Journal of the Korean Society of Safety, Vol. 28, No. 4, pp. 97-102, August 2013 Copyright@2013 by The Korean Society of Safety (pissn 1738-3803) All right reserved. 가압식브레이싱보강에의한지중박스구조물의내진성능향상방법 정지승 문인기 * 민대홍 ** 동양대학교철도토목학과 * 고려개발토목사업본부 ** 다음이앤씨 (2013. 7. 1. 접수 / 2013. 8. 14. 채택 ) Anti-seismic Capacity Improvement of Underground Box Structures Strengthened with Pressure Bracing Jee-Seung Chung In-Gi Moon * Dae-Hong Min ** Department of Railroad Civil Engineering, Dongyang University * Department of Civil Business, Korea Development Corporation ** Daum Engineering and Construction (Received July 1, 2013 / Accepted August 14, 2013) Abstract : This paper presents a new strengthening method of underground box structures against seismic loads for anti-seismic capacity improvement. A threaded steel member with pressure devices(so called 'I-bracing pressure system') is used to improve seismic capacity of the RC box structure. The I-bracing pressure system is fixed the corner of opening after chemical anchor was installed by drilling hole on the box structure. The structural performance was evaluated analytically. Two bracing types of strengthening methods were used; conventional bracing method and improved I-bracing pressure system. For the performance evaluation, seismic analyses were performed on moment and shear resisting structures with and without I-bracing pressure system. Numerical results confirmed that the proposed I-bracing pressure system can enhance the seismic capacity of the underground RC box structures. Key Words : underground box structures, anti-seismic capacity, bracing strength 1. 서론 최근국내에서는인천백령도해역에서규모 3.7 의지진이발생하였으며 2013 년 5 월 1 달동안규모 2.8~4.8 지진이 15 차례감지되어한반도는더이상지진의안전지대가아니라는학계의견이지배적이다 1). 우리나라는 1970 년대이후급속한경제성장과함께대도시의입체적인개발로인간생활에기본이되는도시철도, 전력구, 통신구, 지하차도등과같은많은공공시설물이지중에건설되었다. 이러한지중구조물은지반운동에순응하여구조물이진동하여큰증폭현상이발생되지않아서지진의영향이적다는이유로별도의내진설계를수행한사례가많지않다. 하지만 1995 년일본고베에서발생한한신대지진발생시도시철도역사가붕괴되는등지중구조물의지진피해사례가입증되었다. 국내의경우에는 1988 년대에최초로일반구조물에대한내진설계가의무화되었으므로 1988 년이전에설계되어진지중구조물은대부분내진설계가반영되지않아지진에대한안전성을확보하지못한상태이다. 특히, 다수의지중구조물은도심지지하에위치하고있으므로지진에의한구조물손상시피해는매우크며복구는매우어려운실정이다. 이러한지중구조물의지진시안전성을확보하기위하여개착을통한보강을한다는 것은막대한건설비용과간접비용이소요되므로경제성을확보하면서효과적으로보강할수있는보강방안의필요성이절실히요구되고있는실정이다. 본연구에서는지중콘크리트박스구조물내부에브레이싱보강재를설치하고가압력을도입하여구조물의내진성능을보강하는새로운개념의내진보강공법을제시하고수치해석을통해보강효과를검증하였다. 2. 기존의브레이싱내진보강공법 지중박스구조물은지하에위치하고있는특성상외부에서내진보강을수행하기위해서는터파기등대규모공사가불가피하다. 또한, 박스내부에서공사를수행한다하더라도건축한계, 시공시간, 시공공간, 인력시공등많은제약조건으로인해내진보강이매우어려운실정이다. 이러한문제를해결하기위하여현재국내에서는지중박스구조물에대한많은보강공법들이문헌 2-4) 에제안되었으며, 국내에서개발된대부분의기술은 FRP 소재의판넬, Sheet 등의보강재를정모멘트최대부에부착하여단면강도를증가시키는공법들이다. 하지만부착식보강공법은정모멘트에는효과적이나, 부모멘트및전단력부족단면에는보강효과가없는단점이있다. Corresponding Author: In-Gi Moon, Tel : +82-31-420-9000, E-mail: mooningi@naver.com Department of Civil Business, Korea Development Corporation, 954-2, Gwanyang2-dong, Dongan-gu, Anyang-si, Gyeonggi-do 431-804, Korea 97
정지승 문인기 민대홍 콘크리트박스구조물에있어전통적으로부모멘트및전단력을보강하기위하여사용된대표적인공법으로는 Fig. 1 과같이개착을통한콘크리트외부를보강하는공법이있다. 하지만개착공법은터파기, 가시설설치, 공사기간중교통통제등으로인한간접공사비가크게발생되며공사주변환경조건을고려하면시공이거의불가능한공법이다. 또한지진이자주일어나는일본에서는박스구조물의전단저항력을향상하기위하여 지하구조물의내진성능조사와지진대책가이드라인 ( 안 ) 5) 에서는벽체천공후전단철근삽입하는공법이제시되고있으나, 이공법또한구조물의손상이우려되는다수의천공이필요하여효과적인공법이라판단되지않는다. 지진재해대책법 6), 시설물의안전관리에관한특별법 7) 에서는기존시설물중주요구조물에대해내진보강을실시하도록하고있다. 지중구조물에대한내진보강방안으로는슬래브증가, 강판접착, 부재증설, 브레이싱증설등을제안하고있다. 또한지반굴착을시행하지않은상태에서구조물내부에서보강작업을수행하는일반적인공법으로는 2011 년국토해양부에서제정한 기존시설물내진성능향상요령 8) 에서제시하고있는방법중 Fig. 2 와같은 H 형강브레이싱을증설보강공법이내진보강효과가있는것으로기술되어있다. 그러나, 내진보강효과를발휘하기위해서는 H 형강을슬래브와벽체에완전밀착시켜야하는시공상의문제점이있으며본연구에서제안한공법보다사용강재대비구조적효율성도다소미흡하다는현실적인문제가있다 8). 따라서보다능동적이고효율적인가압식브레이싱내진보강공법이필요하다. 3. 가압식브레이싱을이용한내진보강방법 3.1. 공법의원리 지중콘크리트박스구조물의내진보강은과도한비용 Fig. 1. Outside section reinforcement method after excavation. Fig. 3. I-Bracing pressure system. 이발생되는지반굴착공법을배제하고, 내부공간을효율적으로사용하여구조물의내진성능을향상시키는것이가장효과적인방법이다. 본연구에서는박스내부슬래브와벽체사이 ( 우각부 ) 에가압이가능한보강재를 Fig. 3 과같이설치한후보강재에토크를도입하여슬래브와벽체에지진력작용방향의반대방향힘을발생시켜지진시발생되는전단력과모멘트에저항하는새로운개념의지중박스구조물내진보강방법을제안하였다. 3.2. 공법의특징 가압부재를이용한내진보강공법은지진의크기에따라가압력의크기와설치간격을조절 9) 할수있어경제성과시공성이우수하며지중구조물의형태에따라 Fig.4 와같이다양한형태로제작가능하다. 본공법은보강재크기가작아건축한계확보가용이하고별도의시공장비가필요없어한정된공간에서효율적인시공이가능하다. 본연구를통해개발된보강공법은일반적으로사용하고있는 Fig. 2 브레이싱증설에의한보강방법과형상과시공방법은유사하나구조적으로다른특징이있다. 첫째, 가압력을도입하여지진력에저항한다. 둘째, 구조물과연결이힌지구조로연결되어있으며보강재에는축력만발생되어보강재단면을효율적으로사용할수있다. 셋째, 가압력을적용함으로콘크리트벽체에확실한착설이가능하여구조물과일체거동이가능하다. 본보강공법의적용에있어먼저콘크리트벽체천공후케미컬앵커를삽입하여콘크리트와확실히부착시키고, Muscle Nut 를사용하여체결함으로서반복하중에저항할수있도록하였다. Muscle Nut 는 Nut 내부에스프링코일이형성되어있어일방향으로만회전가능하며반대방향으로는스프링코일의저항으로풀리지않는특징을가지고있어반복하중에유리한형식으로판단된다. Fig. 2. Conventional bracing method. Fig. 4. I-Bracing pressure system and diverse shapes of the system. 98 Journal of the KOSOS, Vol. 28, No. 4, 2013
가압식브레이싱보강에의한지중박스구조물의내진성능향상방법 3.3. 시공순서 Fig. 5 는제안한가압식브레이싱공법의시공순서를나타내었다. Step1: Surface treatment Step2: Installation of anchor Materials Con c: 24MPa Re-bar : 300MPa Seismic coefficient Seismic use group: Ⅰ Hazard factors Serviceability limit state: 0.57 No collapse requirement: 1.40 Soil factor: Sd Fig. 6. Condition of analysis and Check points of section force. Step3: Installation of plate Step5: Translation of torque Step4: Installation of body Step6: Completion Fig. 5. Construction sequence of I-bracing pressure system. 4. 지중콘크리트박스구조물에대한수치해석검토 기존의브레이싱보강방법과제안한가압식브레이싱보강방법의효과를검증하기위하여수치해석을실시하였다. 4.1. 해석조건및방법 지중콘크리트박스구조물의내진보강효과를평가하기위하여내진설계가미반영된서울지하철 1~4 호선중박스구간을선정하였고 Case1 은내진보강을하지않은경우, Case2 와 Case3 은기존의브레이싱공법을사용한경우, 그리고 Case4 는가압식브레이싱공법을사용한경우로나누어수치해석을수행하였다. Case2 에서사용한 H 형강재는 Case4 에서사용한강재량의 2 배크기의 H-125 125 6.5 9 (A= 3,031 mm 2 ) 를사용하였고 Cases3 은지하철내부건축한계를고려할때우각부에설치할수있는최대크기인 H-300 300 10 15 (A=11,980 mm 2 ) 를사용하였다. Case4 에서는지름 44 mm (A=1,521 mm 2 ) 에 150 kn 의가압력을도입한브레이싱을사용하였으며 Case2, Case3, Case4 의 H 형강재및가압식브레이싱의설치위치는전단위험단면을 벗어난지점의벽체에최대한밀착하여설치하는것으로가정하였다. 해석조건은 Fig. 6 에나타내었고부재단면제원및부재력검토위치를나타내었다. 해석방법은기능수행수준과붕괴방지수준에대해현행설계에서통용하는응답변위법을사용하여 2 차원 Fream 해석을수행하였다. 응답변위법은지중구조물에발생하는응력은관성력에의한영향보다도구조물주변지반의상대적인변위에의해크게영향을받는사실에근거하여, 지진시에발생하는지반의변위를구조물에적용시켜지중구조물에발생하는응력을정적으로구하는방법이다. 기능수행수준의손상도는설계지진작용시구조물이나구조물에발생한변형이나손상은구조물의기능을차질없이수행하는범위내로제한되는수준이고, 붕괴방지수준의손상도는설계지진작용시구조물이나구조물에발생한변형이나손상이발생할수는있지만구조물이붕괴되거나또는구조물의손상으로인한대규모피해가초래되는것을방지될수있는수준이다 10). 해석모델구성은박스구조물은 Beam 요소, 지반은비선형 Spring 요소, 가압식브레이싱은 Truss 요소를사용하였으며가압력적용은 Truss 요소에 Pretension load 를적용하여해석을수행하였다. 특히, 박스구조물은 Rigid Frame 의한종류로 Frame 연결부에대해서는해석모델시해당되는강성을고려하여적용하였다 11). Fig. 7 에해석모델의부재번호와부재력검토위치를나타내었으며, 검토위치선정은지진시전단변형으로인해부재력 ( 부모멘트, 전단력 ) 이가장크게발생될것으로예상되는우각부 8 곳을검토위치로선정하였다. 해석에사용된프로그램은범용유한요소해석프로그램인 Midas Civil 2012 를사용하였다. Fig. 7. Check points of section force. 한국안전학회지, 제 28 권제 4 호, 2013 년 99
정지승 문인기 민대홍 Table 1. Results of analysis. Section force(unit: kn m) Division The Serviceability limit state The No collapse requirement Design force Note Case 1 Case 2 Case 3 Case 4 Case 1 Case 2 Case 3 Case 4 Section1 Moment 404.96 401.73 283.59 386.67 122.82 105.18 84.43 102.31 987.40 O.K. Shear 324.05 326.78 120.61 319.90 318.05 237.32 128.23 233.21 541.61 O.K. Section2 Moment 432.34 431.92 250.13 432.08 103.97 106.01 43.31 106.06 823.59 O.K. Shear 397.77 395.28 395.96 388.21 320.56 319.77 319.70 315.74 443.14 O.K. Section3 Moment 754.83 705.85 635.84 596.04 176.26 157.83 143.09 137.06 823.59 O.K. Shear 637.15 553.36 432.19 409.27 501.82 409.19 331.47 327.38 443.14 C.1,2 N.G. Section4 Moment 896.80 844.11 765.53 737.15 217.75 197.62 181.10 177.42 1151.21 O.K. Shear 575.85 468.43 321.65 263.99 431.69 315.79 221.23 199.74 640.09 O.K. Section5 Moment 413.77 406.79 303.58 404.38 114.97 100.83 81.21 100.35 987.40 O.K. Shear 299.67 307.34 110.99 367.30 293.67 232.46 120.13 267.59 541.61 O.K. Section6 Moment 381.53 361.87 285.45 325.02 107.61 92.48 78.11 85.29 823.59 O.K. Shear 449.64 412.24 237.03 347.90 353.95 273.51 155.87 235.73 443.14 C.1 N.G. Section7 Moment 516.75 483.98 345.68 409.90 118.04 106.57 65.49 92.83 823.59 O.K. Shear 536.42 477.14 295.38 369.66 403.32 341.58 187.30 281.89 443.14 C.1,2 N.G. Section8 Moment 641.45 606.68 405.81 532.80 151.63 139.38 77.90 125.70 1151.21 O.K. Shear 480.85 403.19 249.68 252.18 357.19 277.00 158.33 192.96 640.09 O.K. 4.2. 해석결과각 Case별수치해석을실시한결과를 Table 1에정리하였다. Case1의무보강경우검토위치 3, 6, 7에서전단력이설계강도이상으로발생하여구조적안전성을확보하지못하고있으며안전율은각각 0.70, 0.99, 0.83으로나타났다. 이는내진설계가도입되기전에설계된서울지하철 1~4호선의특성이라고보이며특히전단력이부족한단면은전단응력특성상균열이부재중심부에서표면부발생할것으로예상되는바부재표면부에서균열이발견될때는이미많은손상을입은후이므로그심각성이크다고판단된다. 기존의브레이싱보강공법을사용한 Cases2는검토위치 3, 7에서구조적안전성을확보하지못한것으로나타났다. H-Beam의보강효과로검토위치 6은전단에대한안전성을확보하였으며검토위치 3, 7에서도무보강단면대비안전율 0.70, 0.83이 0.80, 0.93으로다소높아지는것으로나타났다. 따라서개선의효과는있으나보강재의크기가적어서충분한보강이이루어지지않았다. 하지만 Case3과같이 Case2의약 4배의단면을가지는보강재를사용하면강성이크게증가하여지진하중에효과적으로저항하지만, 강재중량이약 100 kg으로한정된공간에서별도의장비없이인력으로시공할경우다소의어려움이예상되며, 부재두께가두꺼워질경우전단위험단면은중앙부로이동하게된다. 이때전단력을효과적으로보강하기위해서는보강재설치위치를단면중앙부로이동배치해야하므로건축한계를침범할수있다. 본연구에서제안하는 Case4 가압식브레이싱공법을적용할경우검토대상모든단면에서구조적안전성을확보하는것으로나타났다. 앞서검토한 Case1, Case2, Case3 과콘크리트단면의설계강도는동일하나가압력의도입으로고정하중에대하여일정부분을보상해주며보강재가지진력에저항하여단면에발생되는단면력을감소시켰기때문이다. 본연구에서제안하는 Case4 가압식브레이싱공법을적용할경우검토대상모든단면에서구조적안전성을확보하는것으로나타났다. 앞서검토한 Case1, Case2 와콘크리트단면의설계강도는동일하나가압력의도입으로고정하중에대하여일정부분을보상해주며보강재가지진력에저항하여단면에발생되는단면력을감소시켰기때문이다. Case 별검토결과를살펴보면 Case4 는모든단면에서안전성을확보할수있으나기존의브레이싱공법 (H-Beam) 의경우동일한크기의브레이싱으로는안전성을확보하지는못했지만보강의효과는분명히있는것으로나타나있다. 또한기존브레이싱공법 (H-Beam) 이가압식브레이싱공법과동일또는그이상의효과를내기위해서는 Case3 과같이 Case4 에비해약 4 배큰단면을가지는브레이싱을사용하여야한다. 4.3. 부재력비교각해석에서각 Case별발생된모멘트를 Fig. 8에전단력을 Fig. 9에나타내었다. Case2 기존브레이싱공법의경우 H-Beam 의강성이지진력에만저항하는효과를발휘하여무보강대비모멘트감소율최대 6.1%, 전단력최대 18.7% 로보강효과가미미한것으로검토되었다. Case3의경우 H-Beam 의강성이커진효과로지진력의저감효과가큰것으로검토되었다. 하지만 Case3의경우해석조건에서기술한것과같이강재중량이 Case2에비하 100 Journal of the KOSOS, Vol. 28, No. 4, 2013
가압식브레이싱보강에의한지중박스구조물의내진성능향상방법 Fig. 8. Comparison of moments. Fig. 9. Comparison of shear forces. 여 4 배증가함으로경제성측면에서불리해지며, 보강재중량이무거워저한정된지하공간에서인력으로시공하기에는무리가있다고판단된다. 특히지하철박스구조물은보강시열차운행안전을확보하기위해건축한계확보가가장우선시고려되어야하므로 Case3 는효과는우수하나실제현장적용시많은제약조건이따를것으로판단된다. Case4 의경우지진력에대해서는 Case2 기존브레이싱공법과거의동일한효과를내며추가로가압력을도입한효과가고정하중에저항하여무보강대비모멘트감소율최대 52.5%, 전단력감소율최대 62.8% 로보강효과가큰것으로검토되었다. 상기해석결과를휨모멘트와전단력이지배적인단면에대하여정리해보면휨모멘트의경우지배단면인검토 3, 4 위치에서 16.7%, 14.5% 모멘트감소효과가있으며전단력의경우지배단면인검토 3, 4, 7 위치에서 32.2%, 44.1% 44.9% 전단력감소효과가있는것으로검토되었다. 4. 결론 본연구에서는내진설계가반영되지않은지중콘크리트박스구조물의내진보강을위해브레이싱내진보강공법에대한건축한계및기술적검토를수행하였다. 그리고가압식브레이싱공법을제안하였으며이를기존의공법과수치해석을통해비교하였고결론은다음과같다. 1) 소방방재청제정기존시설물내진보강기본계획과국토해양부제정기존시설물내진성능향상요령에따르면지중구조물에대한내진보강방법으로브레이싱증설공법을제안하고있어도심지의지하철및공동구와같은박스형태의지중구조물에사용하고있다. 하지만벽체의결합에대한세심한시공과모멘트부재라는단점을가지고있어본연구에서는이를개선한가압식브레이싱공법을제안하였다. 이는힌지연결구조로되어있는축부재를사용하면서벽체의결합력을확실히할수있고가압력이외부하중으로인해발생한박스구조물우각부의전단력및모멘트를감소시키는동시에보강부재로사용할수있어적은부재로보다적극적인보강이가능한공법으로판단된다. 2) 수치해석을통해기존의브레이싱공법과가압식브레이싱공법을비교해볼때본해석조건에서는동일한성능을가지기위해서는기존의브레이싱공법에비해가압식브레이싱공법을적용할경우단면적을 4 배감소시킬수있었다. 해석조건의변경에따라단면적의크기는다소상이할수있으나, 본공법을적용할경우기존공법을적용하는것보다부재단면적을작게할수있을것으로판단된다. 따라서건축한계의여유가부족한지하철박스구조에서는가압식브레이싱공법이적합하다고판단되며, 실제적용에있어서는지하철박스구조의건축한계를우선검토하여야한다. 3) 현재국내에서는내진설계기준이도입되기전에설계및시공된기존시설물에대하여내진성능평가와성능향상을필요로하게되었고다양한방법이제안되고있다. 특히 7 대중요구조물중에하나로지정된지중구조물의경우지진시발생할사회간접비의피해를고려할때본연구에서제안하는가압식브레이싱공법은적은단면으로도효과적으로전단및모멘트를보강하는우수한공법이라사료된다. References 1) B. E. Yoo and C. H. Kim, South Korea is Not a Safe Zone Earthquake J. of The Korea Institute of Building Construction Vol. 6, pp. 3~4, 2006. 2) H. Y. Shin, D. K. Kim, M. H. Kwon, C. H. Chang and K. H. Kim, Preliminary Design of Retrofitted System of Domestic Subway Tunnel Journal of Spring Conference & Annual Metting of the Korean Society for Railway, pp. 6~9, 2009. 3) K. H. Kim, S. Y. Han, D. E. Han and J. H. Hur, A Study for the Application Technique of Recently Developed Performance-strengthening Systems in Urban Railway Journal of Autumn Conference & Annual Metting of the Korean Society for Railway, pp. 843~848, 2011. 4) K. H. Kim, M. H. Kwon, D. Y. Jang, S. K. Kim and H. G. Ko, Experiment of Underground Box Tunnel of Metro Rail System for Seismic Performance Evaluation Journal of Autumn Conference & Annual Metting of the Korean Society for Railway, pp. 199~204, 2012. 5) Japan Society of Civil Engineers, Guideline for Seismic Performance Evaluation and Earthquake Protection Measures 한국안전학회지, 제 28 권제 4 호, 2013 년 101
정지승 문인기 민대홍 for Underground Structures, pp. 475~481, 2011. 6) National Emergency Management, Act on Earthquake Disaster Relief, 2008. 7) Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, Special Act on the Safety Management of Structures(Facilities), 2009. 8) Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, Seismic Performance Assessment Guidelines for Infrastructures, 2011. 9) J. S. Chung, Y. K. Kang, B. H. Kim, D. H. Min, Y. S. Yoon and J. W. Jeon, A Study on the Arrangement of Pressure Members for Strengthening in the R.C BOX Structure Journal of Autumn Conference & Annual Metting of the Korean Society of Civil Engineers, pp. 2396~2399, 2012. 10) D. K. Kim, Dynamics of Structures, 2nd ed., Goomibook, pp. 534~572, 2009. 11) Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, Concrete Structure Code pp. 210~211, 2012. 102 Journal of the KOSOS, Vol. 28, No. 4, 2013