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구조해석과 현장계측에 의한 고강도 격자지보재의 성능 평가
Performance Evaluation of High Strength Lattice Girder by Structural Analyses and Field Measurements 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.30 no.3, 2020년, pp.237 - 251  

이재원 ((주)세종이엔씨) ,  민경남 ((주)세종이엔씨) ,  정지욱 ((주)세종이엔씨) ,  노병국 (한국철도시설공단 인재개발원) ,  이상진 (한국철도시설공단 인재개발원) ,  안태봉 (우송대학교 철도건설시스템학과) ,  강성승 (조선대학교 에너지자원공학과)

초록
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본연구는 H형강 대체 지보재로 개발된 고강도 격자지보재의 성능을 평가하기 위하여 터널에서의 지보재에 대한 구조해석과 계측에 의한 터널 변위와 지중응력 변화를 살펴보았다. 터널 지보재 3차원 비선형 구조해석 결과에 의하면, H형강과 고강도 격자지보재의 하중과 변위 관계는 거의 동일한 거동을 보였으며, 고강도 격자지보재의 최대하중은 H형강보다 1.0~1.2배 크게 나타났다. 터널 지보재 3차원 터널단면해석 결과에 의하면, 축력은 터널 좌측 및 우측 하단부에서 크게 발생했으며 현장시험 계측값과 유사한 경향을 나타냈다. 천단침하 및 내공변위 계측결과에 의하면, 터널 내 강지보(H형강)와 고강도 격자지보 구간의 최종변위량은 1차 관리기준인 23.5 mm 이내의 큰 차이 없이 일정한 값으로 수렴되었다. 지중변위 계측 결과에 의하면, 두 지보재 구간의 최종변화량은 미소한 변위 변화를 보였으나, 1차 관리기준인 10 mm 이내의 일정한 값으로 수렴되었다. 숏크리트 및 강지보 응력 계측 결과에 의하면, 두 지보재 구간의 최종변화량은 미소한 응력 변화를 보였으나, 1차 관리기준인 81.1 kg/㎠과 54.2 tonf 이내의 일정한 값으로 수렴되었다. 결과적으로 강지보재와 고강도 격자지보재가 설치된 터널구간에서 계측 결과는 매우 미미한 차이를 나타냈으며, 이것은 H형강 대신 고강도 격자지보재를 터널에 적용하더라도 구조적으로 충분히 안정성을 확보할 수 있음을 의미한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study examined structural analysis of supports in tunnel and displacement and underground stress of tunnel by measurement, in order to evaluate the performance of high-strength lattice girders developed as a substitute for H-profiles. According to the three-dimensional nonlinear structural anal...

주제어

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AI 본문요약
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문제 정의

  • 일반적인 설계의 경우 대부분의 구조물에서 선형가정을 전제로 해석을 수행하지만, 시공단계에서 대변형이 발생하는 경우나 응력이 탄성 범위를 초과하여 발생하는 경우에는 비선형해석을 수행해야 한다. 본 연구에서는 기존의 2가지 형식의 H형강과 본 연구에서 개발된 2가지 형식의 고강도 격자지보재에 대한 지보 특성을 분석하기 위하여 비선형을 고려한 구조해석을 수행하였다. 각 터널지보재에 대한 해석단면을 정리하면 Table 1과 같다.
  • 본 연구에서는 기존의 H형강 H-100×100×6×8과 H-125×125×6.5×9의 대체 지보재로 개발된 고강도 격자지보재 SJ-55×30×20과 SJ-85×30×20의 성능을 평가하고자 한다.
  • 지중변위계는 터널 주변 지반의 이완영역, 지중변위 분포, 지보재 길이의 타당성 판단, 터널의 안정성 여부를 판단하기 위해 설치한다. 숏크리트응력계는 숏크리트에 미치는 배면 통압과 숏크리트의 두께 방향으로 숏크리트 파괴를 감시할 목적으로 숏크리트 시공 후 하중작용에 의해 발생되는 응력 상태를 측정하여 안정성 여부를 판단하기 위해 설치한다. 강지보응력계는 지보재에 발생한 변형으로 응력 효과, 굴착으로 인한 응력증감량과 변화 속도를 확인하기 위해 설치한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
터널 굴착 후 숏크리트 타설 전에 강지보재를 시공함으로써 어떠한 효과를 볼 수 있는가? 이들 지보재들 중 숏크리트와 록볼트에 대한 지보특성은 다양하게 연구가 수행된 반면, 강지보재에 대한 연구는 상대적으로 미미한 실정이다. 터널 굴착 후 숏크리트 타설 전에 강지보재를 시공함으로써 굴착면의 변위를 최소화하여 지반자체의 지보능력을 향상시킬 수 있다. 또한 강지보재 설치 후 숏크리트를 타설함으로써 강재보재와 숏크리트의 일체화를 도모하여 지보효과를 극대화할 수 있다.
국내 터널 시공 시 주로 사용하는 H형강 강지보재의 문제점은? 국내 터널 시공에서 강지보재로 H형강 지보재가 일반적으로 많이 사용되고 있다. 하지만 H형강은 무겁고 다루기가 어려울 뿐 아니라, 설치 후 숏크리트 타설 시 H형강 프렌지(flange)로 인해 배면에 숏크리트가 밀실하게 타설되지 않은 문제점이 있다(Bauman and Betzle, 1984). 따라서 기존의 강지보재의 문제점을 해결하고 대체할 수 있는 격자지보재가 개발되어 터널 현장에 사용되고 있다(Braun, 1983; Moon et al.
굴착된 터널의 안정성을 확보하기 위해서 일반적으로 무엇이 사용되는가? 굴착된 터널의 안정성을 확보하기 위해서 일반적으로 숏크리트, 록볼트, 강지보재와 같은 지보재가 많이 사용되고 있다. 이들 지보재들 중 숏크리트와 록볼트에 대한 지보특성은 다양하게 연구가 수행된 반면, 강지보재에 대한 연구는 상대적으로 미미한 실정이다.
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참고문헌 (10)

  1. Bauman, T., Betzle, M., 1984, Investigation of the performance of lattice girders in tunneling, Rock Mechanics and Rock Engineering, 17, 67-81. 

  2. Braun, W.M., 1983, Lattice girders offer economy and performance for tunnel support, Tunnels & Tunneling, 15(5), 19-22. 

  3. Geological Survey of Korea, 1965, Explanatory text of the geological map of Chungju sheet, Scale 1:50,000. 

  4. Kim, D.G., Lee, S.H., Choi, Y.N., 2008, Evaluation of loading capacity of lattice girder according to laboratory testing method, Proceedings of the Korean Geo-Environmental Society, 399-406. 

  5. Kim, D.G., Lee, S.H., Kim, N.Y., 2009, Status and capacity of lattice girder, Proceedings of the Korean Geo-Environmental Society, 374-380. 

  6. Lee, J.W., Min, K.N., Jeong, J.W., Roh, B.K., Lee, S.J., Ahn, T.B., Kang, S.S., 2020, Development of high strength lattice girder and evaluation of its performance, The Journal of Engineering Geology, 30(1), 43-57 (in Korean with English abstract). 

  7. Moon, H.D., 1999, Evaluation on the applicability of a lattice girder for a support system in tunnelling, Tunnel and Underground Space, 9(3), 204-213 (in Korean with English abstract). 

  8. 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, 6(2), 122-130 (in Korean with English abstract). 

  9. Moon, S.H., Shin, Y.W., Kim, S.H., Yoo, H.K., 2012, A study on load bearing capacity of composite member with steel rib and shotcrete in NATM tunnel, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, 32(5C), 221-229 (in Korean with English abstract). 

  10. Son, S.G., Song, H.J., Hwang, M.S., Kim, D.H., Kim, J.J., 2017, A study on the field application of tetragonal lattice girder, Proceedings of the Korean Society of Civil Engineers, 503-504. 

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