터

본 연구에서 검토한 쉴드터널 단면은 ○○현장에 적용된 대단면(외경 7.770 mm, 두께 350 mm, 길이 3,614 mm, 폭 1.5 m) 조건을 준용하였으며, 하중 종류에 따른 적용값과 하중재하도는 Table 4와 같다.
쉴드 터널 분기부의 확폭구간의 해석은 3차원 거동효과를 반영하기 위해 확폭부 시종점 구간의 기둥 효과와 종방향 부재의 강성효과를 고려할 수 있는 2차원 해석모델을 검토하였다. 확폭부 시종점 구간의 종방향 부재의 강성을 횡방향 모델에서 연결부의 탄성스프링 지점으로 고려하여 종방향 부재의 강성과 시종점부의 기둥효과를 반영하는 해석모델을 선정하였다.

이론/모형

지반반력계수 산정을 위해 지반공학적 특성을 반영한 AFTES식을 적용하였다(AFTES - WG7, 1993).

성능/효과

3. 종방향부재의 강성을 스프링 지점으로 적용한 2차원 해석 모델의 해석 결과 일정값 이상의 강성을 갖는 종방향 부재를 도입하면 접합부와 박스부의 휨모멘트를 저감시킴으로써 부분 강재-콘크리트 세그먼트의 구조 안전성을 확보할 수 있는 것으로 검토되었다.
기존 모델의 구조해석결과 박스부(확폭부)의 최대작용모멘트 Mu = 4,750 kN-m, 세그먼트부의 최대 발생모멘트 Mu = 947 kN-m (하중조합 CO2)로 분석되었다. 세그먼트부의 저항모멘트 ΦMn = 649 kN-m이다.
따라서 확폭부와 기존 세그먼트 연결부의 휨모멘트를 저감시키는 종방향 부재의 내부 거더 효과를 고려하기 위하여 2차원 모델링시에 종방향 상수를 고려한 모델링 기법이 필요하다고 판단된다. 또한, 종방향 스프링상수 값 k = 50,000 kN/m 이상의 범위에서 세그먼트 아치부의 작용력이 단면의 저항강도 이하로 작아지는 것을 확인하였다.
종방향 부재의 강성을 연결부의 스프링지점으로 반영한 해석모델의 구조해석결과 콘크리트부(박스부, 세그먼트 라이닝부)에서의 최대모멘트는 5,699 kN-m, 최대전단력은 4,962 kN, 최대축력은 5,980 kN으로 분석되었다(하중조합: CO2). 접합부 강재의 최대발생응력은 사용하중조합인 CO-S에서 27.1 MPa로 허용응력 140 MPa 이내로 확인되었다(Fig. 6). 박스부(확폭부)의 단면 검토 결과는 Table 7과 같다.
종방향 부재의 강성을 연결부의 스프링지점으로 반영한 해석모델의 구조해석결과 콘크리트부(박스부, 세그먼트 라이닝부)에서의 최대모멘트는 5,699 kN-m, 최대전단력은 4,962 kN, 최대축력은 5,980 kN으로 분석되었다(하중조합: CO2). 접합부 강재의 최대발생응력은 사용하중조합인 CO-S에서 27.
종방향 부재의 스프링 상수값의 변화에 따른 휨모멘트를 보면(Fig. 4) 스프링 상수가 증가함에 따라 박스부와 세그먼트에 발생하는 휨모멘트는 감소하는 것을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	네트워크형 터널은 무엇인가?	최근 대도시에는 교통량의 증가와 높은 토지 보상비 등으로 인해 도로 확충 시 대심도 복층 터널의 필요성이 증가하고 있으며, 국내에서도 일반적인 터널보다 단면이 작고 지하에서 다른 터널과 교차하는 네트워크형 터널이 계획되고 있다. 본 연구에서는 쉴드 터널 분기부에 있어서 기존 터널과 확폭부를 연결하는 연결상세에 있어 기존의 전단면 강재 접합부 대신 휨모멘트가 크게 발생하는 연결부에만 강재를 사용하는 부분 강재-콘크리트 접합부 상세와 쉴드 터널 분기부의 확폭 구간의 해석은 3차원 거동효과를 반영하기 위해 확폭부 시종점 구간의 기둥 효과와 종방향 부재의 강성효과를 고려할 수 있는 2차원 해석모델을 검토하였다.
	종방향부재의 강성을 스프링 지점으로 적용한 2차원 해석 보델의 해석 결과는 어떠한가?	3. 종방향부재의 강성을 스프링 지점으로 적용한 2차원 해석 모델의 해석 결과 일정값 이상의 강성을 갖는 종방향 부재를 도입하면 접합부와 박스부의 휨모멘트를 저감시킴으로써 부분 강재-콘크리트 세그먼트의 구조 안전성을 확보할 수 있는 것으로 검토되었다.
	확폭부 시종점에서의 기둥 효과와 확폭구간 종방향 부재의 강성효과를 고려할 수 있는 2차원 해석모델을 검토할 때 종방향 부재의 스프링상수는 어떤 것을 적용하였는가?	또한, 쉴드 터널 분기부 확폭구간의 3차원 거동효과를 반영하기 위해 확폭부 시종점에서의 기둥 효과와 확폭구간 종방향 부재의 강성효과를 고려할 수 있는 2차원 해석모델을 검토하였다. 종방향부재의 스프링상수는 세그먼트와 확폭부(박스)의 연결부에 종방향으로 설치가 가능한 부재의 단면 강성과 작용력을 고려하여 부재 처짐을 산정하고 이때 발생 최대처짐을 스프링상수로 변환하여 적용하였다.

저자의 다른 논문 :

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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