Embed Size (px)
Citation preview
세그먼트 라이닝 구조계산 자동화 연구 | 165
세그먼트라이닝구조계산자동화연구
Study on the Automation of Segment Lining Design
1. 서론
2. 세그먼트 라이닝의 설계
3. 맺음말
4. 참고문헌
1) 철도부 부장([email protected])2) 지반터널부 차장([email protected])3) 철도부 사원([email protected])
4) 철도부 부장, 토질및기초기술사([email protected])5) 철도부 차장([email protected])
The segment lining design has become more important following the recent increase ofmechanized construction cases. In case of overseas cases, the shield TBM has been morewidely used for tunnel and subway construction in downtown areas. Also, precast segmentlining is preferred than any other type of tunnels. Particularly, in the road tunnel, due to theincrease of large-sized tunnel and decrease of tunnel construction cost thanks to theadvanced TBM performances, the segment lining has become larger in terms of the sheersize.
Accordingly, the segment lining structural analysis has been conducted in a more activemanner. However, the process of this analysis remains at a level of repetitive work, justreflecting the final outcome after being reviewed by TBM manufacturers and geotechnicalexperts. For this reason, the necessity of automation program is on the rise.
In this study, the automation program of segment lining was developed for an easyapplication. So, it is easy and fast to conduct segment lining structural analysis forengineers familiar with the existing structural analysis program and having experience forbasic concept of segment lining. Therefore, the purpose of this study is to develop theautomation program which is able to apply at the preliminary and main analysis by meansof Duddeck & Erdmann analysis, Curtis equation, and elastic equation method, and also tocover the review of its application.
서승우3) 김기림4) 김찬동5)
이영준1) 이현섭2)
< 유신기술회보_ VOL.23
166 | 기술정보
1. 서론
국내의터널굴착은 NATM공법이주류를이루고
있으나 지반조건, 주변 환경 등에 따라 TBM
(Tunnel Boring Machine)을이용한기계화시
공이점차증가하고있다. 해외의경우도심지지하
철을비롯하여많은터널에쉴드TBM터널이보편
화되고있으며, 프리캐스트세그먼트라이닝이다른
형태의터널보다점점더선호되고있다. 특히도로
터널에서는TBM성능의발전으로더큰직경의터
널이증가하고있으며기계화시공으로터널건설비
용이점차감소하면서더큰세그먼트라이닝이시
공되고있다.
이에 본 연구를 통해 세그먼트 라이닝의 지보능
력, 반력대등의중요한역할수행에대해검토하고
예비해석및본해석에적용가능하도록자동화함으
로써실무에도움이되고자한다.
2. 세그먼트라이닝의설계
[그림 1]은프로그램을실행한후의모습이다. 각
항목의입력은엑셀시트에서할수도있고프로그램
실행후창에서할수도있다. 어느정도프로그램에
익숙해지면엑셀시트에서입력하는것이편리할수
있으므로서로연동되도록설계되었다.
[그림 1] 자동화 프로그램 실행시 모습
● ● ●
세그먼트 라이닝 구조계산 자동화 연구 | 167
○ ○ ○
프로그램의 실행은 엑셀의 추가기능을 이용하여
[그림 1]의 메뉴처럼 SEGMENT 항목을생성하고
그하위의메뉴를클릭하는것으로가능하다. 세그
먼트라이닝의설계는국내뿐만아니라해외사업에
서도필요하므로콘크리트구조기준이나 BS EN에
따라설계할수있도록코딩되어있다. 본연구에서
는 콘크리트구조기준에 따라 진행하면서 살펴보도
록할것이다.
[그림 1]의 우측에 있는 실행창의 가장 위쪽의
Section Title은엑셀시트의셀C1에 대응되는데
검토대상단면및구조계산결과를담을시트의이
름이다. 여기서는Example이라고입력하였다. 실
행창좌측을보면위에서부터Concrete & Steel
프레임, Segment Geometry프레임을통해콘크
리트및강재관련자료와세그먼트의기하학적형상
관련 자료를 입력받도록 되어 있다. 그 아래쪽에
Performance 프레임은수행할작업목록(하중및
단면력, Joint설계, 철근배근, 볼트설계, 취급및적
재등)을선택하는프레임이다. 모든자료들은엑셀
시트의셀에대응되도록설계되어있으므로앞서언
급한데로시트입력또는실행창입력가운데편한
방법으로입력가능하다. 그리고가장아래쪽에프
로그램을실행, 저장, 종료하는메뉴가있다.
[그림 2]의 좌측은 [그림 1]의 실행창 우측
Ground탭을 확대하여보여준것으로지반정보와
상재하중등을입력하도록되어있다. Ground탭의
상단에위치한Rock class라는명령단추를클릭하
면 [그림 2]의 우측과 같이 myRocks라는 시트를
생성한다. 지반조사결과를이시트에입력해놓음으
로써Ground탭의Ground Layer 프레임에서지
반의물성치를손쉽게불러와해당과업을위한설
계시계속이용할수있다. Ground 프레임에는지
반의 토피고, 측압, 상재하중 등을 입력하게 된다.
프로그램은 기본적으로 2개의 지반층을 지원하여
지반하중을계산하게된다.
[그림 2] Ground탭의 입력
[그림3]의좌측은실행창의우측Load탭의입력
을보여준다.
탭상단의Load Calculation 프레임은하중계
산을 위한 방법을 설정할 수 있는데 Terzaghi
arching theory(Terzaghi, 1943)와 Full
Overburden 가운데하나를선택할수있다. 일반
적으로터널직경의2배이하의토피를갖는터널은
Full Overburden으로 선택하며 Terzaghi
theory에의한토압의감소를고려하지않는다. 세
그먼트라이닝을갖는터널의경우미소한측압변
화에도링의모멘트는크게변하게된다. 보통측압
은지반의내부마찰각에의해결정되는데지반이미
세한변형을일으키면측압이 1.0이하로 낮아지게
되므로아주큰측압은현실적이지못하다. 따라서
설계시보수적인값으로0.5의측압을적용하는것
이일반적이다.
Force Calculation 프레임에서는 세그먼트의
단면력을계산하는방법을선택할수있다. 현재세
그먼트라이닝을계산하는방법들은여러가지가있
다. 영어권 국가에서 가장 보편적인 설계 방법은
Muir Wood(1975)와 Curtis(1976)에서 비롯되
었다. Curtis는탄성체로된무한한판에등분포의
2축응력을받는원형라이닝을가정하여이론적인
해를도출하는데, 중력방향의응력변화를무시하여
단면력과변위가천단과인버터에서같게산출된다.
Duddeck과 Erdmann(1982)은 이것을 터널에
적용하여이론해를도출하였다. 이러한이론해를갖
는설계법을Closed form solutions이라고하며
모멘트를계산하기위해링의강성을평가하는방법
으로종종Muir Wood의식을적용하고있다. 이
것은세그먼트링이일체의구조물과달리여러개
의세그먼트로이루어져보다유연하며더큰변형
이발생하고모멘트는줄어들도록강성을감소시켜
적용하는것이다. 설계단계에서세그먼트의수를줄
168 | 기술정보
● ● ●
[그림 3] Load탭의 입력
세그먼트 라이닝 구조계산 자동화 연구 | 169
○ ○ ○
이게되면강성이증가하여변형은줄어들지만보다
큰모멘트가발생하게되므로세그먼트의분할에대
해서도세밀한검토가필요하다.
Closed form solutions을 대체할수있는다
른방법은 FLAC, Plaxis처럼설계자들에게아주
잘 알려진 finite element 또는 finite diffe-
rence codes를이용하는것이있다. 이코드는세
그먼트 라이닝을 보통 보요소로 모델링하여 Muir
Wood의방법이나전체강성으로링의강성을평가
하게된다. 강성을갖는라이닝에발생하는모멘트
가연약한지반에서는작은오차를갖는결과가도
출되지만 양호한 지반에서는 과소평가된다는 점도
주목해야한다.
일본의 설계기준은 세그먼트 구조계산법으로
Beam spring model을채택하고있다. 국내에서
도자주이용하는방법으로세그먼트라이닝의이음
부는회전스프링으로취급하고, 2개의링을고려하
여링과링은전단스프링으로모사하는방법으로이
음부의위치에따른강성의변화를포함하여이음의
존재를보다명확하게고려할수있다.
또다른방법으로는Elastic equationmethod
(ITA, 2000)가있다. 지반반력을하중으로취급하
여간단히부재력을계산하는방법으로국내에서도
종종이용되고있다.
본 프로그램에는 이론적인 방법 중 Duddeck과
Erdmann의 방법, Curtis의 방법과 Elastic
equation에의한방법을지원하고있다. 차후수치
해석방법중2-ring beam model을지원할예정
이다.
Force Calculation 프레임의 아래쪽의 Load
프레임에는설계시고려할하중을선택할수있다.
일반적으로세그먼트라이닝을설계할때고려할수
있는하중들은 [표 1]에나타내었다. 각해석법들과
그해석법을이용하는설계자들이통상고려하는하
중들을나타낸것이지체크표시가되지않은하중을
고려할수없다는것은아니며만약고려한다면조
금더복잡해질수있다는의미이다.
Combination 프레임은 적용할 설계기준과 하
중조합을정의할수있다. 명령단추를클릭하면 [그
림3]의우측과같은myComb이라는시트의기본
하중조합을생성한다. 필요할경우이시트에서하
중조합을추가, 변경할수있다. 만약프로그램실행
시이시트가없다면프로그램이실행되는단계에서
자동적으로기본하중조합을생성하게된다.
구 분
라이닝 자중
토압
지하수압
상재하중
그라우팅압
내부하중
시공하중
지진하중
Closed form solutions
⋎
⋎
⋎
⋎
Elastic equation
⋎
⋎
⋎
⋎
Beam spring model
⋎
⋎
⋎
⋎
⋎
⋎
⋎
⋎
Finite element
⋎
⋎
⋎
⋎
⋎
<표 1> 세그먼트 라이닝의 하중과 해석법
Track/Traffic Loading프레임은세그먼트라
이닝내의열차하중및슬래브하중을고려할때사용
할수있다.
[그림4]의좌측은Joint탭의입력을보여준다.
세그먼트 라이닝의 이음부는 반경방향의 이음부
와원주방향의이음부가존재한다. 반경방향의이음
부는마치관절처럼거동하며큰축력을받고이음
부를통해모멘트를전달하므로검토하기에다소어
려운 부분이지만, 개스킷이나 지수재 등을 고려한
홈이나틈을반영하고시공오차의영향을고려하여
충분한지압강도를가지는지를검토하게된다. 링
과링사이의원주방향의이음부는TBM 굴진의반
력대가 되므로 충분
한 축강도를 확보하
는지를확인하게된
다. 이 부분은 장비
의 특성과 관련되어
있으므로TBM제조
사와 함께 설계하여
야 할 부분이다. 이
음부의 설계는 일단
무근콘크리트를 가
정하여 검토하고 필
요시 보강이 되도록
설계된다.
[그림 4]의 우측은
Handling탭의 입
력을보여준다.
Handling탭은세
그먼트 라이닝의 적
재, 운반 및 조립과
관련되어있다. 세그먼트는콘크리트양생의초기단
계에거푸집에서탈형하여야적장에적재되고운반
및조립의과정을거치게된다. 적재, 운반및조립
과정에서 세그먼트는 상당한 하중을 받게 되며 이
과정의하중이가끔세그먼트의철근량을결정하는
인자가될수도있다. 또한세그먼트의종방향연장
은 세그먼트의 자중을 고려하여 적재, 운반과정의
검토를통해결정되는것이일반적이다.
본프로그램에서는각과정의하중을검토하기위
한적절한안전율을고려할수있으며적재시콘크
리트의 압축강도를 지정하여 검토하고 적재오차를
고려할수있도록하였다.
170 | 기술정보
● ● ●
[그림 4] Joint탭과 Handling탭의 입력
세그먼트 라이닝 구조계산 자동화 연구 | 171
○ ○ ○
[그림5]의좌측은Rebar탭의입력을보여준다.
이전단계에서산출된단면력에 1차및 2차의그
라우팅압을고려하여최종단면력을결정하게된다.
Rebar탭에서는종방향및횡방향의최소철근양과
설계자가배근한철근양을자동으로계산하여비교
해보여주므로적절한철근을배근하도록도와준다.
인장및압축부분에는3단배근을지원하고전단철
근을입력할수있다. 물론전단철근이필요없는경
우입력된전단철근의자료는무시된다.
[그림5]의우측은최종단면력에대해작성된P-
M 상관도이다. 입력한철근과설계기준에따라자
동으로 작성되며, 사용하중에 의한 사용성 검토와
배력철근에대한검토도동시에수행된다.
모든입력이끝난후실행창하단의 Run메뉴를
클릭하면 Section Title 이름의 계산시트가출력
된다. [그림6]은입력된자료에대한계산결과시트
의일부를보여주고있다. 단면강성및두께부족,
철근량부족등기준을만족하지못하는부분에대
한확인은설계자에게맡겨져있으므로계산결과를
상세히검토하여야한다.
3. 맺음말
터널의세그먼트링설계는관련전문가들의긴밀
한협조를필요로한다. 링에대한설계는TBM 제
조사와함께하고지반물성과재하되는하중은지반
전문가와함께결정하며검토를거듭하여최종성과
[그림 5] Rebar탭의 입력
172 | 기술정보
에반영하여야한다. 그과정은지루한반복이될수
도있으므로세그먼트라이닝설계자들은어느정도
자동화프로그램에대한필요성을공감할것으로판
단되며, 해외뿐만아니라국내에서도점차증가하는
세그먼트라이닝터널의설계에조그만도움이되었
으면한다.
참고문헌
1. Curtis DJ, 1976. Discussion of paper by
Muir-Wood. Ge′technique, Vol 26, No 1.
2. Duddeck H and Erdmann J, 1982. Structural
design models for tunnels, Tunnelling
'82(Proceedings of the Third International
Symposium London), Institution of Mining and
Metallurgy, pp 83~91.
3. Muir Wood AM, 1975. The circular tunnel in
elastic ground. Geotechnique, 25(1):115~127.
4. Japanese Society of Civil Engineers.(2010),
Design of Shield Tunnel Lining.
5. Terzaghi, K.(1943), "heoretical soil mechanics"
John Wiley and Sons, NewYork, pp.66~76.
6. ITA, Working Group No.2.(2000), Guidelines
for the Design of Shield Tunnel Lining.
Tunnelling and Underground Space Techno-
logy, 15 No. 3, pp. 303~331.
● ● ●
[그림 6] 계산결과
