2008. 11. 12

Hongik Univ. Structures Lab. of Civil Engineering

Hanjin Heavy Industries & Construction Co., Ltd.

2008. 11. 12

양천길 개착구에 매설된 지하지장물 ( 상수도 , 전력구 등 ) 의 진동영향분석 및 계측방안과 도로복구 후

지반침하 대책에 관한 연구

홍익대학교 토목공학과 교수 윤 순 종

( 지하철 905 공구 )



차 례

서 론 지하지장물 보호공의 구조설계검토

지하지장물 변위계측 및 안전성 검토

되메우기 시공후 지하지장물의 구조거동 분석

되메우기 시공후 지하지장물의 안전성 검토

결 론



서 론

지장물 매설( 상수관 , 전력구 , 가스관 등 ) 개착공법

지하지장물에 대한 보호대책 필요

계측기 설치

계측결과 분석 및 지하지장물의 거동 예측

안전검토 및 문제발생시 신속한 대책마련을 위한 기초자료 제공

구조물 안전성 검토

되메우기 방안 검토

되메우기 방안 비교검토 공법선정시 기초자료로 활용

연구배경 및 목적



22 개소의 지장물 침하계 설치

3 개소의 진동계측기 설치

정기적인 계측자료 비교 분석

GTSTRUDL(Ver. 27) 사용 지하지장물의 구조해석

계측데이터를 분석하여 지하지장물의 변위 예측

진동변위를 고려하여 현장상황에 맞는 관리기준 제안

되메우기 공법을 선정시 기초자료로 활용

연구범위 및 활용방안

서 론



올림픽대로가양대교

공항로

공구시점8K170.166공구시점8K170.166 907정거장907정거장

905정거장905정거장양천길

화곡로 906정거장906정거장

공구종점9K710.166공구종점9K710.166

905공구 L=1,540m

까르푸 우성APT 현대APT

SBS방송국

대상제일모직

올림픽대로가양대교

공항로

공구시점8K170.166공구시점8K170.166 907정거장907정거장

905정거장905정거장양천길

화곡로 906정거장906정거장

공구종점9K710.166공구종점9K710.166

905공구 L=1,540m

까르푸 우성APT 현대APT

SBS방송국

대상제일모직

상수도하수도

도시가스

지역난방한전전력구통신

상수도하수도

도시가스

지역난방한전전력구통신

하수관900

하수관600

상수도관200

상수도관1200

상수도관600

통신관100X12

통신관80X2한전 전력구

(154KV)한전 전력구(154KV)

상수도관2400

상수도관2400 가스관

500가스관500

지역난방φ 315X2지역난방φ 315X2

현장조사

현장위치 지하지장물 현황

서 론



검토단면 (φ2,400mm 상수도관 및 전력구 )

지하지장물 보호공의 구조설계검토

복공판2,000×750×200

주형보 브레이싱2LS- 90×90×10

전력구2,100×2,300

상수도관φ2,400 mm

H- 440×300×11×18C.T.C 2,000

L=3,000

H- 440×300×11×18C.T.C 2,000

7,490



검토단면 (φ2,400mm 상수도관 및 전력구 )

상수도관 받침 Beam 검토

휨응력휨응력 (kgf/cm(kgf/cm22))

구조설계구조설계 GTSTRUDLGTSTRUDL 허용휨응력허용휨응력

212.901212.901 195.880195.880 2,498.3102,498.310

횡방향 Beam 검토

휨응력휨응력 (kgf/cm(kgf/cm22)) 전단응력전단응력 (kgf/cm(kgf/cm22))

구조설계구조설계 GTSTRUDGTSTRUDLL

허용휨응허용휨응력력


허용전단응력허용전단응력

1,095.11,095.13737

587,900587,900 1,487.71,487.70000

360.801360.801 247.810247.810 1,485.0001,485.000

횡방향 Beam 지지보 검토

휨응력휨응력 (kgf/cm(kgf/cm22)) 전단응력전단응력 (kgf/cm(kgf/cm22))


허용휨응허용휨응력력


허용전단응력허용전단응력

477.059477.059 488.310488.310 2,257.22,257.20000

485.261485.261 273.960273.960 1,485.0001,485.000




검토단면 (φ2400mm 상수도관 및 전력구 )

지장물 지지파일 검토

H 파일의 검토

작용하중 < 파일의 지지력

작용하중에 의한 압축응력 < 허용압축응력

O.K !

O.K !

유한요소해석결과 다른 검토단면에서도 모두 안전하다고 평가됨 !




계측기 설치현황

지장물침하계

- 위험단면으로 예상되는 곳 선정

- 2003 년 12 월 20 일 부터 2005 년 11 월 10 일까지 총 22 개소 설치 후 초기측정




지장물침하계 설치현황

관리번호 설치위치 설치일자 초기측정일

P-01-18k30

02400 상수관 2004/05/2

42004/05/2

4

P-01-28k30

02400 상수관 2004/05/2

42004/05/2

4

P-03-18k82

52400 상수관 2004/04/2

82004/04/2

9

P-03-28k82

5전력구 Box 2004/04/2

82004/04/2

9

P-08-19k37

01200 상수관 2004/08/1

12004/08/1

1

P-08-29k37

02400 상수관 2004/08/1

12004/08/1

1

P-09-18k47

02400 상수관 2004/03/2

42004/03/2

4

P-09-28k47

01200 상수관 2004/03/2

42004/03/2

4

P-10-18k62

02400 상수관 2003/12/2

02003/12/2

2

P-10-28k62

01200 상수관 2003/12/2

02003/12/2

2

관리번호 설치위치 설치일자 초기측정일

P-06-19k11

02400 상수관 2005/02/2

32005/02/2

3

P-06-29k11

0전력구 Box 2005/02/2

32005/02/2

3

P-02-18k59

22400 상수관 2005/03/2

12005/03/2

1

P-02-28k59

22400 상수관 2005/03/2

12005/03/2

1

P-04-18k94

02400 상수관 2005/04/1

32005/04/1

3

P-04-28k94

0전력구 Box 2005/04/1

32005/04/1

3

P-07-19k24

01200 상수관 2005/03/2

52005/03/2

5

P-07-29k24

02400 상수관 2005/03/2

52005/03/2

5

P-05-19k05

02400 상수관 2005/06/1

62005/06/1

6

P-05-29k05

0전력구 Box 2005/06/1

62005/06/1

6

P-07-39k20

0전력구 Box 2005/10/2

02005/10/2

0

P-07-49k19

0전력구 Box 2005/11/1

02005/11/1

0




진동계측기 ( 전기식 변위계 )

- 교통량이 빈번한 곳으로 8km900~9km330 구간 선정

- 8k900 구간 및 9k110 구간 , 9k310 구간 3 개소 설치 후 초기측정

진동계측기를 설치하기 위한 버팀대 설치

진동계측기 설치 데이터 수집을 위한 Multiplex Module 설치

계측기 설치현황




계측결과

지장물침하계

- 22 개소의 계측결과로부터 각변화량과 각변위 계산

- 최대각변화량 : -0.090

- 최대각변위 : 1/637

- 계측결과 각변화량과 각변위는 관리기준 이내

No. P-01-1 P-01-2 P-03-1 P-03-2 P-08-1 P-08-2 P-09-1 P-09-2 P-10-1 P-10-2

최대각변화량 0.009 -0.009 0.014 -0.011 -0.019 0.009 -0.030 -0.090 -0.054 0.056

최대각변위

1/6366

1/6366

1/4093

1/4407

1/3016

1/6366

1/1910

1/637-

1/10611/102

3

관리기준 각변화량 : ±0.114, 각변위 : 1/500, 1/400, 1/300




계측결과 지장물침하계

1/1061

0.054

P-02-1

1/3183

0.018

P-06-2

각변화량 : ±0.114, 각변위 : 1/500, 1/400, 1/300관리기준

1/1246

1/8431/11461/3016최대

각변위

0.0460.068-0.050-0.019최대

각변화량

P-04-2P-04-1P-02-2P-06-1No.

각변화량 : ±0.114, 각변위 : 1/500, 1/400, 1/300

1/6901/100

51/27281/2604

1/11459

1/19099

0.083-0.0570.0210.0220.005-0.003

P-07-4P-07-3P-05-2P-05-1P-07-2P-07-1




계측결과 진동계측기 ( 전기식 변위계 )

- 차량의 정체가 예상되는 3 구간의 상수도관 및 주형보에 전기식 변위기 설치후 약 1 시간 간격으로 계측

- 진동변위는 주초에 증가하다가 주말에 감소하는 경향을 나타냄

- 최대진폭 ( 최대진동변위 ) 결정

max Pos.Max.Displ. Neg.Min.Displ

4.000mm

구간구간 8k9008k900φφ24002400 상수관상수관

8k9008k900주형보주형보

9k1109k110φφ24002400 상수관상수관

9k1109k110주형보주형보

9k3109k310φφ24002400 상수관상수관

최대변위최대변위 (mm)(mm) 4.0004.000 0.2670.267 0.7500.750 0.7500.750 1.1521.152




지하지장물의 구조검토 진동변위를 고려한 지장물의 구조거동 조사


8k900 8k900 φφ2400 2400 상수관상수관 횡방향 지지보횡방향 지지보 (( 주형보주형보 ))

최대응력최대응력(kgf/cm(kgf/cm22))

항복응력항복응력(kgf/cm(kgf/cm22))

최대처짐최대처짐(mm)(mm)

최대응력최대응력(kgf/cm(kgf/cm22))

항복응력항복응력(kgf/cm(kgf/cm22))

최대처짐최대처짐(mm)(mm)

342.86342.86 1,9001,900 4.004.00 630.36630.36 1,9001,900 2.822.82

처짐규정 처짐규정 = = LL/800/800



되메우기 시공후 지하지장물의 구조검토 1 안

- 지장물 변위 억제 및 견고하게 지지

- 슬래브 부분만 S.R.C. 구조로 환경오염 방지

- 지하공간활용 양호

- 공기단축에 유리

- 지하지장물이 목적구조물에 영향을 미치지 않음

- 지장물이 많고 토피고가 높은 구간에 유리

- 지장물 복구비 저렴

장점

단점

- C.I.P. 강재와 횡방향 거더의 연결부 정밀시공필요

- 되메우기 다짐시 정밀시공 요함




되메우기 시공후 지하지장물의 구조검토

- 별도의 지지보가 없으므로 다짐관리가 우수함

- 지장물 복구비 저렴

- 공기단축에 유리

- 지하지장물이 목적구조물에 영향을 미치지 않음

- 지장물이 많고 토피고가 높은 구간에 유리

장점

단점

- 되메우기 다짐불량시 지장물침하로 인한 변위 우려

- 되메우기 다짐시 정밀시공 요함

2 안




되메우기 시공후 지하지장물의 구조해석

해석방법

- 지장물 하부는 되메우기 토사를 고려하여 탄성지반으로 가정 하중

- 지장물의 양 단부는 단순지지로 가정

- 지장물 상부의 하중은 등분포하중으로 가정


L

q

Elastic Foundation

지배미분방정식 (C. K. Wang, 1983)

4

4

d x k q

dy EI EI

cos cosh cos sinhy A x x B x xL L L L

sin cosh sin sinhC x x D x xL L L L

: 지하지장물의 휨강성 : 처짐량EI

~A D

4

4

kL

EI



되메우기 시공후 지하지장물의 구조해석결과

- 2 가지 제안된 비교안의 구조거동을 비교하기 위해 지간길이를 증가시키면서 휨모멘트 변화를 조사

- 매설깊이에 따라 본선구간과 유치선구간으로 구분

- 최대건조단위중량의 90% 및 95% 인 경우의 되메우기 토사에 대해 산출된 지반반력계수를 사용하여 지하지장물의 거동을 비교 및 분석 함

- 탄성지반 위에서는 중앙부의 휨모멘트는 증가하다 감소함

- 지간길이가 증가할 수록 처짐이 증가 함에 따라 지반반력이 증가하기 때문임

- 지간길이가 일정한 길이 이상으로 증가하면 지하지장물의 중앙부에서 상부하중과 지반반력이 평형을 이루어 더 이상 처짐이 발생하지 않음

- 지간길이가 증가할 수록 중앙부의 휨모멘트는 0 으로 수렴하고 최대휨모멘트는 양지점부근에서 발생함





최대건조단위중량의 90% 인 경우 ( 본선구간 )

지하지장물 되메우기공법 휨모멘트 (ton·m)

휨응력 (kgf/cm2)

허용응력(kgf/cm2)

처짐(mm)

상수도관1 안 28.0 29.0

1,5000.011

2 안 115.5 119.3 2.363

전력구1 안 29.1 1.6

310.005

2 안 186.5 9.9 2.260




최대건조단위중량의 90% 인 경우 ( 유치선구간 )


휨응력 (kgf/cm2)


처짐(mm)

상수도관1 안 24.3 25.1

1,5000.010

2 안 110.1 113.7 2.050

전력구1 안 30.18 1.6

310.005

2 안 193.6 10.3 2.347




최대건조단위중량의 95% 인 경우 ( 본선구간 )


휨응력 (kgf/cm2)


처짐(mm)

상수도관1 안 27.9 29.7

1,5000.011

2 안 99.6 102.9 1.736

전력구1 안 29.1 1.6

310.05

2 안 160.7 8.7 1.686




최대건조단위중량의 95% 인 경우 ( 유치선구간 )


휨응력 (kgf/cm2)


처짐(mm)

상수도관1 안 24.4 25.2

1,5000.010

2 안 86.3 89.1 1.529

전력구1 안 30.2 1.6

310.005

2 안 166.8 8.9 1.751



매설관 형식 및 제원 하중계산- 고정하중에 의한 정토압

22 1.5 3.0 /dW H t m

- 활하중에 의한 정토압

• 매설관거 상부로 차량등이 통과시 하중에 의한 압력이 토압하중에 가산

• 차량하중은 후륜하중을 사용 ( 전륜하중의 영향 무시 )

• 도로의 종방향에 타이어 접지폭 20cm 에서 45˚ 분산 , 횡방향에는 차체 점유폭을 2.75m 로 분산 가정

- 관의 종류 : 강관

- 관경 (D) : 2400mm

- 관두께 (t) : 22mm

- 토피고 (H) : 1.5m

- 매설토 단위중량 ( ) : 2.0t/m3

: 활하중 (t/m2) : 후륜하중 (DB-24 : 9.6ton) : 충격계수 (i=0.5)

lW

Pi

H (m)H (m) ii

H ≤ 1.5H ≤ 1.5 0.50.5

1.5 ≤ H ≤ 1.5 ≤ H ≤ 6.56.5

(0.65-0.1)H(0.65-0.1)H

H H ＞＞ 6.56.5 00

22 (1 )3.27 /

2.75 (0.2 2 )l

P iW ton m

H


상수관 (φ2,400mm)



강도계산- 관체의 휨모멘트 및 휨응력

• 모멘트 계수 K1, K2 는 받침각의 각도에 따라 결정

구분구분 관 정관 정 관 저관 저

K1 K2 K3 K4 K1 K2 K3 K4

9090 0.130.1322

0.070.0799

0.100.1022

0.030.0300

0.220.2233

0.010.0111

0.100.1022

0.030.0300

180180 0.120.1200

0.070.0799

0.080.0855

0.030.0300

0.160.1600

0.010.0111

0.080.0855

0.030.0300

360360 0.100.1077

0.070.0799

0.070.0700

0.030.0300

0.120.1211

0.010.0111

0.070.0700

0.030.0300


2 2 21M K q r K p r

: 단위길이당 매설토와 활하중에 의한 휨모멘트 합 : 매설토에 읜한 모멘트 계수 : 활하중에 의한 모멘트 계수 : 관두께의 중심반경 : 매설토에 의한 정토압 : 활하중에 의한 정토압

M

1K

2Krqp

- 관정과 관저의 휨모멘트

관정 :

관저 :

0.907 /cM tonf m m

0.757 /bM tonf m m

- 관정과 관저의 휨응력

관정 :

관저 :

211197.53 /c t m

29345.68 /b t m



강도계산- 관체의 수직방향 변형량 및 변형률

4 4

3 4

q r p rK K

B I B I

- 직경변형률

100 1.682 5%2

Vr

: 매설토와 활하중에 의한 직경변 형량의 합 : 매설토에 읜한 직경변형량 계수 : 활하중에 의한 직경변형량 계수 : 탄성계수 : 단면 2 차모멘트

3K

4KBI

. .O K




사용재료- 강도설계법에 의한 설계

• 콘크리트

- 설계기준강도 :

- 턴성계수 :

• 철근

- 항복강도 :

- 탄성계수 :


2240 /ckf kgf cm5 22.32 10 /cE kgf cm

23000 /yf kgf cm6 22.00 10 /sE kgf cm 하중조합

하중조합

고정하중 토압 활하중연직수압 측벽수압

지하수무 지하수유 지하수무 지하수유 연직 수평

Case-1 Case-2 Case-3 Case-4 Case-5 Case-6 Case-7 Case-8

1 1.54 - 1.8 - 1.7 1.8 - -

2 1.54 - 0.9 - 1.7 1.8 - -

3 - 1.54 - 1.8 1.7 1.8 1.5 1.8

4 - 1.54 - 0.9 1.7 1.8 1.5 1.8

전력구



부재 위치별 모멘트 및 전단력


구분 위치단면제원 Mu Su

비고B (cm) H (cm) (tonf·m) (tonf·m)

상부슬래브단부 100 50 3.778 10.459

중앙부 100 50 2.207 2.092

하부슬래브단부 100 50 1.708 8.929

중앙부 100 50 0.084 0

벽체

상단부 100 50 3.490 8.312

중앙부 100 50 1.749 0.304

하단부 100 50 3.932 10.680



우각부 계산


2 12( )

a bR t b t

a b a

전력구

< 상부슬래브 우각부 > < 하부슬래브 우각부 >

- 우각부까지의 최단거리

- 인장응력

max 2

5 uMf

R W

최단거리 최단거리 (cm)(cm) 인장응력 인장응력 (kgf/cm(kgf/cm22))

비고비고

상부 우각부상부 우각부 81.31781.317 2.8572.857

상부 우각부상부 우각부 70.71170.711 1.7081.708

. .O K

. .O K



결론

계측 및 되메우기 검토 결론

- 유한요소 해석결과 2,400mm 상수도관 및 전력구 박스의 위험단면에서의 보호공은 안전하다고 평가됨

- 계측결과 최대각변화량과 최대각변위는 각각 -0.090 ﾟ , -1/637 로 나타났으며 발생한 변위는 지하지장물의 안전에 영향을 미치지 않을 정도의 작은 값임

- 진동영향으로 발생되는 최대변위는 4.0mm 이고 , 최대변위가 발생했을 때 2,400mm 상수도관 및 횡방향 지지보는 안전한 것으로 분석됨

- 구조해석결과 되메우기 시공후 2,400mm 상수도관 및 전력구 박스는 2 안은 1 안보다 휨모멘트를 더 부담해야 하지만 구조적 안전에는 문제가 없는 것으로 나타남



결론 지하지장물의 구조해석 결과

구분 지하저장물 되메우기공법 휨모멘트(tonf·m)

휨응력(kgf/cm2)


처짐(mm)

본선구간( 최대건조단위중량의

90%)

Ф 2,400mm상수도관

1 안 28.0 29.01,500

0.011

2 안 115.5 119.3 2.363

전력구1 안 29.1 1.6

310.005

2 안 186.5 9.9 2.260

유치선구간( 최대건조단위중량의

90%)


1 안 24.3 25.11,500

0.010

2 안 110.1 113.7 2.050

전력구1 안 30.18 1.6

310.005

2 안 193.6 10.3 2.347

본선구간( 최대건조단위중량의

95%)


1 안 27.9 29.71,500

0.011

2 안 99.6 102.9 31

전력구1 안 29.1 1.6

310.05

2 안 160.7 8.7 31

유치선구간( 최대건조단위중량의

95%)


1 안 24.4 25.21,500

0.010

2 안 86.3 89.1 1.529

전력구1 안 30.2 1.6

310.005

2 안 166.8 8.9 1.751

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2008. 11. 12