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사변형 격자지보재-숏크리트 합성부재의 등가물성 결정 기법
Determination of equivalent elastic modulus of shotcrete-tetragonal lattice girder composite 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.22 no.2, 2020년, pp.145 - 154  

강경남 (인하대학교 토목공학과) ,  송기일 (인하대학교 토목공학과) ,  김선길 (코오롱글로벌 기술연구소) ,  김경철 (코오롱글로벌 기술연구소)

초록
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NATM 공법에 있어서 강지보재는 숏크리트가 타설되어 라이닝을 완전히 구성할 때까지 터널의 안정화를 확보하는 구조체로서, 숏크리트의 타설 전 뿐만 아니라 타설 후 숏크리트와의 일체 거동을 통해 라이닝의 강도를 더해주는 역할을 수행한다. 본 연구에서는 새로운 형식의 사변형 격자지보재를 터널의 안정해석에 적용하기 위한 방안으로 체적비 기반의 숏크리트와 강지보재 합성부재의 등가 물성치 결정법을 제시하였다. 사변형 격자지보재는 수직 및 수평 보강재의 존재로 면적비 기반으로 등가 물성치를 산정할 경우 선택한 단면에 따라 물성치가 상이 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 체적비 기반의 등가 물성치 결정법을 제시하였으며, 격자지보재와 숏크리트로 구성된 합성부재 요소에 대한 상세모델과 등가물성치를 사용한 등가모델의 비교를 통하여 등가탄성계수를 보정할 수 있는 방법을 제시하였다. 상세모델과 등가모델을 비교한 결과등가모델은 상세모델에 비해 평균적으로 130% 작은 휨 강도를 나타내었다. 본 연구에서는 휨강도의 오차율을 고려하여 등가탄성계수를 보정할 수 있는 방법을 제시하였고, 보정된 등가탄성계수를 적용한 등가모델의 휨강도는 상세모델과 평균오차율 1% 이내로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Steel set is a structure that stabilize the NATM tunnel until the installation of shotcrete, and it is combined after the shotcrete is installed to improve stability. In this study, determination approach for the equivalent elastic modulus of shotcrete-lattice girder composite is newly suggested for...

주제어

#숏크리트   #등가 탄성계   #격자지보재   #사변형 격자지보재   #터널 수치해석  

표/그림 (5)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 일반적으로 강지보재로 사용하고 있는 삼각 격자지보재 또는 H형 강지보재는 숏크리트와 합성부재로 가정하여 등가탄성계수 계산 시 종방향 단면의 변화가 크지 않기 때문에 단면적으로 고려하고 있는 실정이며, 이는 강지보재의 구조적 특성을 충분히 고려하지 않는 방법이다. 강지보재의 구조적 성능을 과소평가하는 등가탄성계수산정방법은 과다설계를 유발할 수 있기 때문에, 본 연구에서는 등가탄성계수를 적용한 등가모델에서 강지보재와 숏크리트를 각각 모델링한 상세모델의 휨강도를 나타낼 수 있도록 등가탄성계수를 보정할 수 있는 방법을 제시하였다. 또한 사변형 격자지보재의 경우 수직보강재 및 수평보강재가 있으며, 단면적 기반의 등가탄성계수는 대표단면 위치에 따라 등가탄성계수를 과대 또는 과소평가할 수 있기 때문에 본 연구에서는 체적비 기반의 등가탄성계수 산정법을 제시하였다.
  • 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 사변형 격자지보재가 개발되었지만, 이를 수치해석에 적용하기 위한 연구는 미비한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 사변형 격자지보재를 터널의 안정해석에 적용할 수 있는 방안으로 숏크리트와 강지보재 합성부재의 등가 물성치 결정법을 제시하였다.
  • 강지보재의 구조적 성능을 과소평가하는 등가탄성계수산정방법은 과다설계를 유발할 수 있기 때문에, 본 연구에서는 등가탄성계수를 적용한 등가모델에서 강지보재와 숏크리트를 각각 모델링한 상세모델의 휨강도를 나타낼 수 있도록 등가탄성계수를 보정할 수 있는 방법을 제시하였다. 또한 사변형 격자지보재의 경우 수직보강재 및 수평보강재가 있으며, 단면적 기반의 등가탄성계수는 대표단면 위치에 따라 등가탄성계수를 과대 또는 과소평가할 수 있기 때문에 본 연구에서는 체적비 기반의 등가탄성계수 산정법을 제시하였다.
  • 본 연구에서는 사변형 격자지보재를 3차원 터널 안정해석에 고려하기 위한 방법으로 체적비 기반의 등가탄성계수 산정에 대한 연구를 수행하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
  • NATM 공법에서 숏크리트가 가장 큰 하중을 부담하는 지보재지만, 초기 타설 시 탄성계수가 매우 작아 변형에 취약하다는 단점이 있다. 이에 따라 불량한 조건의 지반에서는 숏크리트 타설 전에 강지보재를 설치하여 지반의 초기 변형에 저항하고, 숏크리트가 경화 된 이후 일체거동을 하여 지반 거동에 저항하는 목적으로 사용하고 있다.초기 변형에 저항하기 위해서는 지보 자체의 구조 강도도 우수해야 하고, 숏크리트 타설의 용의성도 확보해야한다(Jung et al.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
H형 강지보재의 특징은? 강지보재는 불량한 지반에서 터널의 굴착 직후 터널의 구조 안정성을 확보하기 위해 설치하고 있는 구조재료로써 단면의 기하학적 특성에 따라 다양한 형태를 갖고 있다. H형 강지보재는 일반적으로 단면 높이가 동일한 기존의 격자지보재보다 휨성능이 우수한 것으로 알려져 있으나, H형 강지보재 거치 후 숏크리트 타설 시 플랜지 및복부판으로 구성된 구조 특성으로 인하여 배면 공극의 발생이 문제시 되고 있다(Kim et al., 2009; 2013).
터널 수치해석에서 강지보재를 고려하는 방법으 어떤 것이 있는가? 터널 수치해석에서 강지보재를 고려하는 방법은 두 가지로 구분할 수 있다(MOLIT, 2011). 첫 번째 방법은 강지보재와 숏크리트를 각각 보 요소로 모델링하는 방법이다. 실내시험을 통해 각각의 요소 사이의 수직 및 전단강성 값을 획득할 수 있다면 강지보재와 숏크리트를 모델링할 수 있는 가장 현실적인 방법이다. 두 번째 방법은 강지보재와 숏크리트를 합성부재로 가정한 후 모델링하는 방법이다. 첫 번째 방법에 비해 정밀성은 다소 낮지만 입력값 및 결과값 산정과 적용이 다소 편리한 방법이다.
NATM 공법의 단점은? NATM 공법에서 숏크리트가 가장 큰 하중을 부담하는 지보재지만, 초기 타설 시 탄성계수가 매우 작아 변형에 취약하다는 단점이 있다. 이에 따라 불량한 조건의 지반에서는 숏크리트 타설 전에 강지보재를 설치하여 지반의 초기 변형에 저항하고, 숏크리트가 경화 된 이후 일체거동을 하여 지반 거동에 저항하는 목적으로 사용하고 있다.
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참고문헌 (15)

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  3. Jung, H.S., Shin, Y.W., Song, 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. 

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  5. Kim, D.G., Bae, G.J. (2008), "Development of a laboratory testing method for evaluating the loading capability of lattice girder", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 10, No. 4, pp. 371-382. 

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  10. Kim, S.J., Han, T.H., Baek, J.S., Kang, Y.J. (2013), "Evaluation of the structural performance of tetragonal lattice girders", International Journal of Steel Structures, Vol. 13, No. 1, pp. 31-47. 

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  12. MOLIT (2011), The revision of the road-design guideline (the chapter of tunnel), Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs. 

  13. 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", Geotechnical Engieering, Vol. 13, No. 2, pp. 155-168. 

  14. Raphael, J.M. (1984), "Tensile strength of concrete", ACI Journal, Vol. 81, No. 2, pp. 158-165. 

    상세보기

  15. Yoo, C.S., Kim, Y.J., Bae, G.J., Moon, H.D. (1997), "An experimental study on load bearing capacity of lattice girder as a steel support in tunnelling", Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol. 13, No. 4, pp. 163-175. 

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