[논문]3차원 유한요소해석에 의한 흙막이 벽체의 거동특성

이진구; 장서만; 전성곤; 이종규

문제 정의

일반적으로 굴착형 상이 직사각형과 같이 정형적인 경우에는 평면변형율 조건을 이용한 2차원 해석방법이 해석의 간편성 및 보수적인 해석 결과로 인하여 많이 사용되고 있지만 굴착면적이 비교적 작거나, 모서리부 및 돌출부의 복잡한 굴착 평면에서의 해석은 평면변형율 조건의 2차원 해석만으로는 벽체 거동 및 토압을 정확히 예측하기는 어렵다. 따라서 본 연구에서는 해석지반 및 굴착 조건에 따라 3차원 수치 해석을 수행하여 기존에 구명되지 못했던 토압 및 부재력을 중심으로 흙막이 벽체의 거동을 분석하였다. 2차원적인 방법으로는 해석이 불가능한 직사각형 평면상에 돌출부가 존재하는 경우에 대하여 3차원 수치해석을 실시하여 돌출부의 벽체변위 및 토압 분포를 기존의 연구 결과와 비교함과 동시에 그 특성을 구명하였다.
본 연구에서는 흙막이 벽체의 3차원 해석을 통하여 기존의 2차원 해석으로 구명하기 어려운 돌출부에서의 벽체변위, 토압분포 및 부재력에 대하여 분석하였다. 굴착형 상이 직사각형 평면상에 돌출부가 존재할 때의 3차원 해석을 수행하였고 지보재의 설치 효과 및 돌출부에 설치된 경사 버팀대의 문제점올 파악하기 위하여 지보재를 설치한 경우와 설치하지 않은 경우로 나누어 해석하였다.

가설 설정

본 연구에서 사용된 굴착형 상은 직사각형 평면상에 돌출부가 있을 때로 가정하였다. 직사각형 펴면 상 에 돌출부가 있을 때 돌출부의 폭대 굴착 길이 비(b/L)를 5가지로 나누어 해석하였다.
해석을 위해 지반 조건에 대해서 최종 굴착 심도인 G.L -10m까지는 퇴적토층, 그 아래로 2m 두께의 잔류토층과 풍화암층의 순으로 지층을 가정하였고, 해석에 사용된 지반 정수는 표 1과 같다.

제안 방법

참조). 2차원 요소망 작업 시에는 Frame 요소를 이용하여 작성하고 3차원 요소망 작업 시에는 Shell 요소로 변환하여 해석을 수행하였다. 지보재로는 버팀대를 사용하였고 규격은 300x300을 사용하였으며 축력만 받는 부재로 해석하기 위하여 2절 점 Truss 요소로 모델 링 하였다.
따라서 본 연구에서는 해석지반 및 굴착 조건에 따라 3차원 수치 해석을 수행하여 기존에 구명되지 못했던 토압 및 부재력을 중심으로 흙막이 벽체의 거동을 분석하였다. 2차원적인 방법으로는 해석이 불가능한 직사각형 평면상에 돌출부가 존재하는 경우에 대하여 3차원 수치해석을 실시하여 돌출부의 벽체변위 및 토압 분포를 기존의 연구 결과와 비교함과 동시에 그 특성을 구명하였다. 특히, 돌출부의 벽체 변위를 억제하기 위하여 경사 버팀대를 설치한 경우에 발생되는 晕제점 및 경사 버팀대의 효과에 대하여 고찰하였다.
굴착에 따른 벽체의 거동을 분석하기 위하여 최종 굴착 심도 10m까지 단계별로 해석을 수행하였고 각각의 굴착심도는 2, 4, 6, 8, 10m로 총 5단계 굴착을 시행하였다. 또한 지보재를 설치한 경우와 설치하지 않은 경우로 해석을 수행하여 지보재의 설치로 인한 벽체의 거동 및 토압을 분석하였고, 돌출부에 설치한 경사 버팀대의 설치 효과 및 문제점에 대하여 알아보았다.
본 연구에서는 흙막이 벽체의 3차원 해석을 통하여 기존의 2차원 해석으로 구명하기 어려운 돌출부에서의 벽체변위, 토압분포 및 부재력에 대하여 분석하였다. 굴착형 상이 직사각형 평면상에 돌출부가 존재할 때의 3차원 해석을 수행하였고 지보재의 설치 효과 및 돌출부에 설치된 경사 버팀대의 문제점올 파악하기 위하여 지보재를 설치한 경우와 설치하지 않은 경우로 나누어 해석하였다.
5배에서 3배 정도가 적절하다고 보고 있는데, 본 해석에서 는 경계까지의 거리를 수평 방향으로는 굴착 폭의 2배, 수직 방향으로는 최종 굴토 심도의 2배까지 해석범위로 정하였다. 그리고 요소 망의 수를 줄이기 위하여 굴착 평면의 1/4만을 해석하였다.
본 해석에서 사용한 프로그램은 먼저 2차원 요소 망을 작성하고 z 방향의 좌표를 입력해 줌으로써 3차원 요소망이 생성되는 특징을 가지고 있다. 따라서 본 해석 시에도 마찬가지로 2차원 요소 망을 먼저 작성한 다음 z 좌표를 입력함으로써 3차원 요소 망을 생성하였다. 그림 3.
굴착에 따른 벽체의 거동을 분석하기 위하여 최종 굴착 심도 10m까지 단계별로 해석을 수행하였고 각각의 굴착심도는 2, 4, 6, 8, 10m로 총 5단계 굴착을 시행하였다. 또한 지보재를 설치한 경우와 설치하지 않은 경우로 해석을 수행하여 지보재의 설치로 인한 벽체의 거동 및 토압을 분석하였고, 돌출부에 설치한 경사 버팀대의 설치 효과 및 문제점에 대하여 알아보았다.
본 해석에서 사용한 프로그램은 먼저 2차원 요소 망을 작성하고 z 방향의 좌표를 입력해 줌으로써 3차원 요소망이 생성되는 특징을 가지고 있다. 따라서 본 해석 시에도 마찬가지로 2차원 요소 망을 먼저 작성한 다음 z 좌표를 입력함으로써 3차원 요소 망을 생성하였다.
이러한 공법을 돌출부에 적용하는 경우 그라운드 앵커의 각도 및 길이가 효과적인 벽체변위 억제에 주요한 인자가 되며, 따라서 이번 해석을 위해 어스앵커의 각도 및 길이별로 그림 13과 같이 총 8가지의 경우로 구분하였고, 각각의 경우에 있어서 돌출부에서의 벽체 변위를 그림 14에 나타내었다.
일반적으로 해석범위는 굴착 폭 및 깊이의 1.5배에서 3배 정도가 적절하다고 보고 있는데, 본 해석에서 는 경계까지의 거리를 수평 방향으로는 굴착 폭의 2배, 수직 방향으로는 최종 굴토 심도의 2배까지 해석범위로 정하였다. 그리고 요소 망의 수를 줄이기 위하여 굴착 평면의 1/4만을 해석하였다.
본 연구에서 사용된 굴착형 상은 직사각형 평면상에 돌출부가 있을 때로 가정하였다. 직사각형 펴면 상 에 돌출부가 있을 때 돌출부의 폭대 굴착 길이 비(b/L)를 5가지로 나누어 해석하였다. 해석 평면 및 해석단 I
직사각형 평면상에 돌출부가 以는 경우에 대하여는 모서리부와 돌출부에서의 거동으로 나누어 분석하였다. 돌출부라 함은 벽체에서부터 돌출부 끝까지의 부분으로 정하였고 모서리부라 함은 돌출된 부분의 끝에서부터 벽체 중심까지의 부분으로 모서리를 포함한다(그림 1.
2차원적인 방법으로는 해석이 불가능한 직사각형 평면상에 돌출부가 존재하는 경우에 대하여 3차원 수치해석을 실시하여 돌출부의 벽체변위 및 토압 분포를 기존의 연구 결과와 비교함과 동시에 그 특성을 구명하였다. 특히, 돌출부의 벽체 변위를 억제하기 위하여 경사 버팀대를 설치한 경우에 발생되는 晕제점 및 경사 버팀대의 효과에 대하여 고찰하였다.

대상 데이터

본 해석에서 사용한 흙막이 벽체는 CIP 벽체를 사용하였고 CIP의 근입심도는 풍화암층 2m까지, 즉 굴 착 바닥 면 아래부터 4m까지 근입하였다(그림 2. 참조). 2차원 요소망 작업 시에는 Frame 요소를 이용하여 작성하고 3차원 요소망 작업 시에는 Shell 요소로 변환하여 해석을 수행하였다.
2차원 요소망 작업 시에는 Frame 요소를 이용하여 작성하고 3차원 요소망 작업 시에는 Shell 요소로 변환하여 해석을 수행하였다. 지보재로는 버팀대를 사용하였고 규격은 300x300을 사용하였으며 축력만 받는 부재로 해석하기 위하여 2절 점 Truss 요소로 모델 링 하였다.

이론/모형

굴착 전의 응력 상태를 재현하기 위하여 심도 방향의 응력 “는 7h로 계산하고 나머지 두 방향의 응력 즉, ffx, by는 심도 방향 응력인 J에 토압 계수를 곱하였다. 토압계수는 Jaky의 공식을 사용하였으며, 본 해석에서 사용된 3차원 유한요소망은 그림 4.와 같고, 각 굴착단계는 표3과 같다.

성능/효과

(1) 돌출부의 폭'대 굴착 길이 비를 변화 시켜 해석을 수행한 결과 모서리에서의 벽체변위 및 토압은 돌출부의 크기에 따라 그 거동이 영향을 받는 것으로 나타났다. 따라서, 돌출부가 존재하는 경우에는 무서리 부에서의 벽체변위 및 토압 거동을 추정하는 경우 돌출부의 영향을 충분히 고려하여 해석하여야 할 것으로 판단된다.
(2) 돌출부에 설치되는 경사 버팀대의 효과는 벽체변위 및 수평토압의 거동 모두 설치하지 않은 경우에 비하여 크게 차이가 없는 것으로 해석되었다. 따라서 돌출부의 벽체 변위를 억제하기 위해 그 부분에 경 사 버팀대를 설치하는 것은 효과적이지 못한 것으로 판단된다.
그림 12의 결과로 경사 버팀대를 설치하였을 경우의 토압은 경사 버팀대를 설치하지 않은 경우의 토압에 비하여 약 1% 감소하였거나 거의 차이가 없었고 이러한 결과는 그림 8의 벽체 변위를 비교한 準과와 일치하였으며, 마찬가지로 경사 버팀대의 설치 방향이 돌출부의 변위를 억제하기에 효과적이지 못하다는 것을 알 수 있었다.
3일 때까지 최대변위는 증가하지만 돌출부의 폭대 굴착길이비의 크기가 더 커짐에 따라 오히려 최대변위는 감소하는 것을 볼 수 있다. 돌출부의 폭 대 굴 착 길이 비가 0.3인 경우는 0.2인 경우에 비하여 최대변위가 약 19% 증가하였지만 돌출부의 폭대 宰착길 이 비가 0.4인 경우는 0.3인 경우에 비하여 약 1% 감소하였고 돌출부의 폭대 굴착길이비가 0.5인 *우는 0.4인 경우에 비하여 약 6% 감소하였다. 이러한 결과는 돌출부 폭의 길이가 굴착 길이의 40%이상이 되면 돌출부로 인한 영향보다 모서리부에서의 수평 방향 구속 효과가 더 크기 때문으로 사려된다.
모서리에서의 토압이 근처의 토압보다 작았는데 이러한 이유 또한 돌출부에서의 변위로 인하여 모서리에서의 변위가 근처의 벽체 변위보다 컸기 때문이며, 굴착형 상이 직사각형일 때와 같이 모서리로부터 떨어질수록 수평토압이 감소하는 일반적인 경우와는 다르게 나타났다. 또한 이번 해석으로 인하여 돌출부의 폭대 굴착길이비가 0.1인 경우에서는 돌출부의 영향이 거의 없었는 더】, 따라서 돌출부의한 변의 길이가 굴착 길이의 20% 이상이 되면 돌출부의 영향으로 인하여 모서리부에서의 수평 방향 구속 효과가 현저히 감소됨을 알 수 있었다.
그러나 벽체 변위의 발생방향(그림 6 참조)과 반대 방향으로 앵커를 설치한 AC₁ 과 AC₂의 경우는 버팀대를 설치하지 않았을 경우에 비하여 약 50%까지 벽체 변위를 감소시키는 것으로 나타났다. 반면, 벽체 변위의 발생 방향과 비스듬히 설치한 나머지 경우(AC₃~AC₈)는 어느 정도 벽체 변위를 억제 시 키지만 AC₁ 과 AC₂의 경우보다는 효과적이지 못한 것으로 나타났으므로, 이러한 돌출부에서의 벽체변 위를 억제하기 위해서는 정역학적인 관점에서 미리 벽체 변위의 발생 방향을 인지하여 앵커를 설치하는 것이 가장 효과적인 방법으로 판단되었다. 또한 부득이하게 앵커의 설치가 허락치 않을 경우에는 효과적이지 못한 버팀대의 설치보다는 다른 방법을 간구하여 설계 및 시공을 수행하여야 할 젓으로 생각된다.

후속연구

(3) 돌출부에서 앵커의 길이와 각도를 변화시켜 해석하여 본 결과 벽체 변위를 가장 효과적으로 억제시키는 앵커의 방향은 벽체변위 발생 방향과 반대 방향이 되어야 할 것으로 판단되므로 앞으로의 설계에 있어 이를 반드시 고려하여야 할 것을 제안한다.

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