한국터널지하공간학회논문집 2012년 3월제 14권제 2 호, pp. 131-139 정지수 1, 지영환 2, 조현 3, 허인영 4, 이승호 5 * A study on behavior characteristics of liner plate with depth Ji-Su Jeong, Young-Hwan Ji, Hyun Cho, In-Young Hur, Seung-Ho Lee ABSTRACT In this study, the numerical analysis has been conducted in order to examine the behavior characteristics of liner plate made of corrugated steel plate in the excavation of small sized urban tunnels. The analysis was conducted with five different depths of overburden, 5 m, 10 m, 15 m, 20 m and 25 m, The results of the analysis showed that the maximum axial stress and the maximum displacement occurs in the lower end of the member, and the maximum shear stress occurs in the upper part of the member. Also, change of displacement and shearing stress of liner plate were observed with the variation of the overburden, but the difference was slight. According to the increase of the overburden, structural stability is gradually ensured. Keywords: Depth of cover, liner plate, behavior characteristics, parameter, numerical analysis 요약본연구에서는도심지소구경터널굴착공법에서파형강판으로제작된 liner plate의거동특성에대해알아보기위해유한요소해석프로그램인 MIDAS/GTS를이용하여수치해석을실시하였다. 토피고변화에따라 liner plate의거동특성을알아보기위해토피고는 5 m, 10 m, 15 m, 20 m, 25 m 5가지각조건으로해석을실시하였다. 수치해석결과 liner plate의최대변위와최대축응력은부재의하단부에서발생되며, 최대전단응력의경우부재의천단부에서발생되는것으로확인되었다. 또한토피고에따른 liner plate의변위, 응력, 전단응력의변화는있었으나그차이가미미하고토피고가증가함에따라점점구조적안정성이확보되는것으로판단된다. 주요어 : 토피고, 라이너플레이트, 거동특성, 매개변수, 수치해석 접수일 (2012.2.15), 수정일 (2012.3.10), 게재확정일 (2012.3.21) 1 정회원, 상지대학교건설시스템공학과외래교수 2 정회원, 상지대학교토목공학과박사과정 3 정회원, 쌍용건설상무이사 4 정회원, 한국시설안전공단위촉연구원 5 정회원, 상지대학교토목공학과교수 * 교신저자 : 이승호 (E-mail: shlee@sangji.ac.kr) Vol. 14, No. 2, March 2012 131
1. 서론 본연구에서는도심지소구경터널굴착공법에서파형강판으로제작된 liner plate에대해국내지질및지반조건에대한적용성및안정성평가를위하여유한요소해석을통해분석해보고자하였다. 파형강판구조에관한국내외의설계기준은시공시성토되는토피고에따라파형강관단면의두께및기하학적한계만을규정하고있다 ( 김낙영등, 2004). 그러나지중에서는흙-구조물합성구조계의작용이거동을지배하며, 휨에대한연성구조이므로이러한단순화된이론은그신뢰도가낮고적용상제한이따른다 (Abdel-Sayed et al., 1993). 따라서본연구는풍화토지반에서도심지소구경터널굴착공법적용시토피고에따른 liner plate의공학적거동특성을분석하는데그목적이있다. 2. Liner plate 의구조특성 Liner plate는파형이있는강판을조립하여만들어진지반- 구조물로저항하는시스템을갖고있으며압축링이론에의해해석이가능하다. Liner plate의강판은매우얇기때문에그림 1(a) 에서보는것과같이구조물에연직토압이가해지면 liner plate는주철관의약1/2~1/9 정도의하중밖에견디지못하여, 연직방향의지름이축소되고수평방향의지름이확대되어측면의토사를압축하고저항토압 ( 수동토압 ) 이발생하여그림 1(b) 처럼된다. 그러나 liner plate를흙속에매입하면연직토압에는쉽게변형되었던파형강판은그림 1(c) 와같이구조물주변의토압이거의일정하게된다. 이러한하중분포는구조물의압축링과같이거동하므로휨모멘트가억제되고축방향압축력에의해거동이지배된다. (a) 연직토압 (b) 주철관토압 (c) Liner plate 토압 그림 1. 강관에작용하는토압분포 132 한국터널지하공간학회논문집
(a) 아칭이발생하지않을경우 (b) 정아칭 (c) 부아칭 그림 2. 강관에작용하는토압분포 3. 아칭효과 구조물의변형에의한저항토압의영향외에도지중에매설된연성관은연직하중이강성관에비해작게작용하여결과적으로는하중저항성능이증가되는효과를가져올수있다. 파형강판의모든구조물지점이자중에의하여동일한수직변위를일으킨다면그림 2(a) 와같이구조물상부아치위에성토된흙과주변흙사이에하중전이가발생하지않는다. 하지만, 상부아치위에성토된흙이그옆에있는흙보다더많은수직변위를일으킨다면, 마찰력에의해양옆의흙이성토된흙을위로끌어당기게되어상부에작용하는하중이옆에있는흙으로전달된다. 이와같은하중전이효과로인해구조물에작용하는하중이다소줄어들게되는데이러한현상을그림 2(b) 처럼 정아칭 이라고한다. 그러나주변의흙으로부터상부아치위에성토된흙으로하중이전이되어구조물에작용하는하중이증가되는현상을그림 2(c) 와같이 부아칭 이라한다. 이러한두현상은항상존재하므로, 각설계기준에서는아칭효과를고려하기위한규정을제공하고있으나대부분경험적인관계식으로부터얻어진것이다. 4. 수치해석 4.1 수치해석적용모델지반공학분야에서는일반적으로토사및암의소성거동을나타내기위해 Mohr-Coulomb 모델을사용한다. Mohr-Coulomb 모델의기본가정은재료는등방성이며탄성한계에도달한후에는완전한소성거동을보인다는것이다. 본연구에서 liner plate의거동특성을분석하기위해유한요소법을적용한 MIDAS/GTS 프로그램을이용하였으며, 수치해석은 2차원평면변형율조건을적용하였다. 다음표 1은수치해석에위해적용된재료별모델이다. Vol. 14, No. 2, March 2012 133
표 1. 재료별해석에적용된모델 재료 재료모델 해석유형 MessGuide, Beamer Plate, Liner Plate Linear Elastic Most Simple 지반 Mohr-Coulomb Elasto-Plastic 4.2 수치해석단면설정본해석에서는응력의흐름이원활하게이루어지고, 경계의구속조건에영향을받지않도록하기위하여구조물의좌 우측, 하부해석영역은 6D이상적용하여해석을실시하였다. 토피고의증가에따른 liner plate의거동을검토하기위하여 5~25 m까지토피고를변화시키며해석을실시하였고, 수치해석은직경 2,500 mm(1d) 의도심지소구경터널굴착공법을적용하여시공하는조건이며, 대표단면은다음그림 3와같다. 4.3 수치해석적용물성치 Liner plate는적용공법특성상산악터널보다는도심지터널시공시적용되어진다. 도심지터널은일반산악터널이나대심도암반층에건설되는지하공동과는달리비교적얕은심도및연약지반에건설되는경우가빈번하다 ( 이영휘등, 2003). 따라서도심지지반특성을고려한비교적불량한지반조건을설정하여수치해석을진행할필요가있다. 그림 3. 대표해석단면 134 한국터널지하공간학회논문집
표 2. 해석에적용된지반물성치 지반등급 단위중량 (kn/m 3 ) 변형계수 (MPa) 점착력 (kpa) 내부마찰각 ( ) 포아슨비 풍화토 19 50 10 30 0.35 표 3. 지보재의물성치 ( 압연강판 SS400) 구분 탄성계수 (MPa) 단위중량 (kn/m 3 ) 포아슨비 비고 Messer Plate 210,000 78.5 0.3 4000 250 120 20 Guide Beam 210,000 78.5 0.3 200 200 8 12 Liner Plate 210,000 78.5 0.3 1570 500 50 2.7 본연구에서는토피고에따른 liner plate 의거동특성분석을위해지반조건을표 2 와같이서울시 지반조사편람 (1996) 에서제시된풍화토물성범위를적용하였고, 수치해석에적용된지보재 물성치는표 3 과같이 D=2,000 mm 이상일경우사용하는규격을적용하였다. 4.4 해석결과본연구에서는풍화토지반에서토피조건 5 m, 10 m, 15 m, 20 m, 25 m인설정하고, 토피고별 liner plate의거동특성을분석하였다. 그림 4는지중에서외부응력에따른 liner plate에변위형상을나타내고있다. 그림에서보여지듯이지중에서의 liner plate의변위는부재의하단부에서최대변위가발생하는것으로확인되었다. 그림 4. liner plate 주위변위형상 Vol. 14, No. 2, March 2012 135
그림 5. 토피고변화에따른 liner plate 위치별최대변위 그림 6. 토피고에따른 liner plate 측면부최대변위증가량 또한 liner plate의변위량을분석한결과그림 5와같으며, liner plate의최대변위는부재의천단부보다하단부의변위가비교적크게일어나는것을확인할수있었다. 측벽부의경우미미한변위량을보이며, 토피고의증가에따라변위량도같이증가를하나그림 6과같이부재의측면부최대변위증가량이 10~25 m까지 0.011~0.009 mm로토피고깊이의증가에따라점점감소를보이는것을확인할수있었다. 그림 7. x 방향최대축응력발생위치 136 한국터널지하공간학회논문집
그림 8. 토피고변화에따른 liner plate x 방향최대축응력 그림 9. 토피고변화에따른 liner plate x 방향최대축응력증가량 또한토피고의따른 liner plate의최대축응력발생위치는그림 7과같이부재의하단부에서가장큰값이작용되며, 그림 8과같이토피고에깊이증가에따라최대축응력은증가를하는추세를보이지만그림 9의 x방향최대축응력증가량검토시토피고의깊이증가에따라 x방향최대축응력증가량은 0.99~0.94 Mpa로감소하는경향을보이는것을확인할수있었다. 그림 10. xy 방향최대전단응력발생위치 Vol. 14, No. 2, March 2012 137
그림 11. 토피고변화에따른 liner plate 의 xy 방향최대전단응력 Liner plate 에발생되는 xy 방향최대전단응력의경우발생위치는그림 10 과같이부재의 천단부에서발생되는것을알수있으며, 부재에작용하는최대전단응력값검토시그림 11 과같이 토피고의증가에따라점점감소하는경향을보이고있는것으로확인되었다. 5. 결론 본연구에서도심지소구경터널굴착시토피고가 liner plate 에미치는영향을알아보기위해 수치해석을실시하였다. 토피고변화에따라파형강판으로제작된 liner plate 의거동특성에대해 분석하였으며, 그결과는다음과같다. 1. 토피고의증가에따른 liner plate의최대변위는부재하단부에서발생하는것을확인할수있었으며, 토피고 5 m(2d) 에서가장큰변위가발생되나, 토피고 10 m이상 (4D) 깊이이후일정량의미미한변위만발생하는것을확인할수있었다. 2. 또한 liner plate에발생되는최대축응력의경우부재의하단부에서발생되는것을알수있었으며, 응력의크기는토피고에따라점점증가하나그증가폭은 0.99~0.95 MPa로점점감소하는것을확인할수있었다. 3. 최대전단응력의경우부재의천단부에서발생되고, 토피고의증가에따라발생량은감소하는양상을보였으며, 10 m(4d) 이후일정범위안에서최대전단응력이발생하는것을확인할수있었다. 4. 토피고의증가에따라 liner plate의변위, 축응력, 전단응력은감소되거나증가폭이감소되는경향을확인할수있었으며, 이는토피고의증가에따른하중전이로인해구조물에작용하는수직하중이다소줄어들게되어아칭효과가나타나는것으로판단된다. 138 한국터널지하공간학회논문집
5. 토피고에따른 liner plate 거동특성을분석한결과변위, 축응력, 전단응력의변화는있었으나 그발생량이미미하고, 10 m(4d) 이후발생량에대한큰폭의변화를보이지않는것으로보아 10 m(4d) 이후의토피고에서구조물은점점안정한상태를확보하는것으로판단되어진다. 감사의글 본연구수행에자료제공및많은도움을주신김동민, 문훈기님그리고대지종건 ( 주 ) 께감사드립 니다. 참고문헌 1. 대지종건 ( 주 ) 기술연구소 (2010), 관로의추진및터널구축에관한연구. 2. 한국터널지하공간학회 (2011), STM 터널굴착공법에대한현장적용성검토보고서. 3. 육정훈, 김낙영 (2004), 파형강관지중구조물의토피고에따른거동특성, 한국지반환경공학회논문집제 5 권, 제 1 호, pp. 65-73. 4. 허인영 (2011), 터널굴착공법에서 Liner Plate 변형특성에관한연구, 상지대학교석사학위논문. 5. 천성렬 (2009), 대단면터널의선지보네일보강에따른거동특성연구, 상지대학교박사학위논문. 6. 한천희, 김성년, 이영휘 (2003), 도심지터널굴착시지반거동에관한수치해석, 대한토목학회정기학술대회논문집, pp. 4781-4784. 7. Abdel-Sayed, G., Bakht, B., Leslie, G.J. (1993), Soil-Steel bridge, McGraw Hill, New York. pp. 76-83, pp. 125-130. 8. Duncan, J.M., Chang, C.Y. (1970), Nonlinear analysis of stress and strain in soil, ASCE Journal of Geotechnical Division, No. 96(SM5), pp. 629-1653. 9. Peindl, R.D., Janardhanam, R., Burns, F. (1992). Evaluation of flowable fly-ash backfill II: Dynamic loading, J. Geotech. Engrg., No. 118(3), pp. 464-474. Vol. 14, No. 2, March 2012 139