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란 임
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1 2016 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2016A181 강성가시설벽체의본구조체활용연구 Study for utilizing stiff temporary structure wall to main structure wall 원영학 *, 유제남 *, 전배운 *, 임성순 ** Yeounghak Won *, Jenam Yoo *, Bae-Un Jeon *, Sungsoon Yhim ** Abstract In case of underground subway structure, it is necessary to build a temporary structure with excavation. Generally temporary structure wall is used only for temporary utility in order to build main structure. In case temporary wall made by stiffened structure, main structure s wall can be efficiency using the stiffness of the temporary wall. There are so many types in stiff temporary structure s wall like as Secant pile, C.I.P etc. In this study we applied to Secant pile method. We studied for the saving effects of the main structure wall cause in stiffened temporary secant wall. Also sharing member force of main structure wall with secant pile wall is investigated. And secant wall as temporary structure in excavation is compared with H-pile common used for the strut member arrangement interval. Keywords : secant pile, subway, earth retaining wall, underground structure, noncomposition 초록지하철등과같이지하에구조물을건설하는경우, 지하굴착후흙막이가시설이수반된다. 통상흙막이가시설의벽체는목적구조물건설을위한가설용도로만사용되는바, 흙막이벽체를강성벽체로건설한경우가시설벽체의강성을활용하여본구조체의구조성능에반영하므로서본구조체의경제성을제고할수있다. 가시설강성벽체에는겹침주열말뚝, CIP 등여러형식이있으나여기서는겹침주열식말뚝을적용하였다. 본구조물및가시설흙막이벽체에작용하는평상시및지진시측토압하중에대하여하중조건, 구조해석모델링조건, 가시설벽체와본구조체와의합성여부효과등의다양한조건등에의한본구조체와가시설강성벽체의부재력분담효과와함께본구조물벽체의설계경제성효과를비교분석하였다. 또한가시설강성벽체에의한흙막이벽체의버팀보배치등의절감효과를일반가시설 H-Pile 적용시와비교하였다. 주요어 : 겹침주열말뚝, 지하철, 흙막이벽체, 지하구조물, 비합성구조 1. 서론지하철등과같이지하에구조물을건설하는경우지반굴착후흙막이가시설이수반된다. 통상흙막이가시설의벽체는목적구조물건설을위한가설용도로만사용되어지며, 목적구조물완성후에는가시설흙막이벽체의용도는무시됨이일반적이다. 그러나가시설벽체로서겹침주열말뚝을활용하여가시설벽체의강성을본구조물의강성에활용하므로서본구조물의경제성을도모할뿐만아니라, 겹침주열말뚝의강성이통상적인 H- 형강말뚝 교신저자 : ( 주 ) 유신도시철도부부사장 (stryoo@gmail.com) * ( 주 ) 유신도시철도부상무, * 대구광역시의회사무처건설교통전문위원 ** 서울시립대학교공과대학토목공학과

가시설벽체보다큰점을활용하여가시설버팀보의상하 수직간격을증가시키므로서경제성과함께시공성을향상시킬수있는효과가있다. 여기서는겹침주열말뚝의강성에의한본구조체와의부재력분담효과와함께본구조물벽체의경제성효과를비교분석하였다. 또한겹침주열말뚝의강성에따른가시설버팀보의수직간격증가에따른경제성효과도비교분석하였다. 2.

2 가시설벽체보다큰점을활용하여가시설버팀보의상하 수직간격을증가시키므로서경제성과함께시공성을향상시킬수있는효과가있다. 여기서는겹침주열말뚝의강성에의한본구조체와의부재력분담효과와함께본구조물벽체의경제성효과를비교분석하였다. 또한겹침주열말뚝의강성에따른가시설버팀보의수직간격증가에따른경제성효과도비교분석하였다. 2. 가시설벽체강성의본구조물벽체강성에의기여역할개념옆 ( 그림 1) 과같이부재력에대하여두개의부재의강성 E 1 I 1 과 E 2 I 2 는합성효과혹은비합성효과에의한구조적인평형을이루게된다. 지하철구조물과같은경우는일반적으로구조물외벽방수처리를수행하므로부득이비합성구조형식의구조거동이이루어진다. 이러한구조개념에따라가시설벽체로서사용된겹침주열말뚝의강성 E 1 I 1 이비합성거동을하여 < 그림 1> 외부하중에저항하므로서본구조물벽체의설계에절감효과를이룬다. 3. 겹침주열말뚝개요겹침주열말뚝공법은현장타설콘크리트를이용하여 1 차말뚝 (primary pile) 과 1 차말뚝을절삭하여시공하는 2 차말뚝 (secondary pile) 을번갈아설치하여강성토류벽을형성하는공법으로, 1 차말뚝은 10~20MPa 의무근콘크리트, 2 차말뚝은 35MPa 이상의철근콘크리트를주로사용한다. 겹침주열말뚝은공사중에는가시설벽체로사용하며, 운영중에는내부벽체와결합하여영구벽체로사용한다.< 그림 2>. 여기서 1 차말뚝의설계강도를 2 차말뚝보다작게하고양생지연제를혼합하여 2 차말뚝의설치를위한 1 차말뚝의절삭이용이하게하는것이수직도관리와경제성에서중요하다.

3 구분 시공순서도 1 단계 2 단계 구분공사중운영중 단 면 도 < 그림 2> 겹침주열말뚝의시공순서및단면도 4. 설계내용본설계에서는겹침주열말뚝에서가장일반적으로적용되는 HARD+FIRM 방식을적용하였으며 1 차및 2 차말뚝의직경을 600mm 로설계하고콘크리트의설계강도는 1 차말뚝이 10 MPa, 2 차말뚝은 35 MPa 을적용하였다. 시공의불확실성을고려하여 70% 저감한강도를적용하였다. < 그림 3> 설계현황

4 5. 구조해석모델링 5.1 모델링개념겹침주열말뚝과본선 Box 구조물의상호작용을고려한구조해석모델링은 Elastic Link 모델을적용하였다. 여기서겹침주열말뚝과본선 Box 의벽체는압축전달스프링요소로연결시켰다. 5.2 구조개요도 구분폭 (m) 높이 (m) C.T.C(m) 상부슬래브 하부슬래브 벽체 주열말뚝 D= 구조해석모델링 겹침주열말뚝과본선구조물의상호작용을고려하여 Elastic Link 모델을다음과같이구조해석모델에적용하였다. 해석모델하중재하 1 추가하중 CASE

5 여기서해석조건은다음과같다. 1 겹침주열말뚝과본선 Box 구조물은비합성거동을하는분리구조. 2 겹침주열말뚝과본선 Box 벽체의힘의전달을위하여두구조체사이를 Elastic Link 로연결하여수평하중만전달. 3 수평수압은겹침말뚝없이본선 Box 벽체에추가하중으로서직접하중재하. 5.4 구조해석결과 겹침주열말뚝고려한경우 ( 휨모멘트 ) 본선 BOX 구조물 겹침주열말뚝 구분 겹침주열말뚝 BOX 구조물 단부 상부중앙부 슬래브기둥부 단부 하부슬래브중앙부 기둥부 상부 48.1 (26) (74) 벽체 중앙부 89.0 (52) 82.9 (48) 하부 92.2 (30) (70) ( ) 안의수치는각부재의부재력분담비율 겹침주열말뚝미고려한경우 ( 휨모멘트 ) 본선 BOX 구조물구분휨모멘트 상부슬래브하부슬래브벽체 단부 중앙부 기둥부 단부 중앙부 기둥부 상부 중앙부 하부 268.4

6 5.4.3 겹침주열말뚝고려한경우와미고려한경우휨모멘트 (KN-m) 비교 구분 겹침주열말뚝적용시 겹침주열말뚝미적용시 겹침주열말뚝 BOX 구조물 BOX 구조물 단부 상부슬래브 중앙부 기둥부 단부 하부슬래브 중앙부 기둥부 상부 48.1 (26) (74) 벽체 중앙부 89.0 (52) 82.9 (48) 하부 92.2 (30) (70) ( ) 안의수치는각부재의부재력분담비율 BOX 구조물벽체에서의부재력은겹침주열말뚝을고려한경우상하부 69%(139.4/200.6), 중앙부 61%(82.9/136.4) 로감소되는현상을보이며, 겹침주열말뚝설치한경우 BOX 구조물과겹침주열말뚝각부재의하중분담율은상하부 74% 및중앙부 48% 를나타낸다. 그러나겹침주열말뚝에의한본체 BOX 상하부슬라브부재의구속효과로인하여각부재단부부재력은다소감소하나중앙부정모멘트는 110.6%(132.8/120.0) 미소증가한것으로나타났다. 6. 기존흙막이가시설 H-Pile 과겹침주열말뚝의휨강성증가효과 구분기존흙막이 H-Pile 겹침주열말뚝 개요도 Es = 2.1x10 5 MPa 부재휨강성 Is = 2.15 x10-4 m 4 Ec = 2.60 x10 4 MPa Ic = 6.77 x10-3 m 4 EI EsIs = 4.52x10 7 N m 2 단위 m 당 EsIs = 2.56 x10 7 N m 2 /m EcIc =17.60x10 7 N m 2 단위 m 당 EsIs = x10 7 N m 2 /m

7 부재휨강성 EI 값은여기나타난바와같이단위 m 당겹침주열말뚝이약 7.3(=18.72/2.56) 배로서, 이는가시설버팀보간격을 2.7( (7.3)) 배까지넓힐수있는근거가되며, 이를통하여버팀보부재의절감과함께시공성향상에기여할수있는효과를기대할수있다. 7. 기타부대효과및시공유의사항 1 흙막이가시설벽체와본구조물벽체를합벽처리하므로서토공굴착량감소효과및굴착부지면적축소로보상면적절감, 도심지혼잡공사에유리. 통상본체벽체로부터 1m 이격하여가시설 H-Pile 설치. 2 겹침주열말뚝의강성도관리를위하여적정한품질관리필요. 지중공사를고려하여강성도저감효과를 30% 설계에반영. 3 본구조물설치공간을고려한겹침주열말뚝의수직정밀도관리철저. 7. 결론지하철구조물등과같이지하에흙막이가시설을수반하여구조물을건설하는경우흙막이가시설로서강성벽체인겹침주열말뚝을적용하였다. 지하구조물에작용하는토압에대하여본구조물벽체와함께가시설의강성벽체인겹침주열말뚝의부재력분담효과를반영하므로서본구조설계의경제성을도모할뿐만아니라가시설흙막이버팀보간격증대등부수적인여러효과가기대된다. 참고문헌 [1] Desing Criteria for the Structure Foundations, Korean Geotechnical Society(2015) [2] M. J. Tomlinson(1977), Pile Design and Consruction Practice, A Viewpoint Publication [3] Proceedings of conference Retaining structures organized by the Institution of Civil Engineers and held at Robinson College, Cambridge on July 1992, Thomas Telford, London [4] David M Potts and Lidija Zdravkovic(2001), Finite element analysis in geotechnical engineering(application), Thomas Telford, London [5] Nick Wharmby(2010), Development of Secant Pile Retaining Wall Construction in Urban New Zealand, Brian Perry Civil, Hamilton, Waikato, New Zealand

<INPUT DATA & RESULT / 전단벽 > NUM NAME tw Lw Hw 철근 위치 Pu Mu Vu RESULT (mm) (mm) (mm) 방향 개수 직경 간격 (kn) (kn-m)

<INPUT DATA & RESULT / 전단벽 > NUM NAME tw Lw Hw 철근 위치 Pu Mu Vu RESULT (mm) (mm) (mm) 방향 개수 직경 간격 (kn) (kn-m) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 NUM NAME tw Lw Hw 철근 위치 Pu Mu Vu RESULT (mm) (mm) (mm) 방향 개수 직경 간격 (kn) (kn-m) (kn) 휨 전단 축력 종합 1 2W1 300 3400 4500 수직 2EA- D13 @150